球形闭孔珍珠岩的研究进展与展望

朱甲甲 赵原驰 邱启龙 张艳竹 赵莉

(吉林建筑大学，吉林 长春 130119)

我国的球形闭孔膨胀珍珠岩资源十分丰富，特别是河南省信阳市的珍珠岩储备量达到了一亿多t，品质也为上乘。但我国在建筑或其他方面所需的球形闭孔膨胀珍珠岩品种大多为18～55目，这就导致大量小于60目的尾砂无法被利用。只能被当成废弃物进行处理。这使得40%～50%的膨胀珍珠岩资源被遗弃，浪费。如果能以新型技术将小于60目的尾砂重新凝聚构造形成18～55目的珍珠岩或者将这一部分沿用于其他合适的材料替代品，则可以减少许多资源浪费。并且我国的球形闭孔膨胀珍珠岩种类较为单一并且存在着诸多未知的隐患。我国的珍珠岩结构呈现为不规则多孔形状，这就会使得在其表面处会产生大量裂孔，不连贯从而引发更严重的工业影响。并且由于其多孔结构，导致球形闭孔膨胀珍珠岩的吸水性非常之高。据此特性，膨胀珍珠岩也有着工业海绵之称。这一缺点就导致了其创造出来的产品保温性能大大降低，甚至会造成材料开裂，空鼓等安全隐患。而如果使用烘干的方法防止水分进入则会在成本上得不偿失。有人提出使用镀层的方法给球形闭孔膨胀珍珠岩增加一层防水保护膜，但就算加上保护膜后，在进行工业搅拌或加工的时候仍会由于保护膜的破裂而使材料损坏。并且在运输过程中，其保温砂浆会发生离析分层等现象。这就会使后续的施工方面造成麻烦。针对以上问题，假设可以使不改变其理化性质或者是改良材料的基础上增加其结构稳定性。也就是将其不规则的孔洞形状变成规则的正多边形稳定结构。再以原子镀膜的形式防止水分子进入甚至还能加强分子间的吸附力使得材料密度结构变的更为紧凑。在生产-运输-应用的过程中研究出一种新型的保护装置，使其性能材质保持稳定不变。

1998年，膨胀珍珠岩以较强的隔热性能、施工方便、维护方便、抗冲击性好等优点，初次出现在工业领域，主要用于建筑轻质填料。1999年11月，我国成功研制出具有国际先进水平的球形闭孔膨胀珍珠岩[1]。这种材料不仅拥有广泛的社会与经济价值，更符合国家对于环保方面的要求。便利的施工条件，简单的维修方式等都使得膨胀珍珠岩优于大部分保温材料。并且应用于自然环境中的材料一定会遭遇一些来自外界所造成的不可抗拒的危害，比如潮湿腐蚀，高温严寒，菌类生长，啮齿动物破坏等。膨胀珍珠岩则可以很好的抵御住这些伤害，使产品或建材的寿命大大增强，保证内部材料的稳定使用来达到内芯与外壳同寿的最终目的。

1 膨胀珍珠岩

1.1 基础性质

珍珠岩(Perlite)是一种形成于火山喷发后(见表1)，(酸性)熔岩在巨大温差下急烈冷却而成的岩石[2]，表面具有光泽和裂纹。正常的珍珠岩含水量在2%～6%。它的化学组成部分主要有二氧化硅(SiO2)、水(H20)，氧化铁(Fe2O3)，其中二氧化硅占据70%左右。我国也有着丰富的珍珠岩矿藏，主要分布在太平洋板块、亚欧板块和印度洋板块拉伸和挤压之处，地质活动频繁，北起黑龙江，南至海南，都有珍珠岩的分布，其中河南信阳的珍珠岩最为出名。珍珠岩的开采也不需要繁琐的流程和苛刻的环境。正常露天开采即可。开采出的矿石也无需挑选细分，直接进去破碎机破碎筛分即可得到珍珠岩物料。

