膨胀珍珠岩在保温节能中的研究与应用

1膨胀珍珠岩在保温节能中的研究与应用摘要：对膨胀珍珠岩的开采和生产工艺进行了介绍；综述了膨胀珍珠岩在建筑节能中的应用；重点论述了新型膨胀珍珠岩在外墙外保温系统研究发展，展望了未来膨胀珍珠岩的发展和应用前景。关键词：膨胀珍珠岩；建筑保温材料；节能Abstract:Forofexpansiveperliteminingandproductionprocesswereintroduced;Reviewsexpansionperlitewiththeapplicationinbuildingenergysaving.Discussesthenewexpansionperliteinexteriorinsulationsystemresearchanddevelopment,andlooksforwardtothefutureofexpansiveperlitedevelopmentandapplicationprospect.Keywords:expandedperlite;Buildinginsulationmaterials;energysaving引言膨胀珍珠岩是将天然珍珠岩矿石(属酸性较大的玻璃质岩石，系火山喷发岩浆急冷浓缩而成的天然硅铝质无机非金属材料)，经过破碎筛选，在高温煅烧下，其体积急剧膨胀，制得的多孔、色白的颗粒状物质。膨胀珍珠岩具有重量轻、无毒害、隔热性能好、抗蚀、不燃等优良的物理化学特性以及使用成本低廉的特点，被制成各种形状的保温制品，用于工业窑炉、蒸汽管道以及石化、工业冷库、食品冷库低温管道与冷冻设备的隔热。又因其同时具备保温隔热及吸音等多重特殊性能，在当今社会节能型工业、民用建筑上的应用日趋广泛[1]。1.珍珠岩概述1.1珍珠岩工业的发展一种天然酸性玻璃质火山熔岩非金属矿产，包括珍珠岩、松脂岩和黑曜岩，三者只是结晶水含量不同。由于在1000～l300℃高温条件下其体积迅速膨胀4～30倍，故统称为膨胀珍珠岩。一般要求膨胀倍数7～10倍（黑曜岩3倍，可用），二氧化硅70％左右。均为露天开采。不用选矿，只需破碎，筛分即可。可用作过滤剂、催化剂、分子筛以及橡胶、化肥、农药的载体。广泛用于建筑、冶金、石油、机械、轻工、水电、铸造、医药、食品、农林园艺等部门。珍珠岩工业的发展可追溯到上个世纪20年代，1924年德国首先在实验室发现2珍珠岩在高温条件下具有膨胀性；1940年美国在内华达洲开始生产膨胀珍珠岩做砂浆骨料；1949年成立了珍珠岩协会，现有44个国家和地区的75个珍珠岩协会，总部设在美国纽约[2]。我国珍珠岩工业起步较晚，1964年开始组织科研攻关，由地质部河北非金属地质研究所探询珍珠岩矿山资源，电力部在北京、冶金部在大连、建材部在天津选点进行珍珠岩生产、科研攻关，经过5年的努力，终于研究掌握了膨胀珍珠岩及其制品的生产工艺，于1969年春在大连耐火材料厂进行了工艺、产品坚定，也标志着我国珍珠岩工业的规模化生产开始起步，由于我国珍珠岩资源丰富、分布面广、品位又高，因而在不到20年的时间里，全国珍珠岩矿业已达到了千余家。1.2膨胀珍珠岩的特性与用途膨胀珍珠岩是一种无机玻璃质矿物材料，由火山岩粉碎成矿砂，再经过特殊膨化加工而成。大致化学成份为：SiO270％～72％、A12O310％～14％、Fe2O30.3％～0.9％、CaO1.2％～2.2％、K2O2％～3.5％、Na2O1％～3％、MgO少量、H2O4％～6％。其内部有丰富的多孔结构，具有价廉、表观密度低、导热系数小、化学稳定性好、使用温度范围广、无毒、无味、防火、吸音等特点[3]。膨胀珍珠岩的主要用途：(1)建筑领域：保温隔热、防火涂料、吸音板等；(2)工业领域：管道保温、保冷绝热、过滤材料、炼钢过程的集渣材、橡胶塑料的填充材料等；(3)农园艺领域：无土栽培、土壤改良、农药缓释剂等。1.3膨胀珍珠岩的生产工艺过程膨胀珍珠岩的生产工艺过程：从矿山开采后的矿石通过机械破碎、振动式筛分加工成具有一定粒度级配的矿砂，膨胀厂根据不同用途进行选购。