耐火保溫巖棉材料
本文根據巖棉條纖維各向異性的特點，研究了巖棉條不同方向（縱、橫向）的剪切性能（剪切強度和剪切模量），并考慮實際應用，對巖棉條經全浸浸泡處理、高溫高濕環境老化處理后的剪切性能進行了研究試驗。試驗結果表明，巖棉條剪切性能與纖維方向密切相關，縱向剪切強度、模量約為橫向的2~3倍，且兩者失效模式完全不同。浸泡、老化處理后，巖棉條縱向剪切強度和模量有所降低，橫向剪切性能變化不顯著。
巖棉條是將巖棉板以一定的間距切割成條狀翻轉90度使用的制品，該制品的厚度為切割間距，寬度為原巖棉板的厚度。巖棉條纖維具有各向異性，沿巖棉條長度方向，纖維層縱向排列，由于打摺的緣故纖維層之間纖維相互勾連，見圖1.a。沿巖棉條寬度方向，纖維層橫向排列，呈層疊堆積結構，見圖1.b。
圖a 纖維條縱向剖面(左) 圖b 纖維條橫向剖面(右)
巖棉條除具有巖棉制品優良的防火、保溫、吸音/隔音性能，還具有抗拉、抗壓強度高的特點，在外墻外保溫實際應用過程中，通常采用純粘結的方式。在這種純粘結的系統中，系統自重、風載及其他對外墻產生的載荷都會對巖棉條產生剪切荷載，因此對巖棉條剪切性能的研究十分要。
巖棉條通常都是橫向粘結于墻體，因此系統自重對巖棉條施加的剪切荷載為沿巖棉條寬度方向，而風載通常是對巖棉條施加沿長度方向的剪切載荷。此外，考慮外墻外保溫系統需長期使用，試驗中用高溫高濕環境模擬巖棉條的自然老化，用全浸浸泡環境模擬雨水對巖棉條的侵蝕，這兩種使用環境是外墻外保溫系統密切關注的。
試驗方法
建筑絕熱制品用巖棉條剪切性能標準，目前比較常用的是ISO 16537: 2012和EN 12090: 1997，這兩個標準技術內容完全相同。本文依據ISO 16537: 2012標準，采用雙試件的方法，兩側鋼板固定，對中間鋼板施加壓縮載荷，巖棉條試件通過膠粘劑與鋼板粘結。通過特定裝置將測量變形的引伸計安裝夾具上，測量巖棉條的剪切變形，給出載荷—變形曲線，計算巖棉條的剪切強度和剪切模量。
試驗過程
本文試驗樣品，采用國內兩家企業生產的巖棉條，其密度均為100kg/m3,長度和寬度均為1200mm×150mm，厚度分別為50mm和100mm，標記為樣品A和樣品B。
試樣狀態有3種：①標準狀態。試樣未經任何處理；②浸泡處理，將試樣全浸浸入溫度為23℃的水中，浸入時間分別為7天、28天，干燥后進行測試；③老化處理，將樣品置于溫度70℃、相對濕度95%的環境箱中，時間分別為7天、28天。
本文“縱向”指沿巖棉條的長度方向，“橫向”指沿巖棉條的寬度方向。
試驗結果
試樣規格及試驗結果如表1，每組試樣的測試結果為至少5個試件的平均值。
結果分析
1.纖維方向對巖棉條剪切性能的影響
從表1可以看出，同一樣品試樣的縱向剪切強度和模量均比橫向高。A樣縱向剪切強度約為橫向的2.76倍，縱向剪切模量約為橫向的3.49倍；B樣縱向剪切強度約為橫向的2.06倍，縱向剪切模量約為橫向的2.68倍。導致這種現象的原因是：①縱向剪切試件在受到剪切力作用時，巖棉纖維打摺引起相互勾連，使縱向剪切試件能承受較大的剪切載荷，同時增強了整體結構的抗變形能力。縱向剪切試件失效模式為纖維剪切斷裂；②橫向剪切試件由于巖棉纖維一層一層堆疊，層與層之間的連接相對薄弱，上下兩層巖棉纖維可模擬為矩形結構。在受到剪切力作用時，隨著兩個剪切面相對位移的增加，矩形變形為平行四邊形，橫向剪切試件整體結構已遭破壞，失效模式為結構變形分層。因此在相對較小的剪切載荷作用下，橫向剪切試件結構易發生變形，因而橫向巖棉條剪切強度和剪切模量較低。
