保溫用巖棉與礦渣棉

武允超

（安徽省水利科學研究院，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棉狀纖維，主要包含巖棉、玻璃棉、礦渣棉等。其技術起源于19 世紀的英美國家，20 世紀30 年代于國外形成產業，20 世紀50 年代進入我國。在80 年代之前，我國的礦物棉工業發展十分緩慢，伴隨著我國的改革開放，國家加快對國外技術及設備的引進，礦物棉及其制品的質量及產量提升很快，在國內的使用也越來越普及，逐漸成為建筑、工業應用最為普遍的材料之一。

2 礦物棉的應用

在建筑行業，礦物棉制品中的玻璃棉主要應用于屋面保溫及隔音等方面；巖棉主要應用于建筑屋面及外墻保溫方面；礦渣棉主要應用于室內吸聲隔音方面。國家標準《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014（2018 年版））規定，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，當建筑高度大于100m 時，應采用燃燒性能為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、質輕、低導熱、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規范對巖棉的質量做出要求。而根據國家規范《建筑節能工程質量驗收標準》（GB 50411—2019）規定，保溫隔熱材料進場復驗的項目為密度、抗壓強度、導熱系數、燃燒性能。在這幾個檢測指標上，礦渣棉板和用于外墻保溫的巖棉板的數值非常接近，而在價格上，礦渣棉板比巖棉板要便宜很多。由于工藝及技術所限，目前常規手段生產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為了經濟利益，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成分、生產工藝、物理性能等幾個方面分別對兩者的理化性能進行介紹，同時，也會介紹一些直觀的方法進行二者的辨別。

3 礦渣棉與巖棉的性能及差異

3.1 化學成分

礦渣棉主要是由高爐渣、礦渣或其他冶煉余渣生產的。它的化學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的產品。輝綠巖、玄武巖的化學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 主流生產工藝

目前巖棉與礦渣棉所采用的主流生產工藝為離心法中的沖天爐法。沖天爐是由煙囪、加料口、熱風管、爐缸、爐底門等部件組成，爐身設有冷卻水以確保設備安全。具體工藝流程是將稱量后的原料及燃料通過提升機由加料口加入沖天爐內，使混合物熔融后進入爐體，然后將空氣預熱，將其由設置于沖天爐周身的熱風管送入沖天爐。熔融態混合物通過沖天爐底門進入三輥或四輥離心機甩制成纖維，同時添加部分粘合材料。這些纖維在風環中高壓風的作用下噴吹到集棉機，在風壓作用下，將纖維均勻地牽落在網帶上，然后通過擺錘機進行布棉操作（擺錘法）制成原棉（噴膠棉），再將原棉送進固化爐固化，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境及易浸水環境下的耐久性。

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生反應生成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境中耐久性下降。礦渣棉纖維會與水反應，所以耐水性較差，即使干燥后也不能回復性能，用在建筑外墻的話，容易出現因浸雨、雪水導致的保溫層粉化破壞，致保溫層及飾面層脫落。

由于生產的原料不同，巖棉中固相主要含有的Ca[Al2Si2O8]（鈣長石）、Ca3[Si3O9]（硅灰石）及鋁方柱石結晶均不具備與水反應硬化的特性，且巖棉中的硅酸二鈣含量很少，在潮濕環境吸水后變化很小。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，質量有保障。

3.4 耐腐蝕性能

對于礦物棉而言，它的化學穩定性主要由酸度系數（以Mk表示）決定，酸度系數為樣品中的二氧化硅與三氧化二鋁的質量分數之和比上氧化鈣和氧化鎂的質量分數之和，即Mk=（wSiO2+wAl2O3）/（wCaO+wMgO）。在國家相關產品標準中巖棉制品的酸度系數均要求不小于1.6，而礦渣棉的酸度系數一般為1.2。由于氧化硅和三氧化二鋁的化學性質較為穩定，而氧化鈣與氧化鎂則屬于堿金屬氧化物，較為活潑，一定條件下易發生反應，若酸度系數小，則說明氧化鈣與氧化鎂的含量較大，礦物棉的化學穩定性較差。

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，導致難以成型質量穩定的纖維，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，導致礦渣棉酸度系數較小。所以在與腐蝕性液體接觸時，巖棉惰性較高，很難因發生化學反應而導致纖維單絲斷裂，因此耐腐蝕性能方面，巖棉要大大優于礦渣棉。所以酸度系數也是區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、長短、排布結構等指標有關。同種生產工藝下，纖維的指標決定了礦物棉的保溫性能。以離心法為例，在離心機成纖過程中，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。且巖棉原料酸度系數較大，CaO 含量低，制取的纖維也較細，因此成纖質量較高；礦渣棉原料中鐵氧化物含量很低，若強行提高酸度系數，則其熔融物的穩定性很差，溫度的小幅改變都會使熔融體的粘度變化很大，無法保證成纖質量，所以礦渣棉無法通過僅僅提高酸度系數來提高成纖質量。因此礦渣棉的纖維相對于巖棉來說較短、較脆，鋪棉而成的制品導熱系數也略高。

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，在生產中，它是礦物棉在成纖工藝過程中產生的有害成分，渣球含量高的話，纖維雜質就多，不僅不利于保溫，也會導致礦物棉觸感扎人，施工時多有不便，經常不能一個班組連續施工。以多輥離心法工藝為例，在離心機成纖過程中，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，巖棉的導熱系數要略小于礦渣棉，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《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，在不燃性試驗爐內加熱樣品至溫度平衡（即可燃成分已燃燒完畢），根據試驗后樣品的質量損失，爐內溫升，持續燃燒時間指標做為燃燒性能的判定標準。

礦渣棉的原料為高爐礦渣，在其生產過程中，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，巖棉的質量損失比礦渣棉要小。

對于礦物棉的耐溫性能，國標《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（GB/T 11835-2016）規定為在650℃以下，持續24h，線收縮不大于4%；對于礦渣棉制品，為在450℃以下，持續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秀。

4 結語

隨著我國大力發展低碳經濟，不斷推進節能減排工作，礦物棉保溫節能材料的市場會越來越廣闊。目前我國高質量礦物棉的產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象，所以在使用中要注意辨別巖棉與礦渣棉的區別，在進場檢測時最好增加酸度系數等檢測指標進行區分，防止不合格材料進入市場。