混凝土砌块

背景

混凝土块主要用作建造墙壁的建筑材料。它有时被称为混凝土砌体单元 (CMU)。混凝土砌块是建筑中使用的几种预制混凝土产品之一。术语预制是指砌块在被带到工作现场之前形成和硬化的事实。大多数混凝土砌块都有一个或多个空腔，它们的侧面可能是光滑的或有设计的。在使用中，混凝土块一次堆叠一个，并用新鲜的混凝土砂浆固定在一起，以形成所需的墙壁长度和高度。

混凝土砂浆早在公元前 200 年就被罗马人使用。 在建筑物的建造中将成型的石头粘合在一起。在罗马皇帝卡利古拉统治期间，公元 37-41 年 ，小块预制混凝土被用作当今意大利那不勒斯周围地区的建筑材料。罗马人开发的大部分混凝土技术在 5 世纪罗马帝国灭亡后丢失了。直到 1824 年，英国石匠 Joseph Aspdin 才开发出波特兰水泥，成为现代混凝土的关键成分之一。

第一个空心混凝土砌块于 1890 年由美国的 Harmon S. Palmer 设计。经过 10 年的试验，帕默于 1900 年为该设计申请了专利。帕默的积木尺寸为 8 英寸（20.3 厘米）乘 10 英寸（25.4 厘米）乘 30 英寸（76.2 厘米），它们非常重，必须用一个小起重机。到 1905 年，估计有 1,500 家公司在美国制造混凝土砌块。

这些早期的块通常是手工铸造的，平均产量约为每人每小时 10 块。今天，混凝土砌块制造是一个高度自动化的过程，每小时可以生产多达 2,000 个砌块。

原材料

通常用于制造混凝土砌块的混凝土是粉状波特兰水泥、水、沙子和砾石的混合物。这会产生具有精细表面纹理和高抗压强度的浅灰色块体。典型的混凝土块重 38-43 磅（17.2-19.5 千克）。通常，与用于一般建筑目的的混凝土混合物相比，用于砌块的混凝土混合物具有较高的沙子百分比和较低的砾石和水百分比。这会产生一种非常干燥、坚硬的混合物，当它从块状模具中取出时保持其形状。

如果使用粒状煤或火山灰代替沙子和砾石，则生成的块通常称为煤渣块。这产生了一种深灰色块体，具有中等至粗糙的表面纹理、良好的强度、良好的隔音性能以及比混凝土块更高的隔热值。典型的煤渣砌块重 26-33 磅（11.8-15.0 千克）。

轻质混凝土砌块是通过用膨胀粘土、页岩或板岩代替沙子和砾石制成的。膨胀粘土、页岩和板岩是通过粉碎原材料并将它们加热到大约 2000°F (1093°C) 来生产的。在此温度下，材料膨胀或膨胀，这是因为被困在内部的少量有机材料燃烧导致气体快速产生。典型的轻质砌块重 22-28 磅（10.0-12.7 千克），用于建造非承重墙和隔墙。膨胀的高炉矿渣以及天然火山材料如浮石和矿渣也用于制造轻质砌块。

除了基本成分外，用于制作砌块的混凝土混合物还可能包含各种化学物质，称为外加剂，以改变固化时间、增加抗压强度或改善和易性。混合物可以添加颜料以使块体整体颜色均匀，或者块体的表面可以涂上烤釉以提供装饰效果或提供防止化学侵蚀的保护。釉料通常由热固性树脂粘合剂、硅砂和彩色颜料制成。

设计

大多数常见混凝土砌块的形状和尺寸已标准化，以确保统一的建筑结构。美国最常见的块尺寸被称为 8×8×16 块，标称尺寸为 8 英寸（20.3 厘米）高、8 英寸（20.3 厘米）深、16 英寸（40.6厘米）宽。这个名义尺寸包括用于放置一粒砂浆的空间，而块本身的实际尺寸为 7.63 英寸（19.4 厘米）高、7.63 英寸（19.4 厘米）深、15.63 英寸（38.8 厘米）宽。

