烧结页岩保温砖（通用7篇）
烧结页岩保温砖 篇1
0前言
随着我国经济持续快速发展, 资源和环境的压力越来越大, 以牺牲环境为代价发展经济的现象在我国尤为明显。节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针, 也是当前一项极为紧迫的任务, 搞好节能降耗工作是贯彻落实科学发展观、转变经济增长方式和建设资源节约型社会的基本要求, 是生产生活方式的重大变革, 是经济持续健康发展的重要保证。我国既有建筑近400亿m2, 95%以上是高能耗建筑[1]。我国单位建筑面积采暖能耗为相近气候条件下发达国家的3倍左右, 其中建筑能耗占社会总能耗的25%以上[2]。在建筑中, 外围护结构的热损耗较大, 外围护结构中墙体又占了很大份额, 所以建筑墙体改革与墙体节能技术的发展是建筑节能技术的一个最重要的环节, 发展新型墙体材料就要从根本上改变传统墙体材料大量占用耕地、消耗能源、污染环境的状况, 大力开发和推广应用新型墙体材料, 形成与可持续发展相适应的新型建材产业。本文利用fluent对烧结页岩保温转的热工性能进行研究, 对比四种填充材料的使用对页岩保温砖保温性能的改善, 找到最优方案。
非承重烧结页岩保温砖是指以页岩、煤矸石、粉煤灰为主要原料经高温烧结而成, 其孔洞率为45%以上, 用于非承重部位的墙砖砌筑。这种产品集结构、保温、防护于一体, 施工简便, 并具有良好的经济性, 同时强度高、重量轻、吸水率低、线膨胀系数低、粘结性能强、抗裂性强、墙面不易开裂及脱落、放射性挥发性指标优于国家规定标准, 保温透气、绿色环保、宜居性好, 是现代城市建设的首选材料[3]。将保温材料填充到烧结页岩保温砖的孔洞中可以视为外墙自保温体系, 这种结构体系可以省去外墙装饰环节, 有效的减轻结构的自重, 并具有良好的受力性能、抗震性能和防火性能。且在施工中, 对施工季节和施工条件要求不高[2]。
保温砖墙体的传热不同于单一材料构成的墙体, 其本身发生的传热过程是由导热、对流换热和表面辐射同时作用的复杂的传热过程[4]。为了系统的研究填充保温材料对其热工性能的影响, 选用240×260×90 (mm) 的砖型 (见图1) , 采用fluent软件模拟其三维稳态传热过程。
1计算模型及物理参数
本文设立5组三维模型进行计算及对比分析, 其中无填充保温材料的页岩保温砖作为标准组, 其他4组模型分别填充泡沫石棉、聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料、酚醛树脂泡沫塑料。利用前处理软件gambit建立模型, 采用结构化网格, 网格总数为16万 (见图2) 。
表1给出了四种保温材料的物理性能, 由表可以看出, 前两种保温材料的成本要明显低于后两种保温材料, 有利于实际工程中的推广使用。但是, 防水泡沫石棉和聚苯乙烯泡沫塑料的导热系数高于硬质聚氨酯泡沫塑料和酚醛树脂泡沫塑料, 这说明如果把前两种保温材料填充到页岩保温砖的孔洞中将不利于保温节能。在后两种保温材料的对比中, 我们可以看到硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数要小于酚醛树脂泡沫塑料, 有利于填充墙体的保温性能;然而, 酚醛树脂泡沫塑料的成本要明显低于硬质聚氨酯泡沫塑料。
为了验证以上的推论以及模拟计算的顺利进行, 确定物理参数见表2。
2模拟计算与边界条件
如图2所示, 蓝色区域为保温砖体计算域;绿色区域为填充物计算域;红色区域为空气环境计算域。边界条件如下:页岩保温砖模型一侧设为固壁边界 (W侧) , 用来模拟室外环境, 设定壁面温度为293K;模型空气计算域一侧边界条件设定为压力出口边界条件 (模拟室内环境N侧) , 压力出口温度为253K, 压力为101 325Pa;填充物以及保温砖侧面设定为对称面, 保温砖上下面为绝热壁面;而填充物与保温砖之间的交界面以及保温砖与外界大气的交界面采用耦合传热壁面, 由于气流速度较低, 雷诺数小, 所以认为孔洞内气流层与层之间相互没有干扰, 也没有质量和动量的传递, 假设采用层流模型[5,6,7]。
3结果与分析
3.1 填充保温材料对页岩保温砖热工性能的影响
从图3中不同填充物下x=0截面的温度分布可知, 页岩保温砖体填充区域, 温度等值线比上下保温砖体内的等值线更为密集, 这是由于热量从W侧高温壁面到N侧低温壁面传递过程中, 填充区导热系数较小, 热阻较大, 温度从W侧到N侧变化更为剧烈, 即保温效果较好。而当填充区为空气 (无填充物) 时, 填充区域的温度等值线疏松, 温度从W侧到N侧的变化不明显, 保温效果差。此外填充区顶部温度高, 底部温度低, 这是由于空气温度上升时, 密度降低, 因此在浮升力作用下向顶部流动, 因此高温低密度气流集中在了填充区顶部, 而底部则为低温高密度气流集中区。
3.2 不同保温材料对页岩保温砖热工性能的影响
图4 (air代表无填充材料, sm代表填充泡沫石棉, yx代表聚苯乙烯泡沫塑料, ja代表硬质聚氨酯泡沫塑料, sz代表酚醛树脂泡沫塑料) 给出了不同填充物下从W侧高温壁面到N侧低温壁面的温度变化过程, 由图可知, 由于空气在填充区存在对流流动, 增强了局部气流与砖体的换热效果, 导致填充区壁面附近温度急剧下降, 从而使得在保温砖的N侧壁面温度明显高于填充物为固体时。而当填充物为固体时, 虽然从石棉、聚苯乙烯、聚氨酯、酚醛树脂导热系数逐渐降低, 但由于定压比热容逐渐升高, 从而使得四种材料下保温砖内从W侧到N侧壁面的温度变化差别不大。此外, 从整个温度下降趋势也可看出, 填充区温度下降明显高于固体砖区域, 这说明填充区热阻较大, 即保温效果较好。从图5N侧壁面附近局部放大可知, 无填充物时N侧壁面温度比其他填充物下至少高1.5K。
