珍珠巖膨脹倍數(shù)測試影響因素研究

王勇華，張坤建，馮惠敏

（中材地質(zhì)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(zhì)熔巖。珍珠巖的膨脹性能是根據(jù)礦石膨脹前后體積之比，即膨脹倍數(shù)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(fā)生軟化，首先在顆粒表面形成封閉的外殼。隨后，顆粒內(nèi)部溫度升高，其玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)水分迅速汽化，產(chǎn)生很大的壓力，在軟化外殼的封閉作用下，蒸發(fā)氣體不能逸出，使顆粒體積迅速膨脹，形成了顆粒內(nèi)部呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)的膨脹珍珠巖。膨脹珍珠巖容重輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、吸濕率低、不燃、無毒無味，是一種重要輕質(zhì)保溫、隔熱、吸音的材料，廣泛應(yīng)用于建筑、輕工、冶金、園藝、環(huán)保等領(lǐng)域。

從膨脹機(jī)理來講，珍珠巖玻璃質(zhì)含量和含水量是影響其膨脹性能的內(nèi)在因素，而膨脹過程中的預(yù)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(nèi)在因素的干擾，本次試驗通過XRD和化學(xué)分析，篩選物化指標(biāo)相近的10個珍珠巖樣品。通過試驗探討預(yù)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(shù)的影響。

1 試驗

1.1 儀器設(shè)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(fā)皿：100mL；X-射線衍射儀(理學(xué)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(qū)，其中ZZY-1～ZZY-5樣品取自不同礦區(qū)，ZZY-6～ZZY-10取自同一個礦區(qū)。試驗樣品測試數(shù)據(jù)見表1、圖1。

表1 試驗樣品的物化性能(%)

經(jīng)珍珠巖XRD檢測結(jié)果和巖石薄片鑒定分析可知，珍珠巖試驗樣品玻璃質(zhì)含量較高，除ZZY-1、ZZY-5樣品偏低外，其他樣品玻璃質(zhì)含量在85%～87%之間，具有較好的一致性。試樣雜質(zhì)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(tài)的雛晶、隱晶質(zhì)等。試驗樣品測試結(jié)果見圖2。

1.3 試驗方法

首先，將珍珠巖原礦破碎，經(jīng)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(yù)熱，獲得待測試樣品。用量筒取適量預(yù)熱過的樣品置于小坩堝內(nèi)，將其迅速倒入箱式高溫電爐中的蒸發(fā)皿中進(jìn)行膨脹。最后測量不同試驗條件下珍珠巖的膨脹倍數(shù)。試驗中采用固定優(yōu)選試驗條件，分別考察了預(yù)熱溫度、預(yù)熱時間、膨脹溫度、膨脹時間的變化對珍珠巖膨脹倍數(shù)的影響。試驗流程為：珍珠巖原礦破碎篩分預(yù)熱焙燒測試結(jié)果。

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 預(yù)熱溫度

預(yù)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(zhì)中空隙水含量。當(dāng)珍珠巖礦樣中水分含量過高，高溫膨脹時水分汽化急劇，內(nèi)部蒸汽壓力過大，導(dǎo)致膨脹顆粒破裂，產(chǎn)品粉化嚴(yán)重，膨脹倍數(shù)減小，產(chǎn)品密度增大。反之，水分含量過小，高溫膨脹時水分汽化產(chǎn)生的蒸汽壓力不夠大，樣品不能充分膨脹，膨脹倍數(shù)減小。只有樣品中水分產(chǎn)生的壓力與軟化溫度相匹配，才能達(dá)到最佳膨脹狀態(tài)。本試驗設(shè)定預(yù)熱時間15min，預(yù)熱溫度280～440℃，對預(yù)熱珍珠巖含水量進(jìn)行了考察(見圖3、表2)。樣品ZZY-6～ZZY-10的預(yù)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(shù)。

表2 不同預(yù)熱溫度的珍珠巖含水率(%)

