摘要：為解決珍珠巖礦產資源利用及傳統多孔膨脹珍珠巖在使用中存在的問題，研制成功一種強度高、吸水率低的球形閉孔膨脹珍珠巖。文中介紹了該產品的技術原理、結構特征、產品性能和應用領域。 關鍵詞：球形閉孔膨脹珍珠巖；絕熱材料；珍珠巖資源利用；膨脹珍珠巖
1 前 言
球形閉孔膨脹珍珠巖是國際上20世紀90年代出現的一種新型珍珠巖保溫絕熱材料。該材料主要用于建筑保溫節能和工業輕質填料領域，具有強度高、吸水率低、砂漿流動性能優良、生產無環境污染等顯著優點。我院課題組經過多年的設備、工藝攻關及工業化生產試驗研究，成功地研制出珍珠巖電加熱膨脹爐和達到國際先進技術水平的球形閉孔膨脹珍珠巖，并于1999年11月通過河南省科委組織的鑒定。
2 課題研究背景
2.1 資源利用出現的問題 我國生產膨脹珍珠巖保溫材料已有30年的歷史。在河南、東北、內蒙古、河北等地均有豐富的珍珠巖礦產資源，特別是河南信陽上天梯特大型非金屬礦，珍珠巖儲量達1億多t，品質為全國上乘，有著十分重要的開發和應用價值。但是，30年來我國珍珠巖行業所用礦砂大多為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當作“廢物”處理。這種資源的嚴重浪費現象引起了我們的注意和思考，能否把小于60目尾礦加工成性能優良的保溫材料? 2.2 傳統產品出現的問題 我國膨脹珍珠巖的年產量已達600萬m3，但品種始終是單一的多孔結構產品，如圖1所示。多孔結構的傳統產品存在著明顯的缺陷。
圖1 傳統多孔膨脹珍珠巖的掃描電鏡照片(×200)
從圖1中可看出，傳統膨脹珍珠巖為一種外形極不規則，表面有著許多孔洞、裂縫、凹凸不平和表面不相連貫的粒狀產品。正是由于上述結構特征，導致了材料的易碎或密度穩定性能差，制品加工中壓縮比大等不良后果。這種缺陷會使材料自身的輕質和保溫效果在形成制品后受到嚴重影響。因此，在珍珠巖的行業標準中，從未涉及強度性能技術要求。 更為嚴重的是，由于多孔結構，傳統膨脹珍珠巖的吸水率相當驚人。水中浸泡2 h后，其自然吸水率可達自身重量的500％以上，這一缺陷大大影響產(制)品的長期使用壽命和保溫質量，同時也增大制品的烘干成本。人們曾用涂覆憎水劑的辦法來解決多孔產品吸水率大的問題，即人們所說的憎水膨脹珍珠巖產品。然而，這種辦法只能保證眼前的或短期的效果，混拌或壓力加工時，隨著顆粒的大量破碎，憎水膜層也隨之遭受破壞，因此吸水率大的問題仍然難以解決。針對以上存在問題，設想在膨化過程中使顆粒的孔隙封閉，改變其不規則形狀特征，使產品達到既有一定的強度，又可大大降低吸水率，這正是我們開展球形閉孔膨脹珍珠巖研究的又一原因。 2.3 傳統生產方法上存在的問題 我國膨脹珍珠巖的生產絕大多數以煤和油為燃料，從而產生了大量有害煙氣，造成嚴重環境污染。采用電加熱方式生產高質量的珍珠巖產品是解決環境污染的有效途徑之一。 2.4 傳統產品在技術和市場方面存在的問題 傳統膨脹珍珠巖產品生產技術落后，產品技術含量低是多數廠家存在的問題。若不以賤價銷售，其市場競爭能力將會受到嚴重挑戰。為實現我國珍珠巖行業的持續發展，開發技術含量高，生產無環境污染，經濟附加值得以提高的新產品以提高其市場競爭能力，是我們面臨的現實問題。那種以浪費資源或以低微利潤和環境污染為代價的生產局面不能再發展下去，這正是本課題的研究目標。