图6 (1代表无填充材料, 2代表填充泡沫石棉, 3代表聚苯乙烯泡沫塑料, 4代表硬质聚氨酯泡沫塑料, 5代表酚醛树脂泡沫塑料) 进一步给出了不同填充物下N侧壁面的平均温度对比。由图可知, 虽然石棉导热系数大于聚苯乙烯, 但由于其比热低于聚苯乙烯, 从而使得N侧壁面的温度反而高于填充物为聚苯乙烯时, 即填充物为石棉材料是的保温效果更好。当填充物为酚醛树脂时, N侧壁面温度最低, 即保温效果最好。
可以看到, 模拟计算的结果与之前的初步分析相吻合, 填充保温材料能够有效提高烧结页岩保温砖的保温效果, 填充酚醛树脂泡沫塑料保温效果最好, 同时酚醛树脂泡沫塑料的成本要明显低于硬质聚氨酯泡沫塑料, 此外, 酚醛树脂泡沫的适用范围大, 可在140～160 ℃下长期使用, 优于聚苯乙烯泡沫 (80 ℃) 和聚氨酯泡沫 (110 ℃) , 酚醛树脂泡沫具有热导率低、力学性能好、尺寸稳定性优、吸水率低、耐热性好、难燃等优点, 可以有效地防止火灾发生和火势蔓延, 酚醛泡沫即使被高温点燃, 其在燃烧时也无滴落物、发烟量低, 而且几乎不产生一氧化碳等有毒气体。除被强碱侵蚀外, 酚醛泡沫几乎能耐所有无机酸、有机酸、有机溶剂的侵蚀。所以酚醛树脂泡沫塑料是最理想的页岩保温砖填充材料之一。
硬质聚氨酯泡沫塑料作为填充材料的页岩砖热工性能比酚醛树脂泡沫塑料稍差, 但是其1 200元/m3的价格是制约其广泛使用的原因之一;酚醛树脂泡沫塑料作为填充材料的保温隔热性能最好, 其820元/m3的价格仍然稍高, 但是综合考虑其他性能优势, 本文建议在工程预算充裕的前提下使用酚醛树脂泡沫塑料作为填充材料;泡沫石棉和聚苯乙烯泡沫塑料的价格很低且货源充足, 但是将泡沫石棉填充到页岩保温砖中, 其保温性能稍差, 且石棉本身容重大, 不利于墙体抗震性能, 此外石棉会产生扬尘, 对操作人员的健康造成危害, 建议不予使用;聚苯乙烯泡沫塑料价格低廉, 虽保温效果不及酚醛树脂泡沫塑料, 但其容重小, 吸水率低, 且操作简单, 可以在实际工程中使用。
4结论
(1) 当烧结页岩保温砖无填充时 (即填充物为空气时) , 气体受热后在填充区的流动增强了壁面附近的对流换热效果, 从而使得保温效果较差, 而用导热系数较小的固体保温材料时, 其保温效果显著提高。
(2) 将酚醛树脂泡沫塑料作为保温材料填充到页岩保温砖孔洞中, 其保温效果最好, 且酚醛树脂泡沫具有适用范围大、力学性能好、吸水率低、耐热性好、难燃等优点, 是理想的保温填充材料。
(3) 本文推荐使用酚醛树脂泡沫塑料作为填充材料用于页岩保温砖中, 此外聚苯乙烯泡沫塑料也可以最为填充材料推广使用, 且具有较大的经济优势。
参考文献
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木屑对烧结页岩多孔砖研究 篇2
木屑作为烧结页岩多孔砖的一种有机材料,在烧结温度下燃烧时,分解过程中产生无害气体、可以提高砖的热值,从而提高页岩砖的可燃性、燃烧速率,产生大量微小气孔。木屑取自各种农作物的副产品或者废弃物,在高温下生物质材料中的纤维和其他有机物燃烧产生一定的能量并形成气孔,影响其物理性能。在研究木屑烧结页岩砖的研发和力学性能时做了大量的研究和理论基础[3—6]。本文研究通过添加不同掺量和颗粒级配的木屑烧结成一种新型的轻质烧结页岩砖材料。
1 原材料和试验方法
1. 1 原材料
1. 1. 1 页岩
选用页岩来自广西柳州市砖厂,取自于柳州市平和村附近,可塑性指数为9. 2 左右,含水率为10% 左右,烧成温度为1 050 ℃ ,经干燥后置于球磨机破碎磨细成粉末状,其粒径成分包括Si O2、Al2O3、Fe2O3、Ca O、Mg O ,经过80 目筛分,其成分含量如表1。
2. 1. 2 木屑
木屑样品取自柳州市木材厂,是多种木材锯屑的混合物,木屑主要经过清洗、干燥、磨碎、筛分的过程,利用电热恒温箱中进行烘干直至质量不变,以去除表面附着的颗粒和水溶性物质,最后在60 ℃下烘干一夜,按照试件通过机械粉碎,筛分成不同粒径( 1. 5 ~ 2. 0 mm,0. 5 ~ 1. 0 mm,0. 12 ~ 0. 5 mm) ,如下表2。
1. 2 烧结成型
烧结页岩砖的烧结程序在实验室完成,具体步骤如图1,采用的设备为武汉试验电炉有限公司生产,如图2,将页岩作为主料,木屑、煤矸石分别倒入搅拌机中,木屑掺量分别为0、10% 、15% 、20% ,加适量水均匀混匀,搅拌后将混合料放到试模中,如图3,然后将坯体阴干后脱模,放入高温电炉中进行焙烧,分为四个阶段: ①干燥阶段,此阶段为温度范围为400 ℃左右,主要是蒸发砖坯表面的自由水、吸附水、结晶水。②加热阶段,此阶段温度范围为400 ℃至900 ℃之间,发生分解反应,同时木屑有机质达到燃点,开始燃烧分解,形成了微小的气孔。③烧成阶段,此阶段温度范围为900 ℃至1 050 ℃,由于铁离子的变价,导致在烧结过程中砖的颜色由灰色逐渐向红褐色转变。④冷却阶段,为了防止降温过快导致的断口裂缝,将降温速度调为100 ℃ /h,烧结成型尺寸为240 mm × 115 mm × 90 mm轻质页岩矩形多孔砖,分为3 排,如图4,考虑到由于木屑的加入,消耗的空气增多,因此在焙烧过程中增加空气的供应量。
