Ziegel

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Hintergrund

Der Begriff Ziegel bezeichnet kleine Baustoffeinheiten, die oft aus gebranntem Ton bestehen und mit Mörtel, einem Bindemittel aus Zement, Sand und Wasser, befestigt werden. Ziegelstein ist seit langem ein beliebtes Material und speichert Wärme, ist korrosionsbeständig und feuerbeständig. Da jede Einheit klein ist – normalerweise 10 cm breit und doppelt so lang – ist Ziegel ein ideales Material für Strukturen auf engstem Raum sowie für geschwungene Designs. Darüber hinaus halten Backsteingebäude bei minimaler Instandhaltung im Allgemeinen lange.

Aus den oben genannten praktischen Gründen und weil es auch ein ästhetisch ansprechendes Medium ist, wird Ziegel seit mindestens 5.000 Jahren als Baustoff verwendet. Der erste Ziegel wurde wahrscheinlich im Nahen Osten zwischen den Flüssen Tigris und Euphrat im heutigen Irak hergestellt. In Ermangelung des Steins, den ihre Zeitgenossen in anderen Regionen für dauerhafte Bauwerke verwendeten, verließen sich die frühen Baumeister hier auf die reichlich vorhandenen natürlichen Materialien, um ihre sonnengebrannten Ziegel herzustellen. Diese waren jedoch von begrenztem Nutzen, da sie nicht haltbar waren und nicht im Freien verwendet werden konnten; Die Einwirkung der Elemente führte dazu, dass sie sich auflösten. Die Babylonier, die später Mesopotamien beherrschten, waren die ersten, die Ziegel feuerten, aus denen viele ihrer Turmtempel gebaut wurden.

Vom Nahen Osten aus verbreitete sich die Ziegelkunst nach Westen bis ins heutige Ägypten und nach Osten bis nach Persien und Indien. Obwohl die Griechen, die über einen großen Steinvorrat verfügten, nicht viel Ziegel verwendeten, gibt es im gesamten Römischen Reich Beweise für Ziegelöfen und -strukturen. Mit dem Niedergang und Fall Roms ging die Ziegelei in Europa jedoch bald zurück. Es wurde erst im 13. Jahrhundert wieder aufgenommen, als die Holländer Ziegel herstellten, die sie anscheinend nach England exportiert haben. In Amerika begannen die Menschen im 16. Jahrhundert mit der Verwendung von Ziegeln. Es waren jedoch die Niederländer, die als erfahrene Handwerker galten.

Vor Mitte des 19. Jahrhunderts stellten die Menschen Ziegel in kleinen Chargen her und verließen sich dabei auf relativ ineffiziente Brennmethoden. Eine der am häufigsten verwendeten war eine offene Klemme, bei der Ziegel unter einer Schicht Schmutz und gebrauchten Ziegeln auf ein Feuer gelegt wurden. Als das Feuer im Laufe mehrerer Wochen nachließ, brannten die Ziegel. Nach 1865, als der Hoffmann-Brennofen in Deutschland erfunden wurde, wurden solche Verfahren allmählich obsolet. Dieser Ofen war besser für die Herstellung einer großen Anzahl von Ziegeln geeignet und enthielt eine Reihe von Kammern, durch die gestapelte Ziegel zum Vorwärmen, Brennen und Abkühlen transportiert wurden.

Die Verbesserungen in der Ziegelherstellung wurden bis ins zwanzigste Jahrhundert fortgesetzt. Zu den Verbesserungen gehören eine absolut gleichmäßige Ziegelform, eine Gewichtsreduzierung und eine Beschleunigung des Brennvorgangs. Moderne Ziegel sind beispielsweise selten massiv. Einige werden in Form gepresst, wodurch ein Frosch zurückbleibt, oder Vertiefung, auf ihrer oberen Oberfläche. Andere werden mit Löchern extrudiert, die später den Brennprozess beschleunigen, indem eine größere Oberfläche der Hitze ausgesetzt wird. Beide Techniken reduzieren das Gewicht, ohne die Kraft zu reduzieren.

