Baustein mit wärmeisolierend wirkenden inneren Hohlräumen

Abstract

 Es wird ein Baustein, beispielsweise Hochlochziegel, mit wärmeisolierend wirkenden inneren Hohlräumen (2) und ein Verfahren zu seiner Herstellung beschrieben. Um den Strahlungsanteil am Wärmetransport in diesen dunklen Hohlräumen (2) zu verringern, sind die Innenflächen der Hohlräume (2) wärmereflektierend beschichtet. Diese Schicht kann Aluminium oder eine ähnliche wärmereflektierende Komponente enthalten. Sie wird aufgedampft oder aufgespritzt, gegebenenfalls auch an der Stoßseite (1) des Bausteins, und kann vor dem Brennen des Ziegels aufgebracht oder eigens eingebrannt werden. Möglich ist auch die Zumischung einer wasserlöslichen wärmereflektierenden Komponente zum Ton, die während des Trocknungs- und/oder Brennprozesses an die Oberfläche wandert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen quaderförmigen Baustein mit wärmeisolierend wirkenden inneren Hohlräumen, die mehr als 8 mm breit sind. Ein Baustein dieser Art kann auch ein Ziegel sein. Er dient zur Erstellung von wärmeisolierenden Wänden und wird mit Klebe-, Dünnbett-, Mittelbett- oder einem faserhaltigen Mörtel, der nicht in die Hohlräume fällt, vermauert. Die Hohlräume können parallel zur Wandfläche vertikal verlaufen, wie bei sogenannten Hochlochziegeln, oder auch horizontal.

[0002] Bei herkömmlichen Isolierbausteinen, wie beispielsweise Lochziegeln, Gasbetonsteinen und Bausteinen aus zementgebundenen Leichtbaustoffen, wird versucht, das Wärmeisoliervermögen durch Verwendung eines möglichst leichten Baustoffes zu optimieren. Deshalb verwendet man stark porosierten Ton bei Ziegeln, aufgeschäumten Beton, Bims, Perlit oder dergleichen. Diese Technik findet aber ihre Grenzen in der beschränkten Druckfestigkeit der Leichtbaustoffe.

[0003] Weiter ist es Stand der Technik, das Wärmeisoliervermögen durch geschickte Anordnung von Luftschlitzen zu verbessern, die quer zur Wärmestromrichtung von einer Bausteinseite zur anderen ganz oder zumindest größtenteils durchgehen. Insbesondere verbessern in Steinlängsrichtung ausgerichtete und quer zur Wärmestromrichtung gegeneinander versetzte schlitzförmige Hohlräume das Wärmeisoliervermögen. Die länglichen, bei Ziegeln im Strangpreßverfahren hergestellten und deshalb durchgehenden Hohlräume schwächen aber den Zusammenhalt, insbesondere die Querzugfestigkeit der Isolierbausteine. Deshalb kann ein Minimum an Querschnittsfläche von wärmeleitenden Stegen in Wärmestromrichtung nicht unterschritten werden.

[0004] Es ist bekannt, daß sich bei vorgegebener Dicke der quer zur Wärmestromrichtung verlaufenden Längsstege die optimale mittlere Schlitzlochbreite respektive die durchschnittliche Anzahl der in Wärmestromrichtung aufeinanderfolgenden Schlitzlöcher rechnerisch ermitteln läßt (schweizerische Patentschriften 476 181, 482 882 und 516 057). Unter der mittleren Schlitzlochbreite versteht man die Querschnittsfläche eines in der Regel länglichen Hohlraumes dividiert durch seine größte Ausdehnung quer zur Wärmestromrichtung. Die Anzahl der Schlitzlöcher wird gemittelt über eine Vielzahl von in Wärmestromrichtung geführten Schnitten durch den Ziegel. Sie entspricht einer gebräuchlicheren Kenngröße, nämlich der Anzahl der Schlitzreihen. Die Hohlraumquerschnitte weisen in der Regel quer zur Wärmestromrichtung längliche Formen wie Ellipsen, Rechtecke, Trapeze, Quader, Dreiecke usw. auf. Die Hohlräume können aber auch quadratische, runde, fünf-, sechs- und mehreckige Formen haben.