1. 3 试验方法
参照GB /T 2542—2012《砌墙砖实验方法》对烧成制品进行相关性能测试; 对烧结体积密度测量过程为试样干重m( 在干燥过程中,前后两次的称量相差不超过0. 2% ,前后两次的称量时间间隔为2h) 除以试样体积。用广州市广材试验仪器有限公司TYE - A型数显式电液压力试验机测量试件抗压强度,如图4( b) 。据GB /T 10294—2008《绝热材料稳态阻及有关特性的测定,防护热板法》等规范要求对试验试件进行导热系数检测,导热系数通过实验室智能化导热系数测定仪测得,此测定仪的步骤为: 通过自动汽缸将单元试件夹紧,同时调节气动系统的压力值,将封闭的压缩机调至制冷方式,仪器中紫铜墙铁壁板作为计量加热面板,温度分布均匀且热力惯性较小,其中测量的精度≤3% ,冷板温度范围: 10 ~ 50 ℃,热板温度范围: 常温~ 80 ℃。将试件烘干后通过调节导热系数测定仪中平板厚度,将其置于两板之间,接通电路,开启试验,如图5。
1. 4 结果与讨论
1. 4. 1 体积密度
图6 显示了随着木屑掺入量的增加( 0,10% ,20% ,30% ) ,样品的体积密度趋于下降,但是木屑的颗粒级配对体积密度产生较小的影响。原因在同一木屑的颗粒级配,在烧结过程中木屑不断热分解,同时在试样内部产生了大量的微小孔隙[7,8],使得密度降低。然而,在掺量为10% 时,颗粒级配分别为0. 12 ~ 0. 5 mm、0. 5 ~ 1. 0 mm、1. 0 ~ 1. 5 mm、1. 5 ~2. 0 mm,其体积密度从1 710 kg / m3下降为1 520kg / m3,但下降率较小,粗粒径使得砖体密实程度降低,因此选择较小粒径的木屑使烧结页岩砖样品的体积密度更高。通过回归可得出掺量与体积密度的线性关系:
y为烧结页岩矩形多孔砖体积密度( kg / m3) ; x为木屑的掺量( 0,10% ,20% ,30% ) 。
1. 4. 2 导热系数
当试验进入稳定导热状态后,自动采集数据,其数据如表3。
如图7 所示随着木屑掺量的增多,导热系数降低,但是不同粒径的木屑对导热系数没有明显的影响。当木屑的颗粒级配为0. 12 ~ 0. 5 mm,导热系数从0. 58 W/( m·K) 下降为0. 27 W/( m·K) 。当颗粒级配为0. 5 ~ 1. 0 mm,导热系数从0. 54 W/( m·K) 下降为0. 24 W / ( m·K) 。当颗粒级配为1. 0 ~1. 5 mm,导热系数从0. 5 W / ( m · K) 下降为0. 27W / ( m·K) ; 当颗粒级配为1. 5 ~ 2. 0 mm,导热系数从0. 47 W/( m·K) 下降为0. 30 W/( m·K) 。其烧失量大使得烧结页岩砖产生微孔,因此减少了自由循环传热路径从而造成了低的导热系数,所以在页岩砖中掺入木屑能有效的降低导热率并且显著提高轻质烧结页岩砖的绝热值。根据下图可知,黑线为趋势线,其导热系数和木屑掺入量的方程为:
y2为烧结页岩矩形多孔砖的导热系数; x为木屑的掺量( 0,10% ,20% ,30% ) 。
1. 4. 3 抗压强度
随着木屑掺量的增加,试件内孔隙率提高和负荷载承载面积减少,因此其强度降低。木屑颗粒级配越小,则抗压强度越高,其原因为颗粒级配较低的木屑产生微小的孔,导致了小的裂纹长度,颗粒级配越大的木屑包含更多细长的颗粒,增加了应力集中系数导致抗压强度降低。当颗粒级配为1. 5 ~ 2. 0mm掺量为20% 和30% 时,抗压强度为4. 3 MPa、3. 6 MPa,不满足烧结普通页岩砖的基本要求。木屑掺量不大于10% ,满足烧结普通页岩砖的基本要求,如图8 所示。利用excel回归可以得出,抗压强度和木屑掺量函数式为: Iny = 2. 548 - 0. 008x。
当粗粒径和细粒径混合掺入到页岩砖中,可以观察到随着掺量的增多,试样的抗压强度先增加到一个极限然后下降,如图9。在掺量为10% 左右抗压强度达到了极限,分别为10. 6 MPa、11. 8 MPa、13. 7 MPa。根据《烧结普通砖》GB 5101—2003,满足其基本要求。在一定范围内,级配小的木屑在烧结过程中产生微小孔隙,彼此分布在砖体内各个部分,因此其抗压强度的下降率比纯粗粒径低,这些微小孔隙与剩余的木屑连接产生类似于粗粒径的效果。因此可以选择掺量为10% ,颗粒级配为0. 12 ~0. 5 mm时,烧结页岩砖力学性能到达最佳。
2 结论
( 1) 随着木屑的掺入量增加,其体积密度降低,在掺量为10% 时,颗粒级配分别为0. 12 ~ 0. 5 mm、0. 5 ~ 1. 0 mm、1. 0 ~ 1. 5 mm、1. 5 ~ 2. 0 mm,其体积密度从1 710 kg·m- 3下降为1 520 kg·m- 3,但下降率较小,粗粒径使得砖体密实程度小,因此选择较小粒径的木屑使烧结页岩砖样品的体积密度更高。
( 2) 试件的导热系数随着木屑的掺入而降低,木屑的烧失量使得烧结的页岩砖产生微孔,减少了自由循环传热路径从而造成了低的导热系数,因此在页岩砖中掺入木屑有效的降低导热率并且显著提高了轻质烧结页岩砖的绝热值,但木屑的颗粒级配对导热系数没有较大的影响。
( 3) 随着木屑增加,抗压强度呈现指数降低。当粗粒径和细粒径混合掺入到页岩砖中,抗压强度随着掺量先上升到一个极限然后下降,掺量为10%左右抗压强度达到了极限,分别为10. 6 MPa、11. 8MPa、13. 7 MPa,根据《烧结普通砖》GB 5101—2003,满足其基本要求,且选择掺量为10% ,颗粒级配为0. 12 ~ 0. 5 mm时,烧结页岩砖力学性能到达最佳。
