球形闭孔膨胀珍珠岩研究——产品性能与应用

摘要：为解决珍珠岩矿产资源利用及传统多孔膨胀珍珠岩在使用中存在的问题，研制成功一种强度高、吸水率低的球形闭孔膨胀珍珠岩。文中介绍了该产品的技术原理、结构特征、产品性能和应用领域。
　　关键词：球形闭孔膨胀珍珠岩；绝热材料；珍珠岩资源利用；膨胀珍珠岩

　  1　前　言

　　球形闭孔膨胀珍珠岩是国际上20世纪90年代出现的一种新型珍珠岩保温绝热材料。该材料主要用于建筑保温节能和工业轻质填料领域，具有强度高、吸水率低、砂浆流动性能优良、生产无环境污染等显著优点。我院课题组经过多年的设备、工艺攻关及工业化生产试验研究，成功地研制出珍珠岩电加热膨胀炉和达到国际先进技术水平的球形闭孔膨胀珍珠岩，并于1999年11月通过河南省科委组织的鉴定。

    2　课题研究背景

    2.1　资源利用出现的问题
　　我国生产膨胀珍珠岩保温材料已有30年的历史。在河南、东北、内蒙古、河北等地均有丰富的珍珠岩矿产资源，特别是河南信阳上天梯特大型非金属矿，珍珠岩储量达1亿多t，品质为全国上乘，有着十分重要的开发和应用价值。但是，30年来我国珍珠岩行业所用矿砂大多为18～55目(1.0～0.3 mm)的中粗砂，大量的小于60目尾砂得不到合理利用而被当作“废物”处理。这种资源的严重浪费现象引起了我们的注意和思考，能否把小于60目尾矿加工成性能优良的保温材料?
    2.2　传统产品出现的问题
　　我国膨胀珍珠岩的年产量已达600万m³，但品种始终是单一的多孔结构产品，如图1所示。多孔结构的传统产品存在着明显的缺陷。

图1　传统多孔膨胀珍珠岩的扫描电镜照片(×200)

　　从图1中可看出，传统膨胀珍珠岩为一种外形极不规则，表面有着许多孔洞、裂缝、凹凸不平和表面不相连贯的粒状产品。正是由于上述结构特征，导致了材料的易碎或密度稳定性能差，制品加工中压缩比大等不良后果。这种缺陷会使材料自身的轻质和保温效果在形成制品后受到严重影响。因此，在珍珠岩的行业标准中，从未涉及强度性能技术要求。
　　更为严重的是，由于多孔结构，传统膨胀珍珠岩的吸水率相当惊人。水中浸泡2 h后，其自然吸水率可达自身重量的500％以上，这一缺陷大大影响产(制)品的长期使用寿命和保温质量，同时也增大制品的烘干成本。人们曾用涂覆憎水剂的办法来解决多孔产品吸水率大的问题，即人们所说的憎水膨胀珍珠岩产品。然而，这种办法只能保证眼前的或短期的效果，混拌或压力加工时，随着颗粒的大量破碎，憎水膜层也随之遭受破坏，因此吸水率大的问题仍然难以解决。针对以上存在问题，设想在膨化过程中使颗粒的孔隙封闭，改变其不规则形状特征，使产品达到既有一定的强度，又可大大降低吸水率，这正是我们开展球形闭孔膨胀珍珠岩研究的又一原因。
    2.3　传统生产方法上存在的问题
　　我国膨胀珍珠岩的生产绝大多数以煤和油为燃料，从而产生了大量有害烟气，造成严重环境污染。采用电加热方式生产高质量的珍珠岩产品是解决环境污染的有效途径之一。
    2.4　传统产品在技术和市场方面存在的问题
　　传统膨胀珍珠岩产品生产技术落后，产品技术含量低是多数厂家存在的问题。若不以贱价销售，其市场竞争能力将会受到严重挑战。为实现我国珍珠岩行业的持续发展，开发技术含量高，生产无环境污染，经济附加值得以提高的新产品以提高其市场竞争能力，是我们面临的现实问题。那种以浪费资源或以低微利润和环境污染为代价的生产局面不能再发展下去，这正是本课题的研究目标。

    3　球形闭孔膨胀珍珠岩结构特征和技术

    3.1　结构特征
　　图2是我院研制的球形闭孔膨胀珍珠岩的扫描电镜照片。从图2中，我们清楚地看到，该产品的外形比较规则，呈微球形，颗粒有着连续和比较平滑的表面，孔隙封闭，无裂纹和凹凸棱角之处。显微镜下观察，每一颗粒都有着完整的玻化外壳，而内部基本为透明的空心结构。当然，放大倍数提高后，并非每一个颗粒都能如同图2所示的那样呈完全球状，其中也包括有橄榄状或近球状的颗粒，但直观效果均为微球形。实际上，近球状的颗粒更有利于同其它材料的粘合。

图2　球形闭孔膨胀珍珠岩扫描电镜照片(×340)

