解析國際纖維水泥制品的現(xiàn)況與動向

　　1  概況

　　1988年美國愛達荷大學(University of Idaho)的Al Moslemi教授發(fā)起每二年召開一次“國際纖維增強無機復合材料會議”(International Inorganic—Bonded Fiber Composites Conference，縮寫I IBCC)，旨在建立一個多種纖維增強無機復合材料(包括纖維水泥制品、纖維石膏制品、纖維陶瓷制品等)的研發(fā)、制造、應用以及市場開拓等方面的國際信息交流平臺。自第一屆會議以來，每屆均有不少制造商、銷售商、原材料供應商以及用戶參加，但絕大多數(shù)與會代表來自西方發(fā)達國家，商業(yè)氣息較濃。值得注意的是在近幾屆會議上開始重視技術(shù)問題的探討，并有一些國際知名的學者出席，同時與會代表中也有較多來自發(fā)展中國家。

　　第十屆國際纖維增強無機復合材料會議于2006年11月15 H至18日在巴西圣保羅(Sao Poulo)召開。此屆會議的主辦單位是巴西圣保羅大學和美國愛達荷大學，協(xié)辦單位有挪威埃肯(Elkem)材料公司、巴西巴西里脫(Brasilit)公司與法國圣戈班(Saint—Gobain)公司等。共有來自32個國家與地區(qū)的140余位代表與會，其中中國代表6人。此屆會議的重點為纖維水泥制品，有以下六個主要議題：(1)新產(chǎn)品與新概念，(2)原材料與工藝，(3)國際市場的工程材料，(4)耐久性與應用，(5)循環(huán)利用與可持續(xù)發(fā)展，(6)拉美與亞洲的市場走向與趨勢。

　　會上共宣講了33篇論文，其中有以下七個主報告：(1)高性能纖維增強水泥基復合材料的制作技術(shù)(美國S．P．Shah與Kuder)，(2)Hatschek法制造纖維水泥制品過程中絮凝劑的最佳使用(西班牙Negr0等)，(3)不同合成纖維用作空氣養(yǎng)護的纖維水泥主要增強材的比較(巴西Savastan0等)，(4)纖維水泥優(yōu)化和按既定性能制作制品的微觀力學模型(美國Victor Li與 Enhua Yang)，(5)纖維水泥制品的裂縫問題(瑞士Ak—ers)，(6)功能梯度觀念應用于纖維水泥復合材料(巴西  John與Dias等)，(7)中國非石棉纖維水泥制品的發(fā)展  (中國沈榮熹、林震與張沂)，(8)用真空法制造纖維水  泥波瓦(哥倫比亞．Delvast0等)。在會議期間有若干公  司設置了展臺，陳列樣品并提供有關資料。會議最后一  天組織代表們參觀了由巴西里脫公司與圣戈班公司合  資建造的位于Jacarei的聚丙烯纖維廠，該廠專門生產(chǎn)  用于制造非石棉纖維水泥制品的高強度聚丙烯纖維  (high tenacity PP fiber)。

　　通過此會議可獲得國際纖維水泥制品的現(xiàn)況與動  向的最新信息，并有助于借鑒國外經(jīng)驗進一步推動我  國非石棉纖維水泥制品的發(fā)展。

　　2 非石棉纖維水泥制品的技術(shù)路線

　　自上世紀80年代初發(fā)現(xiàn)石棉粉塵有害人體以來，  國際上一直致力于研發(fā)非石棉纖維水泥制品。目前絕  大多數(shù)歐盟國家、美國、日本與澳大利亞等國已不生  產(chǎn)、不進口、不使用石棉水泥制品，用非石棉纖維水泥  制品取而代之。若干發(fā)展中國家如中國、巴西、智利、秘  魯?shù)仍诶^續(xù)生產(chǎn)與使用石棉水泥制品的同時，也在生  產(chǎn)與使用非石棉纖維水泥制品。綜觀國際上開發(fā)非石  棉纖維水泥制品的技術(shù)路線，基本上可歸納為下列四  個方面。