3 球形閉孔膨脹珍珠巖結構特征和技術
3.1 結構特征 圖2是我院研制的球形閉孔膨脹珍珠巖的掃描電鏡照片。從圖2中，我們清楚地看到，該產品的外形比較規則，呈微球形，顆粒有著連續和比較平滑的表面，孔隙封閉，無裂紋和凹凸棱角之處。顯微鏡下觀察，每一顆粒都有著完整的?；鈿?，而內部基本為透明的空心結構。當然，放大倍數提高后，并非每一個顆粒都能如同圖2所示的那樣呈完全球狀，其中也包括有橄欖狀或近球狀的顆粒，但直觀效果均為微球形。實際上，近球狀的顆粒更有利于同其它材料的粘合。
圖2 球形閉孔膨脹珍珠巖掃描電鏡照片(×340)
3.2 技術原理 傳統的珍珠巖膨化是由于其內部所含水分蒸發引起的。在900 ℃以上的高溫下，礦砂的附著水與結合水急驟蒸發所產生的大量氣泡沖破顆粒表層，從而導致在體積膨脹的同時，在顆粒內部和表面形成無數蜂窩狀的孔隙、裂縫，從而形成其不規則的形狀特征。有些顆粒還會炸裂成數個小塊，其形狀則更不規則。 如果將珍珠巖礦砂的含水量控制到一定程度，使其在爐內受到由低溫到高溫的漸進加熱，并通過一定的工藝手段，使其在爐內滯留相對長的時間，則珍珠巖表面和內部的水分就會相對緩慢地蒸發脫出。初期，顆粒表面雖會產生一些微小的孔隙，這主要是因顆粒表面的附著水蒸發而引發的現象，但隨著溫度的不斷升高，珍珠巖在受熱軟化過程中，表面物質也會不斷變軟，粘度減少，不規則的凸凹部分在滾動過程中會不斷擴張并填充覆蓋到微細孔隙的口面上，從而形成一種玻璃質化的外殼，形狀也趨向規則。當內部結合水蒸發時，開始會引發成數個氣泡，由于組成內膜的物質在控制溫度下粘度較小，較大的氣泡會沖破氣泡膜吞并周圍的小氣泡，最終會在內部形成眾多氣泡合而為一的現象，即空心結構。這就是形成球形閉孔膨脹珍珠巖的技術原理。
4 球形閉孔膨脹珍珠巖的產品性能
利用上述原理，我院在1998年成功地研制出珍珠巖電加熱膨化爐和球形閉孔膨脹珍珠巖產品。經過一年的半工業化試生產，合格品重復率達100％，連續作業時間達120 h以上。 4.1 球形閉孔膨脹珍珠巖產品性能 我國建材行業對膨脹珍珠巖的技術要求(JC 209－92)主要涉及產品的堆積密度，質量含水率、粒度和導熱系數，其中最常使用的是堆積密度和導熱系數。研制球形閉孔膨脹珍珠巖的技術目標是為了提高強度和降低吸水率，因此在產品的性能設計上，除了行業標準規定的堆積密度、粒度和導熱系數外，我們還增加了成球率、閉孔率、漂浮率、吸水率和筒壓強度等5個項目，以便全面反映球形產品的技術性能，某些性能，如吸水率和筒壓強度是在國內膨脹珍珠巖技術條件中首次采用的術語，國外同類產品中多數也未涉及或用數據對其進行過說明。 表1中的數據分別為國家建材局保溫與密封材料質檢中心、鄭州大學建筑材料測試中心和國家非金屬礦資源利用研究中心對送檢樣品的測試結果。個別項目，如漂浮率是在試驗研究中自測的數據。
表1 球形閉孔膨脹珍珠巖性能檢測結果
送檢樣品編號
堆積密度 （kg/m3）
導熱系數 ［w/(m。k)］
成球率 （%）
閉孔率 （%）
漂浮率 （%）
吸水率 （%）
筒壓強度 （%）
706#
90
0.047
90
94
94
84.0
46
1201#
120
0.052
85
96
95
53.7
42
1304#
160
0.054
85
98
92
48.0
32.5