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烧结页岩保温砌块的推广 篇3
1 烧结页岩保温砌块的优势
我国拥有丰富的页岩资源, 采用烧结页岩保温砌块具有以下优点:
a.同黏土一样, 页岩资源丰富、可就地取材、价格低廉, 并且页岩来自石块, 间接地保护了耕地。
页岩属于片状、细颗粒、含水的铝硅酸盐类矿物, 在我国的山区、丘陵地带储量非常丰富, 并且容易开采。由于资源的优势, 烧结页岩多孔砖生产可以因地制宜, 就地取材, 生产、运输成本较低。
b.便于低成本工业化生产。
页岩自身的性能使得烧结空心砖便于实现低成本工业化生产。首先, 页岩具有柔软、润滑和易于破碎的物理性质;其次, 页岩与水混合时产生可塑性, 这有利于成型。另外, 页岩在较低的温度下 (950℃~1 050℃) 使坯体变得更加密实、坚硬。
c.烧结页岩保温砌块可以满足现代建筑的需要。
现代建筑业的发展方向是高层建筑。相应的墙体材料也将向着轻质高强方面发展。页岩中的矿物组成决定了其强度普遍比黏土烧结空心砖高。若再采用先进的设备、工艺, 并适当提升烧成温度, 烧结页岩保温砌块自身强度会提高更多。
d.烧结保温砌块施工工艺同样简单, 并且绿色低碳环保。
烧结页岩保温砌块墙体砌筑方法只需在传统墙体砌筑方法的基础上稍加改进, 在施工中也不会产生辐射污染, 绿色环保。墙面透气性好, 能调节室内湿度。烧结页岩手工砌筑方便, 产品收缩小、体积稳定性好, 墙体不易开裂, 墙体砌筑质量容易得到保证, 砌体施工工艺比较简单。[5]
e.具有良好的保温性能。
由370 mm的页岩砌块砌成的墙体的导热系数λ=0.16 W/ (m·K) , 用砂浆砌筑的烧结空心砖砌体的导热系数λ=0.58 W/ (m·K) 。当做成传热系数K=0.4 W/ (m2·K) 外墙围护结构时, 普通砖砌体厚度需要1 871 mm, 页岩空心砖砌体厚度只需1 340 mm, 可见页岩砌块优良的保温性能。用页岩砌块作为外墙修建的建筑可以不附加保温措施就可以达到居住建筑节能65%的要求。即保温节能措施与建筑外墙一体, 从而达到与建筑同寿命。
此外, 烧结页岩保温砌块因其采用天然矿物经高温烧结而成, 它不但保留了传统黏土砖透气、隔声好、无辐射、无污染等多种优点, 而且还具有抗腐蚀性能强、使用寿命长、保温隔热性能好等优点。[6]
2 烧结页岩保温砌块的研究现状
在当前全面推动建筑节能, 实施墙材革新, 新型墙材正向轻质高强型、节能型墙材跨越发展的背景下, 开发高性能的烧结页岩保温砌块及配套材料, 开展烧结页岩保温砌块墙体自保温系统的研究具有重要的现实意义。为此我国专家学者做了很多研究, 为烧结页岩保温砌块的推广奠定了坚实的理论基础。
针对重庆市的页岩资源丰富这一现状, 谢自强等[7]对重庆市自主研制的新型烧结页岩空心砖在实际工程中的应用进行了研究。与普通烧结页岩空心砖相比, 其导热系数大大降低, 具有良好的热工性能, 对重庆市外墙保温技术体系的补充与完善。
重庆大学滕超[8]针对烧结页岩空心砖自保温系统, 研究砌筑砂浆和配砖对自保温系统热工性能的影响。谢厚礼[5]对通过对页岩空心砖的研究发现配砖和砌筑砂浆等墙体组成材料对砌体热工性能有显著影响。当空心砖当量导热系数为0.25 W/ (m·K) 时, 与实心配砖和普通砌筑砂浆组成砌体的传热系数K≤1.2 W/ (m2·K) , 而与多孔配砖和保温砌筑砂浆组成的砌体传热系数K≤1.0 W/ (m2·K) 。因此, 烧结页岩空心砖的当量导热系数应低于0.25 W/ (m·K) 。并提出烧结空心砖的孔洞结构不合理, 且烧结砖几乎没有应用气孔形成剂, 其热工性能亟须进一步提高。
西安建筑科技大学沈雪飞[9]等对新疆页岩的烧结砖烧结机理做了分析研究。研究了其理化性能指标并进行了梯度炉实验, 发现页岩烧结砖烧成温度范围为850℃~1 050℃。计算出页岩最佳烧成温度为950℃。
仇世忠[10]分析了页岩烧结保温砌块通过传导和对流这两种热量传递方式的保温隔热原理。
宋方方, 权宗刚, 浮广明[11]介绍了现有砌体受压本构关系, 并对其优缺点进行了分析。针对29排孔和21排孔两类页岩烧结保温砌块砌体变形性能进行了分析, 根据试验结果给出了该砌体受压应力—应变曲线, 并提出了该砌体受压本构关系计算式和弹性模量计算式, 最后给出了砌体泊松比建议取值。
3 推广烧结保温砌块还需解决的问题
推广一个事物必然要先让人们接受这个事物。个人认为主要应该从以下几个方面着手解决:首先继续进行科学试验研究, 充分了解烧结保温砌块的各种性能, 知己知彼方百战不殆。比如力学性能, 热工性能以及影响这些性能的因素。目前国内所做的试验研究还不够, 比如烧结保温砌块砌体房屋的抗震性能如何?据此建议制作页岩烧结保温砌块砌体房屋模型或墙体来研究其抗震性能。另外, 还需做好“售后工作”, 了解烧结保温砌块在实际使用中的具体情况与试验结果是否相同, 还需哪些改进。总之, 加大试验研究力度为烧结页岩保温砌块的推广提供坚实的理论基础。
其次, 想方设法降低销售单价。只有价格偏低才能使人们接受, 才能减少工程造价, 利于推广。基于此需要大力鼓励创新研究新技术, 使得在烧制砌块的每个环节尽量做到最优, 降低生产成本进而降低销售价格。另外还有政策的大力支持, 发展烧结页岩保温砌块显然可以为建设环境友好型, 资源节约型社会做出巨大贡献, 当然还需要有力的宣传。
