保溫用巖棉與礦渣棉

武允超

（安徽省水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000）

1 礦物棉概述

巖棉與礦渣棉同屬礦物棉，礦物棉是無機(jī)纖維及其制品的總稱，是將礦物原料采用熔制、噴吹、離心成纖等工藝成型的細(xì)棉狀纖維，主要包含巖棉、玻璃棉、礦渣棉等。其技術(shù)起源于19 世紀(jì)的英美國家，20 世紀(jì)30 年代于國外形成產(chǎn)業(yè)，20 世紀(jì)50 年代進(jìn)入我國。在80 年代之前，我國的礦物棉工業(yè)發(fā)展十分緩慢，伴隨著我國的改革開放，國家加快對國外技術(shù)及設(shè)備的引進(jìn)，礦物棉及其制品的質(zhì)量及產(chǎn)量提升很快，在國內(nèi)的使用也越來越普及，逐漸成為建筑、工業(yè)應(yīng)用最為普遍的材料之一。

2 礦物棉的應(yīng)用

在建筑行業(yè)，礦物棉制品中的玻璃棉主要應(yīng)用于屋面保溫及隔音等方面；巖棉主要應(yīng)用于建筑屋面及外墻保溫方面；礦渣棉主要應(yīng)用于室內(nèi)吸聲隔音方面。國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016—2014（2018 年版））規(guī)定，對于住宅建筑，與基層墻體和裝飾層之間無空腔的保溫系統(tǒng)，當(dāng)建筑高度大于100m 時，應(yīng)采用燃燒性能為A 級的保溫材料。因此隨著高層住宅的日益增多，巖棉做為一種不燃、質(zhì)輕、低導(dǎo)熱、耐腐蝕的保溫材料，使用量越來越大，國家也相繼出臺了相關(guān)規(guī)范對巖棉的質(zhì)量做出要求。而根據(jù)國家規(guī)范《建筑節(jié)能工程質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50411—2019）規(guī)定，保溫隔熱材料進(jìn)場復(fù)驗的項目為密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、燃燒性能。在這幾個檢測指標(biāo)上，礦渣棉板和用于外墻保溫的巖棉板的數(shù)值非常接近，而在價格上，礦渣棉板比巖棉板要便宜很多。由于工藝及技術(shù)所限，目前常規(guī)手段生產(chǎn)的礦渣棉存在種種缺陷，尚不適用于外墻保溫，所以有部分不良企業(yè)為了經(jīng)濟(jì)利益，使用礦渣棉冒充巖棉以次充好，給工程留下安全隱患。下面，將從巖棉及礦渣棉的化學(xué)成分、生產(chǎn)工藝、物理性能等幾個方面分別對兩者的理化性能進(jìn)行介紹，同時，也會介紹一些直觀的方法進(jìn)行二者的辨別。

3 礦渣棉與巖棉的性能及差異

3.1 化學(xué)成分

礦渣棉主要是由高爐渣、礦渣或其他冶煉余渣生產(chǎn)的。它的化學(xué)成分特點為二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂的總含量大于90%，鐵氧化物含量較小，硫含量在5%左右，因為硫的存在，在濕度大的環(huán)境中使用時與金屬接觸會有腐蝕作用。礦渣棉顏色一般為灰白色。

巖棉是以輝綠巖、白云石、玄武巖天然礦石等為主要原料生產(chǎn)的產(chǎn)品。輝綠巖、玄武巖的化學(xué)成分特點是二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂的總含量比高爐礦渣低10%，為80%，而鐵氧化物，如氧化鐵、氧化亞鐵的含量是高爐礦渣的十余倍，由于三氧化二鐵的染色作用，巖棉的顏色一般為灰綠色。

3.2 主流生產(chǎn)工藝

目前巖棉與礦渣棉所采用的主流生產(chǎn)工藝為離心法中的沖天爐法。沖天爐是由煙囪、加料口、熱風(fēng)管、爐缸、爐底門等部件組成，爐身設(shè)有冷卻水以確保設(shè)備安全。具體工藝流程是將稱量后的原料及燃料通過提升機(jī)由加料口加入沖天爐內(nèi)，使混合物熔融后進(jìn)入爐體，然后將空氣預(yù)熱，將其由設(shè)置于沖天爐周身的熱風(fēng)管送入沖天爐。熔融態(tài)混合物通過沖天爐底門進(jìn)入三輥或四輥離心機(jī)甩制成纖維，同時添加部分粘合材料。這些纖維在風(fēng)環(huán)中高壓風(fēng)的作用下噴吹到集棉機(jī)，在風(fēng)壓作用下，將纖維均勻地牽落在網(wǎng)帶上，然后通過擺錘機(jī)進(jìn)行布棉操作（擺錘法）制成原棉（噴膠棉），再將原棉送進(jìn)固化爐固化，然后通過切割等一系列操作形成制品。

