Table of Contents

Основное отличие: состав и производство

Что определяет твердый кирпич?

Твердые кирпичи - это единицы без преднамеренных пустот или полостей, превышающих 25% их объема, в соответствии со стандартами ASTM C62 и C216. Они обычно образуются из глины, сланца или бетонных смесей. При производстве глиняного кирпича сырье экструдируется или формуется, а затем обжигается при высоких температурах (1900-2000 ° F) в печи. Этот процесс витрификации плавит частицы, создавая плотный, низкопористый корпус. Бетонные твердые кирпичи используют портландцемент, агрегаты и воду, отвержденные в контролируемых условиях. Полученный блок имеет однородную внутреннюю структуру, придавая ему очень высокую прочность на сжатие (часто превышающую 3000 фунтов на глину и до 5000 фунтов на бетон). Их вес - обычно 3,5-5,5 фунтов на стандартную единицу - добавляет значительную мертвую нагрузку на фундаменты.

Как делаются полые кирпичи

Полые кирпичи, также называемые полыми блоками или перфорированными кирпичами, содержат одно или несколько отверстий или углублений. Для глиняных версий процесс экструзии использует штифт с штифтами, которые создают непрерывные прямоугольные или круглые отверстия через высоту кирпича. После резки и обжига полости остаются, уменьшая использование материала на 20-40% по сравнению с твердыми кирпичами. Бетонные полые блоки отливаются в стальных формах со съемными сердечниками; после демольдинга они отверждаются паром или воздухом. Полости могут быть расположены в узорах (например, двух- или трехклеточные конструкции) для оптимизации прочности, изоляции и управляемости. Их вес колеблется от 2,5-4 фунтов на единицу, что делает их заметно легче и легче размещать одной рукой во время кладки.

Летучая пепел и легкие варианты

Современные полые кирпичи включают летучую золу - побочный продукт сжигания угля - наряду с цементом и агрегатами. Эти кирпичи достигают плотности до 1000-1500 кг / м3, все еще удовлетворяя структурным требованиям для не несущих стен. Их геометрия полости может быть настроена для повышения тепловых характеристик, отвечающих современным строительным нормам энергоэффективности.

Структурное поведение под нагрузкой

Сжимающая сила и распределение нагрузки

Твердые кирпичи превосходят в чистом сжатии. Стена, построенная из твердых блоков, может передавать вертикальные нагрузки от балок, плит и верхних этажей непосредственно через кирпичный корпус с минимальными концентрациями напряжения. Отсутствие пустот обеспечивает участие всего поперечного сечения в несущей нагрузке. Стандартные испытания (ASTM C67) измеряют максимальную грузоподъемность; твердые кирпичи обычно выходят из строя при на 30-50% более высоком напряжении, чем полые кирпичи из того же материала. Для многоэтажных несущих стен твердые глиняные или бетонные кирпичи остаются отраслевым стандартом для нижних этажей, где нагрузки наибольшие.

Полые кирпичи, имея меньшую общую прочность на сжатие, при использовании в армированной кирпичной кладке по-прежнему выполняют адекватно для большинства жилых и коммерческих применений. Полости могут быть заполнены стальной армированной заготовкой, превращая их в армированную кладки из полого кирпича. Это создает композитную секцию, где сталь обрабатывает силы растяжения, а кирпичная оболочка сопротивляется сжатию. Например, в сейсмических зонах инженеры определяют полые бетонные блоки с вертикальными армирующими стержнями, помещенными в ядра и затираемым твердым материалом, что делает стену пластичной и стабильной во время землетрясений. Снижение веса также уменьшает инерционные силы во время тряски, ключевое преимущество.

Сдвиг и боковое сопротивление

Твердые кирпичи обеспечивают большее сопротивление сдвига по всему блоку, поскольку полное поперечное сечение может передавать боковые силы. В неукрепленных стенах это имеет решающее значение для ветровых нагрузок и незначительных сейсмических событий. Полые кирпичи имеют более тонкие паутины между полостью, которые могут концентрировать напряжения сдвига. Однако заполнение каждого третьего или четвертого ядра с помощью затирки и арматуры значительно улучшает способность сдвига. Коды проектирования (например, ACI 530 / ASCE 5 / TMS 402) обеспечивают таблицы для вычисления допустимых напряжений сдвига на основе площади сетки кирпича и интервала усиления.

