球形閉孔珍珠巖的研究進展與展望

朱甲甲 趙原馳 邱啟龍 張艷竹 趙莉

(吉林建筑大學，吉林 長春 130119)

我國的球形閉孔膨脹珍珠巖資源十分豐富，特別是河南省信陽市的珍珠巖儲備量達到了一億多t，品質也為上乘。但我國在建筑或其他方面所需的球形閉孔膨脹珍珠巖品種大多為18～55目，這就導致大量小于60目的尾砂無法被利用。只能被當成廢棄物進行處理。這使得40%～50%的膨脹珍珠巖資源被遺棄，浪費。如果能以新型技術將小于60目的尾砂重新凝聚構造形成18～55目的珍珠巖或者將這一部分沿用于其他合適的材料替代品，則可以減少許多資源浪費。并且我國的球形閉孔膨脹珍珠巖種類較為單一并且存在著諸多未知的隱患。我國的珍珠巖結構呈現為不規則多孔形狀，這就會使得在其表面處會產生大量裂孔，不連貫從而引發更嚴重的工業影響。并且由于其多孔結構，導致球形閉孔膨脹珍珠巖的吸水性非常之高。據此特性，膨脹珍珠巖也有著工業海綿之稱。這一缺點就導致了其創造出來的產品保溫性能大大降低，甚至會造成材料開裂，空鼓等安全隱患。而如果使用烘干的方法防止水分進入則會在成本上得不償失。有人提出使用鍍層的方法給球形閉孔膨脹珍珠巖增加一層防水保護膜，但就算加上保護膜后，在進行工業攪拌或加工的時候仍會由于保護膜的破裂而使材料損壞。并且在運輸過程中，其保溫砂漿會發生離析分層等現象。這就會使后續的施工方面造成麻煩。針對以上問題，假設可以使不改變其理化性質或者是改良材料的基礎上增加其結構穩定性。也就是將其不規則的孔洞形狀變成規則的正多邊形穩定結構。再以原子鍍膜的形式防止水分子進入甚至還能加強分子間的吸附力使得材料密度結構變的更為緊湊。在生產-運輸-應用的過程中研究出一種新型的保護裝置，使其性能材質保持穩定不變。

1998年，膨脹珍珠巖以較強的隔熱性能、施工方便、維護方便、抗沖擊性好等優點，初次出現在工業領域，主要用于建筑輕質填料。1999年11月，我國成功研制出具有國際先進水平的球形閉孔膨脹珍珠巖[1]。這種材料不僅擁有廣泛的社會與經濟價值，更符合國家對于環保方面的要求。便利的施工條件，簡單的維修方式等都使得膨脹珍珠巖優于大部分保溫材料。并且應用于自然環境中的材料一定會遭遇一些來自外界所造成的不可抗拒的危害，比如潮濕腐蝕，高溫嚴寒，菌類生長，嚙齒動物破壞等。膨脹珍珠巖則可以很好的抵御住這些傷害，使產品或建材的壽命大大增強，保證內部材料的穩定使用來達到內芯與外殼同壽的最終目的。

1 膨脹珍珠巖

1.1 基礎性質

珍珠巖(Perlite)是一種形成于火山噴發后(見表1)，(酸性)熔巖在巨大溫差下急烈冷卻而成的巖石[2]，表面具有光澤和裂紋。正常的珍珠巖含水量在2%～6%。它的化學組成部分主要有二氧化硅(SiO2)、水(H20)，氧化鐵(Fe2O3)，其中二氧化硅占據70%左右。我國也有著豐富的珍珠巖礦藏，主要分布在太平洋板塊、亞歐板塊和印度洋板塊拉伸和擠壓之處，地質活動頻繁，北起黑龍江，南至海南，都有珍珠巖的分布，其中河南信陽的珍珠巖最為出名。珍珠巖的開采也不需要繁瑣的流程和苛刻的環境。正常露天開采即可。開采出的礦石也無需挑選細分，直接進去破碎機破碎篩分即可得到珍珠巖物料。

