砂粒粒径对掺粘土水泥砂浆砖热散度的影响

为什么墙体的“手感”很重要

当你走进一个房间时，墙面会悄悄决定房间升温或降温的速度。在炎热或潮湿的地区，尤其是在能源昂贵的地方，砖块处理热量的方式可能决定了房屋是闷热难耐还是舒适宜人。本研究探讨了一个简洁而有效的想法：通过改变砂粒的大小和水泥砖中粘土的掺量，建造者可以微调墙体储热和散热的行为——而无需增加材料或昂贵的保温层。

用本地土壤打造更好的砖块

研究人员关注一种常见的配方：由河砂、喀麦隆雅温得附近Nkolbisson的本地粘土、水和波特兰水泥制成的砂浆砖。粘土具有吸引力，因为它丰富、廉价且碳足迹低于许多现代材料。然而，如果使用不当，粘土也会降低砖块的强度。团队提出了一个长期被忽视的问题：当你用粘土部分替代砂子时，砂粒的粒径——非常细、中等或粗——是否会改变砖块储热和传热的能力？回答这个问题有助于设计能更自然调节室内温度的墙体。

从颗粒到实验室制砖

为此，来自Sanaga河的砂子被仔细清洗、干燥并筛分为三种粒径带：细（0.08–0.5 mm）、中（0.5–1.6 mm）和粗（1.6–2 mm）。Nkolbisson粘土也进行了详细表征：测量了其粒径分布、塑性（湿态下的可塑性）以及富含二氧化硅、氧化铝和氧化铁的化学成分。随后在标准模具中浇筑砖坯，始终保持相同的总干质量和水胶比。对于每种砂粒尺寸，粘土替代砂质量的比例在0到60%之间，制得63块小型试验砖，并在测试前养护28天。

测量砖块与热的相互作用

团队考察了两种关键的热学行为。首先，测量了热散度——材料在其表面突然接触到更热或更冷物体时吸收或释放热量的倾向。其次，测量了热导率，即热量通过砖体传导的难易程度。采用了专业方法：不对称热板用于探测热散度，平行热丝插入砖体以确定热导率。每种砂粒尺寸与粘土含量的组合都进行了多次测试，并对测量不确定度进行了仔细估算，以确保观测到的趋势是真实的而非实验噪声所致。

粘土使其更“凉”，粒径调节这一效应

结果呈现出清晰的图景。随着粘土掺量增加，三种砂粒尺寸的热散度和热导率均下降。换言之，砖块变得更具绝热性，不再那么容易与周围环境快速交换热量。对于最细的砂级别，最大降幅约为热散度18%和热导率34%。对于中、粗砂，降幅更大——在最高粘土含量下，热散度约降低26–28%，热导率约降低44%。在相同粘土含量下，由较细砂制成的砖通常热学性能低于由较粗砂制成的砖。细粒增加了总表面积并促成许多充满空气的微小孔隙，从而减缓热流。相比之下，粗粒形成更连续的矿物骨架，使热量可通过固体接触更直接地传导。

对舒适居住的意义

对日常生活而言，结论很直接：通过调整粘土掺量和砂粒粒径，建造者可以设计出更好地保护室内免受室外温度波动的砖块。增加粘土和使用更细的砂通常会使砖块绝热性更好，有助于在炎热白天保持室内凉爽，降低风扇或空调的负荷。粗砂制成的砖导热性较强，可能在需要快速变暖的寒冷气候中有用。由于这种方法依赖于调配本地材料而非增加厚重合成保温层，它为改善室内舒适度提供了一种低成本、低碳的途径，尤其适用于资源有限但阳光和热量充足的地区。

引用: Djouatsa Donfack, A., Yamb Bell, E., Diakhate, M. et al. Effect of sand particle size on the thermal effusivity of clay-admixed cement mortar bricks. Sci Rep 16, 13057 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41726-6

关键词: 节能建筑, 粘土砖, 热绝缘, 砂粒粒径, 可持续建筑