Thermal insulation properties of Bulgarian bricks

Wärmedämmende
Eigenschaften bulgarischer
Ziegel
Die bulgarische Baunorm erfordert für Außenwände
in beheizten sozialen und industriellen Gebäuden
einen U-Wert < 0,5 W/m2K. Mit den derzeit in
Bulgarien vorwiegend verwendeten 3,85 NF und
4,5 NF Langlochziegeln können diese Werte nicht
erreicht werden. Es ist notwendig, großformatige
Hochlochziegel für 30 cm und 36 cm starke Wände
mit einer niedrigen Wärmeleitzahl zu entwickeln
und herzustellen.
Einleitung
Ziegel werden seit Jahrtausenden als Baumaterial verwendet
und überzeugen heute durch hervorragende Eigenschaften,
wie beispielsweise:
n ausgezeichnete Wärmedämmung
n Temperaturschwankungen werden durch die Auf- oder
Abgabe von Wärme ausgeglichen
n eine sehr niedrige Ausgleichsfeuchte
n hohe Feuerwiderstandsklasse
n gute Druckfestigkeit
n positive Eigenschaften hinsichtlich Winddichtigkeit, Schallschutz oder Feuchteschutz
Eine sehr wichtige Eigenschaft einer Ziegelwand ist der Wärmeschutz; die wärmedämmenden Eigenschaften werden
durch folgende Faktoren charakterisiert:
n Koeffizient der Wärmeleitfähigkeit = W/mK
n Wärmedurchgangskoeffizient U = W/m2K
n Wärmedurchlasswiderstand R = 1/k = m2K/W [1, 2]
Die Abhängigkeiten zwischen Wärmeleitfähigkeit und Rohdichte, Schwindung, Wasseraufnahme und Abriebvolumen
sind im Detail untersucht worden, beispielsweise in [3]. Vereinfacht kann festgestellt werden, dass je geringer die Rohdichte und je größer die Porosität ist, desto geringer ist die
Wärmeleitfähigkeit und desto besser sind die wärmedämmenden Eigenschaften der Ziegel.
Wärmedämmende Eigenschaften bulgarischer
Ziegel
Die Methode für die direkte Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit ist in DIN 52611, DIN 52612 und der bulgarischen Norm
BSD-16632-87 erklärt. Hinsichtlich Rohdichte () und Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten () können bulgarische Ziegel und keramische Blöcke in folgende Erzeugnisse eingeteilt werden [6]:
n hohe warmedämmende Eigenschaften: < 800 kg/m3 und
= 0,25 bis 0,39 W/mK
n mittlere wärmedämmende Eigenschaften: = 800 bis
1000 kg/m3 und = 0,39 bis 0,45 W/mK
n niedrige wärmedämmende Eigenschaften: > 1000 kg/m3
und = > 0,45 W/mK
38
ZI 3/2004
Dr.-Ing. Stefan Stefanov
Thermal insulation
properties of Bulgarian
bricks
For external walls in heated social and industrial
buildings, the Bulgarian building standard requires
a U-value of < 0.5 W/m2K. These values cannot be
achieved with the 3.85 NF and 4.5 NF horizontal
coring bricks which are mainly used in Bulgaria at
present. It is necessary to develop and produce
large-sized vertical coring bricks for 30 cm and
36 cm thick walls with a low thermal conductivity
coefficient.
Introduction
For thousands of years bricks have been used as a building
material and they still convince today due to their outstanding properties, such as:
n Excellent thermal insulation
n Temperature fluctuations are balanced by the absorption
or release of heat
n Very low equilibrium moisture
n High fire resistance classification
n Good compressive strength
n Positive characteristics in regard to wind tightness, sound
insulation or moisture protection
A very important property of a brick wall is thermal protection. The thermal insulation properties are characterized by
the following factors:
n Coefficient of thermal conductivity = W/mK
n Coefficient of thermal transition U = W/m2K
n Thermal transmission resistance R = 1/k = m2K/W [1, 2]
The correlations between thermal conductivity and density,
shrinkage, water absorption and abrasion volume have been
examined in detail, for example in [3]. In simplified terms it
can be stated that the lower the density and the greater the
porosity, the lower is the thermal conductivity and the better
are the thermal insulation properties of the brick.
