炎热干旱地区沙盐土砖的制备及性能研究——以A地为例_铁云.pdf

行业聚焦房地产世界2023/0443炎热干旱地区沙盐土砖的制备及性能研究以 A 地为例铁云在炎热干旱地区,传统建筑物普遍需要使用适应当地气候的土质材料。例如,盐湖是干旱地区含盐量极高的湖泊,盐具有高吸热性能,因此,沙盐土一直是处于炎热干旱地区的 A 地的传统建筑材料。然而,该地区的沙盐土正在为混凝土砖和耐火砖等现代建筑材料所取代。1 研究背景混凝土砖和耐火砖等建筑材料在建筑结构中的厚度通常为 0.15 m 0.25 m,其无法有效保证建筑物的保温隔热性能。此外,这些材料在制造过程中会释放大量的二氧化碳。国际能源机构（IEA）的数据显示,建筑行业消耗的能源占全球能源总消耗量的 36%,直接和间接排放的二氧化碳占碳排放总量的 39%。1例如,耐火砖需要在 900 1400 的温度下烧制,其在制造过程中会排放大量的二氧化碳。此外,在炎热干旱的气候条件下,环境舒适性是建筑设计人员需要重点考虑的因素。然而,空调系统能耗约占建筑物总能耗的 60%。使用当地材料,应用数字化建造技术,能够节省建设的时间、材料和成本,有利于实现绿色环保的建设目标。同时,采用 AM 技术（增材制造技术）或 3D 打印技术,能够帮助施工单位在不应用模具的情况下进行施工,有利于缩短施工时间,提高施工精度,减少工业材料的使用,降低施工对环境的影响。土坯、泥砖、夯土等土质材料,具有成本低、能耗低、碳排放量低等优点,在全球范围内得到了广泛使用,特别是在炎热干旱地区。考虑到气候变化情况,炎热干旱地区的施工单位宜选择合适的施工技术和建筑材料,利用当地的天然材料以及先进的数字化建造技术来降低建筑能耗,实现建筑行业的可持续发展。2在过去的几十年里,3D 打印技术和机器人技术在建筑行业获得了极大的关注。然而,受到设计水平和施工水平的限制,这些新兴的建筑技术只能在少数施工现场应用。3随着 3D 打印技术的发展,在不应用模具、支撑结构或额外材料的情况下,施工单位也能实现较快的打印速度。此外,材料和设计的优化可以减少不必要的材料浪费,有利于突出 3D 打印技术的环保优势。42 沙盐土砖的制备2.1 原料的选择和准备本文重点对 A 地西部沙漠绿洲中沙盐土砖的制备和性能进行研究。沙盐土砖是一种传统的盐基建筑材料,它是由盐湖或地表渗出的盐（氯化钠）与沙土混合而成的,可用于建造城堡和其他建筑。在建筑生命周期结束时,沙盐土易于回收,不会对环境产生任何负面影响。笔者通过在显微镜下观察沙和盐颗粒的形状特征,进而选择与混合物性质相匹配的黏结剂。EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）不含双酚 A（BPA）及其他有毒物质,在使用时可避免盐发生溶化,因此其可与盐块、沙土组成一种环保的 3D 打印材料。三种材料的比例为 2 1 0.5,其中,盐块的盐粒摘要：A 地处于炎热干旱地区，当地常用的自然建筑材料在应对气候变化方面具有一定优势，但受时间、劳动力、结构复杂性和耐久性等方面的限制，这些材料正逐渐被淘汰。本文介绍了一种新的沙盐土砖的制备方法，并对这种材料的力学性能进行了实验研究。结果表明，沙盐土砖的单轴抗压强度可达到 9.5 MPa，导热系数为 0.94 W/m2K。作为可循环利用的材料，沙盐土砖在炎热干旱地区的建筑行业中具有广泛的应用前景。关键词：炎热干旱地区；沙盐土；数字化建造行业聚焦442023/04REAL ESTATE WORLD径为 0.5 mm 2.0 mm,氯化钠纯度为 75%86%,硅质细沙的直径为 0.125 mm 0.25 mm。2.2 制备流程沙盐土砖的制备涉及诸多流程（见图 1）,本文主要对找形、力学性能实验、制造三个流程进行介绍。2.2.1 找形找形这一环节的主要工作是测试3D打印机打印复杂、非常规形状的能力,并与标准砖块进行对比,研究根据不同参数进行优化设计的可能性。在组装过程中,笔者基于连接、最小密度、最小重量和压缩性能等方面的要求探索了沙盐土砖基本的几何形状。受已有结构的启发,笔者最终选择了六边形作为沙盐土砖基本的几何形状。