巖棉板在含水潮濕狀態(tài)下的性能變化及機理研究

李建偉，馬挺，白召軍，張茂亮，王今華，徐元盛

（河南建筑材料研究設(shè)計院有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450052）

巖棉主要是由熔融天然火成巖制成的一種礦物棉，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纖維。在巖棉纖維中加入適量粘結(jié)劑、防塵劑、憎水劑等外加劑，經(jīng)過壓制固化可制成具有一定強度的巖棉板或巖棉帶[1]。巖棉及其制品具有優(yōu)異的保溫絕熱性能、隔聲吸聲性能及防火性能[2-3]，目前已廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的外墻外保溫工程中。巖棉制品在作為保溫材料使用過程中，受產(chǎn)品質(zhì)量、結(jié)構(gòu)設(shè)計、天氣、施工等自然或人為因素的影響[4]，經(jīng)常會處于含水潮濕狀態(tài)，研究巖棉制品在含水潮濕狀態(tài)下的性能變化及機理，對推廣巖棉制品在保溫行業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展具有非常重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 試驗

1.1 原材料及主要儀器設(shè)備

巖棉：鄭州某建材公司生產(chǎn)的60 mm厚巖棉板。

電熱鼓風(fēng)干燥箱：103型，天津市試驗儀器廠；微機控制電子萬能試驗機：CMT4304型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；導(dǎo)熱系數(shù)測定儀：D300FX-D30，天津佛瑞德科技有限公司；恒溫恒濕試驗箱：HBY-40B，蘇州市東華試驗儀器有限公司；ICP-AES分析儀：SPS8000型，北京海光儀器公司；偏光顯微鏡：DM400911，德國 Leica。

1.2 試驗方法

（1）在巖棉板上裁取2組200 mm×200 mm的試樣各10塊，其中1組浸水處理28 d，另 1組在（23±2）℃，相對濕度（50±5）%的環(huán)境中放置28 d；按照相關(guān)標準要求的試驗方法分別測試2組試樣的壓縮強度、垂直于表面的抗拉強度及酸度系數(shù)。

（2）在巖棉板上裁取6組300 mm×300 mm的試樣各2塊，全部置于（105±5）℃的烘箱內(nèi)烘至恒重，并稱量。將其中1組試樣用保鮮袋密封好，按照GB/T 17370—1998《含濕建筑材料穩(wěn)態(tài)傳熱率的測定》中的方法進行穩(wěn)態(tài)傳熱率測試（平均溫度25℃）；將剩余5組試樣分別置于溫度（23±2）℃，相對濕度分別為55%、65%、75%、85%、95%的恒溫恒濕試驗箱中進行狀態(tài)調(diào)節(jié)，直至恒重，然后用保鮮袋密封好，稱量，按照GB/T 17370—1998中規(guī)定的方法進行穩(wěn)態(tài)傳熱率測試（平均溫度25℃）。

2 結(jié)果與討論

2.1 巖棉板在含水潮濕狀態(tài)下的強度性能

影響巖棉強度的因素有很多，如纖維直徑、粘接劑與固化劑的用量及均勻性、打褶工藝、酸度系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。纖維直徑越小，強度越高；粘接劑的目的是將纖維形成空間立體的交織點，并通過固化工藝將這種結(jié)構(gòu)固定下來，因為材料開裂總是在最薄弱的地方開始，固化劑的均勻性對強度影響很大；棉片打褶的目的是使棉片曲面疊加，提高垂直于板面的拉伸強度，打褶越深，垂直于板面的拉伸強度越高；酸度系數(shù)即巖棉纖維化學(xué)成分中酸性氧化物（SiO2+Al2O3）和堿性氧化物（CaO+MgO）的比值，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，纖維中硅氧鍵斷裂減少，橋氧鍵的網(wǎng)絡(luò)提高，強度提高；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，如平行于纖維方向和垂直于纖維方向（即巖棉板和巖棉帶）的巖棉制品，其強度也有很大差別。巖棉板在含水潮濕狀態(tài)下的性能見表1。

由表1可見，浸水處理28 d后巖棉板的壓縮強度降低了33.3%，垂直于表面的抗拉強度降低了35.3%，酸度系數(shù)沒有發(fā)生明顯變化。

表1 巖棉板的性能測試結(jié)果

取適量巖棉纖維在去離子水中浸泡28 d后，使用ICPAES分析儀測試其浸泡液的陽離子濃度，結(jié)果見表2。

表2 巖棉板浸泡溶液中的主要陽離子濃度 mg/ml

由表2可見，巖棉纖維浸泡液中主要含有的陽離子為Na+，其次還有少量的 K+和微量的 Al3+、Ca2+、Si4+、Mg2+等離子。

巖棉板經(jīng)浸水處理后，其粘接劑與固化劑部分被破壞，使其變得蓬松。由于長期受到水分侵蝕，巖棉纖維表面的K+、Na+等堿金屬離子易于吸附水分，遷移到水中，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生水解，從而使纖維結(jié)構(gòu)遭到破壞，部分纖維斷裂甚至粉化，通過微裂紋擴展，破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整性，從而致使強度降低。而Si4+、Al3+、Ca2+、Mg2+等離子以金屬氧化物的形式存在于巖棉的網(wǎng)絡(luò)體系中，不易被水溶出[5]，因此，其酸度系數(shù)沒有明顯變化。