Thermal insulation properties of Bulgarian bricks
The method for the direct determination of the thermal
conductivity is explained in DIN 52611, DIN 52612 and the
Bulgarian standard BSD-16632-87. In regard to density ()
and thermal conductivity coefficient (), Bulgarian bricks
Tabelle 1: Wärmedurchgangskoeffizienten – U
Table 1: Coefficients of thermal transition U
Ziegeltypen
Brick types
Ziegeldichte
Brick density
Ziegelgewicht
Brick mass
Ziegel
Brick
[kg/m3]
[kg]
[W/mK]
U-Wert Wand
25 cm dick
U-value wall
25 cm thick
[W/m2 K]
U-Wert Wand
30 cm dick
U-value wall
30 cm thick
[W/m2 K]
Standardformat NF Ziegel/Standard size bricks NF
1 400
1 320
1 240
1 190
1 150
1 140
2.72
2.57
2.42
2.32
2.26
2.20
0.431
0.410
0.388
0.384
0.369
0.367
1.362
1.322
1.253
1.228
1.194
1.193
–
–
–
–
–
–
1 070
2.10
0.346
1.139
–
Langlochziegel – keramische Blöcke/Horizontal coring bricks – ceramic blocks
3.85 NF (38% Lochanteil/perforation share)
3.85 NF (41% Lochanteil/perforation share)
4.5 NF (46% Lochanteil/perforation share)
4.5 NF (40% Lochanteil/perforation share)
1 100
1 060
960
1 065
8.33
7.95
8.41
9.32
0.379
0.434
0.375
0.379
1.152
1.274
1.149
1.152
–
–
–
–
–
–
–
1.003
0.968
0.835
Hochlochziegel – keramische Blöcke/Vertical coring bricks – ceramic blocks
5.2 NF (39.6% Lochanteil/perforation share)
4.5 NF (39.6% Lochanteil/perforation share)
9.6 NF (42% Lochanteil/perforation share)
1 105
1 030
880
In Bulgarien werden vorwiegend 3,85 NF (250 mm x 250 mm
x 120 mm) und 4,5 NF (250 mm x 250 mm x 140 mm) keramische Blöcke (Langlochziegel) hergestellt. Das Gewicht
beträgt 7,5 bis 9 kg und die Rohdichte über 1 000 kg/m3.
Diese Erzeugnisse sind wenig wärmedämmend. Rohdichte,
Gewicht und Wärmeleitzahl () ausgewählter, derzeit in Bulgarien verwendeter Ziegel und der Wärmedurchgangskoeffizient U von mit diesen Ziegeln gebauten Wänden sind in
Tabelle 1 dargestellt.
Die bulgarische Baunorm für Außenwände erfordert einen UWert < 0,5 W/m2K, der für Projektierung und Bau von beheizten Gebäuden [7] im sozialen und industriellen Wohnungsbau
vorgeschrieben ist. Die in Bulgarien vorwiegend verwendeten
3,85 NF und 4,5 NF keramischen Lochziegel entsprechen derzeit nicht diesen Anforderungen. In Westeuropa werden zum
Teil deutlich niedrigere U-Werte verlangt und mit den dort
verwendeten Ziegeln auch erreicht (U < 0,3 W/m2K).
Die durchschnittliche Wärmeleitzahl der bulgarischen Langlochziegel liegt bei etwa = 0,35 bis 0,45 W/mK. Die Außenwände in bulgarischen Wohngebäuden sind derzeit 25 cm
stark, gebaut aus Langlochziegeln mit oder ohne zusätzliche
Dämmung aus Polystyrol, Polyurethan, Mineralwolle u.a. Bei
der 25-cm-Wand ist eine wärmedämmende Schicht von 6 cm
Mineralwolle oder 5 cm Schaumpolystyrol notwendig, um
U < 0,5 W/m2K zu erreichen. Der Einsatz einschaliger Wände
ist effektiver. Um mit den Ziegeln die geforderten U-Werte
< 0,5 W/m2K zu erreichen, müssen die Wände stärker ausgebildet oder zusätzlich wärmegedämmt werden.
