解析国际纤维水泥制品的现况与动向

　　1  概况

　　1988年美国爱达荷大学(University of Idaho)的Al Moslemi教授发起每二年召开一次“国际纤维增强无机复合材料会议”(International Inorganic—Bonded Fiber Composites Conference，缩写I IBCC)，旨在建立一个多种纤维增强无机复合材料(包括纤维水泥制品、纤维石膏制品、纤维陶瓷制品等)的研发、制造、应用以及市场开拓等方面的国际信息交流平台。自第一届会议以来，每届均有不少制造商、销售商、原材料供应商以及用户参加，但绝大多数与会代表来自西方发达国家，商业气息较浓。值得注意的是在近几届会议上开始重视技术问题的探讨，并有一些国际知名的学者出席，同时与会代表中也有较多来自发展中国家。

　　第十届国际纤维增强无机复合材料会议于2006年11月15 H至18日在巴西圣保罗(Sao Poulo)召开。此届会议的主办单位是巴西圣保罗大学和美国爱达荷大学，协办单位有挪威埃肯(Elkem)材料公司、巴西巴西里脱(Brasilit)公司与法国圣戈班(Saint—Gobain)公司等。共有来自32个国家与地区的140余位代表与会，其中中国代表6人。此届会议的重点为纤维水泥制品，有以下六个主要议题：(1)新产品与新概念，(2)原材料与工艺，(3)国际市场的工程材料，(4)耐久性与应用，(5)循环利用与可持续发展，(6)拉美与亚洲的市场走向与趋势。

　　会上共宣讲了33篇论文，其中有以下七个主报告：(1)高性能纤维增强水泥基复合材料的制作技术(美国S．P．Shah与Kuder)，(2)Hatschek法制造纤维水泥制品过程中絮凝剂的最佳使用(西班牙Negr0等)，(3)不同合成纤维用作空气养护的纤维水泥主要增强材的比较(巴西Savastan0等)，(4)纤维水泥优化和按既定性能制作制品的微观力学模型(美国Victor Li与 Enhua Yang)，(5)纤维水泥制品的裂缝问题(瑞士Ak—ers)，(6)功能梯度观念应用于纤维水泥复合材料(巴西  John与Dias等)，(7)中国非石棉纤维水泥制品的发展  (中国沈荣熹、林震与张沂)，(8)用真空法制造纤维水  泥波瓦(哥伦比亚．Delvast0等)。在会议期间有若干公  司设置了展台，陈列样品并提供有关资料。会议最后一  天组织代表们参观了由巴西里脱公司与圣戈班公司合  资建造的位于Jacarei的聚丙烯纤维厂，该厂专门生产  用于制造非石棉纤维水泥制品的高强度聚丙烯纤维  (high tenacity PP fiber)。

　　通过此会议可获得国际纤维水泥制品的现况与动  向的最新信息，并有助于借鉴国外经验进一步推动我  国非石棉纤维水泥制品的发展。

　　2 非石棉纤维水泥制品的技术路线

　　自上世纪80年代初发现石棉粉尘有害人体以来，  国际上一直致力于研发非石棉纤维水泥制品。目前绝  大多数欧盟国家、美国、日本与澳大利亚等国已不生  产、不进口、不使用石棉水泥制品，用非石棉纤维水泥  制品取而代之。若干发展中国家如中国、巴西、智利、秘  鲁等在继续生产与使用石棉水泥制品的同时，也在生  产与使用非石棉纤维水泥制品。综观国际上开发非石  棉纤维水泥制品的技术路线，基本上可归纳为下列四  个方面。

