珍珠岩膨胀倍数测试影响因素研究

王勇华，张坤建，冯惠敏

（中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

珍珠岩系酸性岩浆喷出地表后，受到大气冷却作用，岩浆快速冷凝，大量水蒸汽未能从岩浆中逸散，形成的一种含水的玻璃质熔岩。珍珠岩的膨胀性能是根据矿石膨胀前后体积之比，即膨胀倍数的大小来衡量的。珍珠岩没有固定熔点，随着膨胀温度的升高，珍珠岩颗粒开始发生软化，首先在颗粒表面形成封闭的外壳。随后，颗粒内部温度升高，其玻璃质结构内水分迅速汽化，产生很大的压力，在软化外壳的封闭作用下，蒸发气体不能逸出，使颗粒体积迅速膨胀，形成了颗粒内部呈蜂窝状结构的膨胀珍珠岩。膨胀珍珠岩容重轻、导热系数低、化学性质稳定、吸湿率低、不燃、无毒无味，是一种重要轻质保温、隔热、吸音的材料，广泛应用于建筑、轻工、冶金、园艺、环保等领域。

从膨胀机理来讲，珍珠岩玻璃质含量和含水量是影响其膨胀性能的内在因素，而膨胀过程中的预热温度、控制的含水量、膨胀温度、膨胀时间是影响膨胀性能的主要外部因素。为了排除或减少珍珠岩内在因素的干扰，本次试验通过XRD和化学分析，筛选物化指标相近的10个珍珠岩样品。通过试验探讨预热温度、含水量控制、膨胀温度、膨胀时间等因素对其膨胀倍数的影响。

1 试验

1.1 仪器设备

箱式高温电炉(最高温度1300℃)；电子天平(感量0.01g)；量筒：圆柱形，5mL、10mL、25mL(校正刻度)；瓷蒸发皿：100mL；X-射线衍射仪(理学2600)；偏光显微镜(徕卡POL-Ⅱ)。

1.2 试验样品

珍珠岩原矿，取自6个不同珍珠岩地区，其中ZZY-1～ZZY-5样品取自不同矿区，ZZY-6～ZZY-10取自同一个矿区。试验样品测试数据见表1、图1。

表1 试验样品的物化性能(%)

经珍珠岩XRD检测结果和岩石薄片鉴定分析可知，珍珠岩试验样品玻璃质含量较高，除ZZY-1、ZZY-5样品偏低外，其他样品玻璃质含量在85%～87%之间，具有较好的一致性。试样杂质主要为石英，另外还有少量透闪石。偏光显微镜观察，石英的斑晶、微晶及各种形态的雏晶、隐晶质等。试验样品测试结果见图2。

1.3 试验方法

首先，将珍珠岩原矿破碎，经筛分取粒径0.5～1.0mm颗粒作为试验样品；然后，将样品在不同的温度下预热，获得待测试样品。用量筒取适量预热过的样品置于小坩埚内，将其迅速倒入箱式高温电炉中的蒸发皿中进行膨胀。最后测量不同试验条件下珍珠岩的膨胀倍数。试验中采用固定优选试验条件，分别考察了预热温度、预热时间、膨胀温度、膨胀时间的变化对珍珠岩膨胀倍数的影响。试验流程为：珍珠岩原矿破碎筛分预热焙烧测试结果。

2 试验结果分析与讨论

2.1 预热温度

预热温度是影响珍珠岩膨胀最重要的因素之一，主要是控制珍珠岩玻璃质中空隙水含量。当珍珠岩矿样中水分含量过高，高温膨胀时水分汽化急剧，内部蒸汽压力过大，导致膨胀颗粒破裂，产品粉化严重，膨胀倍数减小，产品密度增大。反之，水分含量过小，高温膨胀时水分汽化产生的蒸汽压力不够大，样品不能充分膨胀，膨胀倍数减小。只有样品中水分产生的压力与软化温度相匹配，才能达到最佳膨胀状态。本试验设定预热时间15min，预热温度280～440℃，对预热珍珠岩含水量进行了考察(见图3、表2)。样品ZZY-6～ZZY-10的预热温度为280、300、320、340℃，由于水分含量过大，在膨胀时把样品炸裂，飞溅出来，影响膨胀倍数。

表2 不同预热温度的珍珠岩含水率(%)

