發(fā)泡陶瓷在裝配式建筑應(yīng)用研究與研發(fā)*

陳相序

(宜興和陶科技創(chuàng)業(yè)有限公司 江蘇宜興 214200)

1 宜興市陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

宜興是國(guó)內(nèi)重要的陶瓷產(chǎn)區(qū),悠久的陶瓷文化和陶瓷產(chǎn)業(yè)造就了宜興“中國(guó)陶都”的獨(dú)特地位。作為宜興市的主要產(chǎn)業(yè)、特色產(chǎn)業(yè)和富民產(chǎn)業(yè),多年來,陶瓷產(chǎn)業(yè)在促進(jìn)宜興經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)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發(fā)揮了重要作用。尤其是最近十幾年中,隨著部分高污染、高能耗、低附加值的陶瓷產(chǎn)品退出歷史舞臺(tái),以及企業(yè)對(duì)陶瓷新材料應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用前景認(rèn)識(shí)的提高,宜興傳統(tǒng)的陶瓷企業(yè)進(jìn)行自我提高、自我完善,同時(shí)相當(dāng)一部分企業(yè)轉(zhuǎn)型加入到以工業(yè)陶瓷、陶瓷新材料為代表的先進(jìn)陶瓷領(lǐng)域中來,為宜興陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展開辟了新的空間,為“中國(guó)陶都”注入了新的內(nèi)涵。經(jīng)過多年的努力,宜興的陶瓷產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出傳統(tǒng)陶瓷提檔升級(jí),工業(yè)陶瓷蓬勃發(fā)展。宜興工業(yè)陶瓷在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了一定的知名度,也吸引了一些國(guó)內(nèi)外資本的青睞。

2017年成立宜興市陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究會(huì),其宗旨是以實(shí)現(xiàn)宜興市陶瓷產(chǎn)業(yè)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際知名為目標(biāo),探索和研究國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的陶瓷新材料新技術(shù)以及市場(chǎng)趨勢(shì),從原料、工藝、設(shè)備、銷售、人才等方面為企業(yè)搭建協(xié)同創(chuàng)新、資源共享、共同發(fā)展的平臺(tái),引導(dǎo)企業(yè)提檔升級(jí),推動(dòng)行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,推進(jìn)產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展、鏈?zhǔn)桨l(fā)展。

2018年筆者與清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院合作,從產(chǎn)品生產(chǎn)端與設(shè)計(jì)應(yīng)用端相結(jié)合,共同研發(fā)更新型實(shí)用的建筑保溫外墻新型材料,將工業(yè)陶瓷高強(qiáng)度、耐腐蝕、保溫隔熱、防火、高穩(wěn)定性、易于造型、便于裝飾、材料一體性優(yōu)勢(shì)等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用到建筑外墻上,既安全環(huán)保、減少工序,又減輕建筑重量,易于安裝。

近年來,宜興市建筑陶瓷材料生產(chǎn)企業(yè)充分發(fā)展,包括發(fā)泡陶瓷墻板、水泥固化木絲板、陶瓷干掛磚、藝術(shù)墻磚等門類,這些建筑材料在傳統(tǒng)建筑中已形成完善的細(xì)分市場(chǎng)和規(guī)模化應(yīng)用潛力,同時(shí),也在積極向裝配式建筑進(jìn)行轉(zhuǎn)型。建筑陶瓷類材料在裝配式建筑的定向研發(fā),可充分?jǐn)U大建筑陶瓷材料企業(yè)的目標(biāo)市場(chǎng)、刺激技術(shù)升級(jí)、提升企業(yè)利潤(rùn)。

2 發(fā)泡陶瓷在裝配式建筑中的優(yōu)勢(shì)

目前,部分工業(yè)陶瓷生產(chǎn)企業(yè)在高溫節(jié)能、窯爐中的發(fā)泡陶瓷在產(chǎn)品研發(fā)升級(jí)與降低原材料成本,廢礦、淤泥廢物的回收利用過程中,產(chǎn)品本身具有向建筑行業(yè)延伸的可能,萬(wàn)億級(jí)市場(chǎng)的建筑業(yè)與其他行業(yè)的充分溝通可能使部分企業(yè)獲得更好的市場(chǎng)方向,并產(chǎn)生革命性影響,這樣的創(chuàng)新可能也對(duì)建筑業(yè)、建材業(yè)產(chǎn)生積極影響,發(fā)揮社會(huì)示范引領(lǐng)的作用。