2.浸泡處理對巖棉條剪切性能的影響
從表1可以看出，同一樣品浸泡處理后，與標準狀態相比，縱向剪切強度和模量降低，橫向剪切強度和模量變化不顯著。經浸泡處理7天和28天后，A樣縱向剪切強度保留率分別為77.5%和67.2%，剪切模量保留率分別為87.6%和91.8%；B樣縱向剪切強度保留率分別為87.6%和87.5%，剪切模量保留率分別為83.0%和82.6%。A樣橫向剪切強度保留率分別為113.3%和123.5%，剪切模量28天保留率為108.5%；B樣橫向剪切強度保留率分別為121.1%和103.3%，剪切模量保留率分別為127.3%和84.8%。
隨著浸泡處理時間的增加，巖棉條縱向剪切強度、剪切模量均隨之下降，但下降幅度趨于平緩；而橫向剪切性能變化趨勢不顯著。造成這種現象的原因是：①巖棉條經浸泡處理后，縱向結構受到一定程度的破壞，導致剪切強度和模量均降低，但隨著浸泡時間的增加，巖棉條內吸水逐漸飽和，吸水量趨于平衡，浸泡處理對巖棉條縱向剪切性能的影響也趨于平緩；②巖棉條橫向矩形結構經浸泡處理后，仍容易在較低載荷下變形為平行四邊形，以致橫向剪切破壞模式依然是結構分層破壞。由此可見：浸泡處理對巖棉條縱向剪切性能影響較大，而對橫向剪切性能來說，結構分層破壞的影響比浸泡處理更大。
3.老化處理對巖棉條剪切性能的影響
由表1可以看出，經老化處理后，巖棉條縱向剪切強度、模量均比標準狀態下低；而橫向剪切性能變化不顯著。經老化處理7天和28天后，A樣縱向剪切強度保留率分別為57.5%和57.4%，剪切模量保留率分別為55.6%和68.5%；B樣縱向剪切強度保留率分別為64.0%和65.7%，剪切模量保留率分別為60.6%和68.2%。A樣橫向剪切強度保留率分別為91.4%和94.1%，剪切模量老化28天保留率為98.4%；B樣橫向剪切強度保留率分別為83.8%和74.8%，剪切模量保留率分別為78.0%和117.1%。
隨著老化處理時間的增加，巖棉條縱向剪切強度、剪切模量均隨之下降，并且下降幅度趨于平緩；而橫向剪切性能變化趨勢不明顯。
這種現象與浸泡處理后巖棉條剪切性能變化規律類似，形成的原因也類似：①巖棉條經過老化處理后，縱向的纖維組分及結構受到破壞，導致縱向剪切性能降低，但隨著老化時間的增加，高溫高濕環境對巖棉條剪切性能的影響趨于平緩；②對巖棉條橫向剪切性能來說，巖棉纖維層狀結構的影響更大。由于矩形結構易在較低剪切載荷下變形為平行四邊形結構，剪切破壞模式依然是分層破壞，因此老化處理后，橫向巖棉條剪切性能與初始狀態相近。
綜上所述，可以得到以下結論：
1．巖棉條剪切強度、模量與纖維方向密切相關，縱向剪切強度、模量均約為橫向的2~3倍。縱、橫向巖棉條剪切失效模式完全不同，縱向巖棉條剪切失效模式為纖維剪切破壞，橫向巖棉條剪切失效模式為結構分層破壞；
2．浸泡處理后，縱向巖棉條剪切強度、模量均有所下降，但隨著浸泡處理時間的增加，下降幅度趨于平緩；橫向巖棉條剪切強度、模量變化趨勢不明顯，與標準狀態下剪切性能相近；
3．老化處理后，巖棉條剪切性能變化趨勢與浸泡處理后類似，縱向巖棉條剪切強度、模量均有所下降，但隨著老化處理時間增加，下降幅度趨于平緩；橫向巖棉條剪切強度、模量變化趨勢不明顯，與標準狀態下剪切性能相近。