　　(1)以原先生產(chǎn)石棉水泥制品的濕法工藝(wet  process)為基礎，加以適當改進并增添若干必要裝備，  用來生產(chǎn)非石棉纖維水泥制品。濕法工藝以抄取法(即  Hatschek process)為主，其次為流漿法。采取此技術(shù)路  線的主要優(yōu)點在于可大大降低改產(chǎn)非石棉纖維水泥制  品的投資費用。由于石棉纖維兼有增強作用與過濾作  用，而絕大多數(shù)石棉代用纖維僅有增強作用而無過濾  作用，只有纖維素纖維(cellulose fiber，由木漿纖維經(jīng)。  機械與化學處理并經(jīng)精打漿而制成的細纖維)既有一  定的增強作用又有與石棉相仿的過濾作用。為此，用濕法工藝生產(chǎn)非石棉纖維水泥制品，必須摻有纖維素纖維。由于制造非石棉纖維水泥制品所用增強纖維、水泥基材與養(yǎng)護方法的不同，又可分為以下兩類制品。    1)常溫養(yǎng)護的纖維水泥制品(air—cured fiber ce—ment product)用某種合成纖維作為主要增強材，用適量的、經(jīng)精打漿的纖維素纖維作為過濾材。水泥基材由普通波特蘭水泥與某些摻合料所組成。制品成型后經(jīng)常溫養(yǎng)護。主要生產(chǎn)非石棉纖維水泥波瓦與屋面板。    2)蒸壓養(yǎng)護的纖維水泥制品(autoclaved fiber ce— ment product)用摻量較高、經(jīng)適度打漿的纖維素纖維作為增強材，用普通波特蘭水泥與磨細石英砂等組成基材，制品成型后經(jīng)蒸壓養(yǎng)護。主要生產(chǎn)非石棉纖維水泥制品隔墻板、外墻掛板與天花板等。

　　(2)以原先生產(chǎn)某些石棉水泥制品的擠出法工藝(extrusion process)為基礎，加以適當改進并增添若干必要裝備，主要用來生產(chǎn)表面壓花的非石棉纖維水泥披迭板。與濕法工藝相比較，該法的主要特點是纖維水泥拌合料的水灰比很低(0．25左右)，不需進行脫水過濾而直接在真空一擠出成型機內(nèi)抽氣后再經(jīng)高壓擠制，制品是整體結(jié)構(gòu)，具有較高的致密性與抗凍性。為使石棉代用纖維對水泥有一定的吸附性并保證制品的勻質(zhì)性，必須摻有適量的纖維素纖維，此種纖維素纖維一般是用木漿經(jīng)干法松解制得的。但該法對纖維水泥拌合料有相當高的要求，既要有足夠的可塑性以利擠出成型，而擠出后的半成品又要有一定的剛度以保持其外形，為此，在拌合料中必須摻有高分子增塑劑，但此種增塑劑的價格很高，在原材料成本中占50％以上，故目前在國際上只有少數(shù)國家用此法制造非石棉纖維水泥制品。

　　(3)采用噴射法(spray process)成型工藝。該法迄今為止在國際上僅局限于制造玻璃纖維增強水泥(GRC)制品，例如大尺寸的GRC外墻板等。主要是使連續(xù)的抗堿玻璃纖維無捻粗紗經(jīng)切割至一定長度后用壓縮空氣噴出，再與經(jīng)霧化的水泥砂漿同時噴射到模板上。近年來國際上也開發(fā)了用‘預拌一噴射法’新工藝，但也僅局限于生產(chǎn)某些GRC裝飾構(gòu)件。

　　(4)以某些經(jīng)適當加工的植物纖維為增強材，采用較簡易的成型工藝與裝備制造中、小尺寸的非石棉纖維水泥制品，如屋面板等，適用于在發(fā)展中國家建造價格低廉的住房。例如，巴西正在開發(fā)以劍麻纖維為增強材、采用纖維水泥濃漿經(jīng)脫水過濾再經(jīng)氣動加壓制造纖維水泥小尺寸波形板的工藝與裝備；哥倫比亞正在研究以當?shù)厥a(chǎn)的一種名為fique的植物纖維為增強材、采用簡易真空脫水裝置制造小尺寸的纖維水泥波瓦。