Während sich der Produktionsprozess jedoch definitiv verbessert hat, hat sich der Markt für Ziegel nicht verbessert. Ziegel hat den größten Anteil am Markt für lichtundurchlässige Materialien für den gewerblichen Bau und wird weiterhin als Verkleidungsmaterial in der Wohnungswirtschaft verwendet. Andere Verkleidungsmaterialien wie z Zur Herstellung von Ziegeln werden die Rohstoffe zunächst in einem Backenbrecher zerkleinert und gemahlen. Als nächstes werden die Zutaten mit einer von mehreren Methoden gebildet. Bei der Extrusion werden die pulverisierten Bestandteile mit Wasser vermischt, in eine Entlüftungskammer (die die Luft entfernt, um eine Rissbildung zu verhindern) geleitet, verdichtet und aus einer Düse der gewünschten Form extrudiert. Holz, Stuck, Aluminium, Gips und Vinyl sind starke Konkurrenten, da sie bis zu 50 Prozent weniger kosten und einige (insbesondere Stuck und Gips) eine integrierte Isolierung bieten. Diese Systeme können jedoch bis zum 1,75-fachen der Kosten von Ziegeln kosten, was auch weniger Wartung erfordert. Andere Materialien, die trotz ihrer normalerweise höheren Kosten mit Ziegeln konkurrieren, sind Betonfertigteile Platten, Glas, Stein, Kunststein, Betonmauerwerk und Kombinationen dieser Materialien, da Fortschritte in Herstellung und Design solche Materialien für Bauherren attraktiver gemacht haben. Laut U.S. Industrial Outlook sank die Verwendung von Ziegeln als Verkleidungsmaterial für Einfamilienhäuser von 26 Prozent im Jahr 1984 auf 17 Prozent im Jahr 1989.

Rohstoffe

Natürliche Tonmineralien, darunter Kaolin und Schiefer, bilden den Hauptbestandteil von Ziegeln. Kleine Mengen Mangan, Barium und andere Zusätze werden mit dem Ton vermischt, um verschiedene Farbtöne zu erzeugen, und Bariumcarbonat wird verwendet, um die chemische Beständigkeit des Ziegels gegen die Elemente zu verbessern. Viele andere Zusatzstoffe wurden in Ziegeln verwendet, darunter Nebenprodukte aus der Papierherstellung, Ammoniumverbindungen, Netzmittel, Flockungsmittel (die dazu führen, dass Partikel lose Cluster bilden) und Entflockungsmittel (die solche Cluster zerstreuen). Einige Tone erfordern die Zugabe von Sand oder Grog (vorgemahlenes, vorgebranntes Material wie z. B. Ziegelschrott).

Um Ziegel mit einer bestimmten Farbe oder Oberflächenstruktur herzustellen, werden verschiedenste Beschichtungsmaterialien und -verfahren verwendet. Um eine typische Beschichtung zu erzeugen, wird Sand (der Hauptbestandteil) mechanisch mit einer Art Farbstoff gemischt. Manchmal ein Flussmittel oder Fritte (ein Glas, das Farbstoffe enthält) wird hinzugefügt, um Oberflächentexturen zu erzeugen. Das Flussmittel senkt die Schmelztemperatur des Sandes, damit er sich mit der Ziegeloberfläche verbinden kann. Andere Materialien einschließlich sortierter gebrannter und ungebrannter Ziegel, Nephelinsyenit und sortierter Zuschlagstoffe können ebenfalls verwendet werden.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Der erste Schritt bei der Ziegelherstellung ist das Brechen und Mahlen der Rohstoffe in einem Separator und einem Backenbrecher. Als nächstes wird die für jede einzelne Charge gewünschte Mischung von Inhaltsstoffen ausgewählt und gefiltert, bevor sie einem von drei Ziegelformverfahren zugeführt wird – Extrusion, Formen oder Pressen, von denen das erste das anpassungsfähigste und somit das gebräuchlichste ist. Sobald die Ziegel geformt sind und alle nachfolgenden Verfahren durchgeführt wurden, werden sie getrocknet, um überschüssige Feuchtigkeit zu entfernen, die sonst während des anschließenden Brennvorgangs zu Rissen führen könnte. Anschließend werden sie in Öfen gebrannt und anschließend abgekühlt. Schließlich werden sie enthackt – automatisch gestapelt, mit Stahlbändern umwickelt und mit Kunststoffecken gepolstert.