Эффекты пряжённости и стройности

Высокие, стройные стены, построенные из полых кирпичей, более склонны к пряжке под эксцентрическими нагрузками, поскольку эффективный момент инерции ниже из-за пустот. Твердые кирпичи имеют более высокий момент инерции на единицу веса, снижая вероятность пряжки в тонких стенах. Для перегородок толщиной менее 6 дюймов часто предпочитают твердые кирпичи, если не добавляется армирование.

Термические и изоляционные свойства

Проводимость и R-ценность

Основное структурное различие, влияющее на изоляцию, - это наличие полостей воздуха в полых кирпичах. Сам воздух является отличным изолятором - все еще воздух имеет теплопроводность около 0,026 Вт / м · К, намного ниже, чем обожженная глина (~0,7 Вт / м · К) или бетон (~1,5 Вт / м · К). Полый кирпич с 40% пустой площадью может достигать [[FLT: 0]] R-значение на 50-70% выше, чем твердый кирпич той же толщины. [[FLT: 1]], что напрямую приводит к уменьшению нагрузок на отопление и охлаждение для здания. Некоторые производители проектируют формы ядра для увеличения длины пути для теплопередачи, дальнейшего повышения сопротивления. Например, шестиядерный полый бетонный блок, установленный в 10-дюймовой стене, может достичь R-значения 2,0-2,5, тогда как твердый бетонный блок той же толщины обеспечивает только R-1,1.

Тепловая масса и пассивный солнечный дизайн

Твердые кирпичи обладают высокой тепловой массой — они хранят тепло в течение дня и медленно выделяют его ночью, стабилизируя температуры в помещении. Это полезно в климате с большими суточными колебаниями. Полые кирпичи из-за меньшей массы хранят меньше тепла, но быстрее реагируют на изменения температуры. Для пассивных солнечных конструкций может использоваться комбинация твердых и полых кирпичей : твердые кирпичи на южных стенах (в северном полушарии) для захвата солнечного усиления и полые кирпичи для внутренних перегородок или несолнечных стен для снижения потерь тепла.

Риск конденсации

Поскольку полые кирпичи предлагают лучшую изоляцию, их внутренняя поверхность зимой теплее, что снижает вероятность конденсации на внутренней стене. Твердые кирпичи легче проводят тепло, делая внутреннее лицо холоднее, что потенциально приводит к проблемам с влажностью в помещении, если влажность в помещении высока. Необходимы правильные паровые барьеры с твердыми кирпичными стенами.

Акустическая производительность: класс передачи звука (STC)

Mass vs. Cavity Effects (альбом)

Звуковая передача через стены следует закону массы — более тяжелые, плотные материалы блокируют больше звука в воздухе. Твердые кирпичи, весящие в диапазоне 150-200 кг на квадратный метр для стандартной стены, достигают оценок STC 50-55, эффективно блокируя нормальную речь и большинство шума трафика. Полые кирпичи, с 30-40 % меньшей массой, теоретически имеют более низкие значения STC примерно на 5-10 пунктов. Однако полости могут быть заполнены звукопоглощающими материалами , такими как минеральная вата или акустическая пена, которые ослабляют резонанс в пустотах и могут вернуть STC до 55 или выше. Кроме того, многослойные стены с полыми кирпичами и изоляционной полостью обеспечивают превосходную звукоизоляцию по сравнению с однослойными сплошными кирпичными стенами.

Воздушно-десантный шум vs. воздушно-десантный шум

Твердые кирпичи передают меньше ударного шума (ступени, дверные захлопывания), потому что им не хватает внутренних воздушных зазоров, которые могут усиливать вибрацию. Полые кирпичи могут создавать барабанный эффект в пустых полости. Штамповка суставов и использование устойчивых зажимов являются стратегиями для смягчения этого. Для партийных стен между жилищами большинство строительных норм предпочитают твердые кирпичи или полые кирпичи с плотной затиркой.

Огнестойкость и структурная целостность в огне

Твердые кирпичи как огненные барьеры

Твердые глиняные кирпичи являются одними из самых огнестойких строительных материалов. Они негорючи, а их низкая теплопроводность означает, что они не быстро передают тепло соседним конструктивным элементам. 4-дюймовая сплошная кирпичная стена может достигать огнестойкости в 2-4 часа (ASTM E119). Плотный корпус не имеет полостей, где горячие газы могут накапливаться и вызывать разбрызгивание. Даже после интенсивного воздействия огня твердые кирпичи сохраняют структурную целостность дольше, чем многие альтернативы, что делает их идеальными для брандмауэров, лестничных колодцев и шахт лифта.