表1 珍珠巖基礎性能

這里的珍珠巖是廣義，還包括珍珠巖，黑曜巖和松脂巖。

膨脹珍珠巖是珍珠巖原礦經粉碎干燥后(見表2)，加溫到850～1100℃下焙燒而得到的產品[3]，此時，它的體積相較與原來會膨脹數十倍，呈現為多孔蜂窩狀，大大提高了珍珠巖的性能，但仍存在較多缺陷，膨脹后的珍珠巖內部穩定性差，一捏即碎，強度低。

表2 膨脹珍珠巖的相關測試值

球形閉孔膨脹珍珠巖是經閉孔加工和表面憎水處理的強化珍珠巖產品，解決了因高溫膨脹吸水率倍增的問題，提高了產品性能，具有保溫隔熱、顆粒均勻、抗壓強度等優質性能。

根據膨脹工藝技術和用途不同，球形閉孔膨脹珍珠巖可以分為三種形態:開放孔(open cell)，閉孔(closed cell)，中空孔(balloon)[4]。球形閉孔膨脹珍珠巖含有玻璃質，玻璃質中結合水，容易引起礦石膨脹[5]。通過比較珍珠巖礦石燃燒前后體積變化之比可以衡量珍珠巖的膨脹性能[6]。其他還有預熱時間，焙燒時間也會影響珍珠巖的膨脹倍數。

球形閉孔膨脹珍珠巖是一種優良的建筑材料，在工業領域發揮著巨大的作用。其優異的隔熱保溫性能和較長的使用壽命使其在建筑領域發光發熱。然而，球形閉孔膨脹珍珠巖不僅在建筑領域有一席之地。由于它具有無毒無味、不燃燒、不腐蝕、不易風化、對土壤親和力強等優點，也可作為農業吸附劑、肥料保持劑和土地改良劑，甚至可以直接作用于作物。對于樹木的固定，球形閉孔膨脹珍珠巖也能發揮一定的作用。珍珠巖同時克服了樹木的根系對基建的破壞，有效地解決建筑布局的荷載問題。清潔無味，結構簡單，維護方便等特點更讓珍珠巖的使用范圍愈發寬廣。近年來，隨著科學技術的發展，珍珠巖開始在各個領域顯示出其共同的特性，包括珍貴花卉的培育。建筑中的吸水性在農業中也可以得到極大的發展。此外，由于透水系數高，可有效防止淤積損害。其理化性質穩定，可使植物長時間生長而不改變土壤。甚至強大的透水性使得珍珠巖在過濾領域方面也可以涉及其中，比如污水處理，油層過濾等都有珍珠巖存在的身影。

1.2 淺層物理性質

早期，珍珠巖因為質量輕，成本低且具有良好的保溫性能，在建筑領域被廣泛應用在混凝土中做為骨料。但是，隨著對珍珠巖物理性能的進一步研究，特別是物理力學性能的研究，對珍珠巖的廣泛應用具有重要意義。高原[7]采用多手段、多角度耦合的方法對珍珠巖礦巖混凝土的理化性能和作用機理進行了實驗研究，過程結合了珍珠巖混凝土的水化反應和珠光體混凝土的基本力學性能測試，并且細致討論了珍珠巖巖石的相關數據及意義。研究表明，20～30目的珍珠巖加混凝土的組合的具有更好的理化性能。本研究提出的理論和實驗結果有效地拓展了珍珠巖在更廣泛領域的應用。

膨脹珍珠巖密度低，應用于天瓦、管道保溫、石膏墻板、低溫保溫、過濾介質等領域。在與其他介質混合過程中，容易受到來自各個方向的剪切應力，存在易斷裂的問題。解決這個問題的方法之一是減少它們的尺寸來增加它們的強度。用珍珠巖制備的中空玻璃微球，稱為膨脹珍珠巖，但其尺寸通常在20μm以上。近年來，人們迫切需要具有低密度的精細微球。在傳統的制備方法中，由于細磨的珍珠巖顆粒中的水，在加熱過程中演化，很難產生粒徑在20μm以下的細膨脹珍珠巖。流化砂床爐是快速加熱細顆粒的有效工具。K. SODEYAMA[8]利用快速熱爐，成功制備了粒徑在15μm以下、體密度在0.5g/cm3以下的細膨脹珍珠巖。通過含水量和發泡溫度，討論發泡條件。用溫度編程解吸法和紅外光譜法解釋了水的存在狀態。

