Наследие кирпича: история, производство и перспективы

История развития

Кирпич — вневременной строительный материал, сочетающий долговечность, огнестойкость и теплоемкость. Маленькие, обычно 4 дюйма (10 см) в ширину и в два раза длиннее, кирпичи идеально вписываются в тесные пространства и изогнутые дизайны, снижая потребность в дорогих конструктивных вмешательствах.

Используемый более 5000 лет, первые кирпичи появились в плодородных землях между Тигрисом и Евфратом — современный Ирак. Ранние солнесушеные кирпичи были хрупкими и неподходящими для наружного использования, но вавилоняне стали пионерами обжига в печах, создав прочные кирпичи, поддержавшие их знаковые башенные храмы.

Кирпичеделание распространилось с Ближнего Востока в Египет, Персию и Индию. Пока греки предпочитали камень, римские инженеры широко использовали кирпич; после падения Рима европейское производство угасло до XII века, когда голландские мастера возродили ремесло, экспортируя кирпич в Англию. В Америке кирпич появился в XVI веке, но голландская экспертиза оставалась непревзойденной.

До середины 1800-х кирпичи обжигали в малых неэффективных открытых завалах — кирпичи пекли неделями под слоями земли и использованных кирпичей. Изобретение в 1865 г. кольцевой печи Хоффмана в Германии произвело революцию: серия камер автоматически прогревала, обжигала и остывала кирпичи, обеспечивая высокий объем выпуска.

Современные достижения фокусируются на единообразии формы, снижении веса и ускорении обжига. Прессованные кирпичи имеют характерную «лягушатниковую» впадину; экструдированные содержат перфорации, увеличивающие площадь поверхности, оба решения снижают вес без потери прочности.

Несмотря на улучшения производства, рынок кирпича стагнирует. Кирпич все еще занимает крупнейшую долю рынка непрозрачных материалов для коммерческого строительства и остается любимым облицовочным материалом в жилом секторе. Однако альтернативы — дерево, штукатурка, алюминий, штукатурка, винил — предлагают до 50% более низкие цены и встроенную изоляцию. Но эти материалы могут быть в 1,75 раза дороже кирпича и часто требуют больше обслуживания. Конкурирующие продукты — включая сборные бетонные панели, стекло, камень, искусственный камень и керамзитобетон — выигрывают от недавних производственных достижений, делая их все более привлекательными для застройщиков. По данным U.S. Industrial Outlook, доля кирпича как облицовки в односемейных домах упала с 26% в 1984 г. до 17% в 1989 г.

Сырье

Основа кирпича — природные глинистые минералы — каолин и шейл — дополненные малыми количествами марганца, бария и других добавок для получения желаемых оттенков и повышения химической стойкости. Карбонат бария часто добавляют для улучшения долговечности к воздействию среды. Добавки вроде отходов бумажных фабрик, аммиачных соединений, смачивателей, флокулянтов и дефлокулянтов уточняют текстуру и текучесть. При необходимости песок или грог (предварительно обожженные фрагменты кирпича) добавляют для достижения оптимального размера частиц.

Покрыточные процессы определяют итоговый цвет и поверхностную отделку. Песок смешивают с пигментами; иногда добавляют флюс или фрит (стекло с пигментами) для снижения температуры плавления, создавая связанный глазурированный слой. Альтернативные связующие — включая грейдированные обожженные и необожженные кирпичи, нефелиновый сиенит и грейдированную крошку — также применяют.

Процесс производства

Путь от сырья к готовому кирпичу начинается с дробления и помола в сепараторе и щековой дробилке. Полученную смесь просеивают по размеру частиц, затем направляют к одному из трех методов формовки: экструзия, литье в формы или прессование — экструзия наиболее распространена за универсальность.

Дробление, классификация и смешивание сырья

• Сырьевые компоненты подают на сепаратор, удаляющий крупные частицы. Щековая дробилка дальше уменьшает размер. Крупнозернистый материал перенаправляют в молотковую дробилку для тонкого помола, а вибрационные сита обеспечивают равномерное распределение частиц перед хранением.