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　　3 石棉代用纖維

　　目前國際上抄取法在濕法工藝中約占85％以上。制造常溫養(yǎng)護的非石棉纖維水泥制品所用石棉代用纖維主要是纖維素纖維與合成纖維，前者在制坯過程中起過濾作用，并在制品中起一定的增強作用，后者則主要在制品中起增強作用。歐洲很多國家與美國所用纖維素纖維是由以松木為主的針葉樹木漿(又稱軟木漿)制得的，經(jīng)精打漿后此種纖維的長徑比較大(一般長度2．70～3．05 inm)，常用的松木有山松、縱松、白縱松與濕地松等。為使纖維與水泥基材有較好的界面粘結(jié)并提高其抗堿性，采用經(jīng)漂白的松木漿并使纖維經(jīng)抗堿處理，也往往同時摻加一定量的未經(jīng)漂白的松木漿。有些國家針葉樹的產(chǎn)量較少，也使用闊葉樹木漿(又稱硬木漿)制備纖維素纖維，但精打漿后纖維的長徑比較小(一般長度0．5～2．5 mm)，雖也有較好的過濾性，但增強效果不如針葉樹木漿。巴西盛產(chǎn)屬闊葉樹的桉樹(又名‘由加利樹’eucalyptus)，過去該國制造常溫養(yǎng)護的非石棉纖維水泥制品使用由針葉樹制得的纖維素纖維，近年來通過改裝精打漿設備并優(yōu)化打漿工藝，以盡量減少纖維在打漿過程中的損傷，不僅完全可取代用針葉樹制得的纖維素纖維，還可適當減少纖維的用量。

　　所用合成纖維主要有高模量維綸纖維、改性腈綸纖維與高強度丙綸纖維，其中以維綸纖維的增強效果為最佳，根據(jù)日本可樂麗(Kurary)公司最新的研究報道，發(fā)現(xiàn)維綸纖維在高堿性(pH>12)溶液中的抗拉強度保留率與纖維分子氧化而生成的一C0—C=C一基團數(shù)量之問有密切的關聯(lián)，溶液溫度愈高、浸泡時間愈長，則此種基團的生成量也愈多，相應的抗拉強度保留率也就愈小。試驗結(jié)果表明，當溶液溫度<40。C時，此種基團的生成量極低，故對纖維的抗拉強度影響不大，由此認為維綸纖維在養(yǎng)護溫度與使用溫度不大于40℃的非石棉纖維水泥制品中有很好的耐久性。

　　由于改性腈綸纖維在非石棉纖維水泥制品中的增強與增韌效果不如高模量維綸纖維，故此種纖維在國際市場上的耗用量不如后者?？紤]到高模量維綸纖維與改性腈綸纖維的價格較高和供貨渠道等問題，近年來巴西里脫公司與圣戈班公司共同研發(fā)了高強度丙綸纖維。此種丙綸纖維與原先所用的丙綸纖維相比較，除了有較高的抗拉強度與彈性模量外(分別為850MPa與6GPa)，關鍵在于纖維制備過程中通過表面處理顯著提高了纖維與水泥基材的界面粘結(jié)強度(由0．22 MPa增加至0．7 MPa)，因而較好地發(fā)揮了丙綸在水泥基材中的增強與增韌作用。在同一抄取法生產(chǎn)工藝線上，用高強度丙綸纖維所制成的常溫養(yǎng)護的非石棉纖維水泥波瓦的抗折斷裂荷載值與用高模量維綸纖維制成者相近，但斷裂能與抗沖擊性顯著高于后者。近年來巴西已用高強度丙綸纖維大量生產(chǎn)非石棉纖維水泥波瓦與平板，該國在2001年至2003年用高模量維綸纖維總共生產(chǎn)了7500萬m2的非石棉纖維水泥制品，而在2003年至2005年則已用高強度丙綸纖維總共生產(chǎn)了11900萬m2的非石棉纖維水泥制品。