Interessant sind auch keramische Wandelemente mit integrierter durchgehender Dämmschicht. In Bulgarien werden
„Polynor“-Elemente aus zwei keramischen Blöcken, jeder
90 mm dick und zusammengeklebt mit einer 50-mm-Polyurethanschicht, angeboten. Eine 23 cm dicke Wand aus die-
11.05
10.44
16.50
0.381
0.364
0.390
and ceramic blocks can be divided into the following products [6]:
n High thermal insulation properties: < 800 kg/m3 and
= 0.25 to 0.39 W/mK
n Medium thermal insulation properties: = 800 to 1000 kg/m3
and = 0.39 to 0.45 W/mK
n Low thermal insulation properties: > 1000 kg/m3 and
= > 0.45 W/mK
Mainly 3.85 NF (250 mm x 250 mm x 120 mm) and 4.5 NF
(250 mm x 250 mm x 140 mm) ceramic blocks (horizontal
coring bricks) are manufactured in Bulgaria. The weight is 7.5
to 9 kg and the density lies above 1 000 kg/m3. These products have low thermal insulation properties. Table 1 shows
the density, weight and thermal conductivity coefficient () of
selected bricks used currently in Bulgaria and also the coefficient of thermal transition U of walls built with these bricks.
The Bulgarian building standard for external walls requires a
U-value < 0.5 W/m2K, which is prescribed for the planning
and construction of heated buildings [7] for social, industrial
and residential use. The 3.85 NF and 4.5 NF ceramic perforated bricks used mainly in Bulgaria do not fulfil these requirements at present. In Western Europe significantly lower U-values are called for in many cases and also achieved with the
bricks used there (U < 0.3 W/m2K).
The average thermal conductivity coefficient of the Bulgarian
horizontal coring bricks lies in the region of = 0.35 to
0.45 W/mK. The external walls of Bulgarian residential buildings are at present 25 cm thick, built of horizontal coring
bricks with or without additional insulation of polystyrene,
polyurethane, mineral wool or similar. For the 25 cm wall, a
thermal insulation layer of 6 cm mineral wool or 5 cm foamed
polystyrene is necessary to attain U < 0.5 W/m2K. The use of
single-leaf walls is more effective. In order to achieve the
ZI 3/2004
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required U-values < 0.5 W/m2K with the bricks, the walls must
be made thicker or provided with additional thermal insulation.
Also of interest are ceramic wall elements with an integrated
thermal insulating layer throughout. In Bulgaria “Polynor”
elements are offered, consisting of two ceramic blocks, each
90 mm thick and stuck together with a 50 mm polyurethane
layer. A 23 cm thick wall built using such elements has a Uvalue of 0.476 W/m2K and corresponds to the building standard. However it is too expensive, the organic layer is combustible and ages with time, so that the thermal insulating
properties deteriorate.
Improvement of thermal insulation
Planziegel werden mit einem Dünnbettmörtel vermauert
Calibrated bricks are laid with thin bed mortar
Fotos/Photos: Schlagmann
sen Elementen hat einen U-Wert von 0,476 W/m2K und entspricht der Baunorm. Sie ist jedoch zu teuer, die organische
Schicht ist brennbar und altert mit der Zeit, die wärmedämmenden Eigenschaften verschlechtern sich.
Verbesserung der Wärmedämmung
Die Wärmedämmung der Ziegel kann durch folgende Faktoren verbessert werden:
n Erhöhung des Lochanteiles der Ziegel
n Erhöhte Porosität der keramischen Scherben, d. h. Senken
der Scherbenrohdichte
n Verlängerung des Weges des Wärmestroms im Ziegel
durch kleinere Löcher und dünnere Stege [4, 5]
n Erhöhen der Wanddicke durch Verwenden großformatiger
Ziegel
n Verwenden von Hochlochziegeln mit Nut und Feder, die
ohne Mörtel in den Vertikalfugen vermauert werden
n Verwenden von Leichtmauermörteln mit verbesserter Wärmedämmung durch poröse Zuschlagstoffe oder von plangeschliffenen Hochlochziegeln mit Dünnbettmörtel
Die wärmedämmenden Eigenschaften der Ziegel sind auch
abhängig von den Rohstoffen und der Verfahrenstechnik und
werden unter anderem von der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung, Brenndauer und Haltezeit sowie
Brenntemperatur beeinflusst.
