硅酸钙板发展

国际上已将可持续性作为对工业产品能否长期存在和持续发展的一项重要评定指标，现今产品的可持续性与绿色度在某种意义上已成为同义词，因为可持续性的产品必然是绿色的。笔者现就原材料、制品生产过程及应用过程3个环节中的主要因素对硅酸钙板与蒸压纤维水泥板可持续性的影响进行分析，并参考国外有关企业的先进经验，结合国情探讨如何提升我国此类建筑板材的可持续性。原材料对产品可持续性的影响纤维增强材世界卫生组织（WHO）在2006年发布的文件《消除与石棉有关的疾病》中指出“消除石棉相关疾病最有效的途径就是停止使用各类石棉”，尽管现在国际上对温石棉的使用尚有争议，但迄今全世界已有40多个国家（包括所有欧盟成员国、美国、日本、澳大利亚）在制造硅酸钙板、纤维水泥板时不使用温石棉。看来在世界范围内停止使用温石棉只是一个时间问题，目前我国绝大多数企业在生产此类板材时也已不再使用温石棉。耐碱玻璃纤维、高模量聚乙烯醇纤维与改性聚酰胺纤维虽然具有较高的抗拉强度，但缺乏对粉状材料的吸附性，且不能经受温度在180℃~200℃的蒸压处理。芳纶纤维与碳纤维虽然具有很高的抗拉强度与弹性模量，能经受蒸压处理，但也缺乏对粉状材料的吸附性，并且价格昂贵。国际上公认用现有的湿法工艺（抄取法、流浆法）制造非石棉硅酸钙板与蒸压纤维水泥制品，最适宜的石棉代用纤维是经化学处理（硫酸盐处理）的木浆纤维或称纤维素纤维。这主要是①经磨浆后的木浆纤维（指经化学处理的木浆纤维，以下均是）具有与松解后的石棉纤维相似的工艺性能，即料浆的过滤性与对粉状粒子的吸附性；②此种纤维具有一定的抗拉强度（松解后温石棉的抗拉强度为500~700MPa，磨浆后木浆纤维的值为500~600MPa）；③磨浆后木浆纤维的长度处于一定范围内（长度为1~6mm的纤维含量为60%~70%），与松解后的中长温石棉大致相近；④耐高湿高温性好，与温石棉一样均可经受蒸压处理。同时木浆纤维与温石棉相比，既对人体健康无害，又是可再生的天然资源。我国生产硅酸钙板的企业多数使用进口的经漂白与化学处理的木浆纤维，生产蒸压纤维水泥板的企业则多数使用进口的未经漂白、经化学处理的木浆纤维（即专用的牛皮纸纤维）或同时使用此2种纤维。进口纤维的价格不仅较高且经常波动，笔者曾多次呼吁制造此类板材所用的木浆纤维应立足于国内。这就需要我国生产此类板材的行业与林业、造纸等行业开展必要的协作，尤应注意使用可速生树种制得的木浆纤维。回收的废纸纤维经适当的打浆处理也可用以替代部分木浆纤维。胶凝材料与非蒸压的纤维水泥板相比较，硅酸钙板与蒸压纤维水泥板的胶凝材料耗量仅是前者的40%左右，属低碳建材制品。国内外制造硅酸钙板的企业一般用消石灰作为胶凝材料，或以消石灰为主掺加适量的普通硅酸盐水泥。制造蒸压纤维水泥板所用胶凝材料是普通硅酸盐水泥，为尽可能减少水泥中熟料的用量。建议使用复合硅酸盐水泥来取代普通硅酸盐水泥。我国复合硅酸盐水泥中含有硅酸盐水泥熟料，2种或2种以上的混合材及适量的石膏，其中混合材的总掺量大于15%，但不超过50%，对此种水泥的技术要求则基本与普通硅酸盐水泥相同。因复合水泥中掺有不同的混合材，制造纤维水泥板选用何种复合水泥为宜，最好在工艺线上先进行必要的试验。硅质材料制造硅酸钙板或蒸压纤维水泥板在原料中掺加硅质材料，其作用在于蒸压过程中钙质材料与硅质材料起化学反应生成托勃莫来石晶体。长期以来国外企业在制造此类板材时均用磨细石英砂作为硅质材料，主要是因为石英砂的SiO2含量较高（可达90%以上）。我国在20世纪90年代后期已有个别生产蒸压纤维水泥板的企业用粉煤灰代替全部磨细石英砂，产品质量可达到标准要求。近年来，国外有些纤维水泥板企业也用粉煤灰代替部分或全部磨细石英砂。使用粉煤灰代替磨细石英砂不仅利用了工业废渣，同时还可免去粉磨石英砂的能耗并降低产品成本。但在选用粉煤灰时应对其化学组成与放射性物质含量有一定的要求。宜使用SiO2含量不低于50%的低钙粉煤灰，为保护环境与保障人体健康，所用粉煤灰的放射性物质含量不应超过我国国家标准《建筑材料用工业废渣放射性物质限制》中所规定的限值。