巖棉保溫材料性能探討

蔡鳳武 姚文生 劉曉波

（1.張家口市公安消防支隊(duì)，河北 張家口075000；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075000）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各類建筑物建造速度和規(guī)模都達(dá)到了空前的高度，為了使建筑物能夠達(dá)到環(huán)保節(jié)能的要求，需要對(duì)建筑外墻進(jìn)行加裝保溫板材.巖棉作為一種經(jīng)濟(jì)，高效，耐火，實(shí)用的保溫材料，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于建筑外墻的保溫板材制作當(dāng)中.

在我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)巖棉（Rock-wool）是這樣定義的：主要由熔融天然火成巖制成的一種礦物棉稱為巖棉.巖棉是以精選的玄武巖或輝綠巖為主要原料，外加一定數(shù)量的輔助料，經(jīng)高溫熔融離心噴吹制成人造無機(jī)纖維，其主要化學(xué)成分為：SiO2（46%）、Al2O3（15.6%）、MgO（5.1%）、CaO（28%）和Fe2O3（3.3%）.巖棉的生產(chǎn)方法主要有三種，分別為：噴吹法、離心法、離心噴吹法［1］.

1 巖棉用于保溫材料的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在我國(guó)，巖棉作為A級(jí)防火材料用于外墻外保溫系統(tǒng)已有應(yīng)用，但尚未普及，其應(yīng)用技術(shù)仍在探討中.但在歐洲已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，擁有成熟的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)認(rèn)證指南.巖棉應(yīng)用于外墻外保溫，其形式可以是整個(gè)墻體使用巖棉保溫（使用巖棉板，纖維平行于墻面），同時(shí)具有外墻防火的作用；也可以配合其他保溫材料使用，其中巖棉帶起防火隔離的作用（稱隔離帶，纖維垂直于墻面）.

我國(guó)目前有巖礦棉生產(chǎn)廠家200余家，但絕大部分都采用礦渣作為原料或主要原料，產(chǎn)品酸度系數(shù)普遍在1.5以下，按照酸度系數(shù)1.6（也有提出1.5或1.7）以上才屬于巖棉這一標(biāo)準(zhǔn)來劃分，這些產(chǎn)品并不是巖棉產(chǎn)品，而是礦渣棉產(chǎn)品，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到歐洲標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求［2］.國(guó)內(nèi)主要巖棉產(chǎn)品的性能見表1.

表1 國(guó)內(nèi)主要巖棉產(chǎn)品的性能

礦物棉類保溫隔熱材料一般包括巖棉、礦渣棉和玻璃棉，其中巖棉和礦渣棉的生產(chǎn)原材料主要為天然巖石和礦渣.生產(chǎn)巖棉時(shí)采用天然巖石的比例一般大于70%～75%，而礦渣棉原料中70%以上為高爐礦渣.在實(shí)踐中，按照纖維熔體化學(xué)成分中酸性氧化物（SiO2＋Al2O3）和堿性氧化物（CaO＋MgO）的比值即酸度系數(shù)特征值的高低，可以判別巖棉和礦渣棉.

2 巖棉的性能

2.1 化學(xué)穩(wěn)定性和吸水率

巖棉是玄武巖、輝綠巖等天然巖石經(jīng)過高溫熔融，離心噴吹而成的無機(jī)纖維，其中的無機(jī)物占到98%以上，其酸度系數(shù)大于1.6，這使得巖棉具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，其不含活潑元素和腐蝕成分，也不含影響建筑的溶劑，油性物質(zhì)或軟化劑.巖棉的吸濕率很低，體積吸濕率≤0.2%，憎水率大于99%，吸水率小于0.5kg／m2；經(jīng)長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn)（測(cè)試期28d），吸水率僅為0.1kg／m2，無毛細(xì)滲透，酸度系數(shù)較高的巖棉纖維由于堿金屬氧化物含量較低，其化學(xué)耐久性和抗水解能力強(qiáng).而礦渣棉制品中可能含有的腐蝕性雜質(zhì)會(huì)溶解于水，腐蝕鋼板和金屬錨固件.在潮濕或有水的環(huán)境條件下，礦渣棉纖維表面的K＋、Na＋、B3＋、Ca2＋、Mg2＋等堿金屬或堿土金屬離子容易吸濕并被析出，發(fā)生水解，從而使纖維結(jié)構(gòu)遭到破壞，產(chǎn)生斷裂和粉化.可見，礦渣棉不憎水，吸水性強(qiáng).因此，好的巖棉保溫板，在合理的安裝和施工條件下，無需進(jìn)行維護(hù)，根據(jù)歐洲外墻外保溫系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，巖棉可以做到與建筑同壽命.