Полые кирпичи: сила против риска растекания

Полые кирпичи также обеспечивают хорошую огнестойкость, но полости могут быть обоюдоострым мечом. С одной стороны, захваченный воздух замедляет теплопроводность; с другой стороны, если в полости присутствует вода или влага, давление пара может вызвать взрывное разбрызгивание. Бетонные полые блоки более склонны к разбрызгиванию, чем глиняные полые кирпичи. Для снижения риска дизайнеры указывают полые блоки с минимальным количеством паутины и требуют, чтобы все полости были либо оставлены пустыми (для вентиляции пара) или заполнены затиркой (для предотвращения накопления пара). Испытание показало, что правильно затираемые полые кирпичные стены могут соответствовать или превышать огневой рейтинг твердых кирпичных стен той же толщины.

Расширение и тепловое скрещивание

Во время пожара сплошные кирпичи расширяются равномерно, часто создавая более плотные соединения с раствором.Полые кирпичи могут расширяться неравномерно из-за структуры полости, что приводит к растрескиванию в паутине. Стальная арматура, размещенная в зашитых ядрах, снижает этот риск, обеспечивая прочность на растяжение для содержания кирпича.

Стоимость и эффективность материалов

Использование сырья и отходов

Полые кирпичи требуют на 20-40% меньше сырья, чем твердые кирпичи. Это напрямую приводит к снижению потребления энергии во время добычи, транспортировки и обжига. В регионах, где затраты на глину или цемент высоки, полые кирпичи могут сократить материальные расходы на 15-25%. Бетонные полые блоки также используют меньше цемента на кубический фут стены, немного уменьшая углеродный след. Кроме того, полые кирпичи производят меньше строительного мусора, потому что меньше единиц необходимо для изготовления стены той же области (полые кирпичи часто больше: 8 × 8 × 16 × 4 × 21⁄4 × 8 ) для стандартных глиняных кирпичей.

Скорость труда и строительства

Более легкий вес полых кирпичей снижает усталость труда и может увеличить скорость укладки. Каменщик может укладывать на 30-50% больше полых кирпичей в день, чем твердых кирпичей сопоставимого размера, потому что каждый блок поднимается и размещается легче. Однако полые кирпичи требуют большей осторожности при выравнивании полостей, особенно если необходимо вставить арматуру. Экономия затрат на рабочую силу может компенсировать немного более высокую единичную цену полых кирпичей на многих рынках. Твердые кирпичи требуют более медленной, более тщательной работы из-за их веса, но их форма проста и прощающая.

Долгосрочное техническое обслуживание

Твердые кирпичи дольше сохраняют в суровых погодных циклах. Их плотная структура лучше сопротивляется повреждениям от замерзания-оттаивания, чем полые кирпичи, которые могут собирать воду в полости, которые позже расширяются при замораживании. В холодном климате полые кирпичи должны иметь дыры для плача и надлежащий дренаж для предотвращения накопления влаги. Твердые кирпичи менее уязвимы для попадания воды через тело. За 50-летний срок службы здания твердые кирпичные стены могут потребовать меньше ремонта и меньшего водонепроницаемого обслуживания. Для прибрежных или районов проливных дождей твердые кирпичи часто указываются для наружных стен, в то время как полые кирпичи используются для внутренних перегородок.

Экологические и устойчивые соображения

Воплощенная энергия и углерод

Полые кирпичи имеют более низкую воплощенную энергию на кубический метр готовой стены, потому что обрабатывается меньше материала. Однако энергия, необходимая для обжига глиняных полых кирпичей, аналогична твердым кирпичам на единицу объема; изменяется только количество блоков. Бетонные полые блоки имеют более низкую энергию обжига (они отверждаются, а не обжигаются), давая им преимущество в углероде. Твердые глиняные кирпичи, особенно те, которые обжигаются природным газом или биомассой, имеют более высокий углеродный след, но предлагают исключительную долговечность, которая может продлить срок службы здания. Анализ жизненного цикла часто отдает предпочтение твердым кирпичам для несущих частей конструкции, потому что они устраняют необходимость в стальной арматуры, которая несет свою собственную высокую стоимость углерода.

Переработка и конец жизни

Как твердые, так и полые кирпичи подлежат вторичной переработке. Их можно измельчить в агрегат для нового бетона или дорожного основания. Твердые кирпичи легче спасать целыми для повторного использования в новых стенах, в то время как полые кирпичи часто ломаются во время сноса из-за их более тонких оболочек. Однако полые кирпичи можно измельчить в более тонкий материал для легкого агрегата. Для конструкций, предназначенных для будущей деконструкции, твердые кирпичи являются лучшим выбором.