[0005] Bei Bausteinen aus gebranntem Ton sind Stegdicken von 6 mm und mehr üblich. Wird die Stegdicke reduziert, beispielsweise auf 4 respektive 2 mm, so steigt in Anlehnung an oben genannte Patentschriften die optimale Zahl der Schlitzlöcher sehr stark an, so daß Ziegel mit der theoretisch ermittelten optimalen Schlitzreihenzahl nicht mehr produziert werden können, da bei der Extrudierung der Tonmassen viel zu hohe Drücke entstehen. Beispielsweise müßte für einen 30 cm dicken Ziegel bei der Stegdicke 2 mm nach Leitner (s. o. g. CH-PS 516 057) oder Amrein (s. o. g. CH-PS 476 181) die Schlitzlochbreite 3,5 mm betragen. Damit wären über 50 Schlitzlochreihen notwendig, um das theoretisch ermittelte Maximum annähernd zu erreichen. Heute produzierte 30 cm dicke Ziegel weisen in der Regel 17 Schlitzlochreihen auf, maximal 21 Lochreihen. 30 Lochreihen dürften zur Zeit einen Grenzfall der Produzierbarkeit darstellen.

[0006] Eine weitere Möglichkeit, wärmeisolierende Bausteine herzustellen, besteht darin, den Baustein mit mehreren größeren Hohlräumen zu erstellen und, um den Wärmeverlust in den Hohlräumen zu begrenzen, diese nachträglich mit Isoliereinschüben aus den verschiedensten Materialien zu füllen, was aber einen aufwendigen Arbeitsgang darstellt.

[0007] Herkömmliche Isolierbausteine, die mit diesen Methoden optimiert wurden, erreichen Wärmeleitzahlen von 0,12 W/mK oder schlechter, bei Ziegeln bestenfalls 0,15 W/mK.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Isolierbausteine zu schaffen, die in herkömmlichem Ausmaß statisch belastbar sind, aber ein wesentlich besseres Wärmeisoliervermögen haben als bisher bekannt, und einfacher zu produzieren sind.

[0009] Ausgehend von einem Baustein der einleitend bezeichneten Art wird diese Aufgabe durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 und durch die beanspruchten Verfahrensmerkmale gelöst.

[0010] Der Wärmetransport in einem Isolierbaustein der genannten Art erfolgt einerseits durch Wärmeleitung im Grundmaterial, d. h. in den Stegen, und andererseits durch Konvektion, Leitung und Strahlung in den Hohlräumen. Neuere Erkenntnisse haben ergeben, daß insbesondere bei Bausteinen mit dünnen Stegen der Anteil des Wärmetransports durch die luftgefüllten dunklen Hohlräume am gesamten Wärmetransport erheblich ist. Überraschend hoch ist darüberhinaus der Wärmetransport in den Hohlräumen durch Strahlung. Diese überwiegt die Anteile des Wärmetransportes durch Leitung in der Luft und durch Konvektion. Die Wärmeübertragung durch Konvektion ist in Schlitzlöchern der Höhe 25 cm bis zu einer Schlitzbreite von ca. 3 cm neben dem Strahlungsanteil klein und auch kleiner als der Wärmetransport durch die Wärmeleitung in der Luft. Die große theoretische Anzahl Stege eines nach oben genannten Schriften optimierten Bausteines ist im Grunde nur deshalb nötig, weil die Stege wie Schirme immer wieder die Wärmestrahlung unterbrechen. Dasselbe geschieht bei bekannten Bausteinen, deren Hohlräume mit Isoliermaterialien gefüllt sind. Für Hohlräume, die wesentlich breiter sind als 3 cm verhindern die Isoliereinschübe zwar auch die Konvektion, bei allen gefüllten Hohlräumen, insbesondere jenen mit einer Breite um 3 cm und kleiner, bewirken die Isoliereinschübe aber primär eine Unterbrechung der Wärmestrahlung. Die ruhende Luft allein wäre ohne Konvektion und Strahlung ein optimaler Isolator.