2.2 熱穩(wěn)定性

巖棉具有持久的隔熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)不隨時(shí)間而發(fā)生變化；巖棉外墻板的尺寸能夠保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定，膨脹率很低，在常溫下，僅有1×10－6，根據(jù)ASTM C356，巖棉制品在650℃的最高使用溫度下，24h的線收縮率不會(huì)超過1%，因此，巖棉也不會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s而對(duì)其表面的網(wǎng)格布及砂漿等產(chǎn)生附加的應(yīng)力.另外，在高溫情況下，礦渣棉纖維在500℃～600℃時(shí)開始析晶，纖維收縮并產(chǎn)生粗大的黃長(zhǎng)石結(jié)晶，脆化結(jié)塊，容易碎裂和粉化；而巖棉制品的熔化溫度均超過1000℃［3］.

2.3 環(huán)保性

礦渣棉纖維粗短且性脆，含渣球雜質(zhì)多，施工切割或安裝時(shí)渣屑和粉塵容易斷裂和脫落，感覺刺癢和扎手，并且容易通過呼吸道進(jìn)入體內(nèi).而酸度系數(shù)較高的巖棉熔體，有利于制取細(xì)長(zhǎng)柔韌的高質(zhì)量纖維，不易斷裂和產(chǎn)生粉塵.同時(shí)，巖棉中不含CFC，HFC，HCFC或石棉等有毒、致癌成分.巖棉的放射性以及游離醛含量等均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，是一種環(huán)保的外墻保溫材料.

2.4 機(jī)械性能

纖維質(zhì)量和纖維結(jié)構(gòu)會(huì)影響屋面保溫板的力學(xué)性能指標(biāo)，如抗壓強(qiáng)度、壓縮模量、點(diǎn)荷載、抗拉伸和剪切強(qiáng)度等.經(jīng)過生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，外墻外保溫用巖棉可以具有比較好的機(jī)械性能，其主要表現(xiàn)在兩方面：第一，抗壓強(qiáng)度，按照EN826或GB／T 19686-2005測(cè)試：巖棉板≥40kPa，巖棉條≥100kPa.第二，抗拔強(qiáng)度，按照EN1607測(cè)試，巖棉板≥10kPa，巖棉條≥80kPa.

2.5 保溫性能

由于巖棉是一種多孔的纖維狀材料，其本身具有非常好的保溫絕熱性能，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T19686和EN13162，巖棉板導(dǎo)熱系數(shù)（25℃）應(yīng)不大于0.040W／（m·K）有標(biāo)稱值時(shí)還應(yīng)該不大于其標(biāo)稱值.巖棉在25℃的熱容量為0.84Kj／（kg·K）［4］.由此可見，巖棉具有良好的保溫性能，采用巖棉板作為建筑外墻保溫材料可以達(dá)到節(jié)能的目的.

2.6 防火性能

巖棉的熔點(diǎn)高，抗高溫收縮，應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中可形成有效的防火屏障，阻止火勢(shì)蔓延.它既不燃燒，也不會(huì)產(chǎn)生有毒煙氣，是“A”級(jí)（或“A1”級(jí)）的防火建筑材料.在以鋼板為基層的單層屋面系統(tǒng)中，對(duì)于內(nèi)部或外部火源，巖棉都可起到分隔熱流的作用，防止背火面溫度升高，引起其它易燃材料燃燒.按ISO 834標(biāo)準(zhǔn)所載的火災(zāi)溫升－時(shí)間曲線進(jìn)行試驗(yàn)，在建筑構(gòu)造中使用巖棉保溫材料，可以達(dá)到1～4h耐火極限.巖棉的最高使用溫度為650℃以上，其熔點(diǎn)超過1000℃.在遇到火災(zāi)時(shí)，巖棉保溫板不會(huì)引發(fā)煙霧或造成火星，也不會(huì)滴落，造成火勢(shì)蔓延，即使在高溫狀態(tài)下也不會(huì)釋放出對(duì)環(huán)境和人體不利或有害的氣體.因此，巖棉作為建筑外墻的保溫材料，其防火性能也是非常的優(yōu)越.