[Page]掺合料国内外有些企业在制造蒸压纤维水泥板或硅酸钙板时掺加少量的微硅粉（4%左右），由于微硅粉中非晶态、高活性的SiO2含量可达95%以上，故可适当减少硅质材料的用量，并有助于增进成型过程中薄料层的黏结和蒸压过程中促进托勃莫来石晶体的生成。制造防火性要求高的硅酸钙板时，尚需加入适量的特种掺合料，如针状硅灰石、膨胀珍珠岩或膨胀蛭石及云母鳞片等。国内外生产此类板材的企业均100%利用生产过程中未硬化的废板坯与切下的边料，制成料浆后重新使用。绝大多数企业均将板后加工过程中产生的边角废料、碎屑与细粒，经收集、粉磨后作为掺合料使用，在制品中的掺量可达10%以上，这对减少生产区周边的污染有重要意义。配方制造蒸压纤维水泥板配方中木浆纤维的含量取决于纤维的树种、磨浆后纤维的打浆度及纤维在纤维水泥料浆中分布的均匀性，一般在7%~9%范围内。纤维含量过大，由于分布不均匀，反而导致制品强度降低。对有防火要求的硅酸钙板而言，木浆纤维的含量一般在5%以下。当用磨细石英砂作为硅质材料时，最好在制品中不含剩余的未参与反应的石英砂粉。这是因为石英砂中含有晶态的SiO2，在制品切割、砂光、钻孔等机械加工过程中，SiO2晶体粉尘对人体有害，吸入过多的此种粉尘会导致矽肺与肺癌。为此，比利时Etex集团在其产品配方中已严格控制磨细石英砂的含量。运输原材料的长途运输既消耗大量燃油，又使空气受到污染。为减少运输过程中对能源与环境的影响，近年来Etex集团在比利时的生产厂及其在德国的Promat公司已将部分原材料由陆路运输改为水运。日本Nichiha公司90%以上原材料的运输距离不超过200公里。笔者建议我国位于南方的此类板材的生产厂所用原材料可考虑采用水运。生产过程对产品可持续性的影响磨浆木浆纤维的磨浆对纤维与基材的黏结及纤维增强作用的发挥均起重要作用，但磨浆的能耗较大，可高达800kWh/t，而在磨浆过程中不仅可使纤维束被松开以增进其对粉料的吸附能力，同时又可使纤维被切断而降低其平均长度。硅酸钙板与蒸压纤维水泥板的抗折强度与韧性不仅取决于纤维的含量，同时也取决于纤维的平均长度。长度3mm以上的纤维在制品中起着明显的增强与增韧作用，长度0.3mm的纤维即使纤维含量很大也仅起填料作用。Etex集团研发中心研究了磨浆工艺对木浆纤维的打浆度与纤维长度间的关系，发现提高磨浆的强化度至一定限度后，对打浆度并无明显提高，反而使纤维长度有不同程度的下降。显然磨浆的能耗将随磨浆强化度的增高而增大，因此他们认为，对不同品种的木浆，应通过试验确定其最适宜的磨浆强化度，从而在减少能耗的同时，又不致使纤维受较大的损伤。制坯国际上多年来已倾向于设计、制造与使用高生产率的板坯成型机，因为这有利于节约钢材、降低能耗、节省场地、减少劳动力和降低生产成本。例如，德国Wehrhahn公司制造的具有5～6个大网轮（椎1200mm）和大直径（椎1600mm）成型筒的、自动化程度很高的抄取机的年生产能力可达1000万～1200万平方米（按厚度为6mm计），相当于2～3台年生产能力为400万平方米的抄取机。瑞士H.U.S.技术公司制造的具有7个真空箱的流浆机的年生产能力可达800万平方米（按厚度为5mm计）。我国武汉建材工业设计研究院以自主知识产权设计、制造了年生产能力为800万平方米（按厚度为6mm计）的流浆机，达到了国际先进水平。迄今为止，国际上制造硅酸钙板与纤维水泥板仍以抄取法为主流，国内则为流浆法与抄取法并行发展。根据可持续发展的方向，今后我国生产此类板材，究竟以何种工艺为主，是值得行业专家进一步深入、全面而又客观地探讨的。循环用水用湿法生产硅酸钙板与蒸压纤维水泥板，工艺用水的耗量极大。例如，年产量为2000万平方米的、拥有2条抄取工艺线的纤维水泥板厂，每日的循环用水量约为360立方米，过去经1周即将如此大量的工艺用水全部排放进入污水管道。