3.3 耐水性能

在巖棉和礦渣棉中，耐水性能指的是兩者的組成礦物纖維的耐水解性能。耐水性能決定礦物棉在潮濕環(huán)境及易浸水環(huán)境下的耐久性。

礦渣棉中固相主要含有Ca[Al2Si2O8]（鈣長石）、Ca3[Si3O9]（硅灰石）及2CaO·SiO2（硅酸二鈣）。硅酸二鈣在部分條件下可與水發(fā)生反應(yīng)生成3CaO·2SiO2·3H2O（硅酸鈣凝膠）和Ca（OH）2（氫氧化鈣晶體），使礦渣棉在潮濕或與水接觸的環(huán)境中耐久性下降。礦渣棉纖維會與水反應(yīng)，所以耐水性較差，即使干燥后也不能回復(fù)性能，用在建筑外墻的話，容易出現(xiàn)因浸雨、雪水導(dǎo)致的保溫層粉化破壞，致保溫層及飾面層脫落。

由于生產(chǎn)的原料不同，巖棉中固相主要含有的Ca[Al2Si2O8]（鈣長石）、Ca3[Si3O9]（硅灰石）及鋁方柱石結(jié)晶均不具備與水反應(yīng)硬化的特性，且?guī)r棉中的硅酸二鈣含量很少，在潮濕環(huán)境吸水后變化很小。因此，巖棉纖維近乎于不吸水，僅僅纖維之間的間隙會吸附少量水分，吸水再干燥后性能下降不明顯，不會出現(xiàn)保溫層粉化破壞。所以巖棉材料的耐水、耐潮濕性能較好，用于建筑外墻保溫，質(zhì)量有保障。

3.4 耐腐蝕性能

對于礦物棉而言，它的化學(xué)穩(wěn)定性主要由酸度系數(shù)（以Mk表示）決定，酸度系數(shù)為樣品中的二氧化硅與三氧化二鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和比上氧化鈣和氧化鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和，即Mk=（wSiO2+wAl2O3）/（wCaO+wMgO）。在國家相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中巖棉制品的酸度系數(shù)均要求不小于1.6，而礦渣棉的酸度系數(shù)一般為1.2。由于氧化硅和三氧化二鋁的化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，而氧化鈣與氧化鎂則屬于堿金屬氧化物，較為活潑，一定條件下易發(fā)生反應(yīng)，若酸度系數(shù)小，則說明氧化鈣與氧化鎂的含量較大，礦物棉的化學(xué)穩(wěn)定性較差。

巖棉的原料玄武巖、輝綠巖的成分主要為二氧化硅與三氧化二鋁，鈣鎂氧化物的含量很少，所以酸度系數(shù)較大。

礦渣棉的原料主要為煉鋼生鐵高爐渣、鑄造生鐵高爐渣等，其中氧化鈣與氧化鎂的總含量約為50%，且鐵氧化物含量小，若要在礦渣棉成纖過程中除去氧化鈣與氧化鎂，則原料熔融體的粘度及溫敏性會大大提高，導(dǎo)致難以成型質(zhì)量穩(wěn)定的纖維，且成本也會大大上升。因此原料及工藝、成本等方面的限制，礦渣棉中鈣鎂氧化物含量難以降低，導(dǎo)致礦渣棉酸度系數(shù)較小。所以在與腐蝕性液體接觸時，巖棉惰性較高，很難因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致纖維單絲斷裂，因此耐腐蝕性能方面，巖棉要大大優(yōu)于礦渣棉。所以酸度系數(shù)也是區(qū)分礦渣棉和巖棉的一個好方法。