2.7 耐水性能

礦巖棉制品的耐水性和耐潮濕性能是應(yīng)用于建筑墻體的主要障礙，其性能不足時(shí)，巖棉制品在濕氣作用下強(qiáng)度下降，形成自然下墜，工程表現(xiàn)俗稱為“垮褲腰”.分析其原因，首先，研究纖維結(jié)構(gòu)與耐水性能的關(guān)系.巖棉成分屬于CaO-Al2O3－SiO2系統(tǒng)，分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有巖棉的組成位于CaO-Al2O3－SiO2相圖的硅灰石－鋁方柱石－硅酸二鈣的結(jié)晶作用區(qū)（即CS-C2AS-C2S區(qū)）內(nèi)，其中雖然鋁方柱石、硅灰石不會(huì)與水發(fā)生反應(yīng)，但硅酸二鈣三種晶型中，除γ－構(gòu)造外，α－和β－構(gòu)造性能相似，均能與水發(fā)生水化反應(yīng).在巖棉中不希望存在這兩種構(gòu)造，應(yīng)盡量創(chuàng)造條件使α-、β－構(gòu)造向γ-C2S的方向轉(zhuǎn)化，以改善其耐水性.但是α-C2S和β-C2S只有從高溫緩慢冷卻至675℃以下時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)向γ-C2S的轉(zhuǎn)變.在實(shí)際成纖過程中，熔體不是緩冷而是被急驟冷卻，其粘度隨溫度的急降而迅速增大，這時(shí)離子運(yùn)動(dòng)受阻，不可能繼續(xù)有規(guī)則地排列，抑制了晶體的生長(zhǎng)，硅與氧離子便連接成連續(xù)、不規(guī)則的網(wǎng)架，在低溫下保留了β-C2S變體的形態(tài)，形成較多量的玻璃態(tài)β-C2S，這意味著它將在水溶液的作用下，形成更多的水化硅酸鹽和水化鋁酸鹽，使礦渣棉纖維在潮濕環(huán)境中的穩(wěn)定性下降.

當(dāng)巖棉組成點(diǎn)應(yīng)落在硅灰石－鋁方柱石－鈣長(zhǎng)石結(jié)晶作用區(qū)（即CS-C2AS-CAS2區(qū)）內(nèi)，其固相中必定留有這三種結(jié)晶相，由于硅灰石、鋁方柱石、鈣長(zhǎng)石均不具備水硬特性，遇水后變化很小，使巖棉具有較好的耐水性.

2.8 強(qiáng)度性能

在外墻外保溫系統(tǒng)中，由于巖棉板自重壓剪作用和風(fēng)壓的作用，對(duì)強(qiáng)度性能要求提高.巖棉的強(qiáng)度性能有如下特點(diǎn)：

第一，保溫板的強(qiáng)度與組成相關(guān)，在CS-C2AS-CAS2區(qū)域纖維，因無為硅酸二鈣及其水化作用對(duì)結(jié)構(gòu)的變化的影響，纖維自身的強(qiáng)度會(huì)得到極大改善.同時(shí)，高酸度系數(shù)意味著堿含量小，纖維中硅氧鍵斷裂減少，橋氧鍵的網(wǎng)絡(luò)提高，強(qiáng)度提高.另外，堿金屬離子還易于吸附空氣中的水份，使微裂紋擴(kuò)展，降低堿含量可以降低該因素對(duì)強(qiáng)度的不利影響.

第二，成纖纖維直徑，纖維的直徑越小，則強(qiáng)度增加.因此，在工藝允許和料性可控的范圍降低纖維直徑，有利于提高纖維強(qiáng)度.

第三，與粘接劑及其固化條件密切相關(guān)，粘接劑的目的是將纖維形成空間立體的交織點(diǎn)，并通過固化工藝將這種結(jié)構(gòu)固定下來.因?yàn)椴牧祥_裂總是在最薄弱的地方開始的，固化劑的均勻性對(duì)強(qiáng)度影響很大，因此如何在高速成纖的情況下將粘接劑噴涂均勻需要對(duì)噴膠系統(tǒng)進(jìn)行不斷的調(diào)整.

增加粘接劑用量可增加纖維間的連接強(qiáng)度，但粘接劑屬于有機(jī)材料，過量的粘接劑將使得材料的燃燒性能得不到A級(jí)要求.

第四，保溫板打褶工藝，棉片打褶目的是棉片曲面疊加，提高垂直于板面的拉伸強(qiáng)度.從目前強(qiáng)度破壞狀態(tài)看，打褶的深度需要進(jìn)一步提高，這樣研究擺動(dòng)鋪氈技術(shù)，優(yōu)化擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證形成連續(xù)的迭棉帶，包括擺動(dòng)鋪氈工藝參數(shù)的確定，迭棉帶成形工藝.

3 結(jié) 論

綜合以上分析可知，標(biāo)準(zhǔn)的巖棉保溫板具有良好的保溫、防火功能，其本身所具有的化學(xué)穩(wěn)定性，耐水性，強(qiáng)度性能、機(jī)械性能及熱穩(wěn)定性都使其成為了建筑外墻保溫材料的一種很好的選擇.

［1］宋長(zhǎng)友，黃振利，陳丹林，林燕成.巖棉外墻外保溫系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用.2008.02

［2］鄭松青.外墻外保溫用巖棉性能的研究.建筑節(jié)能.2010.5

［3］伍立新.巖棉在單層屋面保溫隔熱工程中的應(yīng)用.保溫隔熱屋面.2010.15

［4］倪建華.巖棉外墻外保溫系統(tǒng).上海建材.2010.5