隨著國(guó)家大力推行裝配式建筑,預(yù)制墻板生產(chǎn)企業(yè)面臨著重大的機(jī)遇和挑戰(zhàn),目前急需解決的是裝配式建筑的成本問題,理想的預(yù)制墻板雖然強(qiáng)度高、性能優(yōu),是理想的建筑“外殼”,但其制造工藝難度較大。目前日本原產(chǎn)的板材價(jià)格為300～400元/m2,而國(guó)內(nèi)目前生產(chǎn)的板材多為輕質(zhì)加氣或芯材使用含聚苯乙烯類多孔材料的多層復(fù)合預(yù)制板,制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單易行,雖然保溫隔熱性能好,適用于外墻外保溫式的外墻構(gòu)造體系,但由于多種材料間的膨脹系數(shù)有差別,長(zhǎng)時(shí)間使用中在材料的內(nèi)力作用下板材變形或產(chǎn)生裂縫仍是一個(gè)需要研究的問題。而用陶瓷材料制作的墻板具有A 級(jí)防火、保溫隔熱、防水耐潮以及使用年限久、安全性高等特性,筆者結(jié)合在建筑設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接問題、相鄰墻板之間的連接問題、冷熱橋問題,并通過降低造價(jià),對(duì)裝配式建筑的推廣應(yīng)用提供解決方案。同時(shí),氣凝膠等一些特殊保溫材料的使用,可解決裝配式建筑中利用墻體自保溫在北方地區(qū)造成墻體過厚、造價(jià)增高等問題。

3 發(fā)泡陶瓷主要產(chǎn)品

發(fā)泡陶瓷產(chǎn)品性能指標(biāo)及其試驗(yàn)方法見表1。

表1 發(fā)泡陶瓷產(chǎn)品性能

研究會(huì)副會(huì)長(zhǎng)單位自主研發(fā)的發(fā)泡陶瓷產(chǎn)品特點(diǎn)為防火A 級(jí),耐老化,耐酸堿侵蝕與建筑同壽命,保溫隔熱,吸聲隔音無(wú)毒無(wú)味,無(wú)放射性,建筑通病少,熱傳導(dǎo)率低,耐久性好,相容性好不外裂、收縮,吸水率低,高溫?zé)?1 200 ℃),綠色環(huán)保,抗沖擊10級(jí),施工簡(jiǎn)便,抗裂抗?jié)B、避免二次保濕,無(wú)后期改造費(fèi)用,業(yè)主投訴減少,全周期性價(jià)比高,并獲得了《一種墻體建筑材料及其制備方法》、《一種抗?jié)B發(fā)泡陶瓷板》、《一種復(fù)合輕質(zhì)玻化發(fā)泡陶瓷板》、《一種輕質(zhì)發(fā)泡陶瓷切割系統(tǒng)》、《發(fā)泡陶瓷保溫板外墻外保溫系統(tǒng)》等10多項(xiàng)專利。

發(fā)泡陶瓷是采用陶土尾礦、陶瓷碎片、發(fā)泡劑等作為主要原料,采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和發(fā)泡成形技術(shù),經(jīng)高溫焙燒而成的高氣孔率的閉孔陶瓷材料。發(fā)泡陶瓷保溫板具有不易燃、熱傳導(dǎo)率低、耐老化、耐腐蝕、吸水率低、無(wú)毒、無(wú)輻射、隔音等優(yōu)越的性能,已大量運(yùn)用于建筑外保溫等工程應(yīng)用中。由于發(fā)泡陶瓷的部分原材料來自于需要處理的廢礦、淤泥、陶瓷碎片等,既降低了產(chǎn)品成本,又解決了環(huán)境問題。

3.1 保溫裝飾一體板

保溫裝飾一體板是近些年來逐漸興起的一種新的外墻外保溫產(chǎn)品,它的核心技術(shù)特點(diǎn)是通過工廠預(yù)制成形等技術(shù)手段,將保溫材料與飾面材料一體燒結(jié),具有保溫和裝飾的雙重功能(見圖1)。大理石型外飾面色澤自然,結(jié)構(gòu)致密、晶體均勻、紋理清晰、具有玉質(zhì)般的感覺;砂巖型色澤統(tǒng)一、質(zhì)感自然、強(qiáng)度較天然石材更高(見圖2)。

圖1 飾面系統(tǒng)

圖2 裝飾效果

3.2 石材復(fù)合板

發(fā)泡陶瓷薄石材復(fù)合板(見圖3),集保溫、防火、隔熱、裝飾、防雨、防凍、隔音、抗震等多功能于一體,具有明顯的質(zhì)量、工期和成本優(yōu)勢(shì),可用于建筑外墻墻體的保溫節(jié)能及改造,也可用于室內(nèi)裝飾裝修,為綠色節(jié)能工程首選產(chǎn)品。

圖3 石材復(fù)合板

復(fù)合板施工流程如圖4所示。

圖4 復(fù)合板施工流程

3.3 輕質(zhì)隔墻板

輕質(zhì)高強(qiáng)發(fā)泡陶瓷內(nèi)隔墻板(見圖5)是目前最輕的A 級(jí)防火實(shí)心隔墻板,具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)、防火、抗水(不回潮)、抗震、隔熱、隔音等綜合性能,最大規(guī)格為3 m×1.2 m,是高端住宅、辦公室、別墅、KTV、酒店、廚衛(wèi)間作為內(nèi)隔墻的最佳選擇。