　　(1)以原先生产石棉水泥制品的湿法工艺(wet  process)为基础，加以适当改进并增添若干必要装备，  用来生产非石棉纤维水泥制品。湿法工艺以抄取法(即  Hatschek process)为主，其次为流浆法。采取此技术路  线的主要优点在于可大大降低改产非石棉纤维水泥制  品的投资费用。由于石棉纤维兼有增强作用与过滤作  用，而绝大多数石棉代用纤维仅有增强作用而无过滤  作用，只有纤维素纤维(cellulose fiber，由木浆纤维经。  机械与化学处理并经精打浆而制成的细纤维)既有一  定的增强作用又有与石棉相仿的过滤作用。为此，用湿法工艺生产非石棉纤维水泥制品，必须掺有纤维素纤维。由于制造非石棉纤维水泥制品所用增强纤维、水泥基材与养护方法的不同，又可分为以下两类制品。    1)常温养护的纤维水泥制品(air—cured fiber ce—ment product)用某种合成纤维作为主要增强材，用适量的、经精打浆的纤维素纤维作为过滤材。水泥基材由普通波特兰水泥与某些掺合料所组成。制品成型后经常温养护。主要生产非石棉纤维水泥波瓦与屋面板。    2)蒸压养护的纤维水泥制品(autoclaved fiber ce— ment product)用掺量较高、经适度打浆的纤维素纤维作为增强材，用普通波特兰水泥与磨细石英砂等组成基材，制品成型后经蒸压养护。主要生产非石棉纤维水泥制品隔墙板、外墙挂板与天花板等。

　　(2)以原先生产某些石棉水泥制品的挤出法工艺(extrusion process)为基础，加以适当改进并增添若干必要装备，主要用来生产表面压花的非石棉纤维水泥披迭板。与湿法工艺相比较，该法的主要特点是纤维水泥拌合料的水灰比很低(0．25左右)，不需进行脱水过滤而直接在真空一挤出成型机内抽气后再经高压挤制，制品是整体结构，具有较高的致密性与抗冻性。为使石棉代用纤维对水泥有一定的吸附性并保证制品的匀质性，必须掺有适量的纤维素纤维，此种纤维素纤维一般是用木浆经干法松解制得的。但该法对纤维水泥拌合料有相当高的要求，既要有足够的可塑性以利挤出成型，而挤出后的半成品又要有一定的刚度以保持其外形，为此，在拌合料中必须掺有高分子增塑剂，但此种增塑剂的价格很高，在原材料成本中占50％以上，故目前在国际上只有少数国家用此法制造非石棉纤维水泥制品。

　　(3)采用喷射法(spray process)成型工艺。该法迄今为止在国际上仅局限于制造玻璃纤维增强水泥(GRC)制品，例如大尺寸的GRC外墙板等。主要是使连续的抗碱玻璃纤维无捻粗纱经切割至一定长度后用压缩空气喷出，再与经雾化的水泥砂浆同时喷射到模板上。近年来国际上也开发了用‘预拌一喷射法’新工艺，但也仅局限于生产某些GRC装饰构件。

　　(4)以某些经适当加工的植物纤维为增强材，采用较简易的成型工艺与装备制造中、小尺寸的非石棉纤维水泥制品，如屋面板等，适用于在发展中国家建造价格低廉的住房。例如，巴西正在开发以剑麻纤维为增强材、采用纤维水泥浓浆经脱水过滤再经气动加压制造纤维水泥小尺寸波形板的工艺与装备；哥伦比亚正在研究以当地盛产的一种名为fique的植物纤维为增强材、采用简易真空脱水装置制造小尺寸的纤维水泥波瓦。

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　　3 石棉代用纤维

　　目前国际上抄取法在湿法工艺中约占85％以上。制造常温养护的非石棉纤维水泥制品所用石棉代用纤维主要是纤维素纤维与合成纤维，前者在制坯过程中起过滤作用，并在制品中起一定的增强作用，后者则主要在制品中起增强作用。欧洲很多国家与美国所用纤维素纤维是由以松木为主的针叶树木浆(又称软木浆)制得的，经精打浆后此种纤维的长径比较大(一般长度2．70～3．05 inm)，常用的松木有山松、纵松、白纵松与湿地松等。为使纤维与水泥基材有较好的界面粘结并提高其抗碱性，采用经漂白的松木浆并使纤维经抗碱处理，也往往同时掺加一定量的未经漂白的松木浆。有些国家针叶树的产量较少，也使用阔叶树木浆(又称硬木浆)制备纤维素纤维，但精打浆后纤维的长径比较小(一般长度0．5～2．5 mm)，虽也有较好的过滤性，但增强效果不如针叶树木浆。巴西盛产属阔叶树的桉树(又名‘由加利树’eucalyptus)，过去该国制造常温养护的非石棉纤维水泥制品使用由针叶树制得的纤维素纤维，近年来通过改装精打浆设备并优化打浆工艺，以尽量减少纤维在打浆过程中的损伤，不仅完全可取代用针叶树制得的纤维素纤维，还可适当减少纤维的用量。

