珍珠巖膨脹倍數測試影響因素研究

王勇華，張坤建，馮惠敏

（中材地質工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

珍珠巖系酸性巖漿噴出地表后，受到大氣冷卻作用，巖漿快速冷凝，大量水蒸汽未能從巖漿中逸散，形成的一種含水的玻璃質熔巖。珍珠巖的膨脹性能是根據礦石膨脹前后體積之比，即膨脹倍數的大小來衡量的。珍珠巖沒有固定熔點，隨著膨脹溫度的升高，珍珠巖顆粒開始發生軟化，首先在顆粒表面形成封閉的外殼。隨后，顆粒內部溫度升高，其玻璃質結構內水分迅速汽化，產生很大的壓力，在軟化外殼的封閉作用下，蒸發氣體不能逸出，使顆粒體積迅速膨脹，形成了顆粒內部呈蜂窩狀結構的膨脹珍珠巖。膨脹珍珠巖容重輕、導熱系數低、化學性質穩定、吸濕率低、不燃、無毒無味，是一種重要輕質保溫、隔熱、吸音的材料，廣泛應用于建筑、輕工、冶金、園藝、環保等領域。

從膨脹機理來講，珍珠巖玻璃質含量和含水量是影響其膨脹性能的內在因素，而膨脹過程中的預熱溫度、控制的含水量、膨脹溫度、膨脹時間是影響膨脹性能的主要外部因素。為了排除或減少珍珠巖內在因素的干擾，本次試驗通過XRD和化學分析，篩選物化指標相近的10個珍珠巖樣品。通過試驗探討預熱溫度、含水量控制、膨脹溫度、膨脹時間等因素對其膨脹倍數的影響。

1 試驗

1.1 儀器設備

箱式高溫電爐(最高溫度1300℃)；電子天平(感量0.01g)；量筒：圓柱形，5mL、10mL、25mL(校正刻度)；瓷蒸發皿：100mL；X-射線衍射儀(理學2600)；偏光顯微鏡(徠卡POL-Ⅱ)。

1.2 試驗樣品

珍珠巖原礦，取自6個不同珍珠巖地區，其中ZZY-1～ZZY-5樣品取自不同礦區，ZZY-6～ZZY-10取自同一個礦區。試驗樣品測試數據見表1、圖1。

表1 試驗樣品的物化性能(%)

經珍珠巖XRD檢測結果和巖石薄片鑒定分析可知，珍珠巖試驗樣品玻璃質含量較高，除ZZY-1、ZZY-5樣品偏低外，其他樣品玻璃質含量在85%～87%之間，具有較好的一致性。試樣雜質主要為石英，另外還有少量透閃石。偏光顯微鏡觀察，石英的斑晶、微晶及各種形態的雛晶、隱晶質等。試驗樣品測試結果見圖2。

1.3 試驗方法

首先，將珍珠巖原礦破碎，經篩分取粒徑0.5～1.0mm顆粒作為試驗樣品；然后，將樣品在不同的溫度下預熱，獲得待測試樣品。用量筒取適量預熱過的樣品置于小坩堝內，將其迅速倒入箱式高溫電爐中的蒸發皿中進行膨脹。最后測量不同試驗條件下珍珠巖的膨脹倍數。試驗中采用固定優選試驗條件，分別考察了預熱溫度、預熱時間、膨脹溫度、膨脹時間的變化對珍珠巖膨脹倍數的影響。試驗流程為：珍珠巖原礦破碎篩分預熱焙燒測試結果。

2 試驗結果分析與討論

2.1 預熱溫度

預熱溫度是影響珍珠巖膨脹最重要的因素之一，主要是控制珍珠巖玻璃質中空隙水含量。當珍珠巖礦樣中水分含量過高，高溫膨脹時水分汽化急劇，內部蒸汽壓力過大，導致膨脹顆粒破裂，產品粉化嚴重，膨脹倍數減小，產品密度增大。反之，水分含量過小，高溫膨脹時水分汽化產生的蒸汽壓力不夠大，樣品不能充分膨脹，膨脹倍數減小。只有樣品中水分產生的壓力與軟化溫度相匹配，才能達到最佳膨脹狀態。本試驗設定預熱時間15min，預熱溫度280～440℃，對預熱珍珠巖含水量進行了考察(見圖3、表2)。樣品ZZY-6～ZZY-10的預熱溫度為280、300、320、340℃，由于水分含量過大，在膨脹時把樣品炸裂，飛濺出來，影響膨脹倍數。

表2 不同預熱溫度的珍珠巖含水率(%)