    3.2　技术原理
　　传统的珍珠岩膨化是由于其内部所含水分蒸发引起的。在900 ℃以上的高温下，矿砂的附着水与结合水急骤蒸发所产生的大量气泡冲破颗粒表层，从而导致在体积膨胀的同时，在颗粒内部和表面形成无数蜂窝状的孔隙、裂缝，从而形成其不规则的形状特征。有些颗粒还会炸裂成数个小块，其形状则更不规则。
　　如果将珍珠岩矿砂的含水量控制到一定程度，使其在炉内受到由低温到高温的渐进加热，并通过一定的工艺手段，使其在炉内滞留相对长的时间，则珍珠岩表面和内部的水分就会相对缓慢地蒸发脱出。初期，颗粒表面虽会产生一些微小的孔隙，这主要是因颗粒表面的附着水蒸发而引发的现象，但随着温度的不断升高，珍珠岩在受热软化过程中，表面物质也会不断变软，粘度减少，不规则的凸凹部分在滚动过程中会不断扩张并填充覆盖到微细孔隙的口面上，从而形成一种玻璃质化的外壳，形状也趋向规则。当内部结合水蒸发时，开始会引发成数个气泡，由于组成内膜的物质在控制温度下粘度较小，较大的气泡会冲破气泡膜吞并周围的小气泡，最终会在内部形成众多气泡合而为一的现象，即空心结构。这就是形成球形闭孔膨胀珍珠岩的技术原理。

    4　球形闭孔膨胀珍珠岩的产品性能

　　利用上述原理，我院在1998年成功地研制出珍珠岩电加热膨化炉和球形闭孔膨胀珍珠岩产品。经过一年的半工业化试生产，合格品重复率达100％，连续作业时间达120 h以上。
    4.1　球形闭孔膨胀珍珠岩产品性能
　　我国建材行业对膨胀珍珠岩的技术要求(JC 209－92)主要涉及产品的堆积密度，质量含水率、粒度和导热系数，其中最常使用的是堆积密度和导热系数。研制球形闭孔膨胀珍珠岩的技术目标是为了提高强度和降低吸水率，因此在产品的性能设计上，除了行业标准规定的堆积密度、粒度和导热系数外，我们还增加了成球率、闭孔率、漂浮率、吸水率和筒压强度等5个项目，以便全面反映球形产品的技术性能，某些性能，如吸水率和筒压强度是在国内膨胀珍珠岩技术条件中首次采用的术语，国外同类产品中多数也未涉及或用数据对其进行过说明。
　　表1中的数据分别为国家建材局保温与密封材料质检中心、郑州大学建筑材料测试中心和国家非金属矿资源利用研究中心对送检样品的测试结果。个别项目，如漂浮率是在试验研究中自测的数据。

表1　球形闭孔膨胀珍珠岩性能检测结果

注：(1)粒度均为0.25—0.42mm；(2)筒压强度为1MPa压力下的体积损失率

    4.2　性能比较(见表2)

表2　性能比较

注：筒压强度为1MPa压力下的体积损失率

　　为增加性能可比性，表2中的3类产品均取相同粒度(0.25～0.42 mm)的样品。
    4.3　球形闭孔膨胀珍珠岩各项性能的具体说明
    4.3.1　粒度
　　我院研制的球形闭孔膨胀珍珠岩与国外同类产品均取小于60目尾砂原料加工而成。设计这种粒度的产品，一是为了充分利用尾砂，二是便于电炉膨化和降低能耗。实际上，0.15～1.50 mm粒度的产品均在我们的研究之列。
    4.3.2　堆积密度
　　球形产品的堆积密度普遍高于传统多孔产品的堆积密度，这是由于颗粒间的空气间隙减小和颗粒外壳玻化变厚所致。值得注意的是，就真密度而言，在用砂粒度相同的情况下，球形产品反而小于传统产品。如美国的一种球形产品，其用砂粒度为70～120目，堆积密度0.19 g/cm³，真密度为0.52 g/cm³。而同等粒度的多孔产品，堆积密度为0.1 g/cm³，真密度却为1.47 g/cm³。这说明，多孔产品堆积密度小的原因主要是颗粒之间和孔隙中的空气间隙所致，排除这部分空气体积来测试真密度，显然会比颗粒间隙小、孔隙封闭的球形产品大得多。目前，国内一般不用真密度来表示膨胀珍珠岩的密度性能。
    4.3.3　导热系数
　　导热系数是反映珍珠岩材料保温性能的一项关键数据。我院研制的球形产品，尽管堆积密度比传统产品略大，但导热系数却在相应标号下的优等品范围之中。这说明，球形产品的玻化外壳和空心结构对于保持和提高材料自身的保温能力是非常有效的。
    4.3.4　成球率
　　成球率是材料中基本为球形颗粒的百分数。成球率的大小与颗粒材料的抗碎能力或密度稳定性能密切相关。所谓球形或球状产品，关键在于颗粒的外壳玻化效果，只要颗粒有着连续完整的表面，均可统计为球形颗粒数量。这种球形化的特征和其在材料中的比例构成了球形闭孔膨胀珍珠岩的突出特性。表2显示，本产品的成球率比国外同类产品提高了25个百分点(统计方法是一致的)。
    4.3.5　闭孔率
　　闭孔率是材料中封闭孔隙面积占材料总面积的百分数。它是反映球形闭孔膨胀珍珠岩性能的又一项重要数据。该性能与材料的吸水率有着直接的关系，这就是闭孔率越高，吸水率越低。反之，通过吸水率的大小，也能反映出闭孔率的高低。表2中，球形产品与传统多孔产品吸水率的差别相当悬殊，这正是因为前者颗粒表面产生玻化外壳，孔隙封闭所致。
    4.3.6　漂浮率
　　漂浮率是一定质量的矿砂膨化后经水中漂浮，再干燥的质量与矿砂质量的百分比，是反映矿砂膨化效果与合格品率的一项性能指标。凡未膨胀、杂质成分或膨胀不好的次品会沉于水底，充分膨胀的合格品均会浮于水面。通过漂浮率测试，可以随时调整膨化温度与矿砂含水量，以达到最佳膨化效果。
    4.3.7　吸水率

