我国墙材烧结制品“十四五”及未来发展方向的思考

闫开放 林永淳

（1.中建材咸阳陶瓷研究设计院，陕西 咸阳 710061；2.陕西宝深机械(集团)有限公司，陕西 宝鸡 722300）

我国烧结墙体材料企业在20世纪90年代中期达到了12万家，到2010年减少到7万家，现存企业只有3.5万家左右，20多年减少了70%。虽然砖瓦企业数量飞速下降，但墙材烧结制品产量仍稳定在8000 亿块以上，占全球产能的60%左右，居世界首位[1]。为什么会出现砖瓦企业数量急剧减少而产量下滑比例却不高，主要原因是我国砖瓦行业产业升级和结构调整及落后产能淘汰的步伐加快，机械自动化和智能化不断提升，企业单线生产规模成倍增长。随着工业智能化的不断发展，我国建设墙材烧结制品企业数量仍将继续减少，“十四五”及未来二十年，企业数量还可能下降到1.5 万家～2 万家，甚至1 万家左右。砖瓦机械和砖瓦产品优胜劣汰的市场法则不会改变。如何根据当地资源条件、产品需求，发展具有不同功能的烧结墙材制品，走出一条适应自己企业的特色产品，力争企业持续稳定健康发展，值得我们共同深思。“十四五”期间及未来墙材烧结制品发展方向应该继续为：轻质空心、隔热保温、耐久高强、大块薄壁，产品多样化；规格尺寸模数化；墙板构件预制化；固废利用资源化。

烧结墙体材料从产品使用性能来分，主要为两大类、多品种。两大类为承重和非承重，而承重类主要指实心砖和多孔砖，其产品主要性能为力学强度和耐久性，执行标准为国标GB5101《烧结普通砖》和GB13544《烧结多孔砖》。非承重类主要指空心砖和空心砌块，在满足单层建筑墙体砌筑强度要求时，不需要直接承受多层墙体压力。使用于外墙应在提高建筑隔热、保温、隔声性能上下功夫；用于内隔墙应在轻质、大块、高孔洞率和隔声性能上下功夫，执行标准为国标GB13545《烧结空心砖和空心砌块》等。两大类产品具有实现内、外墙板工厂预制化，减少建筑施工用人，加快施工速度。多品种主要指带有装饰性的道路广场砖、透水砖和外墙装饰砖及具有复合功能的各种产品。目前我国黏土实心砖产量高达2000亿块，约占总产量的25%。根据未来发展，实心砖应向多品种、多孔和薄壁空心方向发展，这已成为砖瓦行业和建筑业的共识。早在20世纪60年代，欧洲主要国家空心砖产量比例已超过烧结砖总产量50%，原联邦德国空心制品占80%以上，意大利占90%，芬兰占100%[2]。发展烧结空心墙材制品是未来几十年不变的方向。

1 轻质空心

为了有效减轻烧墙体制品的质量，降低自重，除了产品空心、薄壁、高孔洞率外，原料中加入锯末、塑料球、起泡剂等，也是实现产品轻质化的主要技术路线，对于尽快实现生产和建筑业碳达峰、碳减排和碳中和具有重要意义。轻质化的界限在于，其强度、蓄热及隔声性能降低到不再能满足要求的程度，因这几种性能与质量有关。但在采取墙体结构材料满足几种性能时应尽可能采取薄壁和提高孔洞率来有效减轻自重。在此基础上，把废塑料制成球粒加入原料中制坯，使它在焙烧过程中释出。也可以提高空心砖壁和筋的气孔率。例如法国生产的“泡沫黏土”，方法是加入起泡剂。德国最早研制的泡沫陶瓷，方法是在原料中加入塑料起泡剂。表1为欧美几个国家生产的非承重空心砖[3]，更注重单块砖质量和孔洞率高低及产品外观尺寸的大小。以法国为例，单块质量在6kg～19kg，是我国标准实心砖质量的2.4～7.6倍，能满足单手拿起、双手抱起产品为前提。根据推算其孔洞率在50%～61%，每立方米质量在667kg～845kg，其产品砌筑单层建筑或用于钢筋混凝土剪力框架非承重墙体砌筑没有问题。

