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西欧烧结砌块的发展(一) ——发展过程简述

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    1973年国际石油危机后,世界上各发达国家普遍都把建筑节能列为国家重要的政策指导方针。1974 年,法国率先制定了建筑节能标准,要求新建住宅的采暖能耗必须比以前节约25%。1982年和1998年,法国又分别两次提高25%的节能指标,对公共建筑和既有住宅改造也提出了节能指标。从减少环境污染和温室效应,保持生态平衡和可持续发展的高度上讲,建筑节能已成为全世界共同关心和重视的课题,研制新型高效保温隔热的外墙体材料,受到了世界上各发达国家的普遍重视,特别是西欧和美国,要求建筑物外围护结构的传热系数愈来愈低。在此形势下,烧结保温隔热砌块在西欧得到了大量的发展及在建筑上的应用。

    使用烧结空心制品作为首选墙体材料是西方发达国家在经历一、二次世界大战战后重建,工业化发展、经历几次重大能源危机后的选择,是经过半个多世纪对烧结墙体材料产品的持续研究,依靠技术进步成功解决了我国目前烧结砖瓦还存在的诸多弊端,极大地降低了建筑墙体材料的生产和使用中的能耗、资源消耗,较好地解决了环境污染等影响可持续发展的问题。现在德国、法国、奥地利、意大利等国家在外墙保温隔热砌块的研究、生产及应用方面具有世界领先水平。但是纵观其烧结保温隔热砌块的发展过程也是逐步演进的,也是从低级性能逐步走向高级性能的。

    30多年前,西欧就对烧结保温隔热砌块就制定了相关的产品标准以及建筑墙体应用标准体系,并在建筑中得到普遍使用。烧结保温隔热砌块本身的性能也在不断地改进和完善,例如曾经风靡一时的法国G—形烧结砌块,也终于因不断提高的外墙保温隔热要求而被淘汰。现代优良的保温隔热砌块,其特征是相对复杂的孔洞几何形状、相对较小的密度、较大的孔洞率、特殊构造形式的外形尺寸、非常高的焙烧能源使用效率、多种无机材料的复合等。

    1孔洞形状和布置方式的优化

    纵观西欧烧结保温隔热砌块的发展过程,非常清楚的是从低级性能逐步向高级性能发展的一个渐进的过程。也就是说烧结空心砌块本身的构造形式以及性能指标是在不断地发展过程之中得到完善及提高的,例如最初开发空心砖和空心砌块时,人们注意到孔洞的形状以及排列布置方式对制品的热工性能有很大的影响,于是当时的研究方向就集中在了孔洞的形状、孔洞的结构尺寸、孔洞的排列方式、挤出成型过程中造成的各向异性与导热系数的关系等方面上(1970~1995)。研究的方式就是尽量延长热流通过的路线、减少在孔洞中空气产生对流传热的影响、孔洞形状以及大小对导热系数的影响等。通过大量的研究工作之后,人们对孔洞的结构形状得到了清楚的认识,如:对降低导热系数有利的孔洞结构形式是长方矩形孔,其次是椭圆孔、菱形孔。这一期间研究取得的成果之一是垂直于墙表面的砌块孔洞宽度不大于10mm,在孔洞内就不会出现空气的对流传热。根据德国埃森砖瓦研究所对轻质砖孔洞内热辐射的研究成果表明,隔热性能最好的孔洞形式是长条矩形孔,长条矩形孔的最佳尺寸是宽8mm;长40mm;周长96mm;面积320mm2。对延长热流通过的路线来说,最有利的孔洞排列形式是交错排列的椭圆孔或是长条矩形孔和菱形孔的结合。图1表示的是在上世纪八十年代中期西欧的烧结保温隔热砌块;图2为西欧上世纪九十年代中期的烧结保温隔热砌块。

    图1 西欧上世纪八十年代中期的垂直多孔烧结保温隔热砌块

    图2西欧上世纪九十年代中期的垂直多孔烧结保温隔热砌块

    对烧结保温隔热砌块孔洞形状和排列形式的研究,导致了一些产品标准中对孔洞形状和孔洞排数的具体规定,例如在原德国标准DIN105(1992年制定,2002年修订)中规定:垂直多孔砌块是指孔洞垂直于砌筑面(铺设砂浆面)的多孔砌块,它可带A型孔(单个孔的断面面积小于等于62.5px2)、B型孔(单个孔的断面面积小于等于150px2)、C型孔(单个孔的断面面积小于等于400px2)的三种孔结构。这种垂直多孔砌块可带有手抓孔,但是单个手抓孔的断面面积最大不超过(或等于)1250px2,同时要求手抓孔距砖或砌块的外边沿的最小尺寸为50mm,双手抓孔之间的最小距离为70mm宽。该标准中还对烧结保温隔热砌块宽度上的孔洞排数给出了规定,如表1所示。