　　吸水率是进入颗粒材料内部的水分质量与材料质量之比的百分数。这是反映球形产品性能优势的一项重要数据。进一步地说，颗粒材料的吸水率越低，产品性能越好。传统多孔产品基本为开放孔隙结构，故可在短时间内吸附自身质量4～8倍的水分。在同等测试条件下，本产品的吸水率仅为多孔产品的1/5～1/9。吸水率的测试是将样品浸水一定的时间并在真空抽滤器中除掉表层水后的计算结果。
    4.3.8　筒压强度
　　它用一定压力下颗粒材料的体积损失率或压缩率表示。测试中使用的压力为1 MPa，从表2中我们看到，球形产品与传统多孔产品的压缩率是十分悬殊的。该项性能与低吸水性能共同构成球形产品的重要特性。
　　综上所述，球形闭孔产品的优势在于低吸水率，较高的抗压强度和良好的流动性能，其保温性能居于行业标准的优等品范围。通过国内外查新和专家评审，我院研制的球形闭孔膨胀珍珠岩在国内实现了首创，产品性能达到了国际同类产品的先进技术水平。

    5　球形闭孔膨胀珍珠岩的应用

　　新产品在北京中建建筑科学技术研究院中试基地，信阳雷诺新型建材有限公司等单位进行了多项试用，根据应用报告和市场发展趋势，对球形闭孔膨胀珍珠岩的应用领域和发展前景分析如下：
    5.1　外墙保温砂浆
　　试用结果表明，以喷浆和抹灰方法进行外墙保温试验，取得了理想的效果。由于球形闭孔产品吸水率低，并具有一定的强度，且灰浆的均质性、流动度好，保温层经过一冬(－10 ℃)一夏(室外15～45 ℃)的初步考验，未发现有龟裂、剥离迹象，层面密实，不掉灰，颜色仍保持洁白。内保温砂浆干混料的密度小于多孔珍珠岩干混料，其试件的抗折、抗压强度均符合JC/T 517－93的技术要求。有关的试验数据将进一步测试。从先期的试用效果看，球形闭孔膨胀珍珠岩作为外墙内、外保温砂浆的应用是具有独特优势和价值的。
    5.2　装饰板
　　以球形闭孔膨胀珍珠岩为轻骨料，采取通用的胶结料和增强材料制成1200 mm×600 mm，厚8 mm的薄型装饰板，面密度与爱特丽特板相近。端起一角，板不断裂，说明了该板的实际抗折能力较强。经初步核算，生产这种装饰板的成本约为7～9 元/m²。从使用性能和效益角度分析，球形闭孔膨胀珍珠岩用于装饰板或其它板材的减荷材料有着广阔的市场发展前景。
    5.3　GRC隔墙板面层增强材料
　　该方面的应用试验已取得圆满成果。1000 m²隔墙板采用球形闭孔膨胀珍珠岩为面层材料后，板面的外观质量、密度、强度和硬度性能大大改善，板的断裂载负荷由原来的1300 N提高至2200 N。今后，随着GRC墙板的广泛应用，球形闭孔膨胀珍珠岩的用量也是极为可观的。
    5.4　保温板(砖)
　　屋面和室内保温板是膨胀珍珠岩的主要应用领域。生产厂家采用球形闭孔膨胀珍珠岩后，原料的压缩比由传统膨胀珍珠岩的2.8∶1减至1.8∶1，板的强度性能仍大大高于传统产品。水中浸泡12 h后，质量无明显变化，这说明板的抗水性能是十分显著的。

    6　结束语

　　球形闭孔膨胀珍珠岩以其显著的性能优势、高技术含量和无环境污染生产方式引起了建筑界和保温材料行业的普遍关注，其用途将会不断扩大，市场发展前景广阔。关于能耗和生产成本，经济效益分析，将在生产工艺和电膨化炉的续篇中加以阐述。

   本课题为河南省’97、’98重点科技攻关项目。

                    陈世富(河南信阳师范学院，河南 信阳　464000)