岩棉板在含水潮湿状态下的性能变化及机理研究

2018-03-09李建伟马挺白召军张茂亮王今华徐元盛

新型建筑材料 2018年2期

李建伟，马挺，白召军，张茂亮，王今华，徐元盛

（河南建筑材料研究设计院有限责任公司，河南郑州 450052）

岩棉主要是由熔融天然火成岩制成的一种矿物棉，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。在岩棉纤维中加入适量粘结剂、防尘剂、憎水剂等外加剂，经过压制固化可制成具有一定强度的岩棉板或岩棉带[1]。岩棉及其制品具有优异的保温绝热性能、隔声吸声性能及防火性能[2-3]，目前已广泛应用于建筑结构的外墙外保温工程中。岩棉制品在作为保温材料使用过程中，受产品质量、结构设计、天气、施工等自然或人为因素的影响[4]，经常会处于含水潮湿状态，研究岩棉制品在含水潮湿状态下的性能变化及机理，对推广岩棉制品在保温行业中的应用及发展具有非常重要的理论和现实意义。

1 试验

1.1 原材料及主要仪器设备

岩棉：郑州某建材公司生产的60 mm厚岩棉板。

电热鼓风干燥箱：103型，天津市试验仪器厂；微机控制电子万能试验机：CMT4304型，美特斯工业系统（中国）有限公司；导热系数测定仪：D300FX-D30，天津佛瑞德科技有限公司；恒温恒湿试验箱：HBY-40B，苏州市东华试验仪器有限公司；ICP-AES分析仪：SPS8000型，北京海光仪器公司；偏光显微镜：DM400911，德国 Leica。

1.2 试验方法

（1）在岩棉板上裁取2组200 mm×200 mm的试样各10块，其中1组浸水处理28 d，另 1组在（23±2）℃，相对湿度（50±5）%的环境中放置28 d；按照相关标准要求的试验方法分别测试2组试样的压缩强度、垂直于表面的抗拉强度及酸度系数。

（2）在岩棉板上裁取6组300 mm×300 mm的试样各2块，全部置于（105±5）℃的烘箱内烘至恒重，并称量。将其中1组试样用保鲜袋密封好，按照GB/T 17370—1998《含湿建筑材料稳态传热率的测定》中的方法进行稳态传热率测试（平均温度25℃）；将剩余5组试样分别置于温度（23±2）℃，相对湿度分别为55%、65%、75%、85%、95%的恒温恒湿试验箱中进行状态调节，直至恒重，然后用保鲜袋密封好，称量，按照GB/T 17370—1998中规定的方法进行稳态传热率测试（平均温度25℃）。

2 结果与讨论

2.1 岩棉板在含水潮湿状态下的强度性能

影响岩棉强度的因素有很多，如纤维直径、粘接剂与固化剂的用量及均匀性、打褶工艺、酸度系数、网络结构等。纤维直径越小，强度越高；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，固化剂的均匀性对强度影响很大；棉片打褶的目的是使棉片曲面叠加，提高垂直于板面的拉伸强度，打褶越深，垂直于板面的拉伸强度越高；酸度系数即岩棉纤维化学成分中酸性氧化物（SiO2+Al2O3）和碱性氧化物（CaO+MgO）的比值，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，纤维中硅氧键断裂减少，桥氧键的网络提高，强度提高；网络结构不同，如平行于纤维方向和垂直于纤维方向（即岩棉板和岩棉带）的岩棉制品，其强度也有很大差别。岩棉板在含水潮湿状态下的性能见表1。

由表1可见，浸水处理28 d后岩棉板的压缩强度降低了33.3%，垂直于表面的抗拉强度降低了35.3%，酸度系数没有发生明显变化。

表1 岩棉板的性能测试结果

取适量岩棉纤维在去离子水中浸泡28 d后，使用ICPAES分析仪测试其浸泡液的阳离子浓度，结果见表2。

表2 岩棉板浸泡溶液中的主要阳离子浓度 mg/ml

由表2可见，岩棉纤维浸泡液中主要含有的阳离子为Na+，其次还有少量的 K+和微量的 Al3+、Ca2+、Si4+、Mg2+等离子。

岩棉板经浸水处理后，其粘接剂与固化剂部分被破坏，使其变得蓬松。由于长期受到水分侵蚀，岩棉纤维表面的K+、Na+等碱金属离子易于吸附水分，迁移到水中，其网络结构发生水解，从而使纤维结构遭到破坏，部分纤维断裂甚至粉化，通过微裂纹扩展，破坏网络结构的完整性，从而致使强度降低。而Si4+、Al3+、Ca2+、Mg2+等离子以金属氧化物的形式存在于岩棉的网络体系中，不易被水溶出[5]，因此，其酸度系数没有明显变化。

2.2 岩棉板在含水潮湿状态下的稳态传热率

稳态传热率是岩棉制品作为建筑保温材料的重要性能指标，其影响因素有很多，如网络结构、密度、工作温度、含湿率、纤维直径、热流方向等。岩棉板的网络结构主要由岩棉纤维、粘结剂、防尘剂、憎水剂等组成，是互相连通的空隙结构，适当增加密度、降低热对流作用，岩棉板的绝热性能会提高；温度对岩棉板的导热系数有直接影响，温度升高时，分子的热运动增强，孔隙中空气的导热和孔壁间的辐射作用也有所增加，会导致其导热系数增大；岩棉板是多空隙材料，容易吸湿，吸湿后其导热系数会增大；纤维直径越小，纤维间的孔隙尺寸也越小，岩棉板的导热系数也会减小；岩棉板是各向异性材料，其纤维质材料从排列状态看，分为纤维方向与热流向垂直或平行2种情况，传热方向和纤维方向垂直时的绝热性能比传热方向和纤维方向平行时要好一些。不同相对湿度、质量含湿率对岩棉板稳态传热率的影响见表3、图1。

表3 岩棉板稳态传热率的测试结果

图1 岩棉板质量含湿率与稳态传热率的关系曲线

从表3可以看出，随着环境相对湿度的增大，水分不断渗入岩棉板中，填充纤维空隙，岩棉板的质量含湿率不断增大。岩棉板在相对湿度≤85%的环境中，其稳态传热率随着环境相对湿度的增加而逐渐增大，近似成线性关系；当岩棉板长期处于相对湿度为95%的环境中时，其表面会凝结水珠，使岩棉板的稳态传热率突然增大，比在绝干状态下增加了251.4%，大大降低岩棉的保温性能。

由图1可以看出，岩棉板的稳态传热率随着其质量含湿率的增加而逐渐增大，且表现出良好的线性关系y=0.0105x+0.0326，相关系数高达0.9987，该关系曲线可用于近似推导岩棉在不同含湿状态下的稳态传热率，具有一定的参考价值。

岩棉板经偏光显微镜放大100倍后的微观形貌见图2。

图2 岩棉板经偏光显微镜放大100倍后的微观形貌

从图2可以看出，岩棉板主要是由许多无序排列的长纤维组成的层间网状结构，受潮含水时，水分主要吸附在平行纤维和垂直纤维的空隙中，其中垂直纤维的空隙中分布较多水分。

25℃时水的导热系数约为0.61 W/（m·K），空气的导热系数约为0.023 W/（m·K），岩棉板在含水潮湿状态下，水分填充纤维空隙，破坏了岩棉板干燥状态下的微观导热体系，形成了许多“热桥”，加快热流传输速率，造成了热桥效应[6]。随着岩棉板含湿率的增加，水分形成的“热桥”也逐渐增多，致使其稳态传热率不断增大，保温效果不断降低。