表1 非承重空心砖规格尺寸

2 承重高强

产品的强度是实现砖砌体良好使用功能的前提，没有产品的高强度，就没有墙体的高强度。从承重产品角度讲，无论是实心砖还是多孔承重砖，抗压强度希望值在200kg∕cm2以上，但不应低于150kg∕cm2。我国砖强度整体水偏低。在研究砖强度对砌体强度影响中，20 世纪70 年代前，德国研究人员就得出了砖砌体的承载能力粗略计算公式，也叫布氏公式。虽然计算并不准确，但计算公式特别简单，具体如下：

式中R-砌体抗压强度，kg∕cm2；

Rz-砖的抗压强度，kg∕cm2；

Rs-砂浆抗压强度，kg∕cm2。

从公式可以看出，在砂浆强度确定后，砖的强度比砂浆强度影响更大，砌体强度随砖的强度提高而提高。如果从这一点讲，不断提高砖强度是提高砌体承载使用功能的重要途径。表2为发达国家承重多孔砖规格型号，其产品主要指标为抗压强度和孔洞设置。除2 个国家产品抗压强度在200kg∕cm2以下外，其余均在220kg∕cm2～600kg∕cm2之间。据介绍[4]：意大利生产的孔洞率为33%的多孔砖，其抗压强度达到600kg∕cm2以上；英国生产的低孔洞率砖(13%～19%)最高达到1300kg∕cm2；德国生产的微孔多孔砖，密度仅为700kg∕m3，抗压强度达到100kg∕cm2～150kg∕cm2，比同密度的轻质材料高出1～2倍。随着砖强度的提高，许多国家在60年前就开展了砖砌体配筋的广泛研究，推动了用砖承重的高层建筑的发展。早在1965 年英国汉普夏郡在一个新建住宅区内，用强度360kg∕cm2～800kg∕cm2的砖和140kg∕cm2～170kg∕cm2的水泥砂浆砌筑的砖砌体，建造了15、17和19层的塔式公寓。美国丹佛市用1000号砖建成了17和19层的配筋砖砌体高层建筑，墙厚也只有250mm[2]。这些多孔砖承重后建成砖墙体高楼也是很正常的，出现50层楼高的结构已不是幻想。

表2 承重墙体用的高强度空心砖主要数据

表3是多国标准实心砖规格尺寸，从中可看出：长和宽尺寸平均值与我国基本一致，除澳大利亚实心砖长度尺寸较大外。从厚度尺寸看，12个国家均在60mm以上，只有西班牙与我国相近。厚度尺寸多数国家比我国实心标砖大13.2%～41.5%，由于抹灰缝减少，突显其节约砂浆和砌筑用工10%以上的优势，砖厚度在一定范围内，其强度在砌体中的利用系数会更高，调整我国普通砖的厚度尺寸，与国际大多数国家一致也是必要的。但由于传统生产和建筑使用习惯，需要多部门支持配合，难度较大。

表3 部分国家实心砖规格尺寸

3 隔热保温

实现砖墙体保温隔热性能，满足或改善建筑节能的要求，是行业的共同目标。如何实现这一目标是摆在我们面前的重要课题。根据国内外研究思路，主要有以下技术途经：其一，在满足强度要求下如何实现高孔洞率轻质化；其二是孔洞排列设计。