　　目前國際上生產(chǎn)蒸壓非石棉纖維水泥制品所用代用纖維主要是未漂白的由針葉樹硫酸鹽木漿制成的纖維素纖維，或名牛皮紙漿(kraft pulp)，其木質(zhì)素(1ignin)含量一般為3％左右，有時也摻有適量的漂白漿。若單純使用漂白漿則所制得的產(chǎn)品的脆性較大。    近年來瑞土的H．U．S．技術(shù)公司開發(fā)成功用回收的硬紙板與廢報紙經(jīng)精打漿后制成纖維素纖維，與普通波特蘭水泥、細磨石灰石、微硅粉等均勻混合制成纖維水泥漿，在流漿法制板機上制成厚度為8N20 mm板坯，經(jīng)常溫養(yǎng)護，再經(jīng)表面噴涂后出廠，主要作為建筑物的內(nèi)、外墻板與天花板等，已在若干拉美國家與泰國生產(chǎn)和使用。

　　4 水泥基材與摻合料

　　制造常溫養(yǎng)護的非石棉纖維水泥制品主要使用普通波特蘭水泥，有時也用粉煤灰替代部分水泥，一般使用高鈣粉煤灰。印度一公司對低鈣粉煤灰采取增鈣措施(在粉煤灰中添加適量的消石灰與石膏)，也可取代30％～35％的水泥。

　　制造常溫養(yǎng)護的非石棉纖維水泥制品所用摻合料主要有磨細石灰石與微硅粉等。磨細石灰石在制品中主要起降低干縮率與濕脹率的作用，其在纖維水泥原料組成中的摻量，按質(zhì)量百分比計一般不低于l0％。微硅粉(micro silica)是挪威?？喜牧瞎窘?jīng)專門加工制成的，由于此種粉狀摻合料具有獨特的化學與物理性能，20多年來被廣泛用于濕法制造常溫養(yǎng)護的非石棉纖維水泥制品。微硅粉中含有大量非晶態(tài)的、高火山灰活性的Si0：，故可與波特蘭水泥水化生成的Ca(0H)：起反應生成CSH凝膠，增進了纖維(尤其是合成纖維)與水泥基材的界面粘結(jié)。微硅粉中大部分粒子為超細的球狀體，粒徑范圍為20nm～1txm(以150nm-200nm居多)，故可填充水泥基材中的孔隙，不僅有利于增進纖維與水泥基材的界面粘結(jié)，同時還可增進纖維水泥薄料層之間的粘結(jié)。由于微硅粉的上述效應，因而可提高非石棉纖維水泥制品的抗折強度、抗凍性與耐久性。根據(jù)長期積累的使用經(jīng)驗，為使微硅粉能充分發(fā)揮作用，應力求防止其中超細粒子的集聚，使之能均勻分布于纖維水泥中，為此，必須在使用時，通過高速攪拌制備成濃度合適的懸浮液，?？喜牧瞎镜脑诘?屆會議上所發(fā)表的論文也證明微硅粉在纖維水泥料漿中的分散狀況對纖維水泥制品的最終性能有明顯的影響。目前?？喜牧瞎驹谑袌錾弦蔡峁舛葹?0％的微硅粉料漿。關于微硅粉對人體健康的影響，根據(jù)多方面的檢測結(jié)果表明，由于微硅粉中Si0：晶體的含量很低以及重金屬與有機物的殘留量極少，若在操作過程中采取適當?shù)姆雷o措施，應認為對人體是無害的。埃肯材料公司在本屆會議上對于該問題也作了較詳細的論述。微硅粉在纖維水泥原料組成中的摻量，按質(zhì)量百分比計一般為5％～7％。

　　歐洲有些國家在用抄取法生產(chǎn)常溫養(yǎng)護的非石棉纖維水泥制品時還摻加適量的海泡石微纖維。此種微纖維主要由西班牙Tolsa集團公司使天然礦物海泡石經(jīng)特殊加工制得的，纖維長度僅0．2-2txm，抗拉強度不高，不能作為石棉代用纖維，但由于具有很高的比表面(BET比表面可達320m2／g)、極高的吸附能力，故在纖維水泥漿中可形成均布的三維網(wǎng)絡，起著增稠、觸變等作用，并可增進纖維水泥薄料層之間的粘結(jié)。