4 烧结保温砌块的前景
由于我国国土面积广阔, 地貌丰富, 不同地区的建筑材料多种多样, 所以必须考虑当地的资源优势。黏土砖固然有其缺点, 但在黏土资源丰富的地带, 显然不能强迫其放弃身边的廉价材料而选取其他建筑材料。贫困偏远地区仍然不会放弃廉价质优的黏土砖, 但在发达的地区可以选取性能更好的建筑材料。
我国是一个多山的国家, 页岩含量比较丰富。在页岩资源丰富的地区也可以选取页岩作为其建筑材料使用。
总的来讲, 烧结页岩保温砌块的发展会跟随经济的步伐。故在农村或贫困地区的发展会滞后一些, 在发达地区会有较好的发展。因此, 烧结页岩保温砌块发展方向将是以城市为中心, 逐步向边远乡镇、农村发展。最终烧结保温砌块将代替黏土砖成为砌体世界的新一届“霸主”。
5 结论
黏土砖的发展与我国的经济实力息息相关, 贫穷的中国选取黏土砖作为砌体材料, 较为富裕的中国应该选取性价比更高的材料。一切从实际出发, 黏土资源丰富的地区仍可以选择黏土砖, 但需要改进其保温隔热等性能。与黏土砖相比烧结页岩保温砌块除拥有和黏土砖一样的可就地取材, 施工工艺简单, 造价低廉等优点外, 还具有轻质高强、适合建造高层建筑、保温隔热性能优良等优点。国内专家学者对烧结页岩砌体的研究也在如火如荼的进行中。相信烧结保温砌块必将成为最佳的砌体材料。
参考文献
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烧结页岩保温砖 篇4
我们知道, 热量是通过传导、对流、辐射这三种方式进行传递的。烧结砖、砌块的特点是内部具有较多的孔隙, 热量通过材料实体和孔隙两部分进行传递。通过实体的部分是靠固体的传导, 而通过孔隙的部分是以辐射和其中介质的传导、对流的复杂方式进行的。结构对材料的导热系数影响很大, 若结构疏松多孔, 则孔隙被气体所充满, 气体导热系数远较固体为小, 从而降低了导热系数。但是必须注意, 细小且封闭的孔隙, 才不会引起明显的对流作用, 而粗大且连通的孔隙, 会因介质对流作用增强, 反而使材料的导热能力提高。这里主要分析页岩烧结保温砌块, 通过传导和对流这两种热量传递方式的保温隔热原理。
1 传导方式
热量通过传导方式传递, 有两种方法降低它的单位面积传递效率:一是增大传导介质的热阻值, 让热量难以通过。另一种是延长介质的传导路径。页岩烧结保温砌块的原料经过高温烧结后, 它的热阻值已经恒定。而它独有的孔型设计, 正是将传导路径加以延长 (如图1所示) 。经过测量和计算, 传导路径由原来的365 mm延长到810 mm, 极大地降低了热量的传导效率, 从而达到保温的作用。
2 对流、辐射方式
页岩烧结保温砌块用试验方法测量, 能够看到的宏观孔洞率达到52%。这部分孔洞在砌筑完成后, 每排孔与孔之间、排与排之间都是相对密闭的, 能够形成178个密闭腔体 (以365 mm×248 mm×249 mm的保温砌块为例) 。空气在密封状态下的导热系数是很小的 (约为0.021 W/ (m·K) ～0.023 W/ (m·K) , 这就有效形成了交错分布的178个热量传播路径断桥, 极大的阻绝了热量的流失和传递, 达到保温隔热效果。
另外, 在页岩烧结保温砌块的原料中, 加入了20%以上 (体积比) 的锯末、植物秸秆粉末等造孔材料, 这些造孔材料在高温烧结过程中被烧失, 产生了无数个不连通的密闭细小微孔。一般实心砖的体积密度约为1 700 kg/m3, 其导热系数约为0.81 W/ (m·K) ;在绝对密实下的真密度约为2 500 kg/m3, 其导热系数约为1.2 W/ (m·K) 。已知密闭状态下的空气导热系数为0.023 W/ (m·K) , 则绝对密实下砖的导热系数为空气导热系数的1.2/0.023=52 (倍) 。由此可见, 气孔对砌块的保温隔热性能的提高起着非常好的作用。因此, 在砌块的实心部分, 又形成了大量微观密布的断桥, 进一步的提高了材料的保温隔热性能。
3 独有的砌筑方法, 最大限度地降低热桥影响
页岩烧结保温砌块采用薄灰缝精细砌筑法砌筑。水平灰缝控制在2 mm左右, 使得由灰缝产生的热桥效应降低到传统砌筑方法的1/5～1/4。竖向缝依靠砌块特有的契口形式, 互锁顶紧后, 利用机械式迷宫密封原理, 也能有效的阻断热桥。
实心砖的导热系数为0.81 W/ (m·K) , 西欧著名的“波罗顿”砖, 最先进的导热系数仅为0.08 W/ (m·K) ～0.12 W/ (m·K) 。经过新疆维吾尔自治区建材非金属产品质量监督检验站, 采用冷热箱法, 对页岩烧结保温砌块砌体结构传热系数检测, 在365 mm砌块厚度方向上, 加内外各20 mm砂浆抹灰层, 实测传热系数可达到0.40W/m2·K以下, 理论计算当量导热系数约为0.155 W/ (m·K) 。是目前国内唯一依靠单一砌体结构, 不复合其他任何保温材料, 就可达到建筑节能65%的自保温墙体材料, 具有世界一流、国内领先水平。
摘要：主要分析了页岩烧结保温砌块通过传导和对流这两种热量传递方式的保温隔热原理。
烧结保温砖及其产品特点 篇5
烧结保温砖是以破粉碎后的页岩为原料, 掺入造纸污泥, 经混合搅拌、匀化、真空挤出成型、余热干燥和高温烧结而成。造纸污泥富含木纤维和部分纤维的烧失, 原料中的各种矿物组分发生分解、化合、再结晶、扩散、熔融等一系列作用, 最后形成具有大量封闭微小孔、致密、坚硬、机械强度高的棕红色制品。