为了节约用水、减少对环境的污染，国外知名企业均在设法采取有效的措施。例如，澳大利亚JamesHardie集团采用再生处理的非饮用水，该集团在美国的2家工厂的工艺用水已实现了“零”排放或接近“零”排放。Nichiha公司位于美国Macon的工厂已建立了1座水处理分厂，不仅可回收95%的工艺用水，并对其余5%的水经适当去污处理后重新进入生产系统。为节约工艺用水，我国生产此类板材的企业应尽快采取有效的措施。蒸压养护板坯必须经蒸压养护，因而要耗用大量蒸汽。为减少用锅炉产生蒸汽而释放较多的温室气体，国内外很多企业均使用天然气或热轻油等清洁燃料，有条件的企业则可利用发电厂排放的废蒸汽。为减少能耗与水耗并改善对环境的影响，很多企业已使蒸压釜中的残余蒸汽进入蒸汽养护的隧道窑内（一般温度保持在50℃~60℃），使板坯硬化后获得初始强度再脱去模板进入蒸压釜中。板面喷涂国外知名企业用于室外的硅酸钙板与蒸压纤维水泥板均在出厂前经喷涂处理，不仅使产品有较好的外观，更主要的是可提高产品的耐久性。例如，JamesHardie集团外墙板的正、反两面及四周的厚度方向均喷涂防水与耐候性较好的涂层。为减少涂料中有机溶剂所含挥发性有机物对空气的污染和对人体健康的危害，主要使用高固含量的溶剂型涂料或无溶剂涂料。Etex集团长期以来对纤维水泥板采用名为“Glasal”的专门涂装技术，所用涂料是无机质的，需经特殊的浸渍与烘烤处理。经此种技术处理后的表面涂层非常致密、光洁，犹如瓷釉，故又名“瓷釉工艺”。迄今为止，我国绝大多数此类板材的生产厂家仅供应表面未经喷涂的素板，或仅对天花板作表面喷涂。为提高产品的附加值，尤其是为增进外墙板的长期耐久性，有条件的企业应尽早建立喷涂工艺线。[Page]应用过程对产品可持续性的影响品种及用途国外生产硅酸钙板与蒸压纤维水泥板的知名企业的最大特色在于产品品种多、用途广及表面色彩与纹理的多样化，因此用户对产品有很广阔的选择余地，并可保持其产品较强的竞争力。JamesHardie集团所生产的纤维水泥板按用途有条形板、镶嵌板、拱腹板、背衬板、柔性板等主要品种。其中可用于建筑物外墙的条形板与镶嵌板又有26种不同的表面颜色和多种不同的表面纹理，在美国同类产品中占有70%以上的市场份额。Etex集团除了生产各种不同规格与表面色彩的住宅用和非住宅用的外墙板、内墙板与天花板外，还生产可用于多层建筑物、办公楼和公共建筑（机场、商场、旅馆、体育馆等）的被动防火系统（包括天花板、隔断、风道与电缆管等）；同时还为石化、造船、化工等工业部门提供专门的防火保护系统及高温绝热材料，多数属于低密度、低热导率的硅酸钙制品。就我国生产此类板材企业的总体情况而论，当前存在的主要问题是产品的品种单调、用途不广，绝大多数企业均以生产吊顶板与表面未经喷涂的本色内墙面板为主。笔者认为，为增进我国此类建筑板材的可持续性，当务之急是增加产品品种并相应扩大产品的应用范围。参考国外的先进经验，结合我国国情，当前应重点发展以下品种：1.建筑物节能外墙用的覆面板密度与强度较高的、表面经喷涂的硅酸钙板或蒸压纤维水泥板与高效绝热材料复合，形成外墙外绝热的干式覆面系统。墙体的传热系数为0.25~0.35W/m2K，可减少墙体的热损耗、降低建筑物的使用能耗、减少温室气体的排放并提高居住的舒适性。根据欧美国家的使用经验，此种干式覆面系统，与湿式抹面系统相比较，虽造价较高，但施工进度快、适于冬季施工、使用中可靠性强、维修费用少。既可用于新的节能建筑，也可用于既有建筑的节能改造。2.被动防火系统用的防火板高层与超高层建筑、公共建筑、地下构筑等均对防火有严格的要求，用专门的配方与工艺制成的硅酸钙板具有较高的防火性能，在国际上被广泛用来作为防火墙与吊顶、钢结构的防火包敷、自撑式耐火风管、铁皮风管防火包敷、电缆防火包敷、玻璃幕墙防火裙墙、管道井及挡烟垂壁等。近年来我国已有个别企业开发此种防火硅酸钙板，投入批量生产并已用于若干工程中。例如，用防火硅酸钙板与岩棉、轻钢龙骨等所组成的防火轻质隔墙，其耐火极