　　蒸壓非石棉纖維水泥制品的水泥基材是由波特蘭水泥與磨細石英砂按一定比例配制的，一般不摻磨細石灰石與微硅粉，而加有可促進托貝莫來石生成或降低濕脹率的某些摻合料。

　　用濕法生產(chǎn)非石棉纖維水泥制品，為在纖維水泥漿過濾過程中減少水泥與其它粉料的流失，必須在料漿中摻加高分子絮凝劑(通常使用分子量不低于300萬的聚丙烯酰胺)，但若此種絮凝劑的摻量不當，不僅影響制品的強度，還有可能降低成型機的產(chǎn)量。有鑒于此，西班牙馬德里綜合大學研制成一種聚焦射束儀，可實時在線測定絮凝劑的作用效果，并及時調(diào)節(jié)其摻量

　　用擠出法制造非石棉纖維水泥制品，必須摻加適量的高分子增塑劑，因而產(chǎn)品的成本很高，根據(jù)美國西北大學的最新研究結(jié)果，若用某些經(jīng)專門制備的黏土質(zhì)材料替代部分高分子增塑劑，可使低水灰比的纖維水泥拌合料仍然具有較好的可擠出性，并且擠出后的制品仍可保持其外形，因而有可能適當降低制品的成本。

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　　5 非石棉纖維水泥制品的耐久性

　　國際上使用石棉水泥制品已有近一百年的歷史，自上世紀80年代初發(fā)現(xiàn)石棉粉塵有害人體后，轉(zhuǎn)向用石棉代用纖維制造非石棉纖維水泥制品，對新一代的纖維水泥制品的長期耐久性乃是當前國際上十分關注的問題。

　　歐洲與若干拉美國家(巴西、智利、秘魯、阿根廷與哥倫比亞)生產(chǎn)常溫養(yǎng)護的纖維水泥屋面板與波瓦，這些制品要長年暴露于大氣中，耐久性問題就更為重要。比利時Etex集團公司所屬研發(fā)機構(gòu)REDC0對用維綸纖維或丙綸纖維作為主要增強材所制成的常溫養(yǎng)護的纖維水泥板、瓦進行了快速老化與大氣暴露的試驗研究?？焖倮匣拿恳恢芷跒閘4h，其中包括試件常溫水浸泡6h，60℃烘干0．5h，在C0：濃度為25％的常溫空氣中置放3h，60c{C烘干3h。試驗結(jié)果表明，在上述條件下經(jīng)2000周期的快速老化后，試件的抗折強度未發(fā)生明顯下降，在試件中取出的維綸纖維及丙綸纖維的極限抗拉強度與分子量也均無明顯變化。這表明此兩種分布于水泥基材中的合成纖維并未發(fā)生質(zhì)變。 REDC0對在瑞士、比利時與智利等國經(jīng)長期大氣暴露的板、瓦(含有維綸纖維的制品的最長暴露時問為18年，含有丙綸纖維的制品的最長暴露時間為10年)中取出纖維作檢驗，其結(jié)果也表明這兩種纖維未發(fā)生質(zhì)變。巴西圣保羅大學對用維綸纖維或丙綸纖維所制成的常溫養(yǎng)護的非石棉纖維水泥瓦的快速老化試驗結(jié)果表明，雖老化后制品的韌性有所降低，但制品的物理、力學性能總體上仍然符合標準所規(guī)定的要求。

　　用抄取法生產(chǎn)的蒸壓非石棉纖維水泥板在有些西方國家主要用來作為住宅建筑的披迭式外墻條板，由于產(chǎn)品是層狀結(jié)構(gòu)，并且作為主要增強材的纖維素纖維的吸水率又較高，因而此種板材的抗反復凍融性較差，從而影響其耐久性。美國西北大學的試驗結(jié)果表明，通過對板坯補充加壓有助于增進纖維水泥薄層間的粘結(jié)，提高其抗反復凍融的性能。