珍珠岩原料矿砂的含水量一般为4～6%，由于含水量过高，经高温加热后，水份的急速挥发会造成珍珠岩的炸裂[4]。所以，应首先将珍珠岩的无效水含量在膨胀前去除掉，使其保留正常膨胀所需的水份（即有效水份）。经过国内外实验室和生产厂的大量试验总结，膨胀珍珠岩的有效含水量在2.2～2.4%之间时，膨胀后的效果最佳，膨胀倍数最大（即松散密度最低）。因此，膨胀珍珠岩的生产过程应包括预热、膨胀两个关键工序：(1)预热：根据产地、粒度大小的不同，珍珠岩矿砂在650~800℃的温度环境下预热2～8min后，含水率将达到膨胀要求；(2)膨胀：经预热后的矿砂，经投料装置均匀洒向温度保持在1100～1200℃高温的火焰上，矿3砂将被急剧加热并迅速膨胀至原来体积的10~30倍，膨胀后的珍珠岩颗粒呈白色或浅灰色，内部含有蜂窝状结构，松散密度一般为40~80kg/m。膨胀后的珍珠岩随着高温气体经旋风分离器进行料器分离后进入集料仓，含有少量微尘的高温气体经袋式除尘装置除尘后排到大气中。条件较差的工厂则不设立专门的除尘装置，而是将高温气体直接排出[5]。2.建筑保温材料的应用状况外墙墙体保温隔热在建筑节能中占有重大比重。国外的外墙保温工程最早出现在欧洲，至今已有35年以上的历史。使用最多的是发泡聚苯板薄板抹面外保温系统，其他应用的技术还有玻璃棉外保温系统、岩棉外保温系统、聚氨酯外保温系统和珍珠岩保温系统[6]。我国在上世纪80年代中期开始研究外保温技术，并进行了工程试点。国内的企业、研究单位首先通过改良工业窑炉、管道保温技术用于建筑物节能。这方面的技术有珍珠岩、复合硅酸盐、海泡石或有机硅复合的各种外墙保温砂浆，并于90年代初应用于北方寒冷地区的节能建筑。随着对国外技术的引进和消化吸收，我国也开始使用如发泡聚苯板薄板抹面外保温技术、机械固定聚苯板钢丝网架外墙保温技术、胶粉发泡聚苯颗粒外保温技术和聚氨酸高效外保温材料。经过这些年的实践，取得了很大成绩，但也出现了不少问题。随着我国建筑节能指标要提高到65%以上，这对外墙保温技术提出了相当高的要求。对于建筑材料业也是一个重大的课题[7]。合格的外墙保温系统应该具备下列条件：（1）能适应基层的正常形变而不产生裂缝或空鼓；（2）能长期承受自重而不产生有害的形变；（3）能承受风荷载的作用而不产生破坏；（4）能耐受室外气候的长期反复作用而不产生破坏；（5）在罕遇地震发生时不应从基层上脱落；（6）高层建筑外墙外保温工程应采取防火构造措施；（7）应具有防水渗透性能。3.膨胀珍珠岩在保温节能中的研究与应用21世纪能源危机的降临和建筑节能政策的强制实施。推动了建筑保温材料的4快速发展。目前，建筑物外墙围护结构多采用以聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯硬质泡沫塑料等有机泡沫塑料为保温材料的外墙外保温板体系。但是，该类有机保温材料存在引发火灾的危险性。一旦其局部点燃，火势会迅速蔓延到整个保温层。引发建筑物火灾针对近几年由建筑保温材料引发建筑火灾而造成的严重果，国家公安部消防总局于2011年3月14日下发了《关于进一步明确民用建筑外保温材料消防监督管理有关要求的通知》。通知中“民用建筑外保温材料采用燃烧性能为A级的材料”这一规定的从严执行。一方面极大限制了有机保温材料在墙体保温领域的大量应用。另一方面也推动了墙体保温技术的深化与革新。无机保温材料与有机保温材料相比。具有防火性能好、耐老化、变形系数小、与面层材料粘结强度高等优点[8]。所以将无机保温材料应用于墙体保温材料中。有着广泛的应用前景。3.1膨胀珍珠岩在建筑节能中的应用膨胀珍珠岩是一种传统的建筑保温材料，应用非常广泛。膨胀珍珠岩用于建筑保温材料在欧洲占珍珠岩用途50%，在北美占60%，在日本占55%，在我国占65%。从1964年我国开发膨胀珍珠岩以来，在建筑保温方面发挥了重要作用。其使用方法可分两类：“湿法”，供应商将袋装混合物（石膏或水泥+膨胀珍珠岩+添加剂）提供给用户，只需加水即可使用；“干法”，基本建筑材料是预制板（不加水）。