Mahlen, Kalibrieren und Kombinieren
Rohstoffe

• 1 Zunächst wird jede der Zutaten einem Separator zugeführt, der Überkorn entfernt. Ein Backenbrecher mit horizontalen Stahlplatten quetscht dann die Partikel und macht sie noch kleiner. Nachdem die Rohstoffe für jede Ziegelcharge ausgewählt wurden, wird oft ein Vorsieb verwendet, um die verschiedenen Materialgrößen zu trennen. Material der richtigen Größe wird in Lagersilos geschickt, und übergroßes Material gelangt in eine Hammermühle, die es mit schnell bewegten Stahlhämmern pulverisiert. Die Hammermühle verwendet ein weiteres Sieb, um die maximale Partikelgröße zu kontrollieren, die die Mühle verlässt, und der Austrag geht zu einer Reihe von Vibrationssieben, die Material mit falscher Größe aussortieren, bevor es der nächsten Produktionsphase zugeführt wird.

Extrusion

• 2 Bei der Extrusion, dem gängigsten Verfahren zum Formen von Ziegeln, werden pulverisiertes Material und Wasser an einem Ende einer Mopsmühle zugeführt die Messer auf einer rotierenden Welle verwendet, um Material in einer flachen Kammer zu durchtrennen und zusammenzufalten. Die Mischung wird dann einem Extruder am anderen Ende der Mühle zugeführt. Der Extruder besteht normalerweise aus zwei Kammern. Die erste entfernt mit einem Vakuum Luft aus dem gemahlenen Ton und verhindert so Rissbildung und andere Defekte. Die zweite Kammer, ein Hochdruckzylinder, verdichtet das Material, damit die Schnecke es durch die Matrize extrudieren kann. Nach dem Komprimieren wird das Kunststoffmaterial durch eine speziell geformte Düsenöffnung aus der Kammer gepresst. Der Querschnitt der extrudierten Säule, "Mops" genannt, wird in die Form der Matrize gebracht. Mit rotierenden Messern oder steifen Drähten werden Abschnitte der gewünschten Länge zugeschnitten.

  Beim Formen wird weicher, nasser Ton in einer Form, normalerweise einer Holzkiste, geformt. Das Innere des Kastens ist oft mit Sand beschichtet, was die gewünschte Textur verleiht und das Entformen des Formsteins erleichtert. Wasser kann auch verwendet werden, um die Freisetzung zu unterstützen. Das Pressen, die dritte Form der Ziegelformung, erfordert ein Material mit geringem Wassergehalt. Das Material wird in eine Matrize gegeben und dann mit einem auf einen gewünschten Druck eingestellten Stahlkolben verdichtet. Formschöner und schärfer im Umriss als Ziegel, die mit den anderen beiden Methoden hergestellt wurden, weisen auch Frösche auf.

Anfasen des Ziegels

• 3 Anfasmaschinen wurden entwickelt, um eine Furche in Ziegelsteinen für solche Anwendungen wie Pflastern zu erzeugen. Diese Maschinen verwenden Rollen, um den Ziegel beim Extrudieren einzudrücken. Sie sind manchmal mit Drahtschneidern ausgestattet, um das Anfasen und Schneiden in einem Schritt durchzuführen. Solche Maschinen können bis zu 20.000 Einheiten pro Stunde produzieren.

Beschichtung

• 4 Die Wahl der Sandbeschichtung, die auch beim Extrudieren des Ziegels aufgetragen wird, hängt davon ab, wie weich oder hart das extrudierte Material ist. Weiches Material wird mit einem kontinuierlichen Schwingförderer beschichtet, bei strukturiertem Material muss die Beschichtung ggf. aufgebürstet oder aufgewalzt werden. Bei härteren Materialien wird eine Andruckrolle oder Druckluft verwendet, bei extrem harten Materialien ist Sandstrahlen erforderlich.