1.3 化學上的構成與分解

珍珠巖的化學主要成分：SiO271%～75%，A12O312%～18%，K2O 4%～5%，CaO 0.2%～2%，Fe2O30.5%～1.5%，此外尚含MgO、TiO2、MnO等。其中氧化硅占據比例最大，定性了珍珠巖無機材料的性質，具有優異、持久的隔熱保溫性，防腐蝕、經久耐用性，取之天然，使用壽命長。

6）問題總結：接地變、站用變保護裝置的中央信號2繼電器（XJ2裝置告警信號繼電器）由控制回路斷線告警啟動后，即使控制回路斷線信號返回，按鍵復歸操作后，中央信號2繼電器也無法返回。對此廠家經過研究后發現為裝置軟件處理問題，同時發現東莞局共有9個站同型裝置存在同樣的問題。

2 珍珠巖應用分析

本文采用文獻研究法，研究從珍珠巖到膨脹珍珠巖到球狀閉孔膨脹珍珠巖的理化性能，分析比較各自優缺點及相對前者的優化性能，收集國內外有關膨脹珍珠巖的最近進展。從歷史，過去，現在多方位的角度更加全面的了解人們針對珍珠巖做的研究和新發展性思考。通過整理完成對珍珠巖更全面的認識，也有利于后續學習者對此種材料掌握更深層次的了解。

2.1 國外

近些年國外對珍珠巖的研究越來越深入，不僅限于建筑材料，更多以珍珠巖的物理化學性能切向，研究向更加廣泛的應用發展。

Gizem Manasoglu和Mehmet kanik[9]采用刀過卷法在四種不同濃度下涂覆不同粒徑的微粉珍珠巖。研究了珍珠巖填料的粒度和濃度對滌綸織物熱性能和太陽能性能的影響。根據兩種不同的原理測試了滌綸織物的導熱系數。結果表明，珍珠石添加劑改善了滌綸織物的隔熱保溫性能;在根據JISR2618標準進行的測量中，隨著珍珠石濃度和粒徑的增加，導熱系數比參考樣品減小;根據ENISO6942標準，隨著珍珠巖濃度密度的增加和珍珠巖顆粒尺寸的增大，傳熱因子和傳熱通量密度的使用逐漸減小。

Krzysztof Drzzol[10]研究了對由創新的珍珠巖混凝土砌塊制成的煙囪進行的試驗。分別分析了四種具有差異體積密度的珍珠巖混凝土砌塊。然后將所得結果與廣泛使用的LECA(輕質膨脹粘土骨料)混凝土砌塊進行了比較。試驗結果表明，珍珠巖混凝土砌塊具有良好的隔熱性能，并用其制作了新穎的煙囪外殼。即使在煤煙火災(1000℃)過程中發生的高溫下，也能保持防火的安全水平。盡管沒有額外的管道絕緣，珍珠巖的這些特性仍被保留。

2.2 國內

國內珍珠巖研究雖然起步較晚，但隨著經濟社會的發展，各種對新材料特別是節能環保材料的需求越來越大，相應的創新研究也不斷。

劉光[11]等從膨脹珍珠巖的無機物改性處理的膨脹珍珠巖的有機物改性處理兩方面，對膨脹珍珠巖在保溫材料的研究進展進行了研究。研究表明未來珍珠巖的發展方向將向著保溫節能的作用繼續進展。例如研發多種材料不同比例加珍珠巖，制成復合材料，更好實現膨脹珍珠巖的理化機能。

學者王冠然[12]以膨脹珍珠巖為負載加入到SiO2氣凝膠溶膠內部，制備了膨脹珍珠巖SiO2氣凝膠隔熱復合材料。過程中研究了膨脹珍珠巖用量對對復合材料性能的影響，運用物理添加法和化學添加法分別進行材料制備、測試與得出結論。研究表明，當加入1.5g膨脹珍珠巖且加入5g石棉絨纖維時，得到的氣凝膠隔熱復合材料性能最佳。對制備的復合材料進行測試分析，當密度為34.14kg/m3時，最大拉伸強度為840kPa，最低導熱系數為0.03454w/(m·k)。