二、烧结保温砖的特点
1、轻质:
烧结保温砖相同规格、孔型、孔洞率情况下, 重量比烧结页岩多孔砖降低25%以上。
2、隔音、隔热、保温和建筑节能:
烧结保温砖材料内部的孔隙为大量封闭的微小孔, 因此隔音、隔热保温效果好, 传热系数和容重比较小。最小容重≤900kg/m, 砌筑240mm厚度的墙体, 一等品传热系数≤12W/㎡·K, 该产品砌筑的外墙无需进行内保温、外保温或夹芯保温, 就可满足《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》对围护外墙要求。
3、抗压强度高:
烧结保温砖属于烧结砖产品大类, 因此具有较高的抗压强度, 多孔砖MU10级产品 (传热系数≤15W/㎡·K) 可砌筑承重墙, MU5级 (传热系数≤12W/㎡·K) 可砌筑框架结构填充内外墙, 墙体上可方便挂置空调。
4、结构稳定:
由于原料矿物组分在烧结过程中熔融、再结晶的作用, 形成产品的稳定结构, 在夏冬季的气温变化作用下, 热涨冷缩小, 砌筑的墙体不易开裂、鼓泡, 不必担心墙体保温层脱落、开裂老化等现象。
5、施工简单:
烧结保温砖与现行烧结砖相比, 产品并不改变施工工艺, 施工时墙体砌筑与保温一次完成, 省工省力又省钱, 也不新增其他施工设备。
6、建筑成本低廉:
保温隔热的烧结承重砌墙砖 篇6
通过减小隔热体的导热系数来减少热传递, 达到隔热目的。通常将单位体积的热流量认为是:由于内外部的温度差异而导致的热传递。热传递是由砖或砌块的几何参数决定的:图1中A表示体积的横截面, I表示体积的厚度。
材料的自身特性可以由导热系数或λ值表示。砖或砌块的λ值不是影响墙体传热的唯一因素, 接缝、砂浆、灰及隔热材料也对热传递有影响。但是, 可以根据材料具体的λ值评价对应材料的热传递的性质。
另一个影响因素是两种材料之间热传递方式不同, 该特性可以用传热系数来描述。因此, 一面墙的总热工特性可以用热传递系数U来描述, 见图2。一面砖墙的隔热性能是一个很复杂的问题:首先, 要考虑黏土砖的热传递, 孔洞也是一个影响因素;其次砖的环境也是一个影响因素。下面只对黏土砖或砌块的自身性能进行探讨。
2 影响热传递的主要参数
总结热传递的物理定律, 影响黏土砖或砌块的隔热性能的主要因素有:密度、孔隙率及热传递路径的长度。
材料内的热传递是物质原子核之间能量传递的一个结果, 单位体积的原子核密度越大, 传递的能量越高。
孔隙率对热传递有两方面的影响:一方面它影响体积密度, 另一方面孔隙内的空气的热传递比烧结砖自身的热传递小, 甚至造成一种热传递障碍 (热传递系数α) 。路径长度指热量传递经过的距离。因此, 设计黏土烧结承重砌墙砖时要尽可能使其密度低、孔隙率最大、热量传递路径长。
3 对黏土承重砌墙砖历史性的评估
首先, 砖的尺寸越来越大, 孔洞率从30%增至50%以上。减少砖的体积密度的首选方法是添加成孔剂——聚苯乙烯。用此方法生产的多孔砖已于1958年被波罗顿申请为专利产品。1952年第一部德国标准DIN4018规定了导热系数, 同时发布了多孔砖的第一个标准DIN105。此时砖的λ值已达到0.6 W/m·K左右, 最低体积密度约为1200 kg/m3。1970年, 加入成孔剂后的砖体积密度可以达到600 kg/m3, 砖横截面的导热系数得到了进一步减小。同时孔洞间的肋从12 mm减少至目前的3 mm或4 mm。
砂浆也是改善墙体隔热性能的一个因素。如图3。1985年出现了薄层砂浆, 对承重砌墙砖的生产有很大的影响。使用薄砂浆的新式接缝要求打磨砖的坐浆面。砖的横截面布局的设计变得越来越重要了。砖的垂直接缝开始被看作一个热桥。这时λ值达到0.1 W/ (m·K) 或更小。
发展到第二步是给砖的孔洞里填充材料。1998年Schlagmann申请了填充砖的第一项专利。填充隔热材料的砖从复杂的孔洞布局发展为更为简单的布局, 且具有一定的机械强度。将不同材料填充到砖的孔洞里来增强砖的隔热性能。
通过添加成孔剂和填充材料等方法使砖的λ值越来越小, 达到了0.07W/ (m·K) 。
4 技术、解决方法和产品
下面从传统方法着手, 对生产隔热黏土承重砌墙砖/砌块的方法和可行性进行了探讨。
4.1 成孔剂
4.1.1 成孔剂的选择
在选择成孔剂时要考虑多方面的因素。成孔添加剂对生产工艺、产品性能、成本效率及环境都有一定的影响。首先, 添加剂可以改变黏土坯体的成形状态, 有的使原料变硬, 有的使原料塑性增加, 如锯屑;其次, 添加剂改变了坯体的干燥状态, 有的可以减少产品的干燥敏感性、增加干燥产品的机械强度, 如纤维;其它添加剂有相反的作用。
能源问题是一个很重要的方面。大多成孔剂可以为窑炉提供能量, 减少总能耗。另一方面, 低温时, 成孔剂通常有自己的燃点, 增加了窑炉的控制难度。由于成孔剂的材料大多源自废料 (如纸浆) , 在提供能量的同时也污染了烟气, 所以窑炉通常要安装烟气净化系统。
另外, 选择成孔剂时可以着重于它们的有益方面。多年来, 经过对大量的成孔剂的试验研究及现场试验, 发现很多成孔剂可以减少产品的导热性。但是制砖工业生产需要大量的成孔剂的量不仅获取难, 而且成本极大。对日产出500 t的烧结砖而言, 当成孔剂的添加量为30%时就需要大约100 m3的添加剂, 如图4。
由于影响因素不同, 成本效率是一个复杂的问题。选择一个特殊的成孔剂则意味着投入更多的资金, 如在烟气的热力燃烧方面。另外, 可以减少燃料的消耗。但成孔剂对CO2释放的影响是不可忽视的。当利用废料做成孔剂时, 其焙烧不会增加CO2的释放。
