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第四代轻质墙材 ​——轻质微晶石

2020年10月15日    中国建材报网    

现代建筑开启了对轻质墙材的追求。墙材作为建筑的围护体,是建筑物用量最大、对建筑品质影响最大的主体建材之一。墙材轻量化,意味着降低成本、施工方便、建筑更高、安全更好、抗震、保温等一系列好处。

主体建筑材料如水泥、砖瓦、玻璃、陶瓷等,在材料科学的分类上有一个统称——硅酸盐材料。为了这些材料的轻量化,人们尝试了各种发泡方法来降低硅酸盐材料的密度,以求得一种轻质墙材。截至目前,硅酸盐类材料已出现了发泡水泥、发泡玻璃、发泡陶瓷等各色轻质发泡产品,并在不同领域得到了一定的应用。但是,目前的这些产品,都还不能很好地适应建筑的外墙应用。

建筑的墙体分为内墙和外墙,一字之差,天壤之别。差别就在于墙体的应用工况。外墙体暴露在自然界中,冬夏昼夜的墙面温差能到100摄氏度;雨淋日晒的墙面湿度差能到100%。无论是温差还是湿度差,都能使传统墙面发生膨胀收缩的变化。这种循环反复的物理变化,是一种对材料的巨大破坏力。我们看到建筑表面的开裂、脱落,都是材料不能抵抗温湿变化的结果。内墙处于人居环境,温湿变化极小,因此对材料适应工况的要求很低。

那么,此前出现的硅酸盐发泡材料能否作为外墙主材使用呢?下面就对市场上已有的几种硅酸盐发泡材料作一下具体点评。

通过对已有硅酸盐发泡产品的工艺特点、理化性能的比较,可以清楚地作出代际划分。代际划分标准可以通过产品制造工艺作出,不同的工艺,对应出现相差甚远的产品理化品质。

这里对工艺的主要定性是发泡机理,再具体一点就是材料热处理的特定工艺。我们知道,热处理是许多材料制造的关键环节。比如金属和硅酸盐材料,都是靠热加工来实现材料不同品质的。普通钢材经过热处理成为特种钢,玻璃经过热处理成为钢化玻璃,硅酸盐发泡经过热处理同样也会极大改变品质。从热处理的角度,我们可以把硅酸盐发泡产品分为四代。

第一代硅酸盐发泡材料:

未经热处理,常温加气发泡。典型产品是发泡水泥,这也是最早的硅酸盐材料发泡制品。

第二代硅酸盐发泡材料:

200度中温蒸压,典型产品是蒸压发泡混凝土,简称ALC,上世纪70年前诞生于国外。

第三代硅酸盐发泡材料:

1200度高温烧结,典型产品是发泡陶瓷,十几年前诞生于中国工陶院。

第四代硅酸盐发泡材料:

二次熔融烧结,1400度熔融淬火析晶,1200度烧结晶化,典型产品是轻质微晶石,简称硅巢,几年前诞生于北玻硅巢新材料公司。

以上所列4代硅酸盐发泡材料,历经近百年发展。产品的用途基本上作为墙材。但因各代产品的理化性质差异,细分应用也就不同。如果单纯从性能指标上看,后一代产品的理化性能全面超越前一代,形成了后一代对前一代全面的功能覆盖和提升。但考虑到成本因素,后一代的成本都超过前一代,因此现在形成了4代产品的各自定位,不同优势各尽其能。

下面通过对四代产品不同理化性能的分析,说明各代产品适合的应用领域。

以上各代硅酸盐发泡产品都面向墙材应用。硅酸盐材料是建筑最普遍常用的基本材料。将硅酸盐材料发泡,就是为减轻材料重量。但材料的基本物理性质决定了密度越小,对应强度越低。从本质上讲,建筑墙材追求的不是密度或强度的绝对值,而是密度低、强度大的相对值,即人们常说的“轻质高强”。轻质高强的数学表达式为:“强度/密度”,可称为“强重比”,数值越大越好。就像考核航空发动机性能的主要指标是“推重比”(发动机的“推力/重量”)一样,本质上反映的都是,以更轻的重量获得更大的力量。

第一代发泡水泥产品,只减轻了材料的重量,但损失了强度,无法满足墙材的高于5Mpa的基本力学要求,加之该材料的理化稳定性太差,因此只能作为辅助材料,多用于填充性墙材。