鄢瑛[13]等設計的一種具有梯度多孔結構的膨脹珍珠巖碳納米管膜(CNT)復合材料，這種以樟腦為前驅體的合成膜，有效解決了傳統顆粒型吸附存在的壓降大，傳質效率過低的問題。筆者利用粒徑在0.160～0.212mm的工業級的膨脹珍珠巖和天然樟腦等為主要實驗材料，采用化學氣相沉積法，制備Cnts/ Polite，并分別通過生長時間生長溫度樟腦用量三個維度檢驗本復合材料的性能。最終結論表明這種新型梯度孔結構材料，效果相當明顯，極大提高了傳質效率，能夠有效運用在工業中。

任媛[14]等人在研究微生物保溫板性能變化的時，從菌液濃度、過氧化鈣、保溫板維護方法、養護溫度、KJ01發泡等幾大方面進行了探究。結果表明，將菌液OD600設定在1.0作為最佳值。要想更大的容重與抗壓強度，減小吸水率，可以采取適當提高KJ01摻入量的方法。164 kg/m3與0.65 MPa是試樣的最高容重與抗壓強度，溫度條件是30℃。隨著養護時間的延長，保溫板容重與抗壓強度得到了提升，吸水率有減小趨勢，導熱系數基本穩定。改進后的微生物保溫板具有了更小的導熱系數、更低的抗壓強度和相對穩定的吸水率。

張玉潔[15]等選用聚乙二醇、膨脹珍珠巖、石墨粉、粉煤灰、水泥、河沙為主要試驗材料，制備了復合相變儲熱材料和蓄熱磚，通過負載率測試，DSC分析，熱導率分析和力學強度分析，結果表征，制備的復合相變儲熱，材料導熱率為0.392/(m·K)，而添加復合相變儲熱材料的蓄熱磚也男主國家相關標準，能夠較好運用在暖通工程和建筑節能方面。

王靜茹[16]采用來自信陽上天梯礦區的珍珠巖尾礦砂，改進傳統高溫發泡法中使用的碳化硅，采用氫氧化鈉或水玻璃為堿激發劑，適當添加外加劑，在這種更為溫和的條件下制備出的材料，經實驗證明更加的輕質，且強度較高，并且具有能耗低，節能環保等優勢。

劉學智[17]針對氣凝膠膨脹珍珠巖外表的增水性質導致的混凝土粘連性問題，提出了利用硅烷偶聯劑進行處理的思路，筆者進行了單因素試驗和正交試驗進行分析，選取的效果更佳的羥丙基甲基纖維素做摻加材料。通過對保溫材料為膨脹珍珠巖的單個房間分析表明，氣凝膠膨脹珍珠巖的隔熱保溫性能較膨脹珍珠巖更佳。

耿旗輝[18]等著眼于提高輕骨料混凝土和次輕骨料混凝土的強度，制備了超高性能次輕骨料混凝土。大量研究表明，限制輕骨料混凝土和次輕骨料混凝土開發利用的主要因素在于輕骨料的強度較低。筆者選用強度極低的膨脹珍珠巖為實驗用輕骨料進行探索。在對輕骨料混凝土的干表觀密度進行測試中，通過三維結構重構分析材料分散性。結論表明：膨脹珍珠園的摻入能明顯降低超高性能次輕骨料混凝土鋼纖維分散性，因此會使混凝土保持更優異的力學性能。

傳統的膨脹珍珠巖性能、強度亟待提升，針對于提高其力學性能的復合型材料研究較多、也相當廣泛。

2.3 建筑保溫領域

20世紀四五十年代，首次亮相在美國亞利桑那州的珍珠巖，第一次的應用是用作工業生產的保溫隔熱材料。而在中國，首次的應用是作為耐火材料，當時是在大連耐火材料廠生產。在此之后膨脹珍珠巖在國內外各個領域都發揮著重要的作用。在建筑領域，園藝領域，醫學領域，航天領域，都能看到珍珠巖是一的身影。調查顯示，歐洲國家使用膨脹珍珠巖作為建筑保溫材料的比例為50%，北美國家為60%，日本為55%，中國甚至為65%[19]。