　　所用合成纤维主要有高模量维纶纤维、改性腈纶纤维与高强度丙纶纤维，其中以维纶纤维的增强效果为最佳，根据日本可乐丽(Kurary)公司最新的研究报道，发现维纶纤维在高碱性(pH>12)溶液中的抗拉强度保留率与纤维分子氧化而生成的一C0—C=C一基团数量之问有密切的关联，溶液温度愈高、浸泡时间愈长，则此种基团的生成量也愈多，相应的抗拉强度保留率也就愈小。试验结果表明，当溶液温度<40。C时，此种基团的生成量极低，故对纤维的抗拉强度影响不大，由此认为维纶纤维在养护温度与使用温度不大于40℃的非石棉纤维水泥制品中有很好的耐久性。

　　由于改性腈纶纤维在非石棉纤维水泥制品中的增强与增韧效果不如高模量维纶纤维，故此种纤维在国际市场上的耗用量不如后者。考虑到高模量维纶纤维与改性腈纶纤维的价格较高和供货渠道等问题，近年来巴西里脱公司与圣戈班公司共同研发了高强度丙纶纤维。此种丙纶纤维与原先所用的丙纶纤维相比较，除了有较高的抗拉强度与弹性模量外(分别为850MPa与6GPa)，关键在于纤维制备过程中通过表面处理显著提高了纤维与水泥基材的界面粘结强度(由0．22 MPa增加至0．7 MPa)，因而较好地发挥了丙纶在水泥基材中的增强与增韧作用。在同一抄取法生产工艺线上，用高强度丙纶纤维所制成的常温养护的非石棉纤维水泥波瓦的抗折断裂荷载值与用高模量维纶纤维制成者相近，但断裂能与抗冲击性显著高于后者。近年来巴西已用高强度丙纶纤维大量生产非石棉纤维水泥波瓦与平板，该国在2001年至2003年用高模量维纶纤维总共生产了7500万m2的非石棉纤维水泥制品，而在2003年至2005年则已用高强度丙纶纤维总共生产了11900万m2的非石棉纤维水泥制品。

　　目前国际上生产蒸压非石棉纤维水泥制品所用代用纤维主要是未漂白的由针叶树硫酸盐木浆制成的纤维素纤维，或名牛皮纸浆(kraft pulp)，其木质素(1ignin)含量一般为3％左右，有时也掺有适量的漂白浆。若单纯使用漂白浆则所制得的产品的脆性较大。    近年来瑞土的H．U．S．技术公司开发成功用回收的硬纸板与废报纸经精打浆后制成纤维素纤维，与普通波特兰水泥、细磨石灰石、微硅粉等均匀混合制成纤维水泥浆，在流浆法制板机上制成厚度为8N20 mm板坯，经常温养护，再经表面喷涂后出厂，主要作为建筑物的内、外墙板与天花板等，已在若干拉美国家与泰国生产和使用。

　　4 水泥基材与掺合料

　　制造常温养护的非石棉纤维水泥制品主要使用普通波特兰水泥，有时也用粉煤灰替代部分水泥，一般使用高钙粉煤灰。印度一公司对低钙粉煤灰采取增钙措施(在粉煤灰中添加适量的消石灰与石膏)，也可取代30％～35％的水泥。

　　制造常温养护的非石棉纤维水泥制品所用掺合料主要有磨细石灰石与微硅粉等。磨细石灰石在制品中主要起降低干缩率与湿胀率的作用，其在纤维水泥原料组成中的掺量，按质量百分比计一般不低于l0％。微硅粉(micro silica)是挪威埃肯材料公司经专门加工制成的，由于此种粉状掺合料具有独特的化学与物理性能，20多年来被广泛用于湿法制造常温养护的非石棉纤维水泥制品。微硅粉中含有大量非晶态的、高火山灰活性的Si0：，故可与波特兰水泥水化生成的Ca(0H)：起反应生成CSH凝胶，增进了纤维(尤其是合成纤维)与水泥基材的界面粘结。微硅粉中大部分粒子为超细的球状体，粒径范围为20nm～1txm(以150nm-200nm居多)，故可填充水泥基材中的孔隙，不仅有利于增进纤维与水泥基材的界面粘结，同时还可增进纤维水泥薄料层之间的粘结。由于微硅粉的上述效应，因而可提高非石棉纤维水泥制品的抗折强度、抗冻性与耐久性。根据长期积累的使用经验，为使微硅粉能充分发挥作用，应力求防止其中超细粒子的集聚，使之能均匀分布于纤维水泥中，为此，必须在使用时，通过高速搅拌制备成浓度合适的悬浮液，埃肯材料公司的在第7届会议上所发表的论文也证明微硅粉在纤维水泥料浆中的分散状况对纤维水泥制品的最终性能有明显的影响。目前埃肯材料公司在市场上也提供浓度为50％的微硅粉料浆。关于微硅粉对人体健康的影响，根据多方面的检测结果表明，由于微硅粉中Si0：晶体的含量很低以及重金属与有机物的残留量极少，若在操作过程中采取适当的防护措施，应认为对人体是无害的。埃肯材料公司在本届会议上对于该问题也作了较详细的论述。微硅粉在纤维水泥原料组成中的掺量，按质量百分比计一般为5％～7％。