前者通过改变原料和坯体成型来实现，这里不再详述，而后者则充满智慧。表4 反映了烧结空心砖产品保温隔热性能，从表中可以看出：一是孔洞率高不一定隔热性能好，只有在孔型设计一致下才成立。例如2.6 和4.3，孔洞率分别仅为32%和35.7%，但导热系数比高孔洞率为41.3%的空心砖优越29%和38.8%。二是质量大不一定导热系数就高，表中2.3 和2.6，两种产品密度分别为1080kg∕m3和1220kg∕m3，其导热系数分别为0.306kcal∕(m.h.℃)和0.234kcal∕(m.h.℃)，前者密度小反而导热系数高于密度高的后者，隔热保温性能则同样相反。如果是同一原料和完全相同的孔洞排布，就不会出现这种结果。关键是产品孔洞设计排布不一样，产品就会出现这种反常结果。根据法国研究结果，表4中有两个重要数据：一是顺着热流方向孔洞排数；二是孔壁延长线平均值(见图1)。孔洞排数越多，孔壁延长线越长，其导热系数则越低，保温隔热性能就越好。众所周知，各种砖用于墙体后，大部分热量是经过孔壁传导的。从图1 可知道，在生产工艺满足要求时，孔壁越薄越好。对于保温隔热烧结砌块，尽可能外围壁厚度控制在7mm～9mm；竖向孔壁厚度控制在5mm～6mm；尽可能地减少水平孔连接孔壁的条数，使孔洞高度尺寸尽可能延长；横向水平孔壁数排列时尽可能控制在1～3为宜，目的是有足够长的热传导路线。根据法国的试验[4]，如果在每行孔洞中减少一个6mm厚的水平连接孔壁，则热导系数可降低0.05W∕(m2·K)，这对提高墙体隔热保温性能也非常有利，详见图1 中水平孔布置。以上充分说明，孔洞排列布置原则主要应遵循四点：一是在规定的尺寸范围内，尽可能增加孔洞行列；二是在孔洞错位排列的前提下，尽可能地加长热传导孔壁中的流动路线；三是孔洞宽度应科学没定；四是能够顺利生产。根据试验研究资料介绍[5]，一块空心砖如果增加一排孔时其热阻值可增加0.14m2·K∕W，但应在保证孔洞宽度尺寸设计合理。从图2 可以看出，孔洞宽在20mm 时其热阻值最大，超过22mm 时基本无变化，但可提高孔洞率，降低自重。当孔洞宽度小于20mm时，热阻值会大幅降低。还有一点，热传导路线增长系数与砖的热阻系数呈线性函数关系(见图3)。值得注意的是：瑞典最早发明了气孔砖，并获得32个国家的专利。生产工艺包括将塑料球珠与黏土混合搅拌成型与焙烧，在砖中形成许多球形微孔。其优点是吸水率低、抹灰容易、有足够的抗压强度、减少运输费用、导热系数低、隔热保温性能好于同类无气孔产品。近几年室内舒适度不仅取决于材料的隔热性能，而且还取决于材料的“呼吸”功能。烧结砖由于它的毛细管传导能力的优越性，其他材料很难与其竞争。例如一项已被多次证明的事实[2]，加气混凝土的长久受湿程度为烧结砖的四倍。湿度对保温隔热是不利的。

表4 空心砖孔洞设计对导热的影响

图1 隔热保温空心砖孔形布置原则

图2 孔宽与热阻值的关系

图3 热传导路线对砖热阻值的影响

4 隔声吸音

根据资料介绍：墙重为350kg∕m2或300kg∕m2，可以得到的隔声值为45dB～50dB。如果需要更高的隔声要求，人们普遍认为，质量大的材料烧结制品弹性模量高，隔声性能好于其他材料。但是通过砖型设计、孔洞改变提高隔声性能，也是非常重要的技术途径。轻质带多孔结构的建筑材料隔声性能并不随质量的减少而以同一程度降低。其原因可能归于空心体构造内部的声响衍射效应。美国曾设计了一种叫“SCR吸声砖[6]”，具有较高的吸声性效果和耐久性及艺术性(见图4)。它是一种空心黏土砌块，有两个空层，其表面可按某种图案打孔，孔的排列可以均匀一致，也可任意布置。该层内填充以纤维质的吸声材料，其吸声系数为0.6～0.65。砖还可以与其他材料组合砌成各种艺术性吸声墙体，同样达到吸声的效果。也可采取用实心砖砌成蜂窝墙(见图5)或由多孔砖顺砌成(图6a和图6b)。采用意大利风格的装饰花格砌块(见图7)等完成吸声设计。还应指出，孔洞率大于20%，墙壁隔声和吸声性能都会有所提高。从环境保护和住房舒适度的要求，隔声问题显得越来越重要。