    表1 德国烧结外墙保温隔热砌块孔的排数

    砌块的宽度 mm

    孔的排数

    115

    5~6

    175

    8~9

    240

    11~12

    300

    13~15

    365

    16~18

    490

    21~23

    2气孔形成剂的使用

    为了进一步提高烧结砌块的保温隔热性能和降低密度,在烧结砌块的坯体原材料中加入了各种气孔形成剂材料,如锯末、造纸行业废料、颗粒状聚苯乙烯等可燃性材料以及某些轻质材料。这些可燃性外加剂在焙烧过程中完全燃烧,在产品中留下了相互不连通的空隙或是微孔,降低了产品的密度和导热系数。这种措施和孔洞结构以及孔洞布置的优化,也促使烧结保温隔热砌块的导热系数降低到了0.11~0.16W/mK。这类烧结保温隔热砌块如图3所示。

    图3 加入气孔形成剂的垂直多孔烧结保温隔热砌块

    3. 铺浆面打磨技术及薄灰缝连接技术的发展

    根据德国埃森砖瓦研究所的研究证明轻质保温隔热砌块墙体的热损失70%是通过灰缝处散失的,因此就促成了在烧成之后对这种产品的砌筑面(既孔洞方向的铺浆面)进行研磨处理,而使砌块的砌筑面尺寸非常精确,可使砌筑砂浆缝做的很小(1~3mm),大幅度减少了砂浆缝的热损失。为了进一步降低通过灰缝的热损失,2002年,西欧又研制出了新一代的打磨面烧结保温隔热砌块,就是在砌块的两个相对的开孔面上同时进行研磨,研磨过程由计算机控制,两个相对的砌筑面尺寸磨得非常精确,误差仅为±0.3mm,可铺设的砂浆层厚度仅为1mm厚。砂浆(胶浆)是特制的,从而保证了最佳的隔热效果。砌块的铺筑也非常精确、简便和快捷,也将湿材料降低到了最少化,建筑墙体事实上基本是干燥的,因而可提前入住。特制的砂浆由辊式铺浆器铺设,之后,磨面砌块一个接一个简便地由榫槽相互咬合在一起(竖向缝隙一般情况下不加砂浆),不需要复杂的砌筑技术,几乎任何有劳动能力的人都可砌筑。同时还节约了砂浆。所谓的特制砂浆,就是根据这些不同性能的烧结砌块,专门研究的专用砂浆,其性能类似于我国所讲的“胶浆”。图4为铺浆面打磨的烧结保温隔热砌块。

    图4 铺浆面打磨的垂直多孔烧结保温隔热砌块

    4.垂直面上的榫槽结构(墙厚方向)

    烧结保温砌块在设计上使用了垂直榫槽连接(一般情况下竖向不需要加入砂浆,雄榫和凹槽能够很好地砌合在一起,之间留有1~2mm的空间,在里外墙面粉刷之后,对保温隔热性能无任何影响;只是在窗门洞处或是墙的拐角处使用少量的砂浆,具有很好的结构稳定性和安全性,而且施工非常方便快捷。这种榫槽结构可见图5和图6。

    5.孔洞数量的增加及肋壁的减薄

    在进入上世纪九十年代后,特别是进入新世纪后,为了进一步提高保温隔热性能,这类烧结保温隔热砌块的孔洞数量增多,肋壁厚度减少。例如通墙厚砌块(Through the Wall Block,300~365mm)的长条形孔洞个数可达148个,加上两个手抓孔,总孔洞数为150个(见图5)。最多的烧结保温隔热砌块孔洞数为578个,这就是说一幅芯架上就有578个大小不等的芯头(图6)。这种非常复杂的孔形设计,其目的就是要提高烧结保温隔热砌块的热工性能和隔声性能的保温隔热砌块。这类产品对挤出机的性能和挤出模具都有非常高的要求。

    图5 带竖向榫槽的、铺浆面打磨的垂直多孔烧结保温隔热砌块

    图6 孔洞数量达578个的、铺浆面打磨的垂直多孔烧结保温隔热砌块

    2009年,西欧又开发出了薄壁烧结保温隔热空心砌块,该砌块的断面尺寸是420×250mm,内壁厚度仅为3.8mm,有175个孔洞。

    6. 孔洞内填充保温隔热材料

    在西欧烧结保温隔热砌块的发展过程中,从孔洞形状、孔洞尺寸、排列方式、增加孔洞的数量、减少肋壁厚度、加入气孔形成剂、增设竖向榫槽结构等措施,发展到了在孔洞中填充保温隔热材料。最初,只是在打磨的垂直多孔砌块中部的孔洞中填充三排孔(2005年),如图7所示。

    图7 打磨铺浆面的、中部孔洞填充保温隔热材料的垂直多孔烧结砌块



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