　　欧洲有些国家在用抄取法生产常温养护的非石棉纤维水泥制品时还掺加适量的海泡石微纤维。此种微纤维主要由西班牙Tolsa集团公司使天然矿物海泡石经特殊加工制得的，纤维长度仅0．2-2txm，抗拉强度不高，不能作为石棉代用纤维，但由于具有很高的比表面(BET比表面可达320m2／g)、极高的吸附能力，故在纤维水泥浆中可形成均布的三维网络，起着增稠、触变等作用，并可增进纤维水泥薄料层之间的粘结。

　　蒸压非石棉纤维水泥制品的水泥基材是由波特兰水泥与磨细石英砂按一定比例配制的，一般不掺磨细石灰石与微硅粉，而加有可促进托贝莫来石生成或降低湿胀率的某些掺合料。

　　用湿法生产非石棉纤维水泥制品，为在纤维水泥浆过滤过程中减少水泥与其它粉料的流失，必须在料浆中掺加高分子絮凝剂(通常使用分子量不低于300万的聚丙烯酰胺)，但若此种絮凝剂的掺量不当，不仅影响制品的强度，还有可能降低成型机的产量。有鉴于此，西班牙马德里综合大学研制成一种聚焦射束仪，可实时在线测定絮凝剂的作用效果，并及时调节其掺量

　　用挤出法制造非石棉纤维水泥制品，必须掺加适量的高分子增塑剂，因而产品的成本很高，根据美国西北大学的最新研究结果，若用某些经专门制备的黏土质材料替代部分高分子增塑剂，可使低水灰比的纤维水泥拌合料仍然具有较好的可挤出性，并且挤出后的制品仍可保持其外形，因而有可能适当降低制品的成本。

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　　5 非石棉纤维水泥制品的耐久性

　　国际上使用石棉水泥制品已有近一百年的历史，自上世纪80年代初发现石棉粉尘有害人体后，转向用石棉代用纤维制造非石棉纤维水泥制品，对新一代的纤维水泥制品的长期耐久性乃是当前国际上十分关注的问题。

　　欧洲与若干拉美国家(巴西、智利、秘鲁、阿根廷与哥伦比亚)生产常温养护的纤维水泥屋面板与波瓦，这些制品要长年暴露于大气中，耐久性问题就更为重要。比利时Etex集团公司所属研发机构REDC0对用维纶纤维或丙纶纤维作为主要增强材所制成的常温养护的纤维水泥板、瓦进行了快速老化与大气暴露的试验研究。快速老化的每一周期为l4h，其中包括试件常温水浸泡6h，60℃烘干0．5h，在C0：浓度为25％的常温空气中置放3h，60c{C烘干3h。试验结果表明，在上述条件下经2000周期的快速老化后，试件的抗折强度未发生明显下降，在试件中取出的维纶纤维及丙纶纤维的极限抗拉强度与分子量也均无明显变化。这表明此两种分布于水泥基材中的合成纤维并未发生质变。 REDC0对在瑞士、比利时与智利等国经长期大气暴露的板、瓦(含有维纶纤维的制品的最长暴露时问为18年，含有丙纶纤维的制品的最长暴露时间为10年)中取出纤维作检验，其结果也表明这两种纤维未发生质变。巴西圣保罗大学对用维纶纤维或丙纶纤维所制成的常温养护的非石棉纤维水泥瓦的快速老化试验结果表明，虽老化后制品的韧性有所降低，但制品的物理、力学性能总体上仍然符合标准所规定的要求。