3.5 保溫性能

礦物棉的保溫性能和纖維的粗細(xì)、長短、排布結(jié)構(gòu)等指標(biāo)有關(guān)。同種生產(chǎn)工藝下，纖維的指標(biāo)決定了礦物棉的保溫性能。以離心法為例，在離心機(jī)成纖過程中，巖棉的原料鐵氧化物含量高，它的熔融體擁有穩(wěn)定的成纖粘度與溫度范圍，有利于成纖過程的操作，制成的纖維較長。且?guī)r棉原料酸度系數(shù)較大，CaO 含量低，制取的纖維也較細(xì)，因此成纖質(zhì)量較高；礦渣棉原料中鐵氧化物含量很低，若強(qiáng)行提高酸度系數(shù)，則其熔融物的穩(wěn)定性很差，溫度的小幅改變都會使熔融體的粘度變化很大，無法保證成纖質(zhì)量，所以礦渣棉無法通過僅僅提高酸度系數(shù)來提高成纖質(zhì)量。因此礦渣棉的纖維相對于巖棉來說較短、較脆，鋪棉而成的制品導(dǎo)熱系數(shù)也略高。

此外，礦物棉的保溫性能還和渣球含量密不可分，渣球指的是礦物棉中大于一定粒徑的非纖維物質(zhì)，在生產(chǎn)中，它是礦物棉在成纖工藝過程中產(chǎn)生的有害成分，渣球含量高的話，纖維雜質(zhì)就多，不僅不利于保溫，也會導(dǎo)致礦物棉觸感扎人，施工時多有不便，經(jīng)常不能一個班組連續(xù)施工。以多輥離心法工藝為例，在離心機(jī)成纖過程中，熔融體瞬間離心成纖，余下未成纖部分成為渣球。而由于原料及工藝原因，礦渣棉渣球含量大于巖棉，一般情況下，巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)要略小于礦渣棉，保溫性能更好。

3.6 耐高溫性能

巖棉及礦渣棉均為符合國標(biāo)《建筑材料及制品燃燒性能分級》（GB 8624—2012）中A 級的不燃材料，其中不燃性試驗參照《建筑材料不燃性試驗方法》（GB/T 5464—2010）。要求在750℃±10℃下，在不燃性試驗爐內(nèi)加熱樣品至溫度平衡（即可燃成分已燃燒完畢），根據(jù)試驗后樣品的質(zhì)量損失，爐內(nèi)溫升，持續(xù)燃燒時間指標(biāo)做為燃燒性能的判定標(biāo)準(zhǔn)。

礦渣棉的原料為高爐礦渣，在其生產(chǎn)過程中，硅酸二鈣含量較高，而硅酸二鈣分為三種晶型——α、β、γ 型，其中γ 型在溫度大于675℃時易因晶型轉(zhuǎn)變而膨脹粉化。巖棉的硅酸二鈣含量很小，它的主要礦物組成硅灰石-鋁方柱石-鈣長石的共熔點在1200℃以上。因此，在不燃性實驗中，巖棉的質(zhì)量損失比礦渣棉要小。

對于礦物棉的耐溫性能，國標(biāo)《絕熱用巖棉、礦渣棉及其制品》（GB/T 11835—2016）中采用加熱線收縮率來表示。加熱線收縮率是指樣品在一定溫度下保持特定的時間后，其尺寸的收縮率。對于巖棉制品，國標(biāo)（GB/T 11835-2016）規(guī)定為在650℃以下，持續(xù)24h，線收縮不大于4%；對于礦渣棉制品，為在450℃以下，持續(xù)24h，線收縮不大于4%。在不燃性實驗中，因不燃爐平衡溫度為750℃，所以試驗后礦渣棉樣品的尺寸收縮率也比巖棉樣品要大，通過經(jīng)驗可粗略判斷礦物棉的成分。同時也由此可以看出，巖棉的耐高溫性能比礦渣棉要優(yōu)秀。

4 結(jié)語

隨著我國大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，不斷推進(jìn)節(jié)能減排工作，礦物棉保溫節(jié)能材料的市場會越來越廣闊。目前我國高質(zhì)量礦物棉的產(chǎn)能依舊較小且價格較高，因此在使用巖棉做為保溫材料的工程中，不乏以礦渣棉冒充巖棉的現(xiàn)象，所以在使用中要注意辨別巖棉與礦渣棉的區(qū)別，在進(jìn)場檢測時最好增加酸度系數(shù)等檢測指標(biāo)進(jìn)行區(qū)分，防止不合格材料進(jìn)入市場。