目前, 生产承重砌墙砖时使用的成孔剂种类很多。添加成孔剂的目的是增加烧结砖的孔隙, 从而减小砖的导热系数。
4.1.2 有机添加剂
有机添加剂在焙烧过程中其有机成分烧尽后形成孔隙, 对砖的隔热性能有一定的作用。有机添加剂颗粒的密度和烧失量决定了孔隙率的大小。有机添加剂主要对烟气中空气污染物的排放有影响, 产生额外的有机污染物, 增加挥发性有机化合物 (VOC) 及一氧化碳 (CO) 的排放。成孔剂的类型和预热带的温度决定了额外排放的有机污染物。在隧道窑中使用高速喷嘴及合理的焙烧周期可以减少或避免VOC的排放。
4.1.3 无机添加剂
无机添加剂比黏土轻得多, 在焙烧过程中会保持它们的结构不变。不同类型的无机添加剂的体积含量加起来有20%~25%。有的添加剂在焙烧过程中不会产生释放, 如硅藻土或珍珠岩。而添加石灰石粉、白垩或泥灰质黏土可以增加微孔, 且有助于减少氟和二氧化硫的排放。无机添加剂的成孔性能是由材料的自身特性决定的, 有的添加剂自身具有多孔性, 在矿物相中微孔结构形成时可以扩展其微孔, 有的添加剂中的碳质矿物分解反应后形成微孔。大多添加剂都是吸湿添加剂, 因此需要增加与塑性黏土混合时的水量, 可以使干燥后形成更高的孔隙容量。在焙烧过程如果采用不当的焙烧曲线, 会使一些添加剂出现问题, 有可能导致产品残次率提高。
4.1.4 普通添加剂
表1对一些常用添加剂的性能和作用进行了汇总。多数情况下, 这些数据是经过实验室试验、现场试验及可行性研究得出的。
4.2 砖的横截面
砖的横截面由孔洞形状决定。孔洞的百分比、孔洞间距 (即肋的厚度) 、孔洞的几何形状及位置都对砖墙的隔热性能有很大的影响。孔洞的百分比可以减少砖的体积密度, 从而降低导热系数。表2展示了理论例子中的孔洞对隔热性能的影响。对一个365 mm×250 mm×250 mm的标砖而言, 若孔洞从30%增加至60%, λ值将从0.28 W/ (m·K) 减小至0.22 W/ (m·K) , 砖的体积密度也会降低。
其他的几何参数有孔洞间距即肋的厚度、孔洞至砖外棱的距离。目前肋厚度为2 mm~3 mm的砖在市场上比比皆是。表3中一些理论例子解释了肋厚度与隔热性能的关系。
改善砖隔热的方法:由于传热路径越长, 隔热效果越好, 因此, 可以通过进一步优化砖孔洞的形状和排列来改善隔热效果。如图5、图6所示。
从图中可以看到通过不同的孔洞布局可将砖的热阻提高40%多, 热传递的路径较长且不是直的。另外, 通过选择距形、菱形、六角形等孔形也可以提高热阻。见图7、图8、图9。
不仅砖自身通过墙体传热, 而且砖接缝对整个墙的导热性有着不良的影响, 因此砖接缝的设计也是非常重要的, 见图10。
隔热效果最好的砖是Michael Kellerer公司的TMK8砌块 (获得了欧洲专利) 。第一步是利用更多或更少的迭代方法来开发一个最佳横截面, 接着通过FEM模拟从理论上分析不同方法的热工性能。通过对可挤压成型性、原料处理、干燥及焙烧性能进行的试验对相应的横截面进行调整。最困难的是将此付诸于实际生产中。
4.3 砖的打磨
对墙体的热阻而言, 水平接缝、垂直接缝对其都有很大的影响。使用薄层砂浆替代传统砂浆可以将墙体的λ值减少10%~15%〔~0.05 W/ (m·K) 〕, 见图11、图12。
薄层砂浆要求黏土砖或砌块的表面精度误差为+/-1 mm或更小, 因此打磨砖的坐浆面是一道很重要的工序。被打磨的砖要求质量要非常好, 无裂纹或曲度, 否则砖会在打磨时破坏掉。使用薄砂浆和打磨过的砖, 这样可减小砖接缝 (热桥) , 同时提高了整个墙的机械强度, 砌墙工程简单快速从而减少了劳动成本, 砂浆用量减少了80%。
4.4 填充
通过上述方法改善了砖的隔热性能, 使λ值减少至0.08 W/ (m·K) ~0.1 W/ (m·K) 。多年来的优化使产品的λ值低于0.12 W/ (m·K) 。目前有一种新的方法即填充技术, 在复杂的大孔洞断面里填充隔热材料。最常见的隔热材料见表4。
砌块的孔洞一般设计为矩形或方形大孔。孔间的肋厚度一般在10 mm左右, 以保证砖的机械强度。这类砖易于挤出、干燥和焙烧。常见问题是机口容易被添加的成孔料阻塞, 且干燥、焙烧中常出现裂纹现象。
填充技术增加了投资, 除了要求更换成型机的机嘴以优化砖的横截面外, 还要求改进设备。要求打磨砖, 砖的孔洞必须直, 无切割引起的变形。一套打磨设备是必须的。同时也需要更多的原料处理工艺。填充材料的处理和储存也很重要。焙烧后的流程为:打磨、处理、填充、处理、码至坯板上。
4.4.1 填充无机材料 (珍珠岩)
该方法于20世纪90年代早期开发, 获欧洲专利。珍珠岩是一种自然发生的无定形的火山玻璃, 它的一个重要的性能是遇高温膨胀, 因此用珍珠岩填充的砖具有轻质高孔隙, 隔热性能非常好。见图13。
珍珠岩的填充流程和其他技术相同, 但填充前珍珠岩必须先和胶混合, 填充后要再次将砖干燥确保胶的凝固。填充生产线每小时产出量为480块黏土砌块。
4.4.2 填充泡沫保温材料
该方法的优点是可以直接对现有的产品进行填充。见图14, 正在为砌块的孔洞填充粒状矿物或隔热泡沫。
除了清理填充后砌块表面外, 该技术与其他填充工艺也类同。填充生产线每小时的产量为1400块黏土砌块。有时会出现一些孔洞填不满或根本填不进去的现象。
4.4.3 填充预制好的隔热材料块