表1 珍珠岩基础性能

这里的珍珠岩是广义，还包括珍珠岩，黑曜岩和松脂岩。

膨胀珍珠岩是珍珠岩原矿经粉碎干燥后(见表2)，加温到850～1100℃下焙烧而得到的产品[3]，此时，它的体积相较与原来会膨胀数十倍，呈现为多孔蜂窝状，大大提高了珍珠岩的性能，但仍存在较多缺陷，膨胀后的珍珠岩内部稳定性差，一捏即碎，强度低。

表2 膨胀珍珠岩的相关测试值

球形闭孔膨胀珍珠岩是经闭孔加工和表面憎水处理的强化珍珠岩产品，解决了因高温膨胀吸水率倍增的问题，提高了产品性能，具有保温隔热、颗粒均匀、抗压强度等优质性能。

根据膨胀工艺技术和用途不同，球形闭孔膨胀珍珠岩可以分为三种形态:开放孔(open cell)，闭孔(closed cell)，中空孔(balloon)[4]。球形闭孔膨胀珍珠岩含有玻璃质，玻璃质中结合水，容易引起矿石膨胀[5]。通过比较珍珠岩矿石燃烧前后体积变化之比可以衡量珍珠岩的膨胀性能[6]。其他还有预热时间，焙烧时间也会影响珍珠岩的膨胀倍数。

球形闭孔膨胀珍珠岩是一种优良的建筑材料，在工业领域发挥着巨大的作用。其优异的隔热保温性能和较长的使用寿命使其在建筑领域发光发热。然而，球形闭孔膨胀珍珠岩不仅在建筑领域有一席之地。由于它具有无毒无味、不燃烧、不腐蚀、不易风化、对土壤亲和力强等优点，也可作为农业吸附剂、肥料保持剂和土地改良剂，甚至可以直接作用于作物。对于树木的固定，球形闭孔膨胀珍珠岩也能发挥一定的作用。珍珠岩同时克服了树木的根系对基建的破坏，有效地解决建筑布局的荷载问题。清洁无味，结构简单，维护方便等特点更让珍珠岩的使用范围愈发宽广。近年来，随着科学技术的发展，珍珠岩开始在各个领域显示出其共同的特性，包括珍贵花卉的培育。建筑中的吸水性在农业中也可以得到极大的发展。此外，由于透水系数高，可有效防止淤积损害。其理化性质稳定，可使植物长时间生长而不改变土壤。甚至强大的透水性使得珍珠岩在过滤领域方面也可以涉及其中，比如污水处理，油层过滤等都有珍珠岩存在的身影。

1.2 浅层物理性质

早期，珍珠岩因为质量轻，成本低且具有良好的保温性能，在建筑领域被广泛应用在混凝土中做为骨料。但是，随着对珍珠岩物理性能的进一步研究，特别是物理力学性能的研究，对珍珠岩的广泛应用具有重要意义。高原[7]采用多手段、多角度耦合的方法对珍珠岩矿岩混凝土的理化性能和作用机理进行了实验研究，过程结合了珍珠岩混凝土的水化反应和珠光体混凝土的基本力学性能测试，并且细致讨论了珍珠岩岩石的相关数据及意义。研究表明，20～30目的珍珠岩加混凝土的组合的具有更好的理化性能。本研究提出的理论和实验结果有效地拓展了珍珠岩在更广泛领域的应用。

膨胀珍珠岩密度低，应用于天瓦、管道保温、石膏墙板、低温保温、过滤介质等领域。在与其他介质混合过程中，容易受到来自各个方向的剪切应力，存在易断裂的问题。解决这个问题的方法之一是减少它们的尺寸来增加它们的强度。用珍珠岩制备的中空玻璃微球，称为膨胀珍珠岩，但其尺寸通常在20μm以上。近年来，人们迫切需要具有低密度的精细微球。在传统的制备方法中，由于细磨的珍珠岩颗粒中的水，在加热过程中演化，很难产生粒径在20μm以下的细膨胀珍珠岩。流化砂床炉是快速加热细颗粒的有效工具。K. SODEYAMA[8]利用快速热炉，成功制备了粒径在15μm以下、体密度在0.5g/cm3以下的细膨胀珍珠岩。通过含水量和发泡温度，讨论发泡条件。用温度编程解吸法和红外光谱法解释了水的存在状态。