本文根據巖棉條纖維各向異性的特點，研究了巖棉條不同方向（縱、橫向）的剪切性能（剪切強度和剪切模量），并考慮實際應用，對巖棉條經全浸浸泡處理、高溫高濕環境老化處理后的剪切性能進行了研究試驗。試驗結果表明，巖棉條剪切性能與纖維方向密切相關，縱向剪切強度、模量約為橫向的2~3倍，且兩者失效模式完全不同。浸泡、老化處理后，巖棉條縱向剪切強度和模量有所降低，橫向剪切性能變化不顯著。
巖棉條是將巖棉板以一定的間距切割成條狀翻轉90度使用的制品，該制品的厚度為切割間距，寬度為原巖棉板的厚度。巖棉條纖維具有各向異性，沿巖棉條長度方向，纖維層縱向排列，由于打摺的緣故纖維層之間纖維相互勾連，見圖1.a。沿巖棉條寬度方向，纖維層橫向排列，呈層疊堆積結構，見圖1.b。
圖a 纖維條縱向剖面(左) 圖b 纖維條橫向剖面(右)
巖棉條除具有巖棉制品優良的防火、保溫、吸音/隔音性能，還具有抗拉、抗壓強度高的特點，在外墻外保溫實際應用過程中，通常采用純粘結的方式。在這種純粘結的系統中，系統自重、風載及其他對外墻產生的載荷都會對巖棉條產生剪切荷載，因此對巖棉條剪切性能的研究十分要。
巖棉條通常都是橫向粘結于墻體，因此系統自重對巖棉條施加的剪切荷載為沿巖棉條寬度方向，而風載通常是對巖棉條施加沿長度方向的剪切載荷。此外，考慮外墻外保溫系統需長期使用，試驗中用高溫高濕環境模擬巖棉條的自然老化，用全浸浸泡環境模擬雨水對巖棉條的侵蝕，這兩種使用環境是外墻外保溫系統密切關注的。
試驗方法
建筑絕熱制品用巖棉條剪切性能標準，目前比較常用的是ISO 16537: 2012和EN 12090: 1997，這兩個標準技術內容完全相同。本文依據ISO 16537: 2012標準，采用雙試件的方法，兩側鋼板固定，對中間鋼板施加壓縮載荷，巖棉條試件通過膠粘劑與鋼板粘結。通過特定裝置將測量變形的引伸計安裝夾具上，測量巖棉條的剪切變形，給出載荷—變形曲線，計算巖棉條的剪切強度和剪切模量。
試驗過程
本文試驗樣品，采用國內兩家企業生產的巖棉條，其密度均為100kg/m3,長度和寬度均為1200mm×150mm，厚度分別為50mm和100mm，標記為樣品A和樣品B。
試樣狀態有3種：①標準狀態。試樣未經任何處理；②浸泡處理，將試樣全浸浸入溫度為23℃的水中，浸入時間分別為7天、28天，干燥后進行測試；③老化處理，將樣品置于溫度70℃、相對濕度95%的環境箱中，時間分別為7天、28天。
本文“縱向”指沿巖棉條的長度方向，“橫向”指沿巖棉條的寬度方向。
試驗結果
試樣規格及試驗結果如表1，每組試樣的測試結果為至少5個試件的平均值。
結果分析
1.纖維方向對巖棉條剪切性能的影響
從表1可以看出，同一樣品試樣的縱向剪切強度和模量均比橫向高。A樣縱向剪切強度約為橫向的2.76倍，縱向剪切模量約為橫向的3.49倍；B樣縱向剪切強度約為橫向的2.06倍，縱向剪切模量約為橫向的2.68倍。導致這種現象的原因是：①縱向剪切試件在受到剪切力作用時，巖棉纖維打摺引起相互勾連，使縱向剪切試件能承受較大的剪切載荷，同時增強了整體結構的抗變形能力。縱向剪切試件失效模式為纖維剪切斷裂；②橫向剪切試件由于巖棉纖維一層一層堆疊，層與層之間的連接相對薄弱，上下兩層巖棉纖維可模擬為矩形結構。在受到剪切力作用時，隨著兩個剪切面相對位移的增加，矩形變形為平行四邊形，橫向剪切試件整體結構已遭破壞，失效模式為結構變形分層。因此在相對較小的剪切載荷作用下，橫向剪切試件結構易發生變形，因而橫向巖棉條剪切強度和剪切模量較低。