Trocknen

• 5 Bevor der Ziegel gebrannt wird, muss er getrocknet werden, um überschüssige Feuchtigkeit zu entfernen. Wird diese Feuchtigkeit nicht entfernt, verbrennt das Wasser beim Brennen zu schnell und es kommt zu Rissen. Es werden zwei Arten von Trocknern verwendet. Tunneltrockner verwenden Autos, um den Ziegel durch feuchtigkeitskontrollierte Zonen zu bewegen, die Rissbildung verhindern. Sie bestehen aus einer langen Kammer, durch die die Ware langsam geschoben wird. Um den Prozess zu beschleunigen, werden externe Quellen von Heißluft mit Ventilatorzirkulation in den Trockner gezwungen.
• 6 Auch automatische Kammertrockner kommen vor allem in Europa zum Einsatz. Die Strangpresssteine ​​werden automatisch in Reihen auf zwei parallelen Stäben platziert. Anschließend werden die Steine ​​auf spezielle Regale mit fingerartigen Vorrichtungen zugeführt, die mehrere Stabpaare in mehreren Lagen aufnehmen. Diese Regale werden dann mit schienengebundenen Verschiebewagen oder Hubwagen in die Trockner überführt.

Schießen

• 7 Nach dem Trocknen wird der Ziegel auf Autos verladen (normalerweise automatisch) und gebrannt auf Nach dem Formen und Beschichten werden die Ziegel entweder mit Tunneltrocknern oder automatischen Kammertrocknern getrocknet. Als nächstes werden Ziegel automatisch auf Autos geladen und in große Öfen, sogenannte Tunnelöfen, transportiert. Das Brennen härtet und stärkt den Ziegel. Nach dem Abkühlen werden die Steine ​​gesetzt und verpackt. hohe Temperaturen in Öfen, sogenannten Öfen. In der Regel werden die Waggons, die die Ziegel durch den Trocknungsprozess bewegt haben, auch zum Transport durch den Tunnelofen verwendet. Je nach Material werden diese Wagen mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch die konstant gehaltenen Temperaturzonen des Ofens geschoben. Die meisten Öfen in den Vereinigten Staaten verwenden Gas als Brennstoff, obwohl ein Drittel der derzeit produzierten Ziegel mit festen Brennstoffen wie Sägemehl und Kohle gebrannt wird. Tunnelöfen haben sich im Design von hochbelasteten Öfen mit schmaler Breite zu kürzeren, niedriger eingestellten breiteren Öfen geändert, die mehr Ziegel brennen können. Diese Art der Konstruktion hat auch zu Hochgeschwindigkeits-, Langflammen- und Niedertemperatur-Flammenbrennern geführt, die eine verbesserte Temperaturgleichmäßigkeit und einen geringeren Brennstoffverbrauch aufweisen.

Einstellung und Verpackung

• 8 Nachdem der Ziegel gebrannt und abgekühlt ist, wird er über den so weit automatisierten Enthackungsprozess aus dem Ofenwagen entladen, dass fast die manuelle Ziegelhandhabung entfällt. Es wurden automatische Setzmaschinen entwickelt, die Ziegel mit einer Leistung von über 18.000 pro Stunde setzen und die Ziegel um 180 Grad drehen können. Üblicherweise in Reihen von elf Steinen breit aufgestellt, wird ein Stapel mit Stahlbändern umwickelt und mit Kunststoffstreifen versehen, die als Eckenschutz dienen. Der verpackte Ziegel wird dann zur Baustelle versandt, wo er normalerweise mit Ausleger-LKWs entladen wird.