图4 吸声砖

图5 实心砖吸声砌体

图6a 多孔砖吸声砌体

图6b 多孔砖吸声砌体

图7 花格砖吸声砌体

5 大块增效

大块的空心砖人工砌筑速度快，节约工费；块体大而灰缝少，节约砂浆；灰缝少，减少“热桥”，有利于建筑节能；块体大的砖相对小块砖砌体来说，砌体抗压强度高；大块的发展，有利于砖墙板的预制化。另外块体大的砖更容易提高孔洞率，而孔洞率高，可节约原料和焙烧能耗。大块空心砖制品在我国许多地方发展较快，根据厂家介绍，将实心砖转为生产大块的空心砖，提高产量1.5～1.8 倍；干燥时间缩短40%～60%；焙烧时间缩短30%～40%；燃料节约15%～20%；电力消耗降低10%；生产成本降低20%～30%。大块外观尺寸如何确定，就目前建筑实际看，如果单手拿砖砌筑最好单块重小于5kg，当孔洞率50%以上时，相当于2块标准实心砖的质量，4块标准砖的体积。如果双手砌最好小于10kg，同样相当于4 块标准实心砖的质量，8 块标准砖的体积。如果借助吊具砌筑，块体尺寸可不受限制。据早前资料介绍，芬兰在20世纪60年代后期，最大型砖的尺寸达500mm×250mm×220mm，相当于我国标准实心砖体积比的18.8 倍，个别厂家产品按砌筑楼层高度实际尺寸确定规格型号(大于2600mm)。大块体空心砌块的发展也成为行业热点之一。但也不要盲目追求，原料配比与处理跟不上，成型干燥技术未掌握前很难正常生产。块体较大的砌块，特别是厚度大的砌块，竖向灰缝砌筑时难以保证砂浆饱满度的要求，预制砖墙板更适应。

6 固废产品

国家发政委等10部门于2021年3月18日以发改环资[2021]381号文件发布了《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》，文件指出：开展资源综合利用是我国深入实施可持续发展战略的重要内容。砖瓦是利用大宗固体废弃物的重要行业，目前，大宗固废累计堆存量约600亿t，年新增堆存量近30亿t，占用大量土地资源，存在较大的生态环境安全隐患。“十四五”期间，我国将开启全面建设社会主义现代化国家新征程，围绕推动高质发展主题，全面提高资源利用效率的任务更加迫切，墙体材料烧结制品应义不容辞的承担责任。大宗固体废弃物主要指：煤矸石、粉煤灰、尾矿(共伴生矿)、冶炼渣、工业副产品石膏、建筑垃圾、农作物秸秆等。这些大宗固体废弃物，大多数可利用来制造烧结墙材制品或作为能源利用。我国年利用各类固废生产环保等新型墙体材料近6000 亿块(折标砖)。例如煤矸石，用来生产多孔砖和空心制品，全煤矸石烧砖技术已普遍掌握，用煤矸石做内燃烧砖大量使用，如果万块砖按消耗1.2t标煤计算，节约烧砖用煤7200 万t 以上；粉煤灰大量用于加气混凝土砌块和各种规格的板材制品生产。冶炼渣和钛石膏的利用研究及产品开发应用已见成效。如湖南湘潭利用“锰渣陶土复合材料制备外墙外保温轻质瓷砖及力学性能分析研究”(国家基金项目)，试制的产品具有耐高温、高强度、抗腐蚀等一系列优良性能，锰渣粉在20%掺配下，在氮气环境下烧结，产品吸水率、抗折强度达到最佳效果。钛石膏资源化利用来“生产烧结空心砌块的研究”[7]取得较大成功，年产2 亿块（折标砖）钛石膏空心砖生产线的实施,产品质量达到GB∕T13545-2014《烧结空心砖和空心砌块》标准要求。利用大宗固体废渣生产各种墙体材料制品，既节能节地、利废低碳，又改善生态、保护环境，是未来墙材制品研究开发的永恒主题，也是墙材制品发展的重点产品。