注：(1)粒度均為0.25—0.42mm；(2)筒壓強度為1MPa壓力下的體積損失率
4.2 性能比較(見表2)
表2 性能比較
項目
本產品
國外球形產品
傳統多孔產品
堆積密度 （kg/m3）
90～160
200～320
60～70
導熱系數 ［w/(m。k)］
0.047～0.054
0.055～0.066
0.045～0.047
成球率 （%）
≥85
≥60
<5
閉孔率 （%）
≥94
75～94
全部為開放孔
漂浮率 （%）
94～96
74～94
92
吸水率 （%）
48～84
40.8 (320 kg/m3)
360～460
筒壓強度 （%）
46.0
達到黑曜巖膨脹品強度
76.5
注：筒壓強度為1MPa壓力下的體積損失率
為增加性能可比性，表2中的3類產品均取相同粒度(0.25～0.42 mm)的樣品。 4.3 球形閉孔膨脹珍珠巖各項性能的具體說明 4.3.1 粒度 我院研制的球形閉孔膨脹珍珠巖與國外同類產品均取小于60目尾砂原料加工而成。設計這種粒度的產品，一是為了充分利用尾砂，二是便于電爐膨化和降低能耗。實際上，0.15～1.50 mm粒度的產品均在我們的研究之列。 4.3.2 堆積密度 球形產品的堆積密度普遍高于傳統多孔產品的堆積密度，這是由于顆粒間的空氣間隙減小和顆粒外殼?；兒袼?。值得注意的是，就真密度而言，在用砂粒度相同的情況下，球形產品反而小于傳統產品。如美國的一種球形產品，其用砂粒度為70～120目，堆積密度0.19 g/cm3，真密度為0.52 g/cm3。而同等粒度的多孔產品，堆積密度為0.1 g/cm3，真密度卻為1.47 g/cm3。這說明，多孔產品堆積密度小的原因主要是顆粒之間和孔隙中的空氣間隙所致，排除這部分空氣體積來測試真密度，顯然會比顆粒間隙小、孔隙封閉的球形產品大得多。目前，國內一般不用真密度來表示膨脹珍珠巖的密度性能。 4.3.3 導熱系數 導熱系數是反映珍珠巖材料保溫性能的一項關鍵數據。我院研制的球形產品，盡管堆積密度比傳統產品略大，但導熱系數卻在相應標號下的優等品范圍之中。這說明，球形產品的?；鈿ず涂招慕Y構對于保持和提高材料自身的保溫能力是非常有效的。 4.3.4 成球率 成球率是材料中基本為球形顆粒的百分數。成球率的大小與顆粒材料的抗碎能力或密度穩定性能密切相關。所謂球形或球狀產品，關鍵在于顆粒的外殼?；Ч?，只要顆粒有著連續完整的表面，均可統計為球形顆粒數量。這種球形化的特征和其在材料中的比例構成了球形閉孔膨脹珍珠巖的突出特性。表2顯示，本產品的成球率比國外同類產品提高了25個百分點(統計方法是一致的)。 4.3.5 閉孔率 閉孔率是材料中封閉孔隙面積占材料總面積的百分數。它是反映球形閉孔膨脹珍珠巖性能的又一項重要數據。該性能與材料的吸水率有著直接的關系，這就是閉孔率越高，吸水率越低。反之，通過吸水率的大小，也能反映出閉孔率的高低。表2中，球形產品與傳統多孔產品吸水率的差別相當懸殊，這正是因為前者顆粒表面產生?；鈿?，孔隙封閉所致。 4.3.6 漂浮率 漂浮率是一定質量的礦砂膨化后經水中漂浮，再干燥的質量與礦砂質量的百分比，是反映礦砂膨化效果與合格品率的一項性能指標。凡未膨脹、雜質成分或膨脹不好的次品會沉于水底，充分膨脹的合格品均會浮于水面。通過漂浮率測試，可以隨時調整膨化溫度與礦砂含水量，以達到最佳膨化效果。 4.3.7 吸水率