1.3 化学上的构成与分解

珍珠岩的化学主要成分：SiO271%～75%，A12O312%～18%，K2O 4%～5%，CaO 0.2%～2%，Fe2O30.5%～1.5%，此外尚含MgO、TiO2、MnO等。其中氧化硅占据比例最大，定性了珍珠岩无机材料的性质，具有优异、持久的隔热保温性，防腐蚀、经久耐用性，取之天然，使用寿命长。

6）问题总结：接地变、站用变保护装置的中央信号2继电器（XJ2装置告警信号继电器）由控制回路断线告警启动后，即使控制回路断线信号返回，按键复归操作后，中央信号2继电器也无法返回。对此厂家经过研究后发现为装置软件处理问题，同时发现东莞局共有9个站同型装置存在同样的问题。

2 珍珠岩应用分析

本文采用文献研究法，研究从珍珠岩到膨胀珍珠岩到球状闭孔膨胀珍珠岩的理化性能，分析比较各自优缺点及相对前者的优化性能，收集国内外有关膨胀珍珠岩的最近进展。从历史，过去，现在多方位的角度更加全面的了解人们针对珍珠岩做的研究和新发展性思考。通过整理完成对珍珠岩更全面的认识，也有利于后续学习者对此种材料掌握更深层次的了解。

2.1 国外

近些年国外对珍珠岩的研究越来越深入，不仅限于建筑材料，更多以珍珠岩的物理化学性能切向，研究向更加广泛的应用发展。

Gizem Manasoglu和Mehmet kanik[9]采用刀过卷法在四种不同浓度下涂覆不同粒径的微粉珍珠岩。研究了珍珠岩填料的粒度和浓度对涤纶织物热性能和太阳能性能的影响。根据两种不同的原理测试了涤纶织物的导热系数。结果表明，珍珠石添加剂改善了涤纶织物的隔热保温性能;在根据JISR2618标准进行的测量中，随着珍珠石浓度和粒径的增加，导热系数比参考样品减小;根据ENISO6942标准，随着珍珠岩浓度密度的增加和珍珠岩颗粒尺寸的增大，传热因子和传热通量密度的使用逐渐减小。

Krzysztof Drzzol[10]研究了对由创新的珍珠岩混凝土砌块制成的烟囱进行的试验。分别分析了四种具有差异体积密度的珍珠岩混凝土砌块。然后将所得结果与广泛使用的LECA(轻质膨胀粘土骨料)混凝土砌块进行了比较。试验结果表明，珍珠岩混凝土砌块具有良好的隔热性能，并用其制作了新颖的烟囱外壳。即使在煤烟火灾(1000℃)过程中发生的高温下，也能保持防火的安全水平。尽管没有额外的管道绝缘，珍珠岩的这些特性仍被保留。

2.2 国内

国内珍珠岩研究虽然起步较晚，但随着经济社会的发展，各种对新材料特别是节能环保材料的需求越来越大，相应的创新研究也不断。

刘光[11]等从膨胀珍珠岩的无机物改性处理的膨胀珍珠岩的有机物改性处理两方面，对膨胀珍珠岩在保温材料的研究进展进行了研究。研究表明未来珍珠岩的发展方向将向着保温节能的作用继续进展。例如研发多种材料不同比例加珍珠岩，制成复合材料，更好实现膨胀珍珠岩的理化机能。

学者王冠然[12]以膨胀珍珠岩为负载加入到SiO2气凝胶溶胶内部，制备了膨胀珍珠岩SiO2气凝胶隔热复合材料。过程中研究了膨胀珍珠岩用量对对复合材料性能的影响，运用物理添加法和化学添加法分别进行材料制备、测试与得出结论。研究表明，当加入1.5g膨胀珍珠岩且加入5g石棉绒纤维时，得到的气凝胶隔热复合材料性能最佳。对制备的复合材料进行测试分析，当密度为34.14kg/m3时，最大拉伸强度为840kPa，最低导热系数为0.03454w/(m·k)。