7 外观规整

外观规整指烧结制品外观尺寸偏差控制的最好程度。无论长、宽、高，尺寸偏差越小越好；大面、条面和顶面平整，弯曲、凸凹、缺棱掉角越少越好。虽然产品标准都有明确的规定，但由于原料处理的不同、干燥焙烧的均匀性不一致，造成同类产品误差较大。以标准普通烧结砖为例，生产企业基本上都选择负误差，砖体积误差有时高达30%以上。这对于制品企业来说，生产成本大幅下降，原料消耗减少30%；干燥烧成速度大幅提升；生产电耗和热耗大幅减少；论块数时运输费用也会明显降低。但给建设单位和施工企业带来损失和不便：一是砖的数量大幅增加；二是材料预算相差甚大(砖和砂浆)；三是砖块体尺寸偏小时，用砂浆找砌砖层层高，造成砂浆缝增厚或增多，影响砌体强度和砌体保温隔热性能。我国的砖都是负误差而几乎没有正误差的现象在个别地区比较普遍，这也与建筑商只追求价格和数量而忽视质量有关，生产企业为降低成本所致。虽然墙材烧结制品国家标准体系比较健全，但各行业对标准的理解和认识程度存在差异，特别是外观尺寸偏差形同虚设，影响了砖瓦产品社会声誉。要保证外观尺寸精确，一是加强原料的配比控制和均化处理；二是按照最佳干燥焙烧曲线控制好温度、湿度、风量和风压，保持断面最小误差；三是提高标准要求。对于有特别装饰要求的烧结制品应进行研磨、切割加工，实现无砂浆或只用薄层胶砌筑。在砖瓦产品外观尺寸精确度方面，四是加强标准的宣贯和提高企业的质量及社会责任意识，加大对检验不合将产品地处罚力度。我国产品外观与发达国家相比相差较大，也与我国20世纪60 年代产品比出现严重倒退，这与世界产砖第一大国和“三千年秦砖汉瓦”的辉煌历史实在不相符。

8 墙板预制化

砖瓦生产向预制化砖墙板方向发展，成为行业的热点之一。第一块砖墙板1934 年出现在荷兰[2]，当时仅在一家工厂生产了几年。20 世纪50 年代末法国有2 家工厂开始生产。到了20 世纪60年代后期，欧洲砖墙板的品种已达45种。加拿大和美国去欧洲学习，美国在1962年生产出第一块砖墙板。在后来短短几年中，奥地利、比利时、丹麦、英国、芬兰、法国、德国、西班牙、瑞典等20 多个欧美国家均生产了砖墙板，当时年产量已达300 万m2。除砖墙板外，砖还用做预制屋面楼板(图8)、隔墙、装配式砖过梁(图9)和楼梯踏板等构件。法国有许多14～20 层的房屋全部墙体用砖墙板组成，而且不用混凝土框架。我国墙板及构件的预制化己开始起步，随着装配式建筑的政策要求，具有一定的发展空间。

图8 烧结空心砖用于预制屋面保温板

图9 楼层钢筋混凝土圈梁(砖代替模板)

发展装配式建筑墙板，从企业讲要完善生产工艺，产品要与建筑结构相适应配套，设计施工安装规范及部件标准化也要跟得上。如果没有好的原料和处理原料的装备，没有与其适应性强的生产工艺、先进的干燥焙烧窑炉来解决应力收缩问题，企业缺乏较高的生产管理水平，就生产不出符合预制墙板的烧结砌块。没有质量高的烧结砌块，就不可能生产出符合要求的烧结墙板及各种装配式建筑用的部品构件。

9 产品模数化

产品模数化与建筑结构及墙体构件的配套，是确定产品规格尺寸的重要方面，也是装配式建筑发展的必然要求。我国模数空心制品发展即不平衡，也不稳定。1970～2000年，模数砖规格也比较多，主要规格尺寸体现在多孔砖和空心砌块两大类产品，如190mm×190mm×90mm 和290mm×190mm×90mm，加10mm灰缝变成200mm×200mm×100mm 或300mm×200mm×100mm，折标准实心砖分别为2.25块和3.39块。发展较好的地区主要在南京、西安、兰州等城市。页岩烧结制品在云、贵、川、渝等省市发展起来后，许多厂家也把模数砖和砌块列为主要生产产品之一。目前江苏、浙江、四川、重庆发展较好，而陕西、甘肃在大幅减少。厚度为90mm模数空心砖或空心砌块发展较好，宽度和长度由于受我国传统墙厚尺寸的影响，大部分产品向115mm和240mm尺寸发展。模数砖通用方便，应该打破传统墙体尺寸，修订和完善产品模数化标准和砌体规范，与国际大部国家接轨，推进烧结墙材制品模数化进程。

