发泡陶瓷在装配式建筑应用研究与研发*

陈相序

(宜兴和陶科技创业有限公司 江苏宜兴 214200)

1 宜兴市陶瓷产业发展现状

宜兴是国内重要的陶瓷产区,悠久的陶瓷文化和陶瓷产业造就了宜兴“中国陶都”的独特地位。作为宜兴市的主要产业、特色产业和富民产业,多年来,陶瓷产业在促进宜兴经济社会发展、城市品牌打造、城市知名度提升、人民生活水平提高等方面发挥了重要作用。尤其是最近十几年中,随着部分高污染、高能耗、低附加值的陶瓷产品退出历史舞台,以及企业对陶瓷新材料应用领域和应用前景认识的提高,宜兴传统的陶瓷企业进行自我提高、自我完善,同时相当一部分企业转型加入到以工业陶瓷、陶瓷新材料为代表的先进陶瓷领域中来,为宜兴陶瓷产业的发展开辟了新的空间,为“中国陶都”注入了新的内涵。经过多年的努力,宜兴的陶瓷产业呈现出传统陶瓷提档升级,工业陶瓷蓬勃发展。宜兴工业陶瓷在国内外已经有了一定的知名度,也吸引了一些国内外资本的青睐。

2017年成立宜兴市陶瓷产业发展研究会,其宗旨是以实现宜兴市陶瓷产业国内领先、国际知名为目标,探索和研究国内外领先的陶瓷新材料新技术以及市场趋势,从原料、工艺、设备、销售、人才等方面为企业搭建协同创新、资源共享、共同发展的平台,引导企业提档升级,推动行业结构调整,推进产业集群发展、链式发展。

2018年笔者与清华大学建筑设计研究院合作,从产品生产端与设计应用端相结合,共同研发更新型实用的建筑保温外墙新型材料,将工业陶瓷高强度、耐腐蚀、保温隔热、防火、高稳定性、易于造型、便于装饰、材料一体性优势等优点应用到建筑外墙上,既安全环保、减少工序,又减轻建筑重量,易于安装。

近年来,宜兴市建筑陶瓷材料生产企业充分发展,包括发泡陶瓷墙板、水泥固化木丝板、陶瓷干挂砖、艺术墙砖等门类,这些建筑材料在传统建筑中已形成完善的细分市场和规模化应用潜力,同时,也在积极向装配式建筑进行转型。建筑陶瓷类材料在装配式建筑的定向研发,可充分扩大建筑陶瓷材料企业的目标市场、刺激技术升级、提升企业利润。

2 发泡陶瓷在装配式建筑中的优势

目前,部分工业陶瓷生产企业在高温节能、窑炉中的发泡陶瓷在产品研发升级与降低原材料成本,废矿、淤泥废物的回收利用过程中,产品本身具有向建筑行业延伸的可能,万亿级市场的建筑业与其他行业的充分沟通可能使部分企业获得更好的市场方向,并产生革命性影响,这样的创新可能也对建筑业、建材业产生积极影响,发挥社会示范引领的作用。

随着国家大力推行装配式建筑,预制墙板生产企业面临着重大的机遇和挑战,目前急需解决的是装配式建筑的成本问题,理想的预制墙板虽然强度高、性能优,是理想的建筑“外壳”,但其制造工艺难度较大。目前日本原产的板材价格为300～400元/m2,而国内目前生产的板材多为轻质加气或芯材使用含聚苯乙烯类多孔材料的多层复合预制板,制造工艺相对简单易行,虽然保温隔热性能好,适用于外墙外保温式的外墙构造体系,但由于多种材料间的膨胀系数有差别,长时间使用中在材料的内力作用下板材变形或产生裂缝仍是一个需要研究的问题。而用陶瓷材料制作的墙板具有A 级防火、保温隔热、防水耐潮以及使用年限久、安全性高等特性,笔者结合在建筑设计中结构构件的连接问题、相邻墙板之间的连接问题、冷热桥问题,并通过降低造价,对装配式建筑的推广应用提供解决方案。同时,气凝胶等一些特殊保温材料的使用,可解决装配式建筑中利用墙体自保温在北方地区造成墙体过厚、造价增高等问题。

3 发泡陶瓷主要产品

发泡陶瓷产品性能指标及其试验方法见表1。

表1 发泡陶瓷产品性能

研究会副会长单位自主研发的发泡陶瓷产品特点为防火A 级,耐老化,耐酸碱侵蚀与建筑同寿命,保温隔热,吸声隔音无毒无味,无放射性,建筑通病少,热传导率低,耐久性好,相容性好不外裂、收缩,吸水率低,高温烧制(1 200 ℃),绿色环保,抗冲击10级,施工简便,抗裂抗渗、避免二次保湿,无后期改造费用,业主投诉减少,全周期性价比高,并获得了《一种墙体建筑材料及其制备方法》、《一种抗渗发泡陶瓷板》、《一种复合轻质玻化发泡陶瓷板》、《一种轻质发泡陶瓷切割系统》、《发泡陶瓷保温板外墙外保温系统》等10多项专利。

发泡陶瓷是采用陶土尾矿、陶瓷碎片、发泡剂等作为主要原料,采用先进的生产工艺和发泡成形技术,经高温焙烧而成的高气孔率的闭孔陶瓷材料。发泡陶瓷保温板具有不易燃、热传导率低、耐老化、耐腐蚀、吸水率低、无毒、无辐射、隔音等优越的性能,已大量运用于建筑外保温等工程应用中。由于发泡陶瓷的部分原材料来自于需要处理的废矿、淤泥、陶瓷碎片等,既降低了产品成本,又解决了环境问题。

