岩棉保温材料性能探讨

蔡凤武 姚文生 刘晓波

（1.张家口市公安消防支队，河北 张家口075000；2.河北建筑工程学院，河北 张家口075000）

0 引 言

随着我国经济的飞速发展，各类建筑物建造速度和规模都达到了空前的高度，为了使建筑物能够达到环保节能的要求，需要对建筑外墙进行加装保温板材.岩棉作为一种经济，高效，耐火，实用的保温材料，已经被广泛应用于建筑外墙的保温板材制作当中.

在我国的标准中对岩棉（Rock-wool）是这样定义的：主要由熔融天然火成岩制成的一种矿物棉称为岩棉.岩棉是以精选的玄武岩或辉绿岩为主要原料，外加一定数量的辅助料，经高温熔融离心喷吹制成人造无机纤维，其主要化学成分为：SiO2（46%）、Al2O3（15.6%）、MgO（5.1%）、CaO（28%）和Fe2O3（3.3%）.岩棉的生产方法主要有三种，分别为：喷吹法、离心法、离心喷吹法［1］.

1 岩棉用于保温材料的国内外研究现状

在我国，岩棉作为A级防火材料用于外墙外保温系统已有应用，但尚未普及，其应用技术仍在探讨中.但在欧洲已经有几十年的发展历史，拥有成熟的产品标准和系统认证指南.岩棉应用于外墙外保温，其形式可以是整个墙体使用岩棉保温（使用岩棉板，纤维平行于墙面），同时具有外墙防火的作用；也可以配合其他保温材料使用，其中岩棉带起防火隔离的作用（称隔离带，纤维垂直于墙面）.

我国目前有岩矿棉生产厂家200余家，但绝大部分都采用矿渣作为原料或主要原料，产品酸度系数普遍在1.5以下，按照酸度系数1.6（也有提出1.5或1.7）以上才属于岩棉这一标准来划分，这些产品并不是岩棉产品，而是矿渣棉产品，其性能远远达不到欧洲标准的技术要求［2］.国内主要岩棉产品的性能见表1.

表1 国内主要岩棉产品的性能

矿物棉类保温隔热材料一般包括岩棉、矿渣棉和玻璃棉，其中岩棉和矿渣棉的生产原材料主要为天然岩石和矿渣.生产岩棉时采用天然岩石的比例一般大于70%～75%，而矿渣棉原料中70%以上为高炉矿渣.在实践中，按照纤维熔体化学成分中酸性氧化物（SiO2＋Al2O3）和碱性氧化物（CaO＋MgO）的比值即酸度系数特征值的高低，可以判别岩棉和矿渣棉.

2 岩棉的性能

2.1 化学稳定性和吸水率

岩棉是玄武岩、辉绿岩等天然岩石经过高温熔融，离心喷吹而成的无机纤维，其中的无机物占到98%以上，其酸度系数大于1.6，这使得岩棉具有很好的化学稳定性，其不含活泼元素和腐蚀成分，也不含影响建筑的溶剂，油性物质或软化剂.岩棉的吸湿率很低，体积吸湿率≤0.2%，憎水率大于99%，吸水率小于0.5kg／m2；经长期浸泡试验（测试期28d），吸水率仅为0.1kg／m2，无毛细渗透，酸度系数较高的岩棉纤维由于碱金属氧化物含量较低，其化学耐久性和抗水解能力强.而矿渣棉制品中可能含有的腐蚀性杂质会溶解于水，腐蚀钢板和金属锚固件.在潮湿或有水的环境条件下，矿渣棉纤维表面的K＋、Na＋、B3＋、Ca2＋、Mg2＋等碱金属或碱土金属离子容易吸湿并被析出，发生水解，从而使纤维结构遭到破坏，产生断裂和粉化.可见，矿渣棉不憎水，吸水性强.因此，好的岩棉保温板，在合理的安装和施工条件下，无需进行维护，根据欧洲外墙外保温系统的应用经验，岩棉可以做到与建筑同寿命.

2.2 热稳定性

岩棉具有持久的隔热性能，其导热系数不随时间而发生变化；岩棉外墙板的尺寸能够保持长期的稳定，膨胀率很低，在常温下，仅有1×10－6，根据ASTM C356，岩棉制品在650℃的最高使用温度下，24h的线收缩率不会超过1%，因此，岩棉也不会因为热胀冷缩而对其表面的网格布及砂浆等产生附加的应力.另外，在高温情况下，矿渣棉纤维在500℃～600℃时开始析晶，纤维收缩并产生粗大的黄长石结晶，脆化结块，容易碎裂和粉化；而岩棉制品的熔化温度均超过1000℃［3］.

2.3 环保性

矿渣棉纤维粗短且性脆，含渣球杂质多，施工切割或安装时渣屑和粉尘容易断裂和脱落，感觉刺痒和扎手，并且容易通过呼吸道进入体内.而酸度系数较高的岩棉熔体，有利于制取细长柔韧的高质量纤维，不易断裂和产生粉尘.同时，岩棉中不含CFC，HFC，HCFC或石棉等有毒、致癌成分.岩棉的放射性以及游离醛含量等均符合标准要求，是一种环保的外墙保温材料.

2.4 机械性能

纤维质量和纤维结构会影响屋面保温板的力学性能指标，如抗压强度、压缩模量、点荷载、抗拉伸和剪切强度等.经过生产工艺的改进，外墙外保温用岩棉可以具有比较好的机械性能，其主要表现在两方面：第一，抗压强度，按照EN826或GB／T 19686-2005测试：岩棉板≥40kPa，岩棉条≥100kPa.第二，抗拔强度，按照EN1607测试，岩棉板≥10kPa，岩棉条≥80kPa.