圖5 輕質(zhì)隔墻板

3.4 發(fā)泡陶瓷自保溫砌塊

發(fā)泡陶瓷自保溫砌塊不僅具有防火、防水、無(wú)毒、耐腐蝕、防蛀、不老化、無(wú)放射性、絕緣、防電磁波、防靜電、機(jī)械強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn),還是具有隔熱、隔音性能的高科技新型建筑保溫、可自承重的輕質(zhì)墻體材料,能與各類建筑界面漿料很好地粘結(jié)。

4 研究?jī)?nèi)容

4.1 發(fā)泡陶瓷在裝配式建筑中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

(1)開發(fā)符合設(shè)計(jì)師要求的外墻板飾面系列;

(2)外墻板與主體結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式研究與設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)處理;

(3)外墻板生產(chǎn)制造的規(guī)格、工藝、形態(tài)、施工方法的應(yīng)用需求分析和成本控制;

(4)材料力學(xué)性能、防火、防潮、防水、隔聲、耐候性等相關(guān)材性的優(yōu)化及檢測(cè)分析。

4.2 創(chuàng)新型保溫材料的應(yīng)用研究

研發(fā)減少濕作業(yè)、施工簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)性高、符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的保溫材料,包括以下內(nèi)容:

(1)爐窯等其他行業(yè)使用的保溫材料在裝配式建筑中的應(yīng)用潛力研究;

(2)材料防火、安全性、耐候性等相關(guān)材性的優(yōu)化及檢測(cè)分析,以滿足建筑應(yīng)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求為設(shè)計(jì)目標(biāo);

(3)成本優(yōu)化與控制。

4.3 研究重點(diǎn)

(1)研究應(yīng)用較高品質(zhì)的外墻板材料,并以安全性、耐久性、舒適性、美觀性為重點(diǎn)方向,解決市場(chǎng)上缺乏好的外墻板材料的問題,并在此基礎(chǔ)上盡可能降低成本;

(2)使建筑師和材料企業(yè)充分溝通碰撞,從生產(chǎn)端和應(yīng)用端共同推進(jìn);

(3)跨行業(yè)吸取各個(gè)精華,以研發(fā)裝配式建筑應(yīng)用差異化的創(chuàng)新型環(huán)保節(jié)能、防火、安全、保溫、施工便捷牢固為目的。

5 研究方法

5.1 現(xiàn)狀調(diào)研

(1)建筑師的選材傾向性調(diào)研;

(2)不同氣候區(qū)、省市區(qū)的政策法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

(3)現(xiàn)有裝配式內(nèi)外墻板的類型、市場(chǎng)規(guī)模、使用情況、存在問題調(diào)研;

(4)不同功能、體量建筑的現(xiàn)狀調(diào)研;

(5)現(xiàn)有裝配式內(nèi)外墻板的材性比較以及經(jīng)濟(jì)性分析;

(6)材料生產(chǎn)企業(yè)的客戶調(diào)研。

5.2 技術(shù)路線

筆者采取的技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 技術(shù)路線

發(fā)泡陶瓷的原材料研發(fā)、粘結(jié)劑研發(fā)、燒結(jié)方法、加工方法、安裝方法等系統(tǒng)化研發(fā),使發(fā)泡陶瓷在建筑中應(yīng)用成為可能。

發(fā)泡陶瓷將成為預(yù)制保溫墻板的裝配式建筑中的主流產(chǎn)品,它具有取代承重混凝土巖棉復(fù)合外墻板、薄壁混凝土巖棉復(fù)合外墻板、混凝土聚苯乙烯復(fù)合外墻板、混凝土膨脹珍珠巖復(fù)合外墻板、鋼絲網(wǎng)水泥聚苯乙烯夾芯板、SP預(yù)應(yīng)力空心板、加氣混凝土外墻板、泡沫混凝土墻板與真空擠壓成形纖維水泥板(ECP)墻板等的很多優(yōu)勢(shì),對(duì)于安裝錨固件,淘汰了原有的龍骨干掛系統(tǒng)、背槽式陶瓷干掛系統(tǒng)(T 型、L型、I型、C型等)方式,目前采用每平方米6個(gè)“ㄣ”齒型錨固件加粘結(jié)砂漿,使成本降低50%,使發(fā)泡陶瓷外墻建成成本由原來600 元/m2降低為現(xiàn)在的300元/m2以內(nèi),安裝方便,減輕墻體質(zhì)量,且安全牢固。

本次項(xiàng)目研發(fā)中,又對(duì)“ㄣ”齒輪錨固件進(jìn)行了改良,把齒型的分布和長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化,使單點(diǎn)錨固力提高到0.6 k N 以上。

陶瓷新材料的應(yīng)用已延伸到航空航天、環(huán)保、生物、化工、紡織、醫(yī)療、電子電力、電信通信設(shè)備等各行各業(yè),未來這些優(yōu)質(zhì)的工業(yè)陶瓷隨著研發(fā)的投入和裝備的提升,一方面可進(jìn)一步向高端領(lǐng)域滲透,另一方面由于成本的降低,工業(yè)陶瓷優(yōu)越的性能將越廣泛地向民用發(fā)展。