[0011] Es ist zwar allgemein bekannt, zu Isolierzwecken wärmereflektierende Oberflächen an den vor Wärmestrahlung zu schützenden Objekten vorzusehen, vor allem bei hohen Temperaturen und gegen Sonneneinstrahlung. Gestützt auf die erwähnte Erkenntnis, daß die Wärmestrahlung in den Hohlräumen selbst bei Raumtemperatur einen überraschend hohen Einfluß hat, schlägt die Erfindung vor, diese Möglichkeit zur Reduzierung der Wärmestrahlung durch wärmereflektierende Oberflächen in den Hohlräumen von Isolierbausteinen zu nutzen. Dabei ist zu beachten, daß im Interesse des maximalen Nutzens der Beschichtung die optimale Lochreihenanzahl neu definiert werden muß.

[0012] Erfreulicherweise wurde gefunden, daß Bausteine mit wärmereflektierend beschichteten inneren Hohlräumen mit breiteren Hohlräumen versehen werden können als wenn die Hohlräume unbeschichtet sind. Es wird daher vorgeschlagen, im Gegensatz zu den Formeln nach den eingangs erwähnten schweizerischen Patentschriften weniger und breitere Schlitzlochreihen vorzusehen. Damit können weitere wärmeleitende Stege eingespart werden und das Wärmeisoliervermögen des Bausteins kann weiter gesteigert werden. Diese breiten inneren Hohlräume bringen nicht nur einen zusätzlichen Isolationsgewinn, sondern verbessern auch die Produzierbarkeit des Bausteins.

[0013] Die beschichteten inneren Hohlräume brauchen nicht mit zusätzlichen Isoliereinschüben versehen zu werden, denn durch die Beschichtung der Hohlräume wird der Wärmeaustausch durch Strahlung zwischen den einander gegenüberliegenden, den Hohlraum begrenzenden Stegen hinreichend reduziert. Allerdings werden die günstigsten Wärmeleitwerte mit Hohlraumbreiten unter 3 cm realisiert, weil sonst Konvektionsströme im Hohlraum entstehen können. Aus dem gleichen Grund ist die Höhe des Hohlraums auf eine Steinhöhe von in der Regel 25 cm zu begrenzen und darauf zu achten, daß beim Vermauern sich die Hohlräume nicht zu Kanälen verbinden, sondern durch eine Mörtelschicht voneinander getrennt werden. Dies ist insbesondere dadurch zu erreichen, daß ein Baustein mit großen bis zu drei Zentimeter breiten Hohlräumen neben diesen auch kleine Hohlräume aufweist, die beim Vermauern durch den verwendeten Mörtel verschlossen werden und die großen Hohlräume überdecken. Auf jeden Fall ist darauf zu achten, daß nicht zuviel Mörtel in die Hohlräume fällt, diese verschmutzt, teilweise füllt und damit das Isolierverhalten senkt. Insbesondere ist es sinnvoll, Grifflöcher wärmereflektierend zu beschichten und so anzuordnen, daß sie sich beim Vermauern im üblichen Versatz nicht überdecken. Mit Vorteil werden derartige Bausteine im Tauchverfahren vermauert, d. h. nur wenige Millimeter weit in den Mörtel getaucht und mit dem am Stein haftenden Mörtel versetzt.

[0014] Durch das weitgehende Unterbinden der Wärmestrahlung in den Hohlräumen ist eine Senkung des gesamten Wärmetransports in den Hohlräumen bei üblichen Klimatemperaturen in den Hohlräumen um mehr als die Hälfte möglich. Beispielsweise beträgt die Wärmeleitzahl für innen beschichtete Schlitzlöcher mit ca. 2 cm Breite weniger als 0,05 W/mK statt über 0,11 W/mK für unbeschichtete Hohlräume.

