Сравнение типов бетонных блоков: полые, твердые и воздухообменники

Бетонные блоки являются одними из наиболее широко используемых строительных материалов в жилом, коммерческом и промышленном строительстве. Их универсальность, долговечность и экономичность сделали их основным продуктом в каменных стенах, фундаментах и структурных структурах во всем мире. Однако не все бетонные блоки одинаковы. Три основных варианта - полые, твердые и аэрированные - каждый предлагает различные свойства, которые влияют на прочность, изоляцию, вес и скорость установки. Выбор правильного типа зависит от тщательного анализа структурных требований, целей тепловых характеристик, бюджетных ограничений и местных строительных норм. Эта статья обеспечивает глубокое сравнение этих трех типов блоков, подробное описание их производственных процессов, эксплуатационных характеристик, типичных приложений и компромиссов, чтобы помочь архитекторам, инженерам и строителям выбрать оптимальное решение для своего проекта.

Полые бетонные блоки

Производство и дизайн

Полые бетонные блоки, часто называемые бетонными кладочными блоками (CMU) с сердечниками, производятся путем литья смеси портландцемента, агрегатов и воды в форме, которая создает одну или несколько больших полостей. Полости обычно занимают от 25 до 50 процентов от общего объема блока. Стандартные размеры варьируются от 8×8×16 дюймов до 12×8×16 дюймов, с различными конфигурациями ядра - двухъядерные, трехъядерные или специальные формы для углов и перемычек. Легкий агрегат (например, расширенная глина, сланец или шлак) иногда используется для дальнейшего снижения веса. Блоки отверждаются в контролируемой среде (паровое или влажное отверждение) для достижения высокой ранней прочности и стабильности размеров.

Преимущества и применения

Полые блоки ценятся за их уменьшенный вес, что упрощает обработку и снижает затраты на рабочую силу. Типичный полый блок весит примерно на 30-40% меньше, чем твердый блок тех же размеров. Эта легкость также приводит к более быстрой конструкции стены, поскольку каменщики могут укладывать больше блоков в час. Полости обеспечивают отличную тепло- и акустическую изоляцию при оставлении пустыми или заполненными изоляционными материалами (например, жесткая пена, перлит или минеральная вата). В несущих стенах ядра часто усиливаются стальной арматурой и заполняются затиркой для создания композитной структурной системы, которая может противостоять вертикальным нагрузкам и боковым силам. Эта усиленная каменная кладка распространена в малоэтажных зданиях, парт-стенах и подвальных стенах.

Полые блоки также рентабельны: меньше материала на блок означает меньшую удельную стоимость и меньшие транспортные расходы.Распространено их использование в перегородках, стенах полостей и подпорных стенах.Кроме того, полости могут служить погонами для электропроводки и сантехники, упрощая механические установки.

Ограничения

Несмотря на их многочисленные преимущества, полые блоки имеют присущие слабости. Их прочность на сжатие ниже, чем у твердых блоков, как правило, в диапазоне от 4 до 8 МПа (580 до 1160 фунтов на квадратный дюйм). Для приложений с высокой нагрузкой они требуют тщательной инженерии, включая затирку и усиление. Полости также представляют собой путь для влажности и проникновения воздуха, если они не должным образом герметизированы, что может привести к повреждению воды и снижению энергоэффективности. В более холодном климате конденсация в полости может ухудшить характеристики изоляции с течением времени. Кроме того, открытые ядра снижают рейтинг огнестойкости блока, если они остаются незаполненными; однако, заполненные затиркой ядра могут восстановить рейтинг. Наконец, потребность в специализированных угловых и перемычных блоках может увеличить сложность материала и отходы.