为了减轻单元重量,笔者通过数字模拟,测试了不同厚度材料的孔隙变化,最终设计了两种不同的六边形单元,以确保沙盐土砖能够达到良好的吸热效果。2.2.2 力学性能实验（1）抗压强度实验。沙漠沙是沙盐土砖的主要成分之一,因此笔者通过单轴抗压强度实验来测试沙的抗压强度。所用实验设备是最大实验力为 100 kN 的 WDW-100 kN微机控制电子万能实验机,所选试样为 5 个圆柱体,试样的直径为 50 mm,高度为 100 mm。（2）可回收性实验。可回收性实验包含两个方面的内容：盐的溶解性和凝固实验；新砌块和旧沙盐土砌块的溶解性实验。这两个实验都是为了测试混合物在水中溶解的时间,模拟在潮湿或雨水环境中建筑生命周期结束时材料的溶解速度。在盐的溶解性实验中,为了测量溶解度,笔者将食盐和海盐的氯化钠浓度设定为 97%98%。在室温为 24 时,笔者各取 20 g 样品,并将其分别溶解在一杯水中,每天记录一次玻璃杯中的盐浓度,记录时间不少于 5 天,以便在加入黏结剂前进行检查。另外,为了对图 1沙盐土砖的制备流程行业聚焦房地产世界2023/0445两个样品进行凝固实验,笔者将两根棉线放置在容器内 28天,以测试材料的可回收性和生命周期,最终通过测定棉线上盐粒体积的大小来计算盐的凝固时间。在新砌块和旧沙盐土砌块的溶解性实验中,笔者各取 20 g 样品,将其分别溶解于一个装满水的容器中,并在两周后测量水浮力。2.2.3 制造沙盐土砖的制造包括三个阶段：沙盐土的 3D 打印；材料的组装；测试沙盐土墙的导热系数。在 3D 打印过程中,笔者通过逐一增加层数来检查沙盐土的稳定性。为测试挤出机旋转过程中混合物的不同均匀程度,笔者分别打印了直线层和曲线层,并根据混合物的不同均匀程度调整打印速度,以保证生成相同的形状。每次打印两层,每层厚度为 1.2 cm。3 结果分析3.1 外观形态在本次实验中,通过显微镜观察到的沙和盐的形态如图 2 所示。由图 2 可知,沙的形状类似球形,边缘比盐更平滑,这是因为沙流动的速度比盐快,尖锐的边缘更容易被磨损。沙和盐颗粒之间的空隙宜使用低熔点的黏结剂来填充。图 2显微镜下沙和盐的形态3.2 力学特性实验沙盐土试样抗压强度和时间之间的关系如图 3 所示,从试件 1 到试件 5,加载时间逐渐增加。随着加载时间的增加,试样开裂前的抗压强度逐渐增高,最终测得的试样平均抗压强度为 9.5 MPa。在可回收性方面,由于食盐颗粒的粒径较小,溶解速率随着时间的增加逐渐下降,但其溶解速率依然高于海盐 见图 4（a）。图 4（b）为 28 天后盐的结晶情况。用线状物测试容器中盐的结晶速度时,可得食盐的结晶速度明显高于海盐；海盐的结晶颗粒较大,而食盐颗粒则均匀分布在整个线状物上。由于海盐溶解较为缓慢,结晶颗粒大、结晶速度慢,因此其在建筑生命周期结束时容易降解,对环境的影响较小。同时,笔者在溶解实验中发现,新型沙盐土的溶解持续时间为 14 天,而传统的沙盐土仅能持续 5天,这说明新材料具有更长的寿命。笔者在室温下对沙盐土开展水分蒸发实验时发现,沙盐土易于凝固结晶,方便回收再利用 见图 4（c）,并且其结晶为浅色半透明状,可以反射阳光,减少吸热,适用于沙漠环境。图 3沙盐土抗压强度实验图 4溶解和凝固实验3.3 导热系数笔者设计了一个沙盐土空心墙体模型,利用热阻和材料特性值来计算传热系数（U值）,如图 5 所示。为计算墙体总热阻（R）,笔者需要分别计算建筑物的外部和内部热阻。式（1）为外部或内部热阻计算公式,其中L为墙体厚度,为材料导热系数；式（2）为总热阻计算公式。RL=（1）（2）行业聚焦462023/04REAL ESTATE WORLDU值可以作为衡量材料保温性能的有效性评价指标,墙体热阻值越高,U值越低,材料的保温性能就越好。在考虑热阻和材料厚度的情况下,传热系数计算结果如表 1 所示。由表 1 可知,沙盐土空心墙体的导热系数为0.94 W/m2K。、图 5沙盐土空心墙体模型4 沙盐土砖制备方法的适用性讨论在本节中,笔者从生产成本和结构性能、热工性能、可回收性等方面讨论本文所提出的沙盐土砖制备方法的适用性。