Экструзия

• Экструзия — основной метод формовки кирпича. Измельченную глину и воду загружают в пугмилл (месильный барабан), где вращающиеся ножи сворачивают смесь в пластичную массу. Массу затем обезвоздушивают в вакуумной камере для предотвращения трещин, сжимают в высокодавленном цилиндре и экструдируют через фильер, задающий желаемое поперечное сечение. Экструдированная колонна, или «пуг», режут на длину, производя единообразные кирпичи с характерными верхними впадинами.

Литье в формы и прессование

• Литье в формы формирует влажную глину в деревянном ящике, часто обkladанном песком для текстуры и помощи в извлечении. Прессование уплотняет низковлажную глину стальным плунжером, давая кирпичи с более острыми краями и выраженной «лягушатниковой» впадиной. Оба метода дополняют экструзию, позволяя специальные формы и более высокие финиши.

Фаскировка кирпича

• Фаскировочные станки впрессют борозду в кирпичи — необходимое для молочных применений — пока они экструдируются. С роликами и опциональными ниторезами эти машины могут производить до 20 000 единиц в час.

Покрытие

• Метод покрытия зависит от твердости материала. Мягкие кирпичи получают непрерывный вибрационный дозатор; текстурированные — щеточную или валиковую аппликацию; твердые — давящие ролики или сжатый воздух; экстремально твердые могут требовать пескоструйную обработку.

Сушка

• Предобжиговая сушка удаляет влагу, иначе вызывающую трещины. Туннельные сушики движут кирпичи через зоны контролируемой влажности горячим воздухом, в то время как автоматические камерные сушики — распространенные в Европе — используют рельсовые погрузчики для подачи кирпичей на стеллажи для стадиальной сушки.

Обжиг

• После сушки кирпичи автоматически погружают на вагоны и обжигают в туннельных печах. Вагоны проходят температурно-контролируемые зоны со скоростями, адаптированными к материалу. Газовое топливо доминирует в США, хотя твердое топливо — опилки и уголь — составляет треть производства. Современные конструкции печей — более короткие, широкие, с высокоскоростными длинно-пламенными горелками — улучшают температурную равномерность и снижают расход топлива.

Складка и упаковка

• После остывания процесс дехэккинга автоматически стакует, обвязывает стальными лентами и подкладывает пластиковые уголки. Автоматические укладчики могут обрабатывать более 18 000 кирпичей в час, поворачивая каждый на 180° для единообразия. Упакованные кирпичи отгружают бортовыми грузовиками на объекты.

Контроль качества

Современные производители кирпича внедряют тотальное управление качеством и статистические процессные контролы, устанавливая лимиты в реальном времени для параметров вроде температур сушки и обжига. Эти контролы минимизируют дефекты и максимизируют выход.

Кирпичи должны соответствовать стандартам ASTM по размерам, плотности, механической прочности и морозостойкости. Текущие тесты на морозостойкость неадекватно имитируют реальные условия; исследования продолжаются для уточнения предиктивных полевых тестов.

Эффлоресценция — поверхностное обесцвечивание от солевых выделений — остается проблемой. Лабораторные тесты могут сертифицировать кирпичи, но полевые отказы часто следствие проектных или строительных проблем. Следовательно, многие компании разрабатывают проприетарные внутренние тесты и преследуют более надежные отраслевые стандарты.

Будущее

Годовое потребление кирпича сейчас в среднем 7–9 млрд единиц — примерно половина 15 млрд, использовавшихся в начале 1900-х. Отрасль ищет расширение доли через улучшение качества, производительности и топливной эффективности. К 2025 г. солнечные печи могут стать жизнеспособными, дальше снижая выбросы.

Экологические регуляции — особенно те, что регулируют фтористые выбросы — создают значительные затраты на соответствие. Фтор, побочный продукт обжига, несет риски для здоровья; EPA устанавливает строгие лимиты экспозиции. Хотя газоочистители снижают выбросы, они дороги. США отрасль активно разрабатывает стоимостно-эффективные мониторинговые техники и ведет переговоры о снижении лимитов для избежания потенциального сокращения отрасли.