　　用抄取法生产的蒸压非石棉纤维水泥板在有些西方国家主要用来作为住宅建筑的披迭式外墙条板，由于产品是层状结构，并且作为主要增强材的纤维素纤维的吸水率又较高，因而此种板材的抗反复冻融性较差，从而影响其耐久性。美国西北大学的试验结果表明，通过对板坯补充加压有助于增进纤维水泥薄层间的粘结，提高其抗反复冻融的性能。

　　有些发展中国家试图用本国盛产的植物纤维制造低廉的非石棉纤维水泥制品，但关键在于如何防止高碱性的波特兰水泥水化产物对植物纤维的化学侵蚀。巴西圣保罗大学等将剑麻纤维切短后经化学打浆处理，使其中木质素含量降低至3％左右，再使之经精打浆达到较高的打浆度。将纤维浆与波特兰水泥、磨细石灰石混合成为纤维水泥浆，经脱水过滤与加压制成纤维水泥屋面板。此种屋面板经水养护20d后再经7d碳化处理，使水泥水化生成的Ca(OH 2转化成为CaC0，，以防止对纤维的化学侵蚀。他们按欧洲标准EN 494对板的试件进行反复加热与淋水试验，发现经l00周期后试件的抗折强度、密实度与韧性均有明显提高，对此种制品的长期大气暴露试验至今仍在进行中。

　　6 发展前景

　　自20世纪80年代初以来，国际纤维水泥制品行业发生了很大的变化，由单纯生产石棉水泥制品逐步转向生产多种非石棉纤维水泥制品。目前除了俄罗斯等独联体国家、绝大多数的非洲与中东国家仍然只生产和使用石棉水泥制品外，西方发达国家已基本实现了纤维水泥制品的非石棉化。中国与巴西等发展中国家在继续生产石棉水泥制品的同时也生产非石棉纤维水泥制品，若干亚洲国家(如印度、韩国、泰国、越南等)也在为开发非石棉纤维水泥制品做准备。我国代表在会上较全面地介绍了近年来中国四种非石棉纤维水泥制品(蒸压纤维素纤维水泥板、挤出成型纤维水泥板、维纶纤维水泥管以及GRC装饰制品)的开发成果，并指出，尽管当前中国石棉水泥制品的市场份额仍然显著高于非石棉纤维水泥制品，由于非石棉纤维水泥制品的某些性能优于石棉水泥制品，已被设计师们认可并在很多工程中被推广使用，非石棉纤维水泥制品必将在中国有更大的发展。

　　非石棉纤维水泥制品在国际上的发展主要取决于价格、质量与长期耐久性三个要素。虽然在很多国家已实现非石棉纤维水泥制品的工业化生产，但此种制品的价格仍然高于石棉水泥制品，主要是石棉代用纤维的价格较高。为此，除了应充分发挥现有石棉代用纤维(维纶、丙纶与木浆)的增强作用适当降低其掺量外，还应进一步探索采用来源广、耐久性好、价格较低的其它石棉代用纤维。与此同时，对于非石棉纤维水泥制品的应用及市场定位也应该转变观念，非石棉纤维水泥制品不应是单纯的石棉水泥制品的代用品，而应体现产品品质的提高和用途的扩大。美国密执安大学先进土木工程材料实验室Victor Li与E．Yan9应用微观力学模型(micromechanical model)，对合成纤维增强水泥制品的力学性能进行优化设计，不仅使该复合材料具有较高的抗折强度与抗拉延性，并且还可适当降低合成纤维的掺量，这一研究成果为开发高性能纤维水泥制品指明了方向。巴西Dias等建议将梯度材料(FGM)的观念应用于纤维水泥制品，传统观念是按最大应力设计均质材料，而FGM观念是按实际应力分布进行材料设计，即在制品应力较大的部位可配置较多的纤维，而在其应力较小的部位配置较少的纤维，因而有可能在不影响制品长期性能的前提下适当降低总的纤维耗量。他们的上述建议也为在保证非石棉纤维水泥制品质量的前提下降低生产成本指出一个方向。

　　鉴于越来越多的国家将放弃石棉水泥制品而转向生产非石棉纤维水泥制品，与会代表们一致希望今后应进一步开展更广泛的国际交流与合作。