　　有些發(fā)展中國家試圖用本國盛產(chǎn)的植物纖維制造低廉的非石棉纖維水泥制品，但關鍵在于如何防止高堿性的波特蘭水泥水化產(chǎn)物對植物纖維的化學侵蝕。巴西圣保羅大學等將劍麻纖維切短后經(jīng)化學打漿處理，使其中木質(zhì)素含量降低至3％左右，再使之經(jīng)精打漿達到較高的打漿度。將纖維漿與波特蘭水泥、磨細石灰石混合成為纖維水泥漿，經(jīng)脫水過濾與加壓制成纖維水泥屋面板。此種屋面板經(jīng)水養(yǎng)護20d后再經(jīng)7d碳化處理，使水泥水化生成的Ca(OH 2轉(zhuǎn)化成為CaC0，，以防止對纖維的化學侵蝕。他們按歐洲標準EN 494對板的試件進行反復加熱與淋水試驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)l00周期后試件的抗折強度、密實度與韌性均有明顯提高，對此種制品的長期大氣暴露試驗至今仍在進行中。

　　6 發(fā)展前景

　　自20世紀80年代初以來，國際纖維水泥制品行業(yè)發(fā)生了很大的變化，由單純生產(chǎn)石棉水泥制品逐步轉(zhuǎn)向生產(chǎn)多種非石棉纖維水泥制品。目前除了俄羅斯等獨聯(lián)體國家、絕大多數(shù)的非洲與中東國家仍然只生產(chǎn)和使用石棉水泥制品外，西方發(fā)達國家已基本實現(xiàn)了纖維水泥制品的非石棉化。中國與巴西等發(fā)展中國家在繼續(xù)生產(chǎn)石棉水泥制品的同時也生產(chǎn)非石棉纖維水泥制品，若干亞洲國家(如印度、韓國、泰國、越南等)也在為開發(fā)非石棉纖維水泥制品做準備。我國代表在會上較全面地介紹了近年來中國四種非石棉纖維水泥制品(蒸壓纖維素纖維水泥板、擠出成型纖維水泥板、維綸纖維水泥管以及GRC裝飾制品)的開發(fā)成果，并指出，盡管當前中國石棉水泥制品的市場份額仍然顯著高于非石棉纖維水泥制品，由于非石棉纖維水泥制品的某些性能優(yōu)于石棉水泥制品，已被設計師們認可并在很多工程中被推廣使用，非石棉纖維水泥制品必將在中國有更大的發(fā)展。

　　非石棉纖維水泥制品在國際上的發(fā)展主要取決于價格、質(zhì)量與長期耐久性三個要素。雖然在很多國家已實現(xiàn)非石棉纖維水泥制品的工業(yè)化生產(chǎn)，但此種制品的價格仍然高于石棉水泥制品，主要是石棉代用纖維的價格較高。為此，除了應充分發(fā)揮現(xiàn)有石棉代用纖維(維綸、丙綸與木漿)的增強作用適當降低其摻量外，還應進一步探索采用來源廣、耐久性好、價格較低的其它石棉代用纖維。與此同時，對于非石棉纖維水泥制品的應用及市場定位也應該轉(zhuǎn)變觀念，非石棉纖維水泥制品不應是單純的石棉水泥制品的代用品，而應體現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)的提高和用途的擴大。美國密執(zhí)安大學先進土木工程材料實驗室Victor Li與E．Yan9應用微觀力學模型(micromechanical model)，對合成纖維增強水泥制品的力學性能進行優(yōu)化設計，不僅使該復合材料具有較高的抗折強度與抗拉延性，并且還可適當降低合成纖維的摻量，這一研究成果為開發(fā)高性能纖維水泥制品指明了方向。巴西Dias等建議將梯度材料(FGM)的觀念應用于纖維水泥制品，傳統(tǒng)觀念是按最大應力設計均質(zhì)材料，而FGM觀念是按實際應力分布進行材料設計，即在制品應力較大的部位可配置較多的纖維，而在其應力較小的部位配置較少的纖維，因而有可能在不影響制品長期性能的前提下適當降低總的纖維耗量。他們的上述建議也為在保證非石棉纖維水泥制品質(zhì)量的前提下降低生產(chǎn)成本指出一個方向。

　　鑒于越來越多的國家將放棄石棉水泥制品而轉(zhuǎn)向生產(chǎn)非石棉纖維水泥制品，與會代表們一致希望今后應進一步開展更廣泛的國際交流與合作。