Im NISI (Wissenschaftliches Forschungsinstitut für Bauwesen),
Sofia, wurde experimentell der U-Wert einer 30 cm dicken
Wand gemäß DIN 52611 und ISO-DIS 98892.P bestimmt [8].
Diese Wand aus unporosierten 9,6 NF Hochlochziegeln
(300 mm x 250 mm x 250 mm) mit 42 % Lochanteil hat
einen U-Wert = 0,835 W/m2K. Das Ergebnis zeigt, dass der
geforderte U-Wert mit unporosierten Hochlochziegeln auch
bei der Erhöhung des Lochanteils und einer Optimierung der
Lochform nicht erreicht werden kann.
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ZI 3/2004
The thermal insulation of the bricks can be improved by the
following factors:
n Increase of the perforation fraction of the brick
n Increased porosity of the ceramic body, i.e. lowering of the
ceramic body density
n Extension of the path of heat flow in the brick by smaller
perforations and thinner webs [4, 5]
n Increase of the wall thickness by using large-sized bricks
n Use of vertical coring bricks with tongue and groove,
which are laid without mortar in the vertical joints
n Use of lightweight mortars with improved thermal insulation due to porous aggregates, or plane-ground vertical
coring bricks with thin bed mortar
The thermal insulation properties of the bricks also depend on
the raw materials and the process engineering and are influenced among other things by the chemical and mineralogical
composition, duration of firing and holding time as well as
the firing temperature.
At the NISI (Scientific Research Institute of Construction) in
Sofia the U-value of a 30 cm thick wall was determined experimentally according to DIN 52611 and ISO-DIS 98892.P [8].
This wall of non-porous 9.6 NF vertical coring bricks (300 mm x
250 mm x 250 mm) with 42% perforation share has a Uvalue of 0.835 W/m2K. The result shows that the required Uvalue cannot be achieved with non-porous vertical coring
bricks, even with an increased perforation share and optimization of the type of perforation.
It is urgently necessary to develop and manufacture new
ceramic blocks for 30 cm and 36 cm thick walls with a low
thermal conductivity coefficient (large-sized vertical coring
bricks with low density, increased porosity and perforation
share). Simple single-leaf walls of high quality can be built
quickly and inexpensively with such bricks. The production of
these ceramic blocks with improved thermal insulation properties requires certain changes in the technology. The coal
dusts used at present as combustible additives in the Bulgarian brick industry need to be replaced by other pore-forming
materials. The coals and coal dusts reduce the mechanical
strength and the ash increases the mass of the bricks and
worsens the thermal insulation.
Vertical coring bricks are most suitable. Lightweight bricks are
produced abroad with pore-forming additives: Sawdust –
“Unipor” [9], EPS expanded polystyrene or recycled Styropor
– “Poroton” [9], perlite – “Perlater” [10], “Porotherm” [11],
“Klimaton”, etc. The porosity of the bricks is achieved by the
combustible additives which leave behind micro-pores in the
clay body after firing. Perlite, vermiculite, diatomite, fly ash,
etc. are used as inorganic, non-combustible pore-forming
materials.
Es ist dringend notwendig, neue keramische Blöcke für 30 cm
und 36 cm starke Wände mit einer niedrigen Wärmeleitzahl
(großformatige Hochlochziegel mit niedriger Dichte; erhöhte
Porosität und Lochanteil) zu entwickeln und herzustellen. Mit
solchen Ziegeln können einschalige, einfache Wände von
hoher Qualität schnell und preiswert gebaut werden. Das
Herstellen dieser keramischen Blöcke mit verbesserten wärmedämmenden Eigenschaften erfordert einige Änderungen in
der Technologie. Die zurzeit in der bulgarischen Ziegelindustrie verwendeten Kohlenstäube als brennbare Zusätze sollen
durch andere Porosierungsstoffe ersetzt werden. Die Kohlen
und die Kohlenstäube reduzieren die mechanische Festigkeit
und die Asche erhöht die Masse der Ziegel und verschlechtert
den Wärmeschutz.