吸水率是進入顆粒材料內部的水分質量與材料質量之比的百分數。這是反映球形產品性能優勢的一項重要數據。進一步地說，顆粒材料的吸水率越低，產品性能越好。傳統多孔產品基本為開放孔隙結構，故可在短時間內吸附自身質量4～8倍的水分。在同等測試條件下，本產品的吸水率僅為多孔產品的1/5～1/9。吸水率的測試是將樣品浸水一定的時間并在真空抽濾器中除掉表層水后的計算結果。 4.3.8 筒壓強度 它用一定壓力下顆粒材料的體積損失率或壓縮率表示。測試中使用的壓力為1 MPa，從表2中我們看到，球形產品與傳統多孔產品的壓縮率是十分懸殊的。該項性能與低吸水性能共同構成球形產品的重要特性。 綜上所述，球形閉孔產品的優勢在于低吸水率，較高的抗壓強度和良好的流動性能，其保溫性能居于行業標準的優等品范圍。通過國內外查新和專家評審，我院研制的球形閉孔膨脹珍珠巖在國內實現了首創，產品性能達到了國際同類產品的先進技術水平。
5 球形閉孔膨脹珍珠巖的應用
新產品在北京中建建筑科學技術研究院中試基地，信陽雷諾新型建材有限公司等單位進行了多項試用，根據應用報告和市場發展趨勢，對球形閉孔膨脹珍珠巖的應用領域和發展前景分析如下： 5.1 外墻保溫砂漿 試用結果表明，以噴漿和抹灰方法進行外墻保溫試驗，取得了理想的效果。由于球形閉孔產品吸水率低，并具有一定的強度，且灰漿的均質性、流動度好，保溫層經過一冬(－10 ℃)一夏(室外15～45 ℃)的初步考驗，未發現有龜裂、剝離跡象，層面密實，不掉灰，顏色仍保持潔白。內保溫砂漿干混料的密度小于多孔珍珠巖干混料，其試件的抗折、抗壓強度均符合JC/T 517－93的技術要求。有關的試驗數據將進一步測試。從先期的試用效果看，球形閉孔膨脹珍珠巖作為外墻內、外保溫砂漿的應用是具有獨特優勢和價值的。 5.2 裝飾板 以球形閉孔膨脹珍珠巖為輕骨料，采取通用的膠結料和增強材料制成1200 mm×600 mm，厚8 mm的薄型裝飾板，面密度與愛特麗特板相近。端起一角，板不斷裂，說明了該板的實際抗折能力較強。經初步核算，生產這種裝飾板的成本約為7～9 元/m2。從使用性能和效益角度分析，球形閉孔膨脹珍珠巖用于裝飾板或其它板材的減荷材料有著廣闊的市場發展前景。 5.3 GRC隔墻板面層增強材料 該方面的應用試驗已取得圓滿成果。1000 m2隔墻板采用球形閉孔膨脹珍珠巖為面層材料后，板面的外觀質量、密度、強度和硬度性能大大改善，板的斷裂載負荷由原來的1300 N提高至2200 N。今后，隨著GRC墻板的廣泛應用，球形閉孔膨脹珍珠巖的用量也是極為可觀的。 5.4 保溫板(磚) 屋面和室內保溫板是膨脹珍珠巖的主要應用領域。生產廠家采用球形閉孔膨脹珍珠巖后，原料的壓縮比由傳統膨脹珍珠巖的2.8∶1減至1.8∶1，板的強度性能仍大大高于傳統產品。水中浸泡12 h后，質量無明顯變化，這說明板的抗水性能是十分顯著的。
6 結束語
球形閉孔膨脹珍珠巖以其顯著的性能優勢、高技術含量和無環境污染生產方式引起了建筑界和保溫材料行業的普遍關注，其用途將會不斷擴大，市場發展前景廣闊。關于能耗和生產成本，經濟效益分析，將在生產工藝和電膨化爐的續篇中加以闡述。
本課題為河南省’97、’98重點科技攻關項目。
陳世富(河南信陽師范學院，河南 信陽 464000)
標簽： 球形