測試結(jié)果表明360～410℃預(yù)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(yù)熱溫度的升高而降低，兩者具有較好的線性關(guān)系。本試驗條件：預(yù)熱時間15min、膨脹溫度1160℃、膨脹時間10s。

2.2 預(yù)熱時間

珍珠巖預(yù)熱時間短，水分蒸發(fā)少，達(dá)不到預(yù)熱的目的，預(yù)熱時間過長，水分蒸發(fā)多，樣品中的水分太少，高溫膨脹時產(chǎn)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(shù)偏小。本試驗設(shè)定預(yù)熱時間：5～30min，對其膨脹倍數(shù)進(jìn)行了考察。

測試結(jié)果表明：預(yù)熱時間對珍珠巖膨脹倍數(shù)具有較好的一致性，可見，預(yù)熱15min可獲得最佳的膨脹效果，二者關(guān)系見圖4。本試驗條件：預(yù)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(xué)成分、玻璃質(zhì)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(shù)膨脹溫度在1050～1250℃之間。結(jié)合試驗樣品實際情況，本試驗設(shè)定膨脹溫度：1050、1100、1150、1160、1170、1180、1190、1200、1250℃。

試驗結(jié)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(shù)的關(guān)系見圖5。試驗條件：預(yù)熱溫度400℃、預(yù)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(shù)最重要的因素之一。本試驗設(shè)定預(yù)熱溫度400℃、預(yù)熱時間15min、膨脹溫度1160℃。試驗樣品的膨脹時間與膨脹結(jié)果關(guān)系見圖6。

試驗結(jié)果表明：在相同的預(yù)熱溫度和膨脹溫度條件下，獲得最大膨脹倍數(shù)所需的膨脹時間是不同的。試驗發(fā)現(xiàn)，膨脹倍數(shù)高的樣品，需要的膨脹時間短，反之，膨脹倍數(shù)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(shù)最高達(dá)10～11倍，而隨著膨脹時間加長，膨脹倍數(shù)反而降低。其原因是膨脹時間過長，顆粒表面熔化、發(fā)生坍塌導(dǎo)致顆粒體積收縮。試驗還發(fā)現(xiàn)，膨脹時間還與試驗樣品數(shù)量有關(guān)。樣品數(shù)量較少時，顆?？稍谒查g達(dá)到全部膨脹溫度，內(nèi)部水分全部汽化，達(dá)到最大的膨脹效果。樣品數(shù)量多時，短時內(nèi)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(fā)生熔化，產(chǎn)生縮殼效應(yīng)。所以，取樣量大時，所測膨脹倍數(shù)會偏小。要使膨脹倍數(shù)達(dá)到最大化，樣品應(yīng)取少量為宜，但取樣量少，容易導(dǎo)致測試誤差較大，所以要多次測試，然后取平均值。

3 結(jié)論

(1)珍珠巖含水量過大，高溫膨脹時將導(dǎo)致珍珠巖顆粒炸裂，粉化嚴(yán)重，膨脹倍數(shù)減小；含水量過小，膨脹不充分，膨脹倍數(shù)偏小。預(yù)熱是有效控制珍珠巖礦樣含水量的最重要環(huán)節(jié)。試驗結(jié)果表明：預(yù)熱后的珍珠巖最佳含水量為2%～3%、預(yù)熱溫度360～400℃、預(yù)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(nèi)部水分難以充分汽化，膨脹倍數(shù)必然較低；膨脹溫度過高，珍珠巖顆粒易表面熔化，產(chǎn)生縮殼效應(yīng)，膨脹倍數(shù)降低，特別是高膨脹倍數(shù)的珍珠巖尤為明顯。由于各地珍珠巖原巖的礦物組分、化學(xué)成分、玻璃質(zhì)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(jié)果表明：珍珠巖的最佳膨脹溫度應(yīng)在1150～1170℃之間。

(3)在實際生產(chǎn)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(shù)達(dá)到最大。這樣既節(jié)約了能源，又使生產(chǎn)成本下降，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。