生产填充砖最简单的方法之一是直接将预制好的隔热材料块填入砖或砌块的孔洞, 材料大多为矿物棉, 有时也用其他材料如聚苯乙烯或其他农产品, 如图15、图16。
用于填充的材料块要稍大于砖的孔洞, 这样可以紧紧地卡在孔洞里而无需胶水来固定。填充材料以托板运送, 在进入填充车间前直接切割成块。产量低的生产线可以人工填充, 产量高的生产线可以利用机器手或推进装置来自动填充, 见图17。填充材料块可以水平或垂直填入孔洞。水平填充时, 砖不需要在打磨后翻转。填充材料块根据填充的材料、填充块的大小及所要求的产量来选择设备。半自动生产线每小时可填充1000块黏土砌块, 全自动生产线每小时可填充2000块黏土砌块。
5 总结和展望
烧结页岩保温砖 篇7
1 现有建筑体系和建筑质量存在的问题
1.1 寿命短
“提高建筑的使用寿命是最大的资源节约!”中国房地产及住宅研究会副会长顾元昌表示, 过去中国住房主体结构要求较低, 建筑材料质量相对较差, 建筑寿命一般为25～30年。一个建筑一百年拆三次, 重复建设使我国创造了两项世界第一:水泥和钢材全球消耗量第一;建筑垃圾产量全球第一。建筑垃圾每年高达4亿t, 建筑垃圾数量已占到垃圾总量的30%～40%, 造成巨大的社会资源浪费。随着城市化进程加快和经济发展需要, 当前已经到了提倡“百年建筑”的时候, 必须要树立建筑经久耐用的理念, 用低碳技术、建绿色建筑、盖百年住宅。
乌鲁木齐的建筑采用的墙体材料如加气块、陶粒砌块、红砖等, 尤其是外墙外保温材料, 都存在着与建筑主体结构相比寿命短, 且随着冻融循环次数的增加, 原有的强度和保温性能逐渐降低, 甚至存在失效的情况, 这种围护结构与主体结构寿命存在差异的现象, 在未来的五到十年, 将会日益显现, 带来无法预估的财产损失。
1.2 能耗高
我国每年新建面积达20亿m2, 由于建筑功能设计上有所缺陷, 建筑材料不符合节能环保的要求, 短寿命与资源高消费并存, 已成为我国建筑产业的一大通病。建筑能耗已占到我国总能耗的27.5%, 主要原因是外墙保温太差, 传热系数太大。在大部分高能耗的建筑中, 墙体和外窗的散热损失, 占建筑物热损失总量的85%左右。要实现建筑节能, 必须提高外墙的保温性能、外窗的保温性和气密性。乌鲁木齐市的建筑也不例外。况且, 乌鲁木齐市属严寒地区, 四季温差和昼夜温差都很大, 对外墙围护结构的保温性能要求更高。而现有的复合外墙外保温体系, 从它的保温性能和时效性上来说, 都只能是一种权宜之计。市场急需一种既经济又长效的外墙保温体系来取代。
1.3 防火性能差
2010年11月15日, 上海市静安区教师公寓发生导致53人死亡、70余人受伤的重大火灾事故, 外墙保温违规使用大量聚氨酯泡沫等易燃材料, 是导致大火迅速蔓延的主要原因。与外墙保温材料有关的火灾事故还有2008年深圳舞王俱乐部火灾 (44人死亡) 、济南奥体中心体育馆大火、乌鲁木齐长春路火灾等, 建筑易燃可燃外墙保温材料已成为一类新的火灾隐患, 由此引发的火灾已呈多发势头。乌鲁木齐目前使用的外墙外保温材料90%为聚苯等易燃材料, 而且楼是越盖越高, 高层建筑的灭火又是世界性的难题。新疆又是一个多民族的边疆地区, 外墙易燃材料的使用, 给人为破坏留下了安全隐患。
目前, 国家公安部消防局发出通知, 要求民用建筑外墙保温材料燃烧性能须为A级 (不燃材料) 。武警新疆消防总队随后发布消息称, 从3月15日起将民用建筑外墙保温材料纳入建设工程消防设计审核、消防验收和备案抽查范围, 进一步加强民用建筑外墙保温材料的消防监督管理。
2 推广应用城建烧结保温砌块产品的必要性
2.1 质优耐用, 利于打造“百年建筑”
城建 (集团) 烧结保温砌块项目引进欧洲成熟先进的制砖技术, 利用页岩等原料, 经高温烧结而成, 强度高、容重轻, 耐磨、耐损耗, 经久耐用, 使用寿命与建筑物寿命相同 (70年) , 远远高于目前普遍使用的墙体材料和保温材料25～30年寿命, 是乌鲁木齐市未来城市居住建筑的最佳墙体材料。
2.2 低碳保温, 利于实现“绿色节能”
城建集团节能保温砌块项目生产的烧结保温砌块, 其导热系数可达到0.12 W/ (m2·K) ～0.16 W/ (m2·K) , 按外墙370 mm计算, 对应传热系数为0.31 W/ (m2·K) ～0.50 W/ (m2·K) , 是目前唯一依靠单一墙体, 不附加其他任何保温材料, 就可达到外墙维护结构节能65%甚至更高的效果, 符合市政府、市建委对乌鲁木齐市居住建筑节能的要求, 可以极大降低乌鲁木齐市冬季供暖的煤炭资源消耗, 使低碳、绿色、环保成为可能, 能够为“还乌鲁木齐市一片蓝天”发挥积极作用。
2.3 极限耐火, 利于提高防火性能
城建集团烧结保温砌块项目生产的保温砌块, 由于使用页岩为主要材料, 经过高温烧结而成, 除了具有强度高、容重轻、保温好等优良性能外, 不但燃烧性能符合A级要求外, 365 mm厚的烧结保温砌块耐火极限达到4.5 h, 远远超过现有居住建筑对耐火极限指标的要求, 符合国家消防管理要求的建筑材料各项技术指标, 是传统保温建材的最佳保温替代建材, 能够使政府建筑管理部门管理放心, 广大用户住居安心。
2.4 性价比高, 利于普及
由于乌鲁木齐地区页岩资源丰富, 原料中又掺入一定比例工业废弃物, 原材料成本相对低廉;生产过程能源利用率高, 设备自动化程度高, 人力成本低;再加上生产规模大, 造成产品性价比高。产品的应用不但不会增加建筑成本, 反而会有下降的趋势, 有利于政府控制房价过快上涨。