10 装饰多样化

烧结制品除了高强度做承重墙体、降低导热系数提高保温隔热性能、与吸声材料组合降低噪音、适应装配式建筑的大块轻质产品等外，产品多样化及多功能也是发展烧结墙材制品的重要方面。从产品装饰多样化讲，国内已成功生产出道路广场装饰砖、外墙砖和花格墙砖(见图10、图11)、海绵城市透水砖等。天津、湖北、湖南、陕西等地均有成功的生产线，其中湖南引进了美国主要设备，生产的广场装饰砖和墙体砖，市场应用前景越来越好。为了增加花色品种，陶瓷工艺学中各种方法可借鉴装饰砖，完全能生产出给人以深刻视觉印象的各种装饰砖，从而满足现代建筑艺术的要求。早在1977 年，德国工程师S.T.斯提法诺夫就发表了《饰面砖的制造》一文，对以各种方法获得彩色砖和有特种表面修饰处理进行了较为详细的介绍[7]。例如：①坯体着色：可以用增加FeCl3或Fe(NO3)2等铁盐的含量加深红颜色建筑砖；原料中含2%～3%的Fe2O3和较高的Al2O3及MgO时，将CaO：Fe2O3的比率超过1.6，或者掺入2%的TiO2(1100℃以上)可焙烧出黄颜色；掺入3%的MnO2或使用磨细的锰矿石可以制造出褐色的墙体砖。②用砂、磨细石料、玻璃等来制造建筑砖饰面层：工艺上两种做法。一是坯体挤出后按照表面要求的凹凸式样设置带有玻璃碎屑的辊子直接辊压形成；二是湿坯在一个条面和两个顶面喷湿喷砂；三是干燥后把砂喷在装饰部位。焙烧时金属氧化物溶解于水玻璃，冷却后形成一层黏结牢固，并带颜色的装饰面层。③用不同的黏土泥料在砖表面上施化妆土：化妆土是一种装饰精陶制品表面的古老办法，它是在砖表面涂上或喷上一层细黏土的悬浮液，以便形成一层均匀、光滑、人们喜欢的砖表面，从而来遮盖原有令人讨厌的表面颜色。由于砖烧成温度比陶制品低，应采用加助溶剂的化妆土，最重要的是干燥和烧成的收缩及烧成温度相适应。④砖表面上釉：由于釉面砖的焙烧要求较为严格，砖产品对气候影响的性能不稳定，制品表面常会出现开裂或细小裂纹等缺陷，建筑装饰墙体未大量使用。随着熔块低温釉的推广使用，釉面砖也会有一定的市场空间。⑤用水溶性金属盐作表面处理[8]：由于黏土砖、页岩砖、煤矸石及其他固体废弃物资源化利用产品大部分存在着天然红色，水溶性金属盐作饰面，主要适应呈现深色调，如红、墨绿、深蓝及各种色调的褐色和黑色。例如：红色—60gFeCl3和100g 水；墨绿—30gCr2O3和100g 水；棕色—12gMnCl2和100g 水等。通过不同溶液的混合使用，可获丰富多彩的着色范围，质感良好的装饰效果。

图10 外墙砖

图11 花墙格砖

11 总结与建议

未来的墙材烧结制品发展，一是要始终把握产业政策导向，发展节能产品、环保产品、低碳产品、绿色产品[9]；二是要根据当地资源和气候条件，确定符合自身的产品发展方向；三是墙体制品要根据使用功能不同，生产轻质空心、承重高强度、保温隔热、隔声吸音、资源化、低碳化、模数化、预制化及多样化等，这些产品始终是“十四五”及未来墙材制品发展的主要产品，但找准适合市场要求的产品更重要；四是要加强空心制品不同功能的墙体产品设计开发，不断改善产品各种使用功能，适应建筑市场和美丽村镇建设的需要；五是要加强原料处理及干燥室窑炉的研究设计，不断提高产品品质；六是要用高塑性指数、高干燥敏感性、高干燥焙烧收缩率、高含水率原料制造烧结墙体材料制品，建议采用二次码烧工艺；七是建议制砖采用内燃和外燃相结合的生产方式，提高产品外观质量，推动窑炉机械化、控制自动化，实现智能化，而全内燃和超内燃，不易实现干燥焙烧窑温度、湿度、压力和风量的智能、自动化控制和调节，也影响产品品质的提升以及全自动化装卸打包机械夹砖过程的完成。只要把握好产品发展方向和产品高质量发展的技术途经，理顺发展思路，烧结墙体材料制品一定会走向持续稳定的发展道路。