2.2 巖棉板在含水潮濕狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)傳熱率

穩(wěn)態(tài)傳熱率是巖棉制品作為建筑保溫材料的重要性能指標，其影響因素有很多，如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、密度、工作溫度、含濕率、纖維直徑、熱流方向等。巖棉板的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由巖棉纖維、粘結(jié)劑、防塵劑、憎水劑等組成，是互相連通的空隙結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增加密度、降低熱對流作用，巖棉板的絕熱性能會提高；溫度對巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)有直接影響，溫度升高時，分子的熱運動增強，孔隙中空氣的導(dǎo)熱和孔壁間的輻射作用也有所增加，會導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)增大；巖棉板是多空隙材料，容易吸濕，吸濕后其導(dǎo)熱系數(shù)會增大；纖維直徑越小，纖維間的孔隙尺寸也越小，巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)也會減??；巖棉板是各向異性材料，其纖維質(zhì)材料從排列狀態(tài)看，分為纖維方向與熱流向垂直或平行2種情況，傳熱方向和纖維方向垂直時的絕熱性能比傳熱方向和纖維方向平行時要好一些。不同相對濕度、質(zhì)量含濕率對巖棉板穩(wěn)態(tài)傳熱率的影響見表3、圖1。

表3 巖棉板穩(wěn)態(tài)傳熱率的測試結(jié)果

圖1 巖棉板質(zhì)量含濕率與穩(wěn)態(tài)傳熱率的關(guān)系曲線

從表3可以看出，隨著環(huán)境相對濕度的增大，水分不斷滲入巖棉板中，填充纖維空隙，巖棉板的質(zhì)量含濕率不斷增大。巖棉板在相對濕度≤85%的環(huán)境中，其穩(wěn)態(tài)傳熱率隨著環(huán)境相對濕度的增加而逐漸增大，近似成線性關(guān)系；當(dāng)巖棉板長期處于相對濕度為95%的環(huán)境中時，其表面會凝結(jié)水珠，使巖棉板的穩(wěn)態(tài)傳熱率突然增大，比在絕干狀態(tài)下增加了251.4%，大大降低巖棉的保溫性能。

由圖1可以看出，巖棉板的穩(wěn)態(tài)傳熱率隨著其質(zhì)量含濕率的增加而逐漸增大，且表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系y=0.0105x+0.0326，相關(guān)系數(shù)高達0.9987，該關(guān)系曲線可用于近似推導(dǎo)巖棉在不同含濕狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)傳熱率，具有一定的參考價值。

巖棉板經(jīng)偏光顯微鏡放大100倍后的微觀形貌見圖2。

圖2 巖棉板經(jīng)偏光顯微鏡放大100倍后的微觀形貌

從圖2可以看出，巖棉板主要是由許多無序排列的長纖維組成的層間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，受潮含水時，水分主要吸附在平行纖維和垂直纖維的空隙中，其中垂直纖維的空隙中分布較多水分。

25℃時水的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.61 W/（m·K），空氣的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.023 W/（m·K），巖棉板在含水潮濕狀態(tài)下，水分填充纖維空隙，破壞了巖棉板干燥狀態(tài)下的微觀導(dǎo)熱體系，形成了許多“熱橋”，加快熱流傳輸速率，造成了熱橋效應(yīng)[6]。隨著巖棉板含濕率的增加，水分形成的“熱橋”也逐漸增多，致使其穩(wěn)態(tài)傳熱率不斷增大，保溫效果不斷降低。

3 結(jié)論

（1）巖棉板經(jīng)浸水處理28d后，其壓縮強度降低了33.3%，垂直于表面的抗拉強度降低了35.3%，酸度系數(shù)沒有發(fā)生明顯變化。

（2）巖棉板在相對濕度≤85%的環(huán)境中，其穩(wěn)態(tài)傳熱率隨著環(huán)境相對濕度的增加而逐漸增大，近似成線性關(guān)系；當(dāng)巖棉板長期處于相對濕度為95%的環(huán)境中時，其表面會凝結(jié)水珠，使巖棉板的穩(wěn)態(tài)傳熱率突然增大，比在絕干狀態(tài)下增大了251.4%，大大降低巖棉的保溫性能。

（3）巖棉板的穩(wěn)態(tài)傳熱率隨著其質(zhì)量含濕率的增加而逐漸增大，且表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系y=0.0105x+0.0326，相關(guān)系數(shù)高達0.9987。

[1] 黃振利，宋長友，陳丹林，等.巖棉外墻外保溫系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].建筑科學(xué)，2008，24（2））：84-92.

[2] 劉建，路永華，張鵬，等.建筑節(jié)能用巖棉性能的研究[J].新型建筑材料，2013（5）：45-48.

[3] 章書建.巖棉板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)應(yīng)用及案例分析[J].建筑節(jié)能，2012，40（8）：45-47.

[4] 章書建.含水率對墻體材料及保溫材料熱阻的影響[J].建筑技術(shù)，2011，42（10）：896-898.

[5] 蔡鳳武，姚文生，劉曉波.巖棉保溫材料性能探討[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報，2011，29（1）：49-51.

[6] 龍斌.外墻保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)與密度及含水率關(guān)系的試驗研究[J].江西建材，2015（14）：4-5.