测试结果表明360～410℃预热，可获得最佳膨胀效果，其含水量为2%～3%。试验还表明珍珠岩含水量随预热温度的升高而降低，两者具有较好的线性关系。本试验条件：预热时间15min、膨胀温度1160℃、膨胀时间10s。

2.2 预热时间

珍珠岩预热时间短，水分蒸发少，达不到预热的目的，预热时间过长，水分蒸发多，样品中的水分太少，高温膨胀时产生的蒸汽压力不能使样品充分膨胀或不足以充分膨胀，造成珍珠岩样品的膨胀倍数偏小。本试验设定预热时间：5～30min，对其膨胀倍数进行了考察。

测试结果表明：预热时间对珍珠岩膨胀倍数具有较好的一致性，可见，预热15min可获得最佳的膨胀效果，二者关系见图4。本试验条件：预热温度400℃、膨胀温度1160℃、膨胀时间10s。

2.3 膨胀温度

由于各地珍珠岩原岩的矿物组分、化学成分、玻璃质含量、成矿作用的差异，其膨胀温度也有所不同。理论上，其膨胀温度为850～1350℃。实际上，除了希腊和菲律宾有1000℃以下膨胀温度的珍珠岩外，其他珍珠岩膨胀温度都在1000℃以上，试验测得绝大多数膨胀温度在1050～1250℃之间。结合试验样品实际情况，本试验设定膨胀温度：1050、1100、1150、1160、1170、1180、1190、1200、1250℃。

试验结果表明，样品的最佳膨胀温度在1150～1170℃之间，其膨胀温度与膨胀倍数的关系见图5。试验条件：预热温度400℃、预热时间15min、膨胀时间10s。

2.4 膨胀时间

膨胀时间是影响珍珠岩膨胀倍数最重要的因素之一。本试验设定预热温度400℃、预热时间15min、膨胀温度1160℃。试验样品的膨胀时间与膨胀结果关系见图6。

试验结果表明：在相同的预热温度和膨胀温度条件下，获得最大膨胀倍数所需的膨胀时间是不同的。试验发现，膨胀倍数高的样品，需要的膨胀时间短，反之，膨胀倍数低的样品，则需要更长的膨胀时间。ZZY-6、ZZY-7、ZZY-9珍珠岩试样，其膨胀时间为10s时，膨胀倍数最高达10～11倍，而随着膨胀时间加长，膨胀倍数反而降低。其原因是膨胀时间过长，颗粒表面熔化、发生坍塌导致颗粒体积收缩。试验还发现，膨胀时间还与试验样品数量有关。样品数量较少时，颗粒可在瞬间达到全部膨胀温度，内部水分全部汽化，达到最大的膨胀效果。样品数量多时，短时内温度不能传递到物料中心的颗粒上，这部分颗粒水分不能瞬间全部汽化。而如果膨胀时间延长，物料外部颗粒表面又开始发生熔化，产生缩壳效应。所以，取样量大时，所测膨胀倍数会偏小。要使膨胀倍数达到最大化，样品应取少量为宜，但取样量少，容易导致测试误差较大，所以要多次测试，然后取平均值。

3 结论

(1)珍珠岩含水量过大，高温膨胀时将导致珍珠岩颗粒炸裂，粉化严重，膨胀倍数减小；含水量过小，膨胀不充分，膨胀倍数偏小。预热是有效控制珍珠岩矿样含水量的最重要环节。试验结果表明：预热后的珍珠岩最佳含水量为2%～3%、预热温度360～400℃、预热时间15min。

(2)膨胀温度过高或过低都将影响珍珠岩的最佳膨胀效果。膨胀温度过低，珍珠岩颗粒内部水分难以充分汽化，膨胀倍数必然较低；膨胀温度过高，珍珠岩颗粒易表面熔化，产生缩壳效应，膨胀倍数降低，特别是高膨胀倍数的珍珠岩尤为明显。由于各地珍珠岩原岩的矿物组分、化学成分、玻璃质含量、成矿作用的差异，其最佳膨胀温度有一些差别，但变化范围不大。本次试验结果表明：珍珠岩的最佳膨胀温度应在1150～1170℃之间。

(3)在实际生产过程中，膨胀温度和膨胀时间需要一个最佳搭配，才能使样品的膨胀倍数达到最大。这样既节约了能源，又使生产成本下降，获得更高的经济效益。