一般来讲，板材有许多种（屋顶板、天花板、隔墙板和地板），板材制作需要用以下原料；聚合材料（膨胀珍珠岩就是一种轻型骨料），（矿棉、石棉、玻璃棉、纤维、木材等），添加剂。还有一种板材不用纤维，就像是一种“三明治”（如石膏、灰浆、板材），或者很多不同层面，生产方法通常是将原材料混合，排干水分，压制成带形，切成一截一截的烘干，再进行表面处理。在我国发展使用最多的是GRC轻质墙板、GRC蜂巢式轻质墙板。1995年全国GRC隔墙板产量1000万平方米，GRC内保温板产量为20万平方米，而到了2000年其产量翻了一番。事物总是一分为二的，膨胀珍珠岩作为一种保温材料在建筑节能上得到了广泛的应用，而珍珠岩在高温膨胀之后形成了许多微孔，这种特性被人们用于酒类、饮料、石油、医药和各种液体过滤的优质介质材料。由于膨胀珍珠岩吸水率较高，5在墙体温度变化时，珍珠岩因吸水膨胀产生鼓泡开裂现象，吸水还降低了材料的保温性能。另外，由于珍珠岩保温材料多出于珍珠岩与水泥结合体，就出现了难以解决的强度与导热系数的矛盾。如果导热系数满足了使用要求，往往强度变低，反之，墙体强度满足了使用要求，导热系数往往变高。这给其作为建筑保温材料带来了致使的缺陷。这种不尽人意之处招致了国家建设部下文限制使用膨胀珍珠岩作为内保温浆料的厄运[9]。近年以来，党中央国务院高度重视发展循环经济和建设节约型社会。2004年中央经济工作会议上，胡锦涛同志明确指出要大力发展节能省地型住宅，全面推广和普及节能技术，制定并强制推行更加严格的节能、节材、节水标准。温家宝同志也指出，大力抓好能源、资源节约，加快发展循环经济；并在2005年政府工作报告中明确提出，鼓励发展“节能省地型”住宅和公共建筑。建设部也颁发了《关于加强节能工作的意见》。3.2闭孔珍珠岩和玻化微珠膨胀珍珠岩虽然是一种具有保温、防火、绿色环保的建筑材料，但是由于吸水率高，和难以保持应有的抗震、抗裂的外墙强度而不能被广泛的应用。为了解决上述难题，我国珍珠岩行业的科研人员经过几年的科研攻关先后研制成功了闭孔珍珠岩和玻化微珠[10]。闭孔珍珠岩加工工艺是采用电炉加热的方式，通过对珍珠岩矿砂的梯度加热和滞空时间的精确控制，使产品表面溶融，气孔封闭，内部保持蜂窝状结构不变。闭孔珍珠岩克服了传统膨胀珍珠岩吸水率大、强度低、流动性差的特点，延伸了膨胀珍珠岩的应用领域。我国珍珠岩行业的科研人员成功的开发了电炉丝发热的单管电炉，最终形成了规模化生产[11]。玻化微珠，是一种无机玻璃质矿物材料，经过特殊生产工艺技术加工而成，呈不规则球状体颗粒，内部多孔空腔结构，表面玻化封闭，光泽平滑，理化性能稳定，具有质轻、绝热、防火、耐高低温、抗老化、吸水率小等优异特性，可替代粉煤灰漂珠、玻璃微珠、膨胀珍珠岩、聚苯颗粒等诸多传统轻质骨料在不同制品中的应用。是一种环保型高性能新型无机轻质绝热材料。从以下产品主要性能对照，我们就可以根据不同理化性能分别加以应用，见表1。表1不同珍珠岩材料的性能参数6名称膨胀珍珠岩闭孔珍珠岩玻化微珠容重(kg/m3)70-250120-20050-120导热系数(W/mK)0.047-0.0740.045-0.0580.028-0.048吸水率(%)480-36084-3850-20漂浮率(%)809098筒压强度(%)(1MPa下体积损失率)76-8035-6530-60闭孔珍珠岩和玻化微珠不但具有珍珠岩具有的重量轻、稳定抗老化、防火、绿色环保等特点，又克服了一般珍珠岩导热系数高的弊端，是理想的外墙保温系统的轻质骨料。3.3玻化微珠保温砂浆我国建筑能耗占全部能耗的1/3以上，建筑节能在国家节能系统中占据着重要的地位。而在建筑能耗中，通过外墙造成的能耗约占建筑总能耗的50％。因而，提高外墙的保温性能已成为实现建筑节能的关键所在。玻化微珠保温砂浆具有粘结性好、强度高，耐水、抗老化、防火、不空鼓、抗开裂等特点。所以，玻化微珠保温砂浆得到广泛的推广和应用。膨胀珍珠岩与