[0015] Bei Anwendung dieser Technik auf gute Isolierbausteine, die nach traditioneller Methode aus Leichtbaustoffen gefertigt sind und hinsichtlich der Lochbreite und der Lochreihenzahl der wärmereflektierenden Beschichtung Rechnung tragen, gelingt es, Bausteine für statisch belastbare Isolierwände ohne Zusatzdämmung mit Wärmeleitzahlen unter 0,10 W/mK herzustellen.

[0016] In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß außer den Hohlräumen auch die Stoßseiten der Isolierbausteine wärmereflektierend beschichtet sind. Dies gilt vor allem für Bausteine, die an den Stoßseiten Vertiefungen aufweisen, die sich nach dem Ansetzen an einen Folgestein der gleichen Lage mit dessen Vertiefungen zu geschlossenen Hohlräumen kombinieren. Somit sind dann auch diese Hohlräume an ihren Innenflächen beschichtet.

[0017] Die wärmereflektierende Schicht kann Aluminium oder eine ähnliche wärmereflektierende Komponente enthalten. In Frage kommen auch verschiedene Oxide wie Zirkoniumoxid, Titanoxid, Magnesiumoxid etc. Die wärmereflektierende Komponente kann im Ton, in einer Glasur, einem Lack oder irgend einer Deckschicht eingebettet oder mit einer Haftschicht verbunden sein.

[0018] Ein bevorzugtes Verfahren zum Aufbringen der wärmereflektierenden Schicht besteht darin, daß diese auf den traditionell produzierten Isolierbaustein aufgedampft oder aufgespritzt wird. Insbesondere bei Ziegeln wird vorgeschlagen, daß, sofern eine glatte Oberfläche notwendig ist, vor dem Aufbringen der wärmereflektierenden Schicht als Unterlage für diese eine Glasur aufgebracht wird. Diese bildet eine harte, glatte Unterlage, auf die dann z. B. Aluminium aufgedampft oder aufgespritzt werden kann. Statt des Aufdampfens können auch spezielle keramische oder anorganische Massen aufgespritzt werden, die nachträglich eingebrannt werden.

[0019] Die Beschichtung der Hohlräume kann auch durch Aufspritzen eines Kunstharzlackes mit reflektierenden Komponenten erfolgen, da die Beschichtung keinen hohen Temperaturen ausgesetzt ist.

[0020] Ein weiteres Verfahren, die Oberflächen von Isolierbausteinen, insbesondere von Ziegeln, zu beschichten, besteht darin, daß der zu formenden Masse bzw. dem Ton wasserlösliche Produkte mit einem niedrigen Emissionskoeffizienten beigemischt werden. Während des Trocknungs- und Brennprozesses wandern diese an die Oberflächen des Rohlings und beschichten diesen gleichmäßig. Falls an den wandparallelen äußeren Oberflächen diese Beschichtung unerwünscht ist, kann diese abgebürstet oder abgeschliffen werden.

[0021] Eine weitere Möglichkeit der Beschichtung besteht darin, daß eine die wärmereflektierende Komponente enthaltende Glasur mit dem Formling koextrudiert wird. Die Glasur wird dabei mit großem Druck über die Kerne des Mundstücks aufgepreßt.

[0022] Die Wirksamkeit einer wärmereflektierenden Beschichtung läßt sich durch den sogenannten Emissionskoeffizienten ε zahlenmäßig angeben. Er beträgt bei gebranntem Ton oder zementgebundenen Leichtbaustoffen ohne Beschichtung 0,93, bei aluminiumbeschichteten Oberflächen dagegen nur 0,05. Anstriche mit Aluminiumbronze haben einen Emissionskoeffizienten ε von etwa 0,20 und sind somit zur Beschichtung der Hohlräume durchaus geeignet.