測試結果表明360～410℃預熱，可獲得最佳膨脹效果，其含水量為2%～3%。試驗還表明珍珠巖含水量隨預熱溫度的升高而降低，兩者具有較好的線性關系。本試驗條件：預熱時間15min、膨脹溫度1160℃、膨脹時間10s。

2.2 預熱時間

珍珠巖預熱時間短，水分蒸發少，達不到預熱的目的，預熱時間過長，水分蒸發多，樣品中的水分太少，高溫膨脹時產生的蒸汽壓力不能使樣品充分膨脹或不足以充分膨脹，造成珍珠巖樣品的膨脹倍數偏小。本試驗設定預熱時間：5～30min，對其膨脹倍數進行了考察。

測試結果表明：預熱時間對珍珠巖膨脹倍數具有較好的一致性，可見，預熱15min可獲得最佳的膨脹效果，二者關系見圖4。本試驗條件：預熱溫度400℃、膨脹溫度1160℃、膨脹時間10s。

2.3 膨脹溫度

由于各地珍珠巖原巖的礦物組分、化學成分、玻璃質含量、成礦作用的差異，其膨脹溫度也有所不同。理論上，其膨脹溫度為850～1350℃。實際上，除了希臘和菲律賓有1000℃以下膨脹溫度的珍珠巖外，其他珍珠巖膨脹溫度都在1000℃以上，試驗測得絕大多數膨脹溫度在1050～1250℃之間。結合試驗樣品實際情況，本試驗設定膨脹溫度：1050、1100、1150、1160、1170、1180、1190、1200、1250℃。

試驗結果表明，樣品的最佳膨脹溫度在1150～1170℃之間，其膨脹溫度與膨脹倍數的關系見圖5。試驗條件：預熱溫度400℃、預熱時間15min、膨脹時間10s。

2.4 膨脹時間

膨脹時間是影響珍珠巖膨脹倍數最重要的因素之一。本試驗設定預熱溫度400℃、預熱時間15min、膨脹溫度1160℃。試驗樣品的膨脹時間與膨脹結果關系見圖6。

試驗結果表明：在相同的預熱溫度和膨脹溫度條件下，獲得最大膨脹倍數所需的膨脹時間是不同的。試驗發現，膨脹倍數高的樣品，需要的膨脹時間短，反之，膨脹倍數低的樣品，則需要更長的膨脹時間。ZZY-6、ZZY-7、ZZY-9珍珠巖試樣，其膨脹時間為10s時，膨脹倍數最高達10～11倍，而隨著膨脹時間加長，膨脹倍數反而降低。其原因是膨脹時間過長，顆粒表面熔化、發生坍塌導致顆粒體積收縮。試驗還發現，膨脹時間還與試驗樣品數量有關。樣品數量較少時，顆粒可在瞬間達到全部膨脹溫度，內部水分全部汽化，達到最大的膨脹效果。樣品數量多時，短時內溫度不能傳遞到物料中心的顆粒上，這部分顆粒水分不能瞬間全部汽化。而如果膨脹時間延長，物料外部顆粒表面又開始發生熔化，產生縮殼效應。所以，取樣量大時，所測膨脹倍數會偏小。要使膨脹倍數達到最大化，樣品應取少量為宜，但取樣量少，容易導致測試誤差較大，所以要多次測試，然后取平均值。

3 結論

(1)珍珠巖含水量過大，高溫膨脹時將導致珍珠巖顆粒炸裂，粉化嚴重，膨脹倍數減小；含水量過小，膨脹不充分，膨脹倍數偏小。預熱是有效控制珍珠巖礦樣含水量的最重要環節。試驗結果表明：預熱后的珍珠巖最佳含水量為2%～3%、預熱溫度360～400℃、預熱時間15min。

(2)膨脹溫度過高或過低都將影響珍珠巖的最佳膨脹效果。膨脹溫度過低，珍珠巖顆粒內部水分難以充分汽化，膨脹倍數必然較低；膨脹溫度過高，珍珠巖顆粒易表面熔化，產生縮殼效應，膨脹倍數降低，特別是高膨脹倍數的珍珠巖尤為明顯。由于各地珍珠巖原巖的礦物組分、化學成分、玻璃質含量、成礦作用的差異，其最佳膨脹溫度有一些差別，但變化范圍不大。本次試驗結果表明：珍珠巖的最佳膨脹溫度應在1150～1170℃之間。

(3)在實際生產過程中，膨脹溫度和膨脹時間需要一個最佳搭配，才能使樣品的膨脹倍數達到最大。這樣既節約了能源，又使生產成本下降，獲得更高的經濟效益。