Тепловые характеристики и энергосбережение

Более высокое значение R полых кирпичей напрямую приводит к снижению использования энергии для отопления и охлаждения. В течение срока службы здания эта экономия энергии может перевешивать разницу в воплощенном углероде между твердыми и полыми вариантами. Пассивные конструкции домов часто определяют полые кирпичи или бетонные блоки с изолированными ядрами для достижения сверхнизкой потребности в энергии. Твердые кирпичи сложнее изолировать, но их можно использовать в сочетании с внешними изоляционными системами (EPS / XPS) для удовлетворения современных кодов.

Практические рекомендации по выбору

Когда выбрать твердые кирпичи

  • Нагрузочные стены для конструкций на три этажа — высокая прочность на сжатие обрабатывает тяжелые вертикальные нагрузки.
  • Основания и подпорные стены подвержены боковому давлению земли и влаге — твердые кирпичи сопротивляются повреждению водой и обеспечивают высокую прочность сдвига.
  • Межсетевые экраны и ограждающие стены для лестничных пролетов — высокая огневая оценка без необходимости усиления.
  • Холодный климат, где циклы замерзания-оттаивания часты — твердые кирпичи (особенно глина) страдают меньше.
  • Исторические реставрации, где требуется соответствие оригинальных размеров и текстуры твердого кирпича.

Когда полые кирпичи Excel

  • Не несущие перегородки стены в коммерческих и жилых зданиях — легче, быстрее в установке и дешевле.
  • Усиленная каменная кладка в сейсмических зонах — полости вмещают вертикальную арматуру и затирку, улучшая пластичность.
  • Внешние стены , требующие изоляции — полости заполнения пеной или минеральной шерстью для достижения высоких значений R.
  • Высотные занавесные стены , где снижение мертвой нагрузки имеет решающее значение для минимизации размера фундамента.
  • Устойчивое строительство проектов, направленных на сокращение использования материалов и воплощенного углерода.

Комбинированное использование: подход панели и рамки

Многие современные здания используют гибридную систему : железобетонная или стальная рама принимает вертикальные нагрузки, в то время как полые кирпичные панели наполнителя обеспечивают ограждение и изоляцию. Твердые кирпичи используются только в самой раме или в стенах сдвига. Этот подход оптимизирует конструктивные характеристики, стоимость и энергоэффективность.

Тестирование и соответствие стандартам

Для любого проекта кирпичи должны соответствовать местным строительным нормам. В США ASTM C62 покрывает твердый строительный кирпич; ASTM C216 предназначен для облицовочного кирпича. Для полых глиняных кирпичей применяется ASTM C652. Бетонные полые блоки регулируются ASTM C90. Эти стандарты определяют минимальную прочность на сжатие, максимальное поглощение воды и допуски к размеру. Всегда проверяйте данные испытаний производителя перед указанием любого типа для критических структурных применений. В независимых лабораторных отчетах должна указываться прочность на сжатие в чистом виде (для полых блоков) и прочность валовой площади (для твердых блоков).

Инженеры-конструкторы должны также ссылаться на разделы 2103–2109 Международного строительного кодекса (IBC) для материалов и сборок каменной кладки. Для тепловых характеристик проконсультируйтесь с руководством по основам ASHRAE для расчетов U-значения на основе типа кирпича, геометрии полости и изоляции. Акустические испытания на ASTM E90 предоставят рейтинги STC и NRC для конкретных полых кирпичных изделий. Для воздействия на окружающую среду Athena Impact Estimator может сравнить затраты на жизненный цикл твердых и полых кирпичных стен в течение 60-летнего срока службы здания.

Вывод: Универсальный победитель

Структурные различия между твердым и полым кирпичом глубокие и многогранные. Твердые кирпичи предлагают непревзойденную прочность, долговечность и огнестойкость для критических конструктивных элементов. Полые кирпичи обеспечивают превосходную изоляцию, меньший вес и экономию затрат для стен заполнителей и не несущих нагрузки. Лучшая конструкция часто включает в себя выбор правильного материала для функции каждой стены. Понимая, как пустоты влияют на сжимающую способность, тепловой поток, акустическую передачу и поведение огня, инженеры и строители могут принимать обоснованные решения, которые балансируют безопасность, экономичность и устойчивость. Всегда ссылаются на текущие коды и спецификации производителя и не полагаются на общие требования - данные испытаний и инженерные суждения необходимы для достижения производительности, предназначенной в каждом строительном проекте.