[0023] Ausführungsbeispiele von Isolierbausteinen, bei denen die Erfindung verwirklicht ist, werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese stellt auch noch einige rechnerisch gewonnene Kurvenschaubilder dar, welche die Bedeutung der Erfindung unterstreichen. Im einzelnen zeigt

Fig. 1

die Draufsicht eines Bruchstücks eines Hochlochziegels mit wabenförmig angeordneten sechseckigen Hohlräumen (Wabenziegel),

Fig. 2

die entsprechende Draufsicht eines Hochlochziegels mit versetzten rechteckigen Hohlräumen (Schlitzlochziegel),

Fig. 3

die entsprechende Draufsicht eines Hochlochziegels mit elliptischen Hohlräumen,

Fig. 4

die Draufsicht eines ganzen Ziegels mit Grifflöchern im kleineren Maßstab,

Fig. 5

ein Kurvenschaubild, das bei einem Hochlochziegel bestimmter Abmessungen unter bestimmten Voraussetzungen die rechnerische Abhängigkeit des Wärmedurchlaßwiderstandes R von der Anzahl n der Lochreihen darstellt, und

Fig. 6 und 7

entsprechende Kurvenschaubilder, bei denen andere Parameter gelten.

[0024] Bei den Figuren 1 bis 3 ist ein Nachbarziegel jeweils strichpunktiert angedeutet. Die Hohlräume sind an ihren Wandflächen wärmereflektierend beschichtet. Selbstverständlich ist eine entsprechende Beschichtung bei jeder Form der Hohlräume möglich.

[0025] An den Stoßflächen 1 sind diese Ziegel so gestaltet, daß die angrenzenden Ziegelenden das jeweilige Lochmuster ergänzen. Demgemäß sind nicht nur die Innenflächen der querschnittlich unterschiedlich geformten, zur Lagerfläche des Ziegels senkrecht verlaufenden Löcher 2 wärmereflektierend beschichtet, sondern auch die Stoßflächen 1, um auch die Innenflächen der trapezförmigen, rechteckigen bzw. keilförmigen Nuten zu erfassen, in denen nach dem Zusammenfügen der Ziegel ebenfalls Wärmetransport durch Strahlung stattfindet. An den Sichtseiten 3 sind die Wandstärken des Ziegels 6 mm stark gewählt worden. Die Wandstärke der inneren Stege beträgt 3 mm.

[0026] Der Wabenziegel nach Fig. 1 hat 15 Lochreihen verwirklicht. Ein mit solchen Ziegeln erstelltes Mauerwerk erreicht bei einer Wandstärke von 30 cm unverputzt, unter Berücksichtigung der genormten Wärmeübergangszahlen und bei einer Wärmeleitzahl des Scherbenmaterials von 0,30 W/mK bei nicht reflektierenden inneren Oberflächen einen k-Wert von 0,38 W/m²K. Dabei beträgt der Emissionskoeffizient der Tonoberfläche 0,93. Sind die Oberflächen reflektierend mit einem Emissionskoeffizienten ε = 0,1 ausgebildet, so wird statt 0,38 W/m²K ein k-Wert von 0,25 W/m²K erreicht.

[0027] Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ziegel ist das Wabenmuster noch einmal verfeinert. Der Ziegelgrundriß mißt in Natura 30 x 27 cm. Es sind 21 Lochreihen in Wärmestromrichtung verwirklicht. Eine weitere Besonderheit bei diesem Ziegel sind zwei eingelagerte Grifflöcher 4 und an den Stoßseiten je ein Halbhohlraum 5. Diese Halbhohlräume ergänzen sich beim Anfügen eines weiteren Ziegels zu einem ganzen Hohlraum. Selbstverständlich können hier wie in den vorhergehenden Beispielen alle Hohlräume und die Stoßseiten wärmereflektierend beschichtet sein. Ein sehr günstiger Einfluß ist aber auch schon zu erwarten, wenn nur die Grifflöcher 4 und die Halbhohlräume 5 entsprechend beschichtet sind. An einer Stoßseite hat dieser Ziegel vier je einen 6-eckigen Hohlraum enthaltende vertikale Federn 6, die in entsprechende Nuten 7 des Nachbarziegels eingreifen.

