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粘土砖的导热性能是如何促成其作为全世界流行的建筑材料？

建筑业是加拿大的一个庞大行业，目前为大约为 120 万加拿大人提供就业机会，相当于整个国家劳动力的 7%。随着加拿大人口和经济的持续增长，对高质量基础设施和住房的需求也将持续增长。承包商和建筑商开始更加重视使用高性能建筑材料，尤其是那些具有理想热性能的材料，以满足这种稳步增长的需求。对更多节能的需求推动了对具有更高热能意义的建筑材料的需求，这在全球几乎每个国家都变得越来越重要。在大多数发达国家，建筑实践和施工几乎占总能源消耗的一半，也是有害环境的二氧化碳排放源。为了发现和实施更环保和可持续的建筑实践和方法，以取代目前使用的过时和危险的建筑实践和方法，已经进行了大量研究。该研究领域的一个领域是利用更多可再生资源（如粘土）开发和微调广受欢迎和广泛使用的建筑材料。粘土是一种简单的土制材料，自公元前7000年以来一直用于建造房屋和其他类型的基础设施，使其成为文明史上最古老的建筑材料之一。自数千年前首次使用粘土砖以来，粘土砖的受欢迎程度从未动摇，因为它仍然是全世界最受欢迎的建筑材料。最近的调查估计，全球至少有三分之一的人口居住在某种由粘土或结构类似材料制成的土生土长的住宅中。这一资源在整个地球上的高度使用代表了考虑天然粘土材料的所有性质是多么重要，以便充分利用所有有益的物理和热方面来建造最有效的砖块用于建筑目的。

粘土砖是用什么做成的？

该领域专业人士越来越感兴趣的领域涉及研究砖作为可持续材料的用途和应用。砖的基本成分由两种不同的材料组成，它们以特定的方式结合在一起，从而使其中一种材料充当加固材料周围的基质。最常用的两种材料是低水分粘土和页岩，它们被压入模具中，然后凝固，然后被切割成更小、均匀的碎片，形成单独的砖块。粘土砖是纯天然元素的组合，包括粘土、沙子、水和空气。砖在形成过程中不会添加任何有毒物质，因为它们完全由惰性材料制成，不会对人类构成任何风险。承包商在使用之前考虑建筑材料的毒性很重要，尤其是暴露在周围环境中的毒性，因为它们可能会侵蚀和污染周围的土壤或附近的水道。幸运的是，用砖建造时这不是问题，因为它完全由土材料制成，通常不添加任何人造物质。粘土和壤土是砖中常见的两种材料，似乎是取之不尽的资源。用于从其自然位置去除粘土的挖掘过程只是暂时的，并且覆盖有限的表面积，因此它对周围的自然栖息地相对无创。挖掘完成后，现场进行了重建，大部分地区都经历了相对较快的恢复到原来的未改变状态。

挖掘机从露天工业采石场提取粘土
图1：挖掘机从露天工业采石场提取粘土

粘土砖的热性能

粘土砖为房主提供了一个独特的经济优势，可以为他们节省热电费。建造一座砖房一开始似乎是一项巨大的投资，但毫无疑问，从长远来看，这将是一项有回报的投资。砖的导热系数较低，平均在0.5–1.0 W/（m/K）之间。材料的导热性直接关系到其有效传热的能力。导热系数低的材料，如粘土砖，被称为热绝缘体，因为它们限制了通过它们的热量的流动。

这种热性能在建造房屋方面是非常理想的，因为它通过限制冷空气进入家中并阻止温暖的室内空气逸出到周围环境来提供室内温度调节。房屋的环境温度受三种主要传热模式的影响，包括传导、对流和辐射。通过建筑物的大部分热量运动可归因于传导，因为热量通过具有不同导热率值的材料以不同方式移动。粘土砖具有低导热性，其中大部分可归因于包含气泡的空腔和它们之间的空间。空气具有极高的热阻和低导热性，使砖具有更大的隔热能力。具有高热阻的材料会限制热传递，并且是使砖在炎热的夏季充当天然空调，或在冬季充当强力加热器。

传热机制介绍图
图 2：传热机制介绍图

气候对粘土砖保温能力的影响

砖的绝缘能力在世界上所有地区和气候中并不统一。在年平均气温在 22-35 ºC 之间的热带地区，砖是一种极好的绝缘材料，尽管周围环境炎热，但仍能保持较低的室内温度。在温度经常降至 10ºC 以下的地区，由于水分热平衡的变化，砖的绝缘强度可能会受到影响，并且在某些情况下会引发水分问题，例如结构或墙壁的冻融损坏。这一风险促使许多室内设计师努力寻找避免这一问题的方法，该问题可能导致大量能量损失，进而使建筑比适当隔热的建筑更不舒适和可用。解决这一问题的一个新方法是在砖的结构中加入其他具有类似热性能的材料，以增强其绝缘能力并保护其免受水损害。目前，最有效的砖块添加剂是玻璃棉或天然软木以及聚乙烯塑料。

玻璃棉隔热层：在粘土砖成型过程中的常见添加剂
图 3：玻璃棉隔热层：在粘土砖成型过程中的常见添加剂
天然软木： 在粘土砖的形成过程中的常见添加剂
图4：天然软木： 在粘土砖的形成过程中的常见添加剂

可持续粘土砖

许多制造商也在将废料用于粘土砖的建造和成型。生产企业的这种增长趋势可能归因于消费者和地方政府对更可持续的建筑做法和资源开采的推动。有机废物偶尔会被加入砖中，并被发现具有优异的节能能力和优异的隔热性能。一些公司正在采取的另一种途径包括使用再生纸来提高砖的耐热性。粘土砖成型所需的材料不断增加，然而，对砖的高需求增加了冲积土储量的压力，这些储量面临枯竭的风险。随着对可持续建筑材料需求的持续增长，避免过度开发对于该行业的公司来说尤为重要，尤其是如果消费者继续用粘土砖替代钢材和混凝土等材料。这方面的研究正在进行中，因为新的混合物正在不断进行热和能源相关效益的测试。

建筑工人铺设粘土砖
图5：建筑工人铺设粘土砖

结论

粘土砖是地球上最古老的建筑材料之一，一直是古建筑建造和发展的关键部分。快进到21世纪，它们仍然是整个地球上最受欢迎的建筑材料。它们的流行主要与它们的低导热性、高热阻以及可持续提取和加工能力有关。随着全球关注点继续转向创造一个更绿色的地球，砖所用材料的演变和改进将继续围绕增加热阻，通过限制不必要的热流来促进更节能的建筑。在与加拿大相似的气候条件下，人们对严冬已经习以为常，通过降低能源消耗来节约热量和资金对房主和环境都是极其有益的。用粘土砖建造房屋和基础设施，只要适当利用这种可持续资源的自然特性，就能提供所有这些节能和资源节约效益。

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作者：Kallista Wilson | 技术指导： Thermtest

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