Твердые бетонные блоки

Состав и производство

Твердые бетонные блоки, также известные как плотные бетонные блоки, не содержат преднамеренных полостей. Они изготовлены из плотной смеси портландцемента, мелких и грубых агрегатов и воды, уплотненной под высоким давлением и отвержденной для достижения высокой плотности - обычно от 2000 до 2400 кг / м3. Их прочность на сжатие колеблется от 7 до 20 МПа (1015 до 2900 фунтов), что делает их одними из самых сильных доступных кирпичных блоков. Твердые блоки изготавливаются в стандартных модульных размерах, таких как 100 × 200 × 400 мм (4 × 8 × 16 дюймов) и 200 × 200 × 400 мм (8 × 8 × 16 дюймов). Из-за их плотности они тяжелые: типичный 8-дюймовый твердый блок весит от 17 до 21 кг (37 до 46 фунтов).

Структурные показатели

Основным преимуществом твердых бетонных блоков является их исключительная несущая способность. Они являются выбором для фундаментов, подпорных стен, пирсов, колонн и любого конструктивного элемента, где требуется высокая прочность на сжатие и жесткость. Их твердая масса также обеспечивает отличное затухание звука и огнестойкость - неукрепленные твердые блоковые стены могут достигать огневых оценок от 2 до 4 часов без дополнительных покрытий. Кроме того, твердые блоки очень устойчивы к удару и могут выдерживать тяжелые точечные нагрузки, что делает их пригодными для промышленных и складских стен.

Изоляция и обработка

Высокая плотность твердых блоков имеет значительные компромиссы. Они являются плохими теплоизоляторами с типичными значениями R около 0,2 м2·К/Вт на 100 мм толщиной - намного ниже требований строительного кодекса для большинства климатов. Это требует добавления внешней изоляции или систем стенок полости для удовлетворения стандартов энергоэффективности. Их вес также делает их трудоемкими для обработки; каменщики могут укладывать меньше блоков в день, и краны или подъемники могут потребоваться для больших стен. Материальные затраты выше на блок из-за большего цемента и совокупного содержания. Однако для проектов, где прочность конструкции имеет первостепенное значение, а изоляция может быть обеспечена другими средствами (например, облицовка, внутренняя изоляция), твердые блоки остаются надежным и долговечным вариантом.

Аэрированные бетонные блоки (AAC)

Процесс производства

Блоки из аэрированного бетона (AAC) получают путем смешивания портландцемента, извести, кремнеземного песка, воды и алюминиевого порошка. Алюминий реагирует с щелочными цементными материалами, выделяя газообразный водород, который образует миллионы крошечных пузырьков воздуха по всей суспензии. Эту аэрированную смесь заливают в формы, предварительно отверждают, разрезают на блоки, а затем помещают в автоклав (паровая камера высокого давления) в течение 8-12 часов. Полученные блоки имеют легкую (400-700 кг/м3), имеют однородную клеточную структуру и проявляют прочность на сжатие от 2 до 8 МПа (290 до 1160 пси) в зависимости от плотности. Стандартные размеры блока больше, чем обычные CMU, обычно 600×200×100 до 600×300×300 мм, чтобы ускорить установку.

Термические и акустические свойства

Блоки AAC славятся своей превосходной теплоизоляцией с теплопроводностью от 0,11 до 0,18 Вт / м·К. Стена AAC толщиной 200 мм может достигать R-значения более 1,0 м2·К / Вт, что значительно снижает нагрузки на отопление и охлаждение. Эта пассивная производительность делает AAC идеальным для энергоэффективного и пассивного строительства дома. Пористая структура блока также ослабляет передачу звука, обеспечивая хорошую акустику для парт-стен в многосемейных зданиях. Поскольку AAC является легким и работоспособным, его можно легко разрезать, просверлить и преследовать на месте, что позволяет быстро устанавливать с тонкоспальным минометом (1-3 мм суставы).

Структурные соображения

Нижняя прочность на сжатие AAC ограничивает его использование в сильно нагруженных несущих стенах, если они не усилены. В малоэтажных зданиях (до трех этажей) неукрепленные стены AAC могут нести вертикальные нагрузки при правильной конструкции. Для более высоких конструкций AAC часто используется в качестве заправки в железобетонной или стальной раме, где он обеспечивает тепловую и акустическую производительность, не внося вклад в боковое сопротивление. В сейсмических зонах стены AAC требуют дополнительного усиления (например, вертикальная арматура в ядрах или горизонтальные балки связи) для предотвращения хрупкого отказа. AAC также менее устойчив к точечным нагрузкам от тяжелых креплений, поэтому якоря и крепления должны быть приспособлены к материалу (например, нейлоновые пробки или расширяющиеся якоря).