许多渐进式砌块制造商提供基本砌块的变体，以实现独特的视觉效果或为专业应用提供理想的结构特征。例如，一家制造商提供了一种专为防止外墙渗水而设计的砌块。该砌块采用了防水外加剂以降低混凝土的吸收和渗透性，斜面上边缘可将水从水平砂浆接缝处排出，以及一系列内部凹槽和通道，以引导任何裂缝引起的渗漏流远离混凝土内表面。

另一种块设计，称为分面块，在块的一个面上包含粗糙的石头状纹理，而不是光滑的表面。这使该块具有切割和抛光石头的建筑外观。

四方型房屋设计，出现在 Radford 建筑公司 1908 年的目录水泥房屋和如何建造它们。这是 Radford 公司提供的数百种混凝土砌块房屋设计之一。他们估计这种设计的建造成本约为 2,250.00 美元，远低于当时传统的石砌房屋。 （来自亨利福特博物馆和格林菲尔德村的收藏。）

混凝土砌块首先在美国用作房屋建筑中石头或木材的替代品。 1837 年，在纽约史坦顿岛建造的房屋完全由混凝土砌块建成，这是已知最早的例子。由混凝土砌块建造的房屋展示了对普通廉价材料的创造性使用，使其看起来像更昂贵和传统的木结构石砌建筑。这种新型建筑在 1900 年代初期到 1920 年代成为流行的房屋建筑形式。房屋风格在当时通常被称为“现代”风格，范围从都铎式到四方形，从殖民复兴到平房。虽然许多房屋使用混凝土砌块作为结构以及外墙表面，但其他房屋在砌块结构上使用灰泥或其他涂料。特别是在中西部各州建造了数十万座这样的房屋，这可能是因为该地区的沙堤和砾石坑中供应充足的混凝土砌块所需的原材料。混凝土砌块采用表面设计来模拟石材质地：岩面、花岗岩面或质朴。起初被认为是一种实验材料，用混凝土砌块建造的房屋在许多波特兰水泥制造商的目录中被宣传为“防火、防虫和防风雨”，并作为对日益稀缺的木材供应的廉价替代品。由于这些品质，许多其他类型的建筑物，例如车库、筒仓和邮局，都是使用这种施工方法建造的，并且今天仍在继续建造。

辛西娅·里德-米勒

制造商在设计新砌块时，不仅要考虑所需的形状，还要考虑制作该形状所需的制造工艺。需要的形状 复杂的模具或成型过程中的额外步骤可能会减慢生产速度并导致成本增加。在某些情况下，这些增加的成本可能会抵消新设计的好处并使模块过于昂贵。

制造
过程

混凝土砌块的生产包括四个基本过程：混合、成型、固化和立方。一些制造厂只生产混凝土砌块，而其他制造厂可能生产各种预制混凝土产品，包括砌块、平整的铺路石和装饰性景观件，如草坪边缘。一些工厂每小时能够生产 2,000 块或更多块。

以下步骤通常用于制造混凝土砌块。

混合

• 1 沙子和砾石堆放在外面，需要时通过传送带转移到工厂的储料箱中。波特兰水泥储存在室外的大型垂直筒仓中，以防止受潮。
• 2 生产运行开始时，所需数量的沙子、砾石和水泥通过重力或机械方式传送到称重配料机，该配料机测量每种材料的适当数量。
• 3 然后将干燥的材料流入固定式混合器，在那里混合几分钟。有两种常用的混合器。一种称为行星式或平底锅混合器，类似于带盖的浅平底锅。搅拌叶片安装在搅拌机内部的垂直旋转轴上。另一种类型称为卧式滚筒混合机。它类似于一个侧面转动的咖啡罐，并在搅拌机内的水平旋转轴上装有搅拌叶片。
• 4 干料混合后，向混合器中加入少量水。如果工厂位于极端温度的气候中，水可能首先通过加热器或冷却器来调节其温度。此时也可以添加混合化学品和着色颜料。然后将混凝土混合六到八分钟。