鄢瑛[13]等设计的一种具有梯度多孔结构的膨胀珍珠岩碳纳米管膜(CNT)复合材料，这种以樟脑为前驱体的合成膜，有效解决了传统颗粒型吸附存在的压降大，传质效率过低的问题。笔者利用粒径在0.160～0.212mm的工业级的膨胀珍珠岩和天然樟脑等为主要实验材料，采用化学气相沉积法，制备Cnts/ Polite，并分别通过生长时间生长温度樟脑用量三个维度检验本复合材料的性能。最终结论表明这种新型梯度孔结构材料，效果相当明显，极大提高了传质效率，能够有效运用在工业中。

任媛[14]等人在研究微生物保温板性能变化的时，从菌液浓度、过氧化钙、保温板维护方法、养护温度、KJ01发泡等几大方面进行了探究。结果表明，将菌液OD600设定在1.0作为最佳值。要想更大的容重与抗压强度，减小吸水率，可以采取适当提高KJ01掺入量的方法。164 kg/m3与0.65 MPa是试样的最高容重与抗压强度，温度条件是30℃。随着养护时间的延长，保温板容重与抗压强度得到了提升，吸水率有减小趋势，导热系数基本稳定。改进后的微生物保温板具有了更小的导热系数、更低的抗压强度和相对稳定的吸水率。

张玉洁[15]等选用聚乙二醇、膨胀珍珠岩、石墨粉、粉煤灰、水泥、河沙为主要试验材料，制备了复合相变储热材料和蓄热砖，通过负载率测试，DSC分析，热导率分析和力学强度分析，结果表征，制备的复合相变储热，材料导热率为0.392/(m·K)，而添加复合相变储热材料的蓄热砖也男主国家相关标准，能够较好运用在暖通工程和建筑节能方面。

王静茹[16]采用来自信阳上天梯矿区的珍珠岩尾矿砂，改进传统高温发泡法中使用的碳化硅，采用氢氧化钠或水玻璃为碱激发剂，适当添加外加剂，在这种更为温和的条件下制备出的材料，经实验证明更加的轻质，且强度较高，并且具有能耗低，节能环保等优势。

刘学智[17]针对气凝胶膨胀珍珠岩外表的增水性质导致的混凝土粘连性问题，提出了利用硅烷偶联剂进行处理的思路，笔者进行了单因素试验和正交试验进行分析，选取的效果更佳的羟丙基甲基纤维素做掺加材料。通过对保温材料为膨胀珍珠岩的单个房间分析表明，气凝胶膨胀珍珠岩的隔热保温性能较膨胀珍珠岩更佳。

耿旗辉[18]等着眼于提高轻骨料混凝土和次轻骨料混凝土的强度，制备了超高性能次轻骨料混凝土。大量研究表明，限制轻骨料混凝土和次轻骨料混凝土开发利用的主要因素在于轻骨料的强度较低。笔者选用强度极低的膨胀珍珠岩为实验用轻骨料进行探索。在对轻骨料混凝土的干表观密度进行测试中，通过三维结构重构分析材料分散性。结论表明：膨胀珍珠园的掺入能明显降低超高性能次轻骨料混凝土钢纤维分散性，因此会使混凝土保持更优异的力学性能。

传统的膨胀珍珠岩性能、强度亟待提升，针对于提高其力学性能的复合型材料研究较多、也相当广泛。

2.3 建筑保温领域

20世纪四五十年代，首次亮相在美国亚利桑那州的珍珠岩，第一次的应用是用作工业生产的保温隔热材料。而在中国，首次的应用是作为耐火材料，当时是在大连耐火材料厂生产。在此之后膨胀珍珠岩在国内外各个领域都发挥着重要的作用。在建筑领域，园艺领域，医学领域，航天领域，都能看到珍珠岩是一的身影。调查显示，欧洲国家使用膨胀珍珠岩作为建筑保温材料的比例为50%，北美国家为60%，日本为55%，中国甚至为65%[19]。