3.1 保温装饰一体板

保温装饰一体板是近些年来逐渐兴起的一种新的外墙外保温产品,它的核心技术特点是通过工厂预制成形等技术手段,将保温材料与饰面材料一体烧结,具有保温和装饰的双重功能(见图1)。大理石型外饰面色泽自然,结构致密、晶体均匀、纹理清晰、具有玉质般的感觉;砂岩型色泽统一、质感自然、强度较天然石材更高(见图2)。

图1 饰面系统

图2 装饰效果

3.2 石材复合板

发泡陶瓷薄石材复合板(见图3),集保温、防火、隔热、装饰、防雨、防冻、隔音、抗震等多功能于一体,具有明显的质量、工期和成本优势,可用于建筑外墙墙体的保温节能及改造,也可用于室内装饰装修,为绿色节能工程首选产品。

图3 石材复合板

复合板施工流程如图4所示。

图4 复合板施工流程

3.3 轻质隔墙板

轻质高强发泡陶瓷内隔墙板(见图5)是目前最轻的A 级防火实心隔墙板,具有高强度、轻质、防火、抗水(不回潮)、抗震、隔热、隔音等综合性能,最大规格为3 m×1.2 m,是高端住宅、办公室、别墅、KTV、酒店、厨卫间作为内隔墙的最佳选择。

图5 轻质隔墙板

3.4 发泡陶瓷自保温砌块

发泡陶瓷自保温砌块不仅具有防火、防水、无毒、耐腐蚀、防蛀、不老化、无放射性、绝缘、防电磁波、防静电、机械强度高、性能稳定等特点,还是具有隔热、隔音性能的高科技新型建筑保温、可自承重的轻质墙体材料,能与各类建筑界面浆料很好地粘结。

4 研究内容

4.1 发泡陶瓷在装配式建筑中的设计与应用

(1)开发符合设计师要求的外墙板饰面系列;

(2)外墙板与主体结构的结合方式研究与设计节点处理;

(3)外墙板生产制造的规格、工艺、形态、施工方法的应用需求分析和成本控制;

(4)材料力学性能、防火、防潮、防水、隔声、耐候性等相关材性的优化及检测分析。

4.2 创新型保温材料的应用研究

研发减少湿作业、施工简便、经济性高、符合标准规范要求的保温材料,包括以下内容:

(1)炉窑等其他行业使用的保温材料在装配式建筑中的应用潜力研究;

(2)材料防火、安全性、耐候性等相关材性的优化及检测分析,以满足建筑应用相关标准规范要求为设计目标;

(3)成本优化与控制。

4.3 研究重点

(1)研究应用较高品质的外墙板材料,并以安全性、耐久性、舒适性、美观性为重点方向,解决市场上缺乏好的外墙板材料的问题,并在此基础上尽可能降低成本;

(2)使建筑师和材料企业充分沟通碰撞,从生产端和应用端共同推进;

(3)跨行业吸取各个精华,以研发装配式建筑应用差异化的创新型环保节能、防火、安全、保温、施工便捷牢固为目的。

5 研究方法

5.1 现状调研

(1)建筑师的选材倾向性调研;

(2)不同气候区、省市区的政策法规、标准规范。

(3)现有装配式内外墙板的类型、市场规模、使用情况、存在问题调研;

(4)不同功能、体量建筑的现状调研;

(5)现有装配式内外墙板的材性比较以及经济性分析;

(6)材料生产企业的客户调研。

5.2 技术路线

笔者采取的技术路线如图6所示。

图6 技术路线

发泡陶瓷的原材料研发、粘结剂研发、烧结方法、加工方法、安装方法等系统化研发,使发泡陶瓷在建筑中应用成为可能。

发泡陶瓷将成为预制保温墙板的装配式建筑中的主流产品,它具有取代承重混凝土岩棉复合外墙板、薄壁混凝土岩棉复合外墙板、混凝土聚苯乙烯复合外墙板、混凝土膨胀珍珠岩复合外墙板、钢丝网水泥聚苯乙烯夹芯板、SP预应力空心板、加气混凝土外墙板、泡沫混凝土墙板与真空挤压成形纤维水泥板(ECP)墙板等的很多优势,对于安装锚固件,淘汰了原有的龙骨干挂系统、背槽式陶瓷干挂系统(T 型、L型、I型、C型等)方式,目前采用每平方米6个“ㄣ”齿型锚固件加粘结砂浆,使成本降低50%,使发泡陶瓷外墙建成成本由原来600 元/m2降低为现在的300元/m2以内,安装方便,减轻墙体质量,且安全牢固。

本次项目研发中,又对“ㄣ”齿轮锚固件进行了改良,把齿型的分布和长度进行了优化,使单点锚固力提高到0.6 k N 以上。

陶瓷新材料的应用已延伸到航空航天、环保、生物、化工、纺织、医疗、电子电力、电信通信设备等各行各业,未来这些优质的工业陶瓷随着研发的投入和装备的提升,一方面可进一步向高端领域渗透,另一方面由于成本的降低,工业陶瓷优越的性能将越广泛地向民用发展。