[0028] In den Figuren 5, 6 und 7 ist der Einfluß einer wärmereflektierenden Beschichtung der Hohlräume auf den Wärmedurchlaßwiderstand R und auf die theoretisch optimale Anzahl n der Schlitzreihen eines 30 cm breiten und 25 cm hohen Bausteines bei unterschiedlichen Stegbreiten graphisch dargestellt. Diese Darstellungen gelten unter folgenden Voraussetzungen: Die Wärmeleitzahl des Scherbens beträgt 0,30 W/mK, die beiden äußeren Randstege an den Sichtflächen sind doppelt so dick wie die inneren Stege. Wärmeleitende Querstege aus Ton werden vernachlässigt, ebenso die Wärmeübertragung durch Konvektionsströme, wodurch die Gültigkeit der Schaubilder auf Lochbreiten von maximal 3 cm beschränkt bleibt. Generell nimmt der Wärmedurchgangswiderstand R des Ziegels mit zunehmender Güte der Beschichtung zu und die optimale Anzahl n der Schlitzlochreihen nimmt ab, wobei die Schlitzlöcher breiter werden. Das Emmisionsverhältnis ε, das bei dieser Berechnung zwischen 0,05 und 0,9 mit drei Zwischenstufen verändert wurde, ist in Fig. 5 bei den einzelnen Kurven angegeben. Man sieht, daß bei zunehmender Qualität der wärmereflektierenden Beschichtung, d. h. bei kleinerem Emissionsverhältnis ε, der Wärmedurchgangswiderstand R nicht nur grundsätzlich größer wird, sondern die Kurvenform sich so ändert, daß überhaupt ein Maximum sichtbar wird. Bei Fig. 7 (Stegdicke 6 mm) ist dies besonders deutlich.

[0029] Es ist ersichtlich, daß bei Bausteinen mit beschichteten Hohlräumen bei mehr als 25 Schlitzlochreihen der Wärmedurchlaßwiderstand R bei Stegdicken von 4 mm und 6 mm sehr stark und selbst bei 2 mm noch abnimmt. Es ist deshalb nicht sinnvoll, die Hohlräume von Bausteinen mit Schlitzlochbreiten unter 8 mm wärmereflektierend zu beschichten.

Ansprüche

1. Baustein mit wärmeisolierend wirkenden leeren inneren Hohlräumen, die mehr als 8 mm breit sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen der Hohlräume (2) wärmereflektierend beschichtet sind.

2. Baustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Stoßflächen (1) wärmereflektierend beschichtet sind.

3. Baustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß größere Hohlräume wie Grifflöcher (4) wärmereflektierend beschichtet und so angeordnet sind, daß die Hohlräume beim Vermauern der Bausteine nicht direkt übereinander zu liegen kommen.

4. Baustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmereflektierende Schicht Aluminium oder eine ähnliche wärmereflektierende Komponente wie andere Metalle oder Oxide enthält.

5. Mauerwerk, erstellt mit Bausteinen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die mit Klebe-, Dünnbett-, Mittelbett- oder faserigen Mörtel vermauert sind, so daß die Hohlräume sich nicht mit Mörtel füllen oder verschmutzen.

6. Verfahren zur Herstellung von Bausteinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmereflektierende Schicht aufgedampft oder aufgespritzt oder als dünne Folie aufgeklebt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmereflektierende Schicht eingebrannt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmereflektierende Schicht auf Ziegel vor dem Brennen durch Aufspritzen, Koextrudieren oder Streichen aufgebracht wird.

9. Verfahren zur Herstellung von Bausteinen, insbesondere Ziegeln, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der wärmereflektierenden Schicht als Unterlage für diese eine Glasur aufgebracht wird.

10. Verfahren zur Herstellung von Bausteinen, insbesondere Ziegeln, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rohmaterial Ton eine wasserlösliche wärmereflektierende Komponente beigemischt wird, welche während des Trocknungs- und Brennprozesses an die Oberfläche auch der Hohlräume wandert und diese beschichtet.

Zeichnung