Экологические преимущества

Блоки AAC имеют относительно низкий уровень воплощенного углерода по сравнению с плотными бетонными блоками, потому что они используют меньше цемента на объем - воздушные пузырьки заменяют часть агрегата. Многие производители AAC включают переработанные материалы (например, летучую золу, шлак) и отходы от процесса резки обратно в производство. Высокие тепловые характеристики также снижают потребление эксплуатационной энергии в течение срока службы здания. Однако процесс автоклавирования требует тепловой энергии, которая может увеличить воплощенную энергию, если не полученную из возобновляемых ресурсов. В целом, AAC считается более устойчивым вариантом кладки для проектов, которые отдают приоритет энергоэффективности и снижению воздействия на окружающую среду.

Сравнительный анализ

Сила и грузоподъемность

Твердобетонные блоки предлагают самую высокую прочность на сжатие (7-20 МПа) и являются лучшим выбором для фундаментов, тяжелых подпорных стен и несущих стен в многоэтажных конструкциях. Полые блоки (4-8 МПа) могут быть усилены и затираются для достижения сопоставимых конструктивных характеристик, но при добавленной стоимости и трудозатратах. Блоки AAC (2-8 МПа) являются самыми слабыми; они обычно используются только для не несущих нагрузки заливных или малоэтажных несущих стен с тщательной конструкцией. Инженеры часто определяют твердые блоки для критических структурных элементов и используют полые или AAC блоки для вторичных стен для оптимизации стоимости и производительности.

Термическое исполнение

Блоки AAC являются явным победителем для теплоизоляции, с 10 до 20 раз более высоким значением R на единицу толщины, чем твердые блоки. Полые блоки могут улучшить изоляцию, заполняя ядра пеной или перлитом, достигая умеренных значений R (около 0,4-0,6 м2·К / Вт для 200 мм). Твердые блоки требуют внешней изоляции для удовлетворения современных энергетических кодов, что добавляет толщину стенки и стоимость. Для пассивных солнечных или массивных конструкций твердые блоки предлагают тепловую массу, которая может хранить тепло и умеренные колебания температуры, но это выгодно только в определенных климатах.

Стоимость и труд

Материальные затраты варьируются в региональном разрезе, но в целом твердые блоки являются самыми дорогими на блок из-за более высокого содержания цемента и агрегата. Полые блоки дешевле на блок, а блоки AAC падают в среднем диапазоне. Однако следует учитывать затраты на рабочую силу и систему: установка AAC быстрее (большой формат, тонкие соединения) сокращает квалифицированные часы кладки, в то время как твердые блоки требуют больше времени обработки и часто более толстые минометные соединения. Для типичной стены AAC может достичь самой низкой общей установленной стоимости, когда учитывается изоляция, потому что нет необходимости в дополнительной внешней изоляции. Полые блоки с основной изоляцией также могут быть конкурентоспособными, но твердые блоки обычно требуют дополнительной изоляции, повышая общую стоимость системы стен.

Огнестойкость и долговечность

Все три типа блоков предлагают отличную огнестойкость - бетон негорючий. Твердые блоки обеспечивают самые высокие показатели пожара (2-4 часа) из-за массы, в то время как AAC (с 1-3 часами) также хорошо работает, особенно при более высокой плотности. Полые блоки, если ядра остаются открытыми, могут иметь пониженную огнестойкость; заполнение ядер с помощью затирки восстанавливает производительность. Долговечность против выветривания, циклов замерзания-оттаивания и химической атаки хороша для всех, но твердые блоки имеют самый длительный срок службы в агрессивных средах (например, морские или промышленные). AAC более восприимчив к повреждению от воздействия и требует защиты от влаги для приложений ниже уровня.