膨胀珍珠岩材料以容积小、导热性差、防火性好、隔音性好、廉价高效、无毒绿色节约著称，广泛用作保冷填充材料和建筑保温材料，相关应用如:轻混凝土骨料、墙体松散保温填料、保温地板、建筑保温抹灰材料等。但是在膨胀珍珠岩的使用过程中有的缺点我们不可否认，我们目前也正在从根本上去解决。其一，膨胀珍珠岩是一种无机多孔材料，多孔性导致了它的亲水性，当珍珠岩与水接触，内部含水量剧增而水具有高导热性，且导热系数远高于膨胀珍珠岩，会显著降低珍珠岩的保温性；另一方面，多孔表明珍珠岩内部结构并不稳定，容易经挤压碰撞破碎成粉末状。其密度的增加会严重影响保温性能。膨胀珍珠岩的疏水强化处理是膨胀珍珠岩保温应用中的一个重要环节。其二是膨胀珍珠岩保温板以及一些其它经常用于外墙保温的膨胀珍珠岩产品在具有优良防火性能，保温、憎水、施工方便等优点的同时，但在使用过程中由于外墙外保温系统中保温板与基层墙体大多采用粘锚结合的方式，并且以粘为主、以锚为辅的情况十分常见，可是膨胀珍珠岩抗拉承载力存在达不到规定值或者风荷载的往复作用十分容易导致其发生疲劳破坏，而该类外保温系统的使用寿命恰巧主要取决于粘结性能的好坏[20]。

3 发展与展望

在竞争日益激烈的中国市场经济中，优胜劣汰是永恒的真理，虽然珍珠岩广泛应用于各个领域，也有不断壮大的产业，但其领域却面临着严峻的挑战。由于其密度低、导热系数低、孔隙率低，闭孔球形扩展珍珠岩在建筑、畜牧业、石油化工、医药、水电、机械等领域具有良好的应用。与国外相比，珍珠岩在中国的使用范围较窄，主要集中在建筑、隔热和节能领域。中国珍珠岩富含矿物质，但大量的开采和预处理会产生大量的废物。为了应对来自其他产品和材料的激烈竞争，珍珠岩和珍珠岩加工行业应首先降低生产成本，提高产品性能，充分利用其优势，不断开发新的功能性产品，积极开发性能优化的复合材料。膨胀珍珠岩的制备已经非常广泛，但仍然值得研究高质量的膨胀珍珠岩，这需要进一步了解珍珠岩的球形性能和其热膨胀的机理，以及影响因素。珍珠岩的进一步使用应基于对其性质的进一步了解(例如，不同区域中闭孔珍珠岩的球形膨胀，膨胀机理和影响因素，热稳定性等)，开发用于球形封闭电池膨胀的高质量珍珠岩产品。同时，应考虑珍珠岩颗粒大小和颗粒形貌对产品性能的影响。并且珍珠岩制品中，不仅保留珍珠岩固有的优良性能很重要，其中加入的其他材料或粘合剂也会有独属于他们自己的特殊性能。使其融合发展绝对会产生1+1>2的质变。

4 结语

球形闭孔膨胀珍珠岩虽然在开采技术方面有待提升，但是其优异理化性质足以让它在未来几十年拥有举重若轻的地位。不仅仅是建筑方面的使用，跨行业应用已成必然。但球形闭孔膨胀珍珠岩的提升空间并未被其良好的性能所拘束。球形闭孔膨胀珍珠岩在中国起步较晚，还有很多优点未被发掘出来。目前我们所能了解到的只有浅层物理性质上的优缺点及少部分化学上的构成与分解。还有百分之七八十的中心性质等待着人们的研究。球形闭孔膨胀珍珠岩的发展前景十分广阔，值得令人深入研究。