4.1 生产成本和结构性能为了评估所需要的材料量,笔者测试了两个相同尺寸（24 cm12 cm6 cm）和形状的空心样品,一种是耐火砖,另一种是沙盐土砖。其中,沙盐土砖质量（600 g）是耐火砖质量（1200 g）的一半。沙盐土砖最初的生产成本很高,但其生产周期比较短,而耐火砖在制作、烧制、干燥、运输、劳动力、材料和能源等方面的成本会不断叠加。因此,沙盐土砖的大规模生产成本较低。此外,耐火砖的工业化生产容易导致废物堆积,而沙盐土砖可以在现场打印,从而降低了材料、能源和劳动力等费用。有关含盐建筑的研究结果显示,新、旧沙盐土砖的抗压强度分别为 9.5 MPa 和 2.66 MPa,密度分别为1.55 g/cm3和 1.23 g/cm3 1.99 g/cm3。旧沙盐土砖材质较为均匀、紧密,而新沙盐土砖的非均质性强,盐晶较大,孔隙率高。在干燥过程中,随着时间的推移,经过重复的凝固溶解之后,新沙盐土砖的盐颗粒结晶变多,其抗压强度也变得更高。4.2 热工性能不同建筑材料的物理性能如表 2 所示。根据表中数据可知,20 cm 厚的沙盐土砖的传热系数（0.94 W/m2K）优于30 cm80 cm厚的旧沙盐土砖砌体（1.65 W/m2K2.35 W/m2K）,与 25 cm 厚的压缩稳定土砖或带绝缘层的耐火砖的传热系数较为接近。4.3 可回收性沙盐土砖是一种复合多孔结构材料,其中盐颗粒的溶解和凝固速度取决于其所处环境的湿度。当外部环境湿度大时,材料溶解和凝固的迭代过程将导致砖体内部孔隙更加均匀。在建筑生命周期结束时,材料可以快速分离,经过回收后可再次使用,且不会对环境造成污染。在拆除和过滤材料的过程中,加入水会使沙子沉降并与黏合剂分离,表 1沙盐土空心墙体的导热系数 材料层导热系数/（W/mK）材料厚度/m热阻R/（m2K）U=1/R/（W/m2K）内部0.123盐0.250.10.400黏合剂0.130.040.308沙20.020.010外部（其他）0.153总和1.066U=0.94行业聚焦房地产世界2023/0447黏合剂经提取后可重复使用。液体溶液可通过加热蒸发出水分,得到晶体形式的盐。5 结语综上所述,沙盐土砖是一种可持续、高效、低成本的复合材料,其由炎热干旱地区丰富的沙土和盐制成。本文主要研究了一种新的沙盐土砖的制备方法,并对新沙盐土砖的力学性能做了实验。实验表明,新沙盐土砖的抗压强度为 9.5 MPa,与旧沙盐土砖接近,其传热系数（0.94 W/m2K）和厚度均低于旧沙盐土砖砌体。因此,本文研究的沙盐土砖制备方法具有较强的可行性。沙盐土砖的开发和利用并不是为了取代当地传统建筑材料,而是为炎热干旱地区建筑行业的可持续发展提供一个新的方向。参考文献：1 徐国良,胡国标,张泽勇.双碳目标背景下我国绿色建筑高质量发展措施分析 J.陶瓷,2022(09):152-153,196.2 李灿,赵庆双,尹大刚.建筑材料的再生循环与利用 J.陶瓷,2021(09):120-121.3 苏金龙,陈乐群,谭超林,等.基于机器学习的增材制造过程优化与新材料研发进展 J.中国激光,2022,49(14):11-22.4 杨宏伟,杜江华,罗丹池,等.基于熔融沉积 3D 打印聚乳酸基复合材料的研究进展 J.包装工程,2022,43(23):159-166.（作者单位：甘肃一安建设科技集团有限公司）表 2各种材料的物理性能材料厚度/cm抗压强度/MPa传热系数/（W/m2K）密度/（g/cm3）煤炭发热量/（MJ/kg）沙盐土砖209.500.941.400.60旧沙盐土砖砌体30 809.701.65 2.351.550新沙盐土砖砌体402.661.65 2.351.23 1.990夯土砖304.801.25 1.401.70 2.200.70压土砖254.500.701.20 2.650.63压缩稳定土砖2524.000.701.20 2.651.00土坯和黏土砖25 402.900.70 0.401.80 2.600生物质砖2516.900.90混凝土砖、水泥砖24.001.70 2.001.68 3.005.60耐火砖12+砂浆12.002.451.40 2.406.4025+砂浆1.7025+砂浆+绝缘层250.76 0.49