成型

• 5 混凝土荷载充分混合后，倾倒在倾斜的 斗式输送机并运送到高架料斗。混合循环再次开始进行下一次装载。
• 6 混凝土从料斗以测量的流速输送到砌块机顶部的另一个料斗。在砌块机中，混凝土被向下压入模具。模具由包含多个模具衬垫的外模箱组成。衬垫决定了砌块的外部形状和砌块空腔的内部形状。一次可模制多达 15 个块。
• 7 当模具装满时，上模头压在模腔上的重量使混凝土压实。这种压实可以通过作用在模头上的气压缸或液压缸来补充。大多数砌块机还使用短暂的机械振动来进一步帮助压实。
• 8 压实的块被向下推出模具，放在一个扁平的钢托盘上。托盘和木块被推出机器并放到链式输送机上。在某些操作中，块然后通过旋转刷子从块顶部去除松散的材料。

固化

• 9 木块托盘被传送到自动堆垛机或装载机，然后将它们放置在固化架上。每个机架可容纳数百块。当一个架子装满时，它被滚到一组轨道上并移入固化窑。

• 10 窑是一个封闭的房间，可一次容纳几架砖。有两种基本类型的固化窑。最常见的类型是低压蒸汽窑。在这种类型中，砖块在室温下在窑中保持一到三个小时，让它们稍微硬化。然后逐渐引入蒸汽，以不超过每小时 60°F（每小时 16°C）的受控速率升高温度。标准重量块通常在 150-165°F (66-74°C) 的温度下固化，而轻量块在 170-185°F (77-85°C) 下固化。达到固化温度后，关闭蒸汽，让砖块在湿热空气中浸泡 12-18 小时。浸泡后，通过排出潮湿空气并进一步提高窑内温度来干燥砖块。整个固化周期大约需要24小时。

  另一种类型的窑是高压蒸汽窑，有时也称为高压釜。在这种类型中，温度升至 300-375°F (149-191°C)，压力升至 80-185 psi (5.5-12.8 bar)。将块浸泡 5 到 10 小时。然后压力会迅速释放，这会导致块体快速释放其被困的水分。高压釜固化过程需要更多的能源和更昂贵的窑炉，但它可以在更短的时间内生产块。

立方体

• 11 固化块的架子从窑中滚出，块的托盘卸下并放置在链式输送机上。砌块被推离钢托盘，空托盘被送回砌块机以接收一组新的成型砌块。
• 12 如果要将积木制成拼合面积木，首先将它们模制成两个连接在一起的积木。一旦这些双块被固化，它们就会通过一个分离器，沿着两半之间的部分用重型刀片撞击它们。这会导致双块破裂并在每块的一个面上形成粗糙的石头状纹理。
• 13 块通过一个立方体，该立方体将每个块对齐，然后将它们堆叠成一个立方体，三个块宽，六个块深，三个或四个块高。这些立方体用叉车运到外面并存放。

质量控制

混凝土砌块的制造需要持续监控以生产具有所需特性的砌块。原材料在放入搅拌机之前进行电子称重。可以用超声波传感器测量沙子和砾石中截留的水含量，并自动调整添加到混合物中的水量以进行补偿。在温度极端恶劣的地区，水在使用前可能会通过冷却器或加热器。

当砌块从砌块机中出来时，可以用激光束传感器检查它们的高度。在固化窑中，温度、压力和循环时间都是自动控制和记录的，以确保砌块正确固化，以达到所需的强度。

未来

随着建筑师和砌块制造商开发新的形状和尺寸，简单的混凝土砌块将继续发展。这些新砌块有望使建筑施工速度更快、成本更低，并使结构更耐用、更节能。未来一些可能的块设计包括双轴块，它具有水平和垂直延伸的空腔，以允许进入管道和电气管道；堆叠的壁板，由三个部分组成，形成内墙和外墙；和保温块，它储存热量，在夏天冷却室内房间，在冬天加热。这些设计已被纳入名为 Lifestyle 2000 的原型房屋中，这是全国房屋建筑商协会和全国混凝土砌体协会合作的结果。