建筑围护结构中岩棉的应用及性能选择

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随着中国建筑对保温和防火要求的提高,特别是对A级不燃材料的大量需求,岩棉成了目前保温市场上优选的材料之一。相对来讲,它在建筑外围护保温中应用较多,有较成熟的做法和规范。
2010年,按行业协会的统计,国内岩矿棉(包括岩棉、矿渣棉)产量达到121万t,但在整个行业中,真正符合建筑围护结构保温应用的岩棉却不到总产能的10%。建筑业对满足节能和防火要求的高质量岩棉的需求量很大,但国内岩矿棉行业绝大多数企业规模小,并以采用纯矿渣生产工业保温用矿渣棉制品的占大多数,产品质量良莠不齐,大量不合格的岩矿棉制品被应用于建筑围护结构中。
近年来,随着国家产业发展政策和行业准入制度的出台、技术引进与提升,中国岩棉的发展正逐步向国际先进水平靠拢,沿着大型、高效、节能、高品质之路在前进。同时,岩棉产品标准及应用技术体系标准也在不断完善,对提高产品质量,保障建筑节能体系的质量安全起到了良好的推动作用。
1岩棉的应用性能分析
岩棉生产的主要原材料为玄武岩、辉绿岩及白云石等,是从熔体通过离心喷吹纤维化制成的。在建筑围护结构中,岩棉保温层是系统重要的组成材料之一。分析岩棉材料的特性到系统对其应用特性的要求,探讨选择高质量岩棉的重要性,有助在应用中实现对岩棉材料的优选。
1.1力学性能
岩棉的力学性能,与纤维的质量、排布方向及纤维之间的固化粘结等因素有关"。
1)纤维的质量成棉的熔体化学成分中,酸性氧化物有利于形成纤维骨架,提高单丝的弹性;碱性氧化物虽然可以降低熔化温度和熔体黏度,但不利于制取长纤维。所以纤维的强度和酸度系数在理论上存在一定的关联性,但不是决定性的因素。
2)纤维的排布方向
国内大部分岩棉生产工艺中,纤维的分布平行于板的表面,因而抗拉强度和抗压强度相对较差。为了在垂直板面的方向得到较大的强度,可将纤维打褶处理,使一部分纤维交错并与板面呈一定的角度,这种岩棉适合在外墙外保温抹灰系统和屋面系统中使用;而在夹芯板用岩棉芯材中,可将使用的岩棉切条纤维和金属面板垂直,从而得到较大的强度。
3)纤维之间的固化粘结
纤维和纤维之间需要使用可固化的粘结剂,这和岩棉的强度也存在联系。粘结剂的均匀度最为重要。在外墙使用的岩棉中,比如夹芯板或外墙外保温岩棉切条,如果某部分的岩棉纤维之间粘结剂固化不好或缺失,会导致局部的强度非常低,而局部的失效又可能导致整个系统失效。
在岩棉老化过程中,纤维的强度与纤维之间粘结剂的强度是同步降低的。从纤维的化学成分看,如果含有较多的MgO和Ca0,碱性氧化物在湿度大的高温环境中会不稳定。所以从理论上看,酸度系数低的岩矿棉经老化试验后,其强度降低的百分比相对较大。而从实际的检测数据对比来看,酸度系数低的岩矿棉老化后强度降低也非常明显。
作为一种非匀质的纤维材料,岩棉的强度(初始和老化后)需要综合许多因素来判断,和原材料、生产设备、生产工艺和质量控制都有关系。在实际工程应用中,需要承包商、系统供应商和岩矿棉生产厂家共同合作。
1.2绝热性能
热的传递方式为:热传导、对流和辐射。针对岩矿棉材料,以下指标影响着其导热性能。
1渣球含量
渣球是在制棉过程中未纤维化的金属残渣或粗大纤维等固体粒子,其产生和生产原材料、熔体、成纤工艺有关。纤维类保温材料中的渣球会增强固相导热,造成热量泄漏,影响保温效果。
2)纤维直径
越细的纤维,表示单位体积中纤维数量越多,可以减少对流传热和辐射。
3)岩棉的容重
空气流阻是衡量气流通过保温材料时所受到的阻力,常用于衡量保温材料隔热和吸音性能的优劣。容重低的保温材料,空气流阻低,其内部空气容易产生对流,使散热损失和表面温度增加。达到一定容重的保温材料,其对流传热基本停止,对热传导率的影响下降。辐射传热受容重的影响很大,保温材料容重越低时影响越显著;辐射传热会随温度的升高而增强。固相热传导主要是纤维接触导热和渣球等的固体导热,随保温材料的容重升高而增强。
4)密度及纤维分布均匀度性能优的岩棉产品,纤维层薄而均匀,渣球少,再经逐层铺叠,其面密度和容重偏差小,导热系数离散差异小,品质佳。摆锤法生产的岩棉,其面密度分布偏差<10%。
5)粘结剂含量及分布均匀性岩棉需加入粘结剂成型,粘结剂含量高可增加制品的强度;但含粘结剂过多或局部分布不均匀,也会影响其燃烧和传热性能。
6)纤维的方向传热和透气性是相关的,热传导、气流方向如果和纤维分布方向垂直,传热慢、气流通过的阻力大;如果热传导、气流方向和主要的纤维方向一致,传热快、气流通过的阻力就小。
综合考虑岩棉的技术性能指标,在建筑物中应用时,应遵循满足安全的前提,选择合理的材料、保温层纤维的方向和保温层的厚度。
1.3燃烧性能
建筑材料的燃烧性能分级,是根据材料在不同条件下的对火反应,如不燃性、可燃性、燃烧热值、单体燃烧、产烟毒性等划分的。岩棉和矿渣棉的燃烧性能,都可以达到A1或A2级(参照GB8624-2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》》。在考虑耐火构件时,仅仅关注其燃烧性能是不够的,需要考虑整个屋面的耐火等级。从系统和材料来分析,耐火等级涉及到模拟火灾发生时,构件的隔热性和完整性、毒烟的释放等指标。在火灾中,耐火构件需要承受800℃以上的高温,并且需要在高温下保持完整、尺寸不出现明显的变化。
优质的防火用岩棉,从其纤维化学成分分析,由于含有较多的耐高温金属氧化物(如氧化铝),其纤维呈灰绿色;纤维在高温下可以保持完整性、不收缩、阻隔热量;其添加的有机粘结剂含量较少,高温时不会产生收缩或燃烧。
普通的矿渣棉纤维在500~600C时开始析晶,纤维收缩并产生粗大的黄长石结晶,纤维脆化结块,容易碎裂和粉化。如果屋面用夹芯板考虑耐火等级,需要仔细选用内部的岩棉材料。岩棉的耐火性能,对整个屋面系统的耐火等级起着决定性的作用。

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