膨脹珍珠巖材料以容積小、導熱性差、防火性好、隔音性好、廉價高效、無毒綠色節約著稱，廣泛用作保冷填充材料和建筑保溫材料，相關應用如:輕混凝土骨料、墻體松散保溫填料、保溫地板、建筑保溫抹灰材料等。但是在膨脹珍珠巖的使用過程中有的缺點我們不可否認，我們目前也正在從根本上去解決。其一，膨脹珍珠巖是一種無機多孔材料，多孔性導致了它的親水性，當珍珠巖與水接觸，內部含水量劇增而水具有高導熱性，且導熱系數遠高于膨脹珍珠巖，會顯著降低珍珠巖的保溫性；另一方面，多孔表明珍珠巖內部結構并不穩定，容易經擠壓碰撞破碎成粉末狀。其密度的增加會嚴重影響保溫性能。膨脹珍珠巖的疏水強化處理是膨脹珍珠巖保溫應用中的一個重要環節。其二是膨脹珍珠巖保溫板以及一些其它經常用于外墻保溫的膨脹珍珠巖產品在具有優良防火性能，保溫、憎水、施工方便等優點的同時，但在使用過程中由于外墻外保溫系統中保溫板與基層墻體大多采用粘錨結合的方式，并且以粘為主、以錨為輔的情況十分常見，可是膨脹珍珠巖抗拉承載力存在達不到規定值或者風荷載的往復作用十分容易導致其發生疲勞破壞，而該類外保溫系統的使用壽命恰巧主要取決于粘結性能的好壞[20]。

3 發展與展望

在競爭日益激烈的中國市場經濟中，優勝劣汰是永恒的真理，雖然珍珠巖廣泛應用于各個領域，也有不斷壯大的產業，但其領域卻面臨著嚴峻的挑戰。由于其密度低、導熱系數低、孔隙率低，閉孔球形擴展珍珠巖在建筑、畜牧業、石油化工、醫藥、水電、機械等領域具有良好的應用。與國外相比，珍珠巖在中國的使用范圍較窄，主要集中在建筑、隔熱和節能領域。中國珍珠巖富含礦物質，但大量的開采和預處理會產生大量的廢物。為了應對來自其他產品和材料的激烈競爭，珍珠巖和珍珠巖加工行業應首先降低生產成本，提高產品性能，充分利用其優勢，不斷開發新的功能性產品，積極開發性能優化的復合材料。膨脹珍珠巖的制備已經非常廣泛，但仍然值得研究高質量的膨脹珍珠巖，這需要進一步了解珍珠巖的球形性能和其熱膨脹的機理，以及影響因素。珍珠巖的進一步使用應基于對其性質的進一步了解(例如，不同區域中閉孔珍珠巖的球形膨脹，膨脹機理和影響因素，熱穩定性等)，開發用于球形封閉電池膨脹的高質量珍珠巖產品。同時，應考慮珍珠巖顆粒大小和顆粒形貌對產品性能的影響。并且珍珠巖制品中，不僅保留珍珠巖固有的優良性能很重要，其中加入的其他材料或粘合劑也會有獨屬于他們自己的特殊性能。使其融合發展絕對會產生1+1>2的質變。

4 結語

球形閉孔膨脹珍珠巖雖然在開采技術方面有待提升，但是其優異理化性質足以讓它在未來幾十年擁有舉重若輕的地位。不僅僅是建筑方面的使用，跨行業應用已成必然。但球形閉孔膨脹珍珠巖的提升空間并未被其良好的性能所拘束。球形閉孔膨脹珍珠巖在中國起步較晚，還有很多優點未被發掘出來。目前我們所能了解到的只有淺層物理性質上的優缺點及少部分化學上的構成與分解。還有百分之七八十的中心性質等待著人們的研究。球形閉孔膨脹珍珠巖的發展前景十分廣闊，值得令人深入研究。