酸度系数岩棉性质
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陈超,等:酸度系数与岩棉性质的关系研究
 
 
 
酸度系数与岩棉性质的关系研究
 
陈超1,孙诗兵1,赵金平2,陈华1,谭丹君2
(1.北京工业大学 材料科学与工程学院,北京 100124;2.北新集团建材股份有限公司,北京 102208)
 
摘要:酸度系数是衡量用于外墙外保温系统的岩棉的重要指标。设计了不同酸度系数岩棉的组成,试验表明,样品的融制温度和耐水性随酸度系数的提高而上升,其中酸度系数 2.0 时耐水性为酸度系数 1.0 的 3.45 倍。岩棉制品的受热体积收缩率随酸度系数的降低而明显增大,酸度系数 1.33 的岩棉制品的体积收缩率高达 85%,而酸度系数 2.01 时体积没有变化。分析了与酸度系数有关性能对外墙外保温系统的影响。
 
 
0前言
外墙外保温系统是我国建筑外墙保温的主导形式。岩棉是重要的 A 级不燃建筑保温材料。于 2011 年 10 月 1 日实施的 GB/T 25975—2010《建筑外墙外保温用岩棉制品》以标准的形式明确了外墙外保温系统用岩棉的技术要求。该标准是以欧洲标准 EN 13500 和 EN 13500 为蓝本制订,与欧洲标准主要的不同点在于该标准规定了岩棉的酸度系数(MK)。欧洲的岩棉以高酸度系数为主,从现有样品的测试情况,酸度系数一般在 1.8 以上。在公开刊物上很难查到关于酸度系数与岩棉性能研究的报道。
酸度系数表述为 MK=(SiO2+Al2O3)/ (CaO+MgO),其中的成分为质量百分数。该指标的限制实际上一定程度地划分了岩棉和矿渣棉的区别。矿渣棉以矿渣为主要原材料,而岩棉是以玄武岩或辉绿岩等火成岩为主要原材料。在实际生产中岩棉也可以矿渣为原材料,酸度系数可以通过硅石、铝矾土等高硅和高铝的原材料进行调整;矿渣棉也可以玄武岩或辉绿岩为原材料,酸度系数通过石灰石、白云石等高钙或高镁的原材料调整。岩棉和矿渣棉是密切相关,甚至是难以分辨的孪生兄弟。因此,用酸度系数来规定建筑用岩棉的品质是科学的方式。然而,酸度系数对于建筑保温的重要性,或者对性能的影响在文献中少有报道。本文就酸度系数与岩棉性质的关系作了基础研究。
 
 
1酸度系数与熔制温度的关系
不同酸度系数岩棉制品其粉末的 XRD 测试结果如图 1所示。
 
从图 1 可以看出,2 种岩棉均属于玻璃态。
不同酸度系数的岩棉组成见表 1,采用玻璃熔化温度计算方法,计算得出的熔制温度如图 2 所示。
 
表 1岩棉的组成
编号  SiO2/g  Al2O3/g  CaO/g  MgO/g  Fe2O3/g   MK
1     34.00    13.5    36.00     11.5     5.0     1.0
2     38.32    13.5    31.68     11.5     5.0     1.2
3     41.92    13.5    28.08     11.5     5.0     1.4
4     44.96    13.5    25.04     11.5     5.0     1.6
5     47.57    13.5    22.43     11.5     5.0     1.8
6     49.83    13.5    20.17     11.5     5.0     2.0
 
 
从图 2 可以看出,随着酸度系数的提高,岩棉的熔制温度相应提高。酸度系数为 2.0 的岩棉比酸度系数为 1.0 的岩棉熔制温度提高 140 ℃。这意味着,高酸度系数的熔制难度增大,需消耗更多的燃料,对设备和耐火材料提出更高的要求。实际上,采用冲天炉为熔制装备的岩棉为块状原材料,其实际熔化温度比理论计算温度还要高 50~100 ℃。
 
2酸度系数与耐水性的关系

    按照表 1 的成分,采用化学纯原料,配制配合料。配合料在 1400~1550 ℃熔化,然后水淬成玻璃粒。按照 GB/T 6582—1997《玻璃在 98 ℃耐水性的颗粒试验方法和分级》测试耐水性,结果如图 3 所示。
 
 
从图 3 可以看出,试样的耐水性随酸度系数的增加迅速下降,酸度系数为 1 的耗酸量(耐水性) 是酸度系数为 2 的3.45 倍。碱土金属离子处于玻璃网络之外,易于迁移到水中,形成与酸中和的离子。酸度系数越高,碱土金属氧化物越高,不仅增加了迁移的离子,而且使玻璃网络断网,破坏网络结构的完整性,加剧其化学稳定性的恶化。
岩棉纤维的直径一般在 4 μm 以上,长度为几厘米。这种短细纤维具有很大的表面积。外墙外保温系统构造中的粘结剂、抹面砂浆等均为水泥基材料,加之基层墙体现浇混凝土含有的水分,岩棉纤维受到水分侵蚀的机会始终存在。如果酸度系数过低,则耐水性变差,长期受到水分的作用,可以形成包括网络结构在内的水解作用。纤维断裂、粉化,最后失去应有的强度而下沉堆积,这就是实际工程观察到的“垮裤腰”现象。因此,酸度系数直接关系到岩棉纤维耐久性,这也就是我国岩棉标准中强调制品酸度系数的重要原因。
岩棉和矿渣棉二者在外观甚至在 GB/T 6582—1997 规定的性能上很难分辨。在它们的生产过程中喷洒了防水剂,现有的检测技术很难对产品直接进行耐水化学稳定性的检测,这样,对酸度系数的规定可以从组成上对材质进行限定。
 
3酸度系数与热稳定性的关系
    热稳定性是保温材料的重要性能之一,它表征材料在受热条件下,收缩、膨胀、变形、相态变化等物理变化,也反映分解、燃烧等化学变化。岩棉作为不燃材料,研究其热稳定性的目的在于受到温度作用时,能否维持正常的形态,特别是材料用于隔火作用。
    将密度相同,不同酸度系数的岩棉制品切割成等面积的试块。将试块置于硅碳棒炉中以 3 ℃/min 的速率升温至 900℃,测试其体积变化,结果如

图 4 所示。
 
 
    从图 4 可以看出,酸度系数最低的制品其体积收缩高达85%,随着酸度系数的增大,体积收缩急剧减小,酸度系数达2.01 时,体积几乎没有变化。
在岩棉稳定性受热试验中,低酸度系数的岩棉制品开始表现为收缩,密度增大;随着温度的升高,表现为烧结作用,密度进一步增大气,在处理温度 900 ℃终结时,烧结成为板状材料,并伴有少量的液相生成。酸度系数高于 1.8 的样品在受热过程中形态上没有变化,至 900℃终结时,样品也没有粉化的现象。
 
4结论
岩棉制品的 XRD 分析表明,其纤维表现为玻璃态。酸度系数 2.0 的岩棉理论熔制温度高出酸度系数 1.0 的 140 ℃,其耐水性随酸度系数的增大而提高,其中酸度系数 2.0 的耐水性为酸度系数 1.0 的 3.45 倍,耐水性与组成形成的结构相关,反映材料的耐久性。岩棉制品的体积收缩率随酸度系数增大而迅速下降,酸度系数接近 2.0 的岩棉制品的纤维几乎没有变化,而酸度系数 1.33 的岩棉制品的体积收缩率高达85%。
 
 
 
 
 
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