Am geeignetsten sind Hochlochziegel. Leichte Ziegel werden
im Ausland mit porosierenden Zugaben hergestellt: Sägespäne – „Unipor“ [9], EPS-extrudiertes Polystyrol oder RecyclingStyropor – „Poroton“ [9], Perlit – „Perlater“ [10], „Porotherm“ [11], „Klimaton“ usw. Die Porosität der Ziegel wird
durch die brennbaren Zusätze erreicht, die nach dem Brennen Mikroporen in den Scherben hinterlassen. Als anorganische, nicht brennbare Porosierungsstoffe werden Perlit, Vermiculit, Diatomit, Flugasche u. a. verwendet.
Mit der Anwendung spezieller Fugenmörtel können die wärmedämmenden Eigenschaften der Ziegelwände weiter verbessert werden. Diese Mörtel enthalten wärmedämmende
Stoffe, sind leichter und haben einen dreimal höheren Wärmeschutz als die üblich verwendeten. Alternativ werden keramische Blöcke plangeschliffen, um die horizontalen Fugen mit
einer dünneren Mörtelschicht (Dünnbettmörtel) vermauern
zu können.
In vielen Ländern werden großformatige Hochlochziegel mit
porösen Scherben für 30 und 36 cm dicke Wände erfolgreich
eingesetzt. In Bulgarien ist es notwendig, dass die derzeit verwendeten Langlochziegel durch solche Produkte ersetzt werden. Für bulgarische Bedingungen ist folgende Zusammensetzung für wärmedämmende keramische Blöcke besonders
geeignet: Ton = 68 %, Flugasche = 10 %, Sägespäne = 20 %,
geblähtes Polystyrol = 2 %. Das Verwenden von Ziegeln mit
verbesserten wärmedämmenden Eigenschaften spart Energie,
hat große ökologische Bedeutung und ist eine gute Investition in die Zukunft.
Literatur
[1] Stefanov, S.: Constructional Ceramics, Sofia, GTZ, 2001 (Bulg.)
[2] Noak, W.: Ziegel Forum – 1998. München, BVDZ, 1998
[3] Erker, A.: Die Wärmeleitfähigkeit des Ziegelscherbens. Zi Ziegelindustrie International, 55, 2002, 10, S. 34–42
[4] Reinders, R.: Wärmetechnische optimale Querschnittsgestaltung
von Hochlochziegeln. Ziegeleitechnisches Jahrbuch 1981. Wiesbaden
– Berlin, Bauverlag, 1981, S. 66–113
[5] Schellbach, G.: Wärmedämmende Außenwandkonstruktionen.
Ziegeleitechnisches Jahrbuch 1981. Wiesbaden–Berlin, Bauverlag,
1981, S. 14–66
[6] Jetchkov, G.; Konstantinova L. et al.: Handbook – heavy clay industry,
Sofia, Technika, 1986 (Bulg.)
[7] Regulation No. 1/99 MRRB. Darjaven vestnik, Sofia, 1999, 7. (Bulg.)
[8] Protokol NISI No. 5–7/588 (Bulg.)
[9] Bender, W.; Händle, F.: Handbuch der Keramik. Wiesbaden–Berlin,
Bauverlag, 1982
[10] Ardizo, G.: Conscientious energy use and the role of clay products. Brick world Review, 6, 2002, 1, S. 58–63
[11] Dezzutti, R.: Remodeling at Wienerberger in Villabruna. Brick
world Review, 6, 2002, 1, S. 64–67
Porosierter Ziegelscherben
Pored brick body
With the use of special mortars for the joints, the thermal
insulation properties of the brick walls can be improved further. These mortars contain thermal insulation materials, are
lighter and provide thermal insulation that is three times
higher than the usual mortar. Alternatively, ceramic blocks
can be plane-ground in order to be able to lay the horizontal
joints with a thinner layer of mortar (thin bed mortar).
In many countries large-sized vertical coring bricks with
porous clay bodies are used successfully for 30 and 36 cm
thick walls. In Bulgaria it is necessary to replace the currently
used horizontal coring bricks by such products. For Bulgarian
conditions, the following composition is particularly suitable for
thermal insulating ceramic blocks: Clay = 68%, fly ash = 10%,
sawdust = 20%,
expanded polystyrene = 2%. The
use of bricks with
improved thermal
insulation
properties saves
energy, is of great
ecological importance and is a
good investment
for the future.
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