Устойчивость

Блоки ААС оказывают наименьшее воздействие на окружающую среду с точки зрения источников материалов (меньше цемента, переработанного содержимого) и эксплуатационной энергии. Твердые блоки имеют самый высокий объем воплощенного углерода, но предлагают самый длительный срок службы. Полые блоки представляют собой промежуточную поверхность с умеренной эффективностью материала. Оценки жизненного цикла должны учитывать не только производственные, но и транспортные расстояния (ААК легче, сокращает выбросы отгрузки) и возможность переработки в конце срока службы. Бетонные блоки всех типов могут быть измельчены и использованы в качестве агрегата для нового бетона, что делает их дружественными к круговой экономике.

Факторы, которые следует учитывать при выборе

Структурные требования

Определить функцию стены: несущие или не несущие. Основополагающие и подпорные стены почти всегда требуют твердых блоков или усиленных полых блоков. Для внутренних перегородок и облицовки подходят ААС или полые блоки. В сейсмических зонах обеспечивают адекватное усиление полых или ААС стен. Для ветровых нагрузок в высотных зданиях твердые блоки обеспечивают лучшую боковую жесткость.

Климат и энергоэффективность

В жарком климате стены ААС значительно снижают охлаждающие нагрузки, в холодном климате первостепенное значение имеют значения изоляции. Если конструкция включает в себя непрерывную внешнюю изоляцию, то полые или твердые блоки могут использоваться с дождевым экраном. Для тепловой массы польза твердых блоков в климате с большими сутками температурных колебаний может стабилизировать температуры в помещении, но в сочетании с изоляцией они становятся сложными. Всегда проверяйте требования местного энергетического кода на минимальное значение R-значения стены.

Бюджет и сроки

Если рабочая сила дорогая и график плотный, более быстрая установка AAC (тонкие соединения, легкая резка) может сэкономить деньги. Для проектов с ограниченным бюджетом и доступными квалифицированными каменщиками полые блоки предлагают баланс затрат и производительности. Твердые блоки могут быть выбраны там, где структурные требования высоки, несмотря на более высокую стоимость и более медленное строительство.

Соблюдение кодекса

Местные строительные нормы диктуют минимальные прочности на сжатие, рейтинги пожаров и уровни изоляции. Например, Международный строительный кодекс (IBC) требует усиления в каменных стенах в высоких сейсмических категориях. AAC может потребовать специального одобрения в некоторых юрисдикциях, но его использование растет. Проверяйте с местными должностными лицами по коду или заранее консультируйтесь с инженером-строителем, чтобы избежать дорогостоящих изменений.

наличие

AAC не так широко доступен во всех регионах, что может увеличить затраты на доставку и время выполнения заказа. Полые и твердые бетонные блоки производятся по всему миру и легко доступны для исходного кода. Для удаленных проектов стандартные блоки могут быть более практичными, в то время как AAC может быть получен от региональных производителей с выделенными цепочками поставок.

Заключение

Выбор между полыми, твердыми и газобетонными блоками редко является универсальным решением. Каждый тип превосходит в конкретных областях: твердые блоки обеспечивают непревзойденную прочность и долговечность для фундаментов и тяжелых конструкций; полые блоки обеспечивают универсальное, экономичное решение, которое уравновешивает изоляцию и несущую способность с подкреплением; и блоки AAC предлагают превосходные тепловые характеристики и быструю установку для энергоэффективных зданий. Оценивая требования к структурным, термическим, затратам и коду - и консультируясь со структурными инженерами и местными поставщиками - дизайнеры могут выбрать блок кладки, который наилучшим образом соответствует целям их проекта. Для дальнейшего руководства обратитесь к Национальной ассоциации бетонного кладки [[FLT: 1]] для технических спецификаций, [[FLT: 2]] Руководство по изоляции Министерства энергетики США [[FLT: 3]] и [[FLT: 4]] Производители AAC для региональных данных о продукте [[FLT: 5]]. В конечном счете, хорошо информированный выбор обеспечивает прочную, комфортную и экономичную оболочку здания