2.浸泡處理對巖棉條剪切性能的影響
從表1可以看出，同一樣品浸泡處理后，與標準狀態相比，縱向剪切強度和模量降低，橫向剪切強度和模量變化不顯著。經浸泡處理7天和28天后，A樣縱向剪切強度保留率分別為77.5%和67.2%，剪切模量保留率分別為87.6%和91.8%；B樣縱向剪切強度保留率分別為87.6%和87.5%，剪切模量保留率分別為83.0%和82.6%。A樣橫向剪切強度保留率分別為113.3%和123.5%，剪切模量28天保留率為108.5%；B樣橫向剪切強度保留率分別為121.1%和103.3%，剪切模量保留率分別為127.3%和84.8%。
隨著浸泡處理時間的增加，巖棉條縱向剪切強度、剪切模量均隨之下降，但下降幅度趨于平緩；而橫向剪切性能變化趨勢不顯著。造成這種現象的原因是：①巖棉條經浸泡處理后，縱向結構受到一定程度的破壞，導致剪切強度和模量均降低，但隨著浸泡時間的增加，巖棉條內吸水逐漸飽和，吸水量趨于平衡，浸泡處理對巖棉條縱向剪切性能的影響也趨于平緩；②巖棉條橫向矩形結構經浸泡處理后，仍容易在較低載荷下變形為平行四邊形，以致橫向剪切破壞模式依然是結構分層破壞。由此可見：浸泡處理對巖棉條縱向剪切性能影響較大，而對橫向剪切性能來說，結構分層破壞的影響比浸泡處理更大。
3.老化處理對巖棉條剪切性能的影響
由表1可以看出，經老化處理后，巖棉條縱向剪切強度、模量均比標準狀態下低；而橫向剪切性能變化不顯著。經老化處理7天和28天后，A樣縱向剪切強度保留率分別為57.5%和57.4%，剪切模量保留率分別為55.6%和68.5%；B樣縱向剪切強度保留率分別為64.0%和65.7%，剪切模量保留率分別為60.6%和68.2%。A樣橫向剪切強度保留率分別為91.4%和94.1%，剪切模量老化28天保留率為98.4%；B樣橫向剪切強度保留率分別為83.8%和74.8%，剪切模量保留率分別為78.0%和117.1%。
隨著老化處理時間的增加，巖棉條縱向剪切強度、剪切模量均隨之下降，并且下降幅度趨于平緩；而橫向剪切性能變化趨勢不明顯。
這種現象與浸泡處理后巖棉條剪切性能變化規律類似，形成的原因也類似：①巖棉條經過老化處理后，縱向的纖維組分及結構受到破壞，導致縱向剪切性能降低，但隨著老化時間的增加，高溫高濕環境對巖棉條剪切性能的影響趨于平緩；②對巖棉條橫向剪切性能來說，巖棉纖維層狀結構的影響更大。由于矩形結構易在較低剪切載荷下變形為平行四邊形結構，剪切破壞模式依然是分層破壞，因此老化處理后，橫向巖棉條剪切性能與初始狀態相近。
綜上所述，可以得到以下結論：
1．巖棉條剪切強度、模量與纖維方向密切相關，縱向剪切強度、模量均約為橫向的2~3倍。縱、橫向巖棉條剪切失效模式完全不同，縱向巖棉條剪切失效模式為纖維剪切破壞，橫向巖棉條剪切失效模式為結構分層破壞；
2．浸泡處理后，縱向巖棉條剪切強度、模量均有所下降，但隨著浸泡處理時間的增加，下降幅度趨于平緩；橫向巖棉條剪切強度、模量變化趨勢不明顯，與標準狀態下剪切性能相近；
3．老化處理后，巖棉條剪切性能變化趨勢與浸泡處理后類似，縱向巖棉條剪切強度、模量均有所下降，但隨著老化處理時間增加，下降幅度趨于平緩；橫向巖棉條剪切強度、模量變化趨勢不明顯，與標準狀態下剪切性能相近。
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