第二代ALC产品,通过对硅酸盐水泥发泡后的蒸压热处理方式,将发泡水泥的强重比提高了约1倍。这种强度已基本达到墙材的应用门槛。但由于该材料的成分构成——含硅量低(约45%)、含钙量高(胶凝性材料只能如此),导致该材料的基因构成理化稳定性较差、吸水率过高,强度欠缺,作为外墙使用勉为其难。但由于成本尚可,作为工况要求较低的内墙使用还是不错的。

第三代发泡陶瓷产品,大大提高了热处理温度,采用了1150度的高温烧结工艺,同时改善了材料成分基因,提高了硅、铝含量比例,不但大大提高了“强重比”,还极大降低了材料吸水率,更好地满足了作为墙体材料的性能。但这种材料从面世至今十余年,尚未形成明确的产品应用定位。作为内墙使用,虽然有些性能(比如强重比和吸水率)比ALC更好,但由于价格比ALC高出约1倍,其更好的性能用在内墙上显得冗余。如果用于外墙,其性能有明显的脆性材料特点,容易发生脆性断裂,不符合建筑墙体延性断裂的要求,断裂特点甚至不如ALC材料。

①发泡陶瓷板压力测试图

为了保证试验数据的真实性、可靠性,取5块样块进行压力测试,压力与变形的测试图如下:

②ALC板压力测试图

为了保证试验数据的真实性、可靠性,取4块ALC样块进行压力测试,压力与变形的测试图如下:

(以上图表来自北玻硅巢公司材料试验室)

从上面2张图对比能看出,发泡陶瓷在压力达到峰值时,强度衰减明显,结构被严重破坏。ALC板在压力达到峰值后仍然保持着一定的强度,这说明前者在受压后易发生刚性断裂,后者韧性相对较强。

发泡陶瓷出现了十几年,应用在外墙或内墙都有不如意之处,目前应用定位比较尴尬。该材料今后要在建筑业立足,要么降低成本进入内墙应用,要么提高性能成为外墙应用,或者作为特种材料,比如切割雕塑,用于外墙造型使用。

 

第四代轻质微晶石产品,不但材质成分更加均衡合理,更重要的是热处理工艺更上一层楼,还进一步改变了面层外观,成为有里有面的全新材料。材料热处理工艺,行话说就是四把火:淬火、正火、退火、回火。其中,淬火是改变材料分子结构的关键步骤。前三代材料的工艺都没有淬火环节,比如说发泡陶瓷,不但材料成分而且烧结温度都与轻质微晶石相近,但生产工艺尤其是热处理方式的不同,造成材料性质的重大差别。就像钢化玻璃,没有淬火环节,哪来钢化强度。当然,其他辅助的3把火也是很讲火候的,这需要长期的摸索,积累大量数据才能做好。热处理方式的改进,使轻质微晶石材料出现了良好的理化特性。不但“强重比”这个重要指标比第三代发泡陶瓷提高了40%以上,而且发泡陶瓷的脆性缺陷,也得到了根本性改变。

请看轻质微晶石压力测试图:

为了保证试验数据的真实性、可靠性,取4块硅巢板样块进行力测试,力与变形的测试图如下:

轻质微晶石测试样块


(以上图表来自北玻硅巢公司材料试验室)

 


从图中可以看出,在压力达到峰值以后,断裂变形曲线形成了不同于发泡陶瓷的长尾曲线,表明材料的韧性明显提高,符合外墙材料延性断裂的力学要求。

对外墙需要的其他功能性指标,如吸水率、导热系数、热稳定性等,都在第三代产品的基础上保持和提高。更具有创新性的是,材料表面在烧结过程中,附加熔融了一体化的微晶石面层,使原来外墙需要单独外挂的装饰石材,直接以墙体主材一体化面层的形式完成,极大地提高了外墙装饰的经济性、可靠性、美观性。这种新型材料,不但具有适应外墙工况的功能性,还兼具良好的机加工便宜和稳定性。因此,为建筑部件化精密制造奠定了坚实的基础。北玻硅巢公司用轻质微晶石材料制造了兼具围护和承重功能的单元式幕墙,可作为建筑重要的基础部件,并能衍生出各种造型和功能模块。轻质微晶石材料的普及应用,将极大推动建筑的装配化和工业化。

硅酸盐发泡产品,走到轻质微晶石第四代,经过了百年的量变终于发生了质变。这个质变就是,以独立单一材料满足了外墙苛刻工况的全部功能性要求,成为建筑围护体系划时代的新材料。

用轻质微晶石生产的新型单元式幕墙,已成功应用在框架式办公楼的外围护体系上。(熊存强)