Qualitätskontrolle

Obwohl die Ziegelindustrie oft als ungebildet gilt, beteiligen sich viele Hersteller an Total Quality Management- und statistischen Kontrollprogrammen. Letzteres beinhaltet die Festlegung von Kontrollgrenzen für einen bestimmten Prozess (z. B. Temperatur beim Trocknen oder Brennen) und die Verfolgung der Parameter, um sicherzustellen, dass die relevanten Prozesse innerhalb der Grenzen gehalten werden. Daher kann der Prozess während des Vorgangs kontrolliert werden, wodurch Defekte verhindert und die Ausbeuten verbessert werden.

Eine Vielzahl von physikalischen und mechanischen Eigenschaften müssen gemessen werden und müssen den Standards der American Society of Testing and Materials (ASTM) entsprechen. Diese Eigenschaften umfassen physikalische Abmessungen, Dichte und mechanische Festigkeit. Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die Frost-Tau-Beständigkeit, bei der der Ziegel unter Bedingungen getestet wird, die den Außeneinsatz simulieren sollen. Aktuelle Tests sind jedoch unzureichend und korrelieren nicht wirklich mit den tatsächlichen Bedingungen. Was im Labor besteht, kann im Feld nicht bestehen. Daher versucht die Ziegelindustrie, einen genaueren Test zu entwickeln.

Ein ähnliches Problem besteht bei einem Zustand, der als Effloreszenz bekannt ist, Dies tritt auf, wenn Wasser bestimmte Elemente (Salz gehört zu den am häufigsten vorkommenden) in Außenquellen, Mörtel oder dem Ziegel selbst auflöst. Die verbleibenden Ablagerungen von löslichem Material führen zu Oberflächenverfärbungen, die durch unsachgemäße Reinigung verschlimmert werden können. Wenn Salzablagerungen unlöslich werden, verschlimmern sich die Ausblühungen und erfordern eine umfassende Reinigung. Obwohl ein Ziegel den Labortest bestehen kann, kann er im Feld aufgrund von unsachgemäßem Design oder Baupraktiken versagen. Aus diesem Grund entwickeln Ziegelunternehmen ihre eigenen internen Testverfahren, und die Forschung entwickelt weiterhin einen zuverlässigeren Standardtest.

Die Zukunft

Gegenwärtig ist die Verwendung von Ziegeln mit etwa sieben bis neun Milliarden pro Jahr konstant geblieben, gegenüber 15 Milliarden, die zu Beginn des 20. Jahrhunderts jährlich verwendet wurden. Um die Nachfrage zu steigern, erkundet die Ziegelindustrie weiterhin alternative Märkte und verbessert Qualität und Produktivität. Auch die Kraftstoffeffizienz hat sich verbessert, und bis zum Jahr 2025 könnten Ziegelhersteller ihre Ziegel sogar mit Sonnenenergie befeuern. Solche technologischen Veränderungen werden jedoch nur dann eintreten, wenn noch Bedarf an Ziegeln besteht.

Auch wenn diese Nachfrage anhält, steht die Ziegelindustrie im In- und Ausland vor einer weiteren Herausforderung:Sie muss bald Umweltauflagen, insbesondere im Bereich der Fluoremissionen, einhalten. Fluor, ein Nebenprodukt des Ziegelherstellungsprozesses, ist ein hochreaktives Element, das für den Menschen gefährlich ist. Eine langfristige Exposition kann zu Nieren- und Leberschäden, Verdauungsproblemen und Veränderungen von Zähnen und Knochen führen, und die Environmental Protection Agency (EPA) hat daher maximale Expositionsgrenzwerte festgelegt. Um die Gefahren durch Fluoremissionen zu verringern, können Ziegeleien Wäscher installieren, die jedoch teuer sind. Während einige Werke bereits solche Systeme installiert haben, versucht die US-Ziegelindustrie, eine wichtigere Rolle bei der Entwicklung kostengünstigerer Emissionsprüfmethoden und der Festlegung von Emissionsgrenzwerten zu spielen. Wenn die Ziegelindustrie die Bundesaufsichtsbehörden nicht davon überzeugen kann, ihre Anforderungen zu senken, ist es durchaus möglich, dass die Branche schrumpft, da sich einige Unternehmen die Einhaltung nicht leisten können und ihre Geschäftstätigkeit einstellen werden.