2.5 保温性能

由于岩棉是一种多孔的纤维状材料，其本身具有非常好的保温绝热性能，按照国家标准GB／T19686和EN13162，岩棉板导热系数（25℃）应不大于0.040W／（m·K）有标称值时还应该不大于其标称值.岩棉在25℃的热容量为0.84Kj／（kg·K）［4］.由此可见，岩棉具有良好的保温性能，采用岩棉板作为建筑外墙保温材料可以达到节能的目的.

2.6 防火性能

岩棉的熔点高，抗高温收缩，应用于建筑结构中可形成有效的防火屏障，阻止火势蔓延.它既不燃烧，也不会产生有毒烟气，是“A”级（或“A1”级）的防火建筑材料.在以钢板为基层的单层屋面系统中，对于内部或外部火源，岩棉都可起到分隔热流的作用，防止背火面温度升高，引起其它易燃材料燃烧.按ISO 834标准所载的火灾温升－时间曲线进行试验，在建筑构造中使用岩棉保温材料，可以达到1～4h耐火极限.岩棉的最高使用温度为650℃以上，其熔点超过1000℃.在遇到火灾时，岩棉保温板不会引发烟雾或造成火星，也不会滴落，造成火势蔓延，即使在高温状态下也不会释放出对环境和人体不利或有害的气体.因此，岩棉作为建筑外墙的保温材料，其防火性能也是非常的优越.

2.7 耐水性能

矿岩棉制品的耐水性和耐潮湿性能是应用于建筑墙体的主要障碍，其性能不足时，岩棉制品在湿气作用下强度下降，形成自然下坠，工程表现俗称为“垮裤腰”.分析其原因，首先，研究纤维结构与耐水性能的关系.岩棉成分属于CaO-Al2O3－SiO2系统，分析发现现有岩棉的组成位于CaO-Al2O3－SiO2相图的硅灰石－铝方柱石－硅酸二钙的结晶作用区（即CS-C2AS-C2S区）内，其中虽然铝方柱石、硅灰石不会与水发生反应，但硅酸二钙三种晶型中，除γ－构造外，α－和β－构造性能相似，均能与水发生水化反应.在岩棉中不希望存在这两种构造，应尽量创造条件使α-、β－构造向γ-C2S的方向转化，以改善其耐水性.但是α-C2S和β-C2S只有从高温缓慢冷却至675℃以下时，才能实现向γ-C2S的转变.在实际成纤过程中，熔体不是缓冷而是被急骤冷却，其粘度随温度的急降而迅速增大，这时离子运动受阻，不可能继续有规则地排列，抑制了晶体的生长，硅与氧离子便连接成连续、不规则的网架，在低温下保留了β-C2S变体的形态，形成较多量的玻璃态β-C2S，这意味着它将在水溶液的作用下，形成更多的水化硅酸盐和水化铝酸盐，使矿渣棉纤维在潮湿环境中的稳定性下降.

当岩棉组成点应落在硅灰石－铝方柱石－钙长石结晶作用区（即CS-C2AS-CAS2区）内，其固相中必定留有这三种结晶相，由于硅灰石、铝方柱石、钙长石均不具备水硬特性，遇水后变化很小，使岩棉具有较好的耐水性.

2.8 强度性能

在外墙外保温系统中，由于岩棉板自重压剪作用和风压的作用，对强度性能要求提高.岩棉的强度性能有如下特点：

第一，保温板的强度与组成相关，在CS-C2AS-CAS2区域纤维，因无为硅酸二钙及其水化作用对结构的变化的影响，纤维自身的强度会得到极大改善.同时，高酸度系数意味着碱含量小，纤维中硅氧键断裂减少，桥氧键的网络提高，强度提高.另外，碱金属离子还易于吸附空气中的水份，使微裂纹扩展，降低碱含量可以降低该因素对强度的不利影响.

第二，成纤纤维直径，纤维的直径越小，则强度增加.因此，在工艺允许和料性可控的范围降低纤维直径，有利于提高纤维强度.

第三，与粘接剂及其固化条件密切相关，粘接剂的目的是将纤维形成空间立体的交织点，并通过固化工艺将这种结构固定下来.因为材料开裂总是在最薄弱的地方开始的，固化剂的均匀性对强度影响很大，因此如何在高速成纤的情况下将粘接剂喷涂均匀需要对喷胶系统进行不断的调整.

增加粘接剂用量可增加纤维间的连接强度，但粘接剂属于有机材料，过量的粘接剂将使得材料的燃烧性能得不到A级要求.

第四，保温板打褶工艺，棉片打褶目的是棉片曲面叠加，提高垂直于板面的拉伸强度.从目前强度破坏状态看，打褶的深度需要进一步提高，这样研究摆动铺毡技术，优化摆动机构，保证形成连续的迭棉带，包括摆动铺毡工艺参数的确定，迭棉带成形工艺.

3 结 论

综合以上分析可知，标准的岩棉保温板具有良好的保温、防火功能，其本身所具有的化学稳定性，耐水性，强度性能、机械性能及热稳定性都使其成为了建筑外墙保温材料的一种很好的选择.

［1］宋长友，黄振利，陈丹林，林燕成.岩棉外墙外保温系统技术研究与应用.2008.02

［2］郑松青.外墙外保温用岩棉性能的研究.建筑节能.2010.5

［3］伍立新.岩棉在单层屋面保温隔热工程中的应用.保温隔热屋面.2010.15

［4］倪建华.岩棉外墙外保温系统.上海建材.2010.5