承重式互锁结构块和模块化建筑系统的制作方法

本文公开的发明涉及特定的建筑材料，以及这种材料的制备和使用方法。这种材料可以用作用于建筑物和土木工程结构的建造中的结构元件(例如结构块)。

背景技术：

使用掺入了植物添加剂的石灰基粘合剂基质(例如用于制备chanvribloc^tm块的麻类植物)来制造用于砌体的块是本领域已知的方法。

现有技术还公开了在构造诸如房屋和商业建筑物的结构中使用的块，该块可以具有隔热或承重的特性。

wo2014072533公开了具有声称的低热导率的包含植物添加剂的隔热建筑材料，以及这种材料的制备方法和用途。

有利的是存在具有将承重能力与隔热特性结合的组成和构造的结构块。

还将有利的是具有用于为结构块提供附加的加固和张力承载能力的另外的构件。

技术实现要素：

本文公开的发明涉及特定的建筑材料，以及这种材料的制备和使用方法。这种材料可以用作在建筑物和土木工程结构的建造中使用的结构元件(例如结构块)。当这种材料用于结构块的生产时，这种块可以将承重能力与隔热特性结合在一起。

根据本发明的一方面，提供了一种结构块，其可以构造成与结构的建造中的互补块互锁。

根据本发明的另一方面，提供了一种互锁结构块，其包括嵌入块中的多个构件，所述构件的一端延伸穿过所述结构块的一个表面，并且所述构件的相对端中途终止于所述结构块的内部，多个孔在所述结构块中从所述结构块的第二表面延伸，所述孔适于与相邻结构块的延伸端接合。

根据本发明的另一方面，提供了一种互锁结构块，其包括具有相对的上表面和下表面、相对的侧面以及相对的端面的块体，多个构件嵌入块内，所述构件的一端延伸穿过所述结构块的上表面，并且所述构件的相对端中途终止于所述结构块的内部，其中，所述嵌入构件包括沿其长度基本上不可压缩并且有助于在压缩下的结构块的承重属性的材料，多个孔在结构块内从结构块的下表面延伸到结构块的嵌入构件的终止端，所述孔适于与相邻结构块的延伸端接合，至少一个穿孔管嵌入在结构块内，以及至少一个用于容纳电线、管道或公共设施的导管。

根据本发明的另一方面，提供了一种自动对准互锁结构块的系统，该系统包括多个结构块，每个结构块具有相对的上表面和下表面、相对的侧面和相对的端面，多个构件嵌入所述块内，每个构件的一端延伸穿过所述结构块的一个表面，所述构件的相对端中途终止于所述结构块内，多个孔从相对表面延伸穿过结构块，其中，第一结构块的嵌入构件延伸端与第二块的孔接合，以使第二块的嵌入构件终止端与第一块的嵌入构件延伸端直接接触。

另一方面是本发明的互锁结构块在结构的制造中的用途。

其他方面，从以下描述和权利要求中可明显得知本发明的特征和优点。

附图说明

在说明书的结尾部分中特别指出并明确地要求了认为是本发明的主题。然而，可以通过参考以下对不同的实施例和附图的详细描述来最佳地理解本发明，其中：

图1是根据本发明的结构块的前立体图；

图2是图1中的结构块的底立体图；

图3是图1至图2中的结构块的仰视图；

图4是根据本发明的结构块的俯视图；

图5是根据本发明的优选实施例的包括穿过其自身的导管的结构块的前立体图；

图6是图5中的结构块的底立体图；

图7是图5至图6中的结构块的仰视图；

图8是根据本发明的优选实施例的包括打孔支柱的结构块的俯视图；

图9是图8中的结构块的主视图；

图10是图8至图9中的结构块的侧视图；

图11是适于容纳穿过其自身的张紧系统的结构块的立体图；

图12示出适于容纳张紧系统的结构块的多个视图和类型；

图13是包括六角挤压张紧器的张紧系统的优选实施例的立体图；

图14示出通过张紧系统连接在一起的结构块的多个视图和类型；

图15是适于容纳压缩支柱的结构块的俯视图；

图16是图15中的结构块的主视图；

图17是图15至图16中的结构块的侧视图；

图18是适于容纳压缩支柱的另一结构块的主视图；

图19是图18中的结构块的侧视图；

图20是图18至图19中的结构块的后视图；以及

图21-图33示出了使用本发明的块的、根据本发明的建筑物的结构的多个视图。

具体实施方式

本发明涉及特定的建筑材料，以及这种材料的制备和使用方法。当描述本发明时，本文中未明确定义的任何术语或表达应具有本领域技术人员所理解的其公认的定义。就以下描述而言是本发明的特定实施例或特定用途，其旨在仅是说明性的，而不是限制本发明，应给予本发明与整个说明书一致的最宽泛的解释。

本发明的建筑材料旨在用于建筑结构和土木工程结构的结构元件。

在一个实施例中，所述材料用于结构块的生产。在一方面，本发明的块可以设计成将压缩和扭转负荷承载能力与隔热特性相结合。

图1-图4示出了根据本发明的优选实施例的结构块。如图1-图4所示，本发明的每个块均可以包括主体形状，该主体形状构造成为在建造诸如墙壁或房屋的结构时允许其与其他块互锁。这种设计可以为整个结构提供进一步的强度。

在一个实施例中，每个块均可容纳一个或多个嵌入构件。在本领域中，也可以把该构件称为支柱，该构件可以嵌入到块内或在建筑物建造期间插入，并且可以有助于块的承载特性，尤其是有助于块的压缩负荷。嵌入构件的一端可以从块的一侧突出给定的距离，而嵌入构件的相对端可以终止于块内到相对侧的中途。

在另一实施例中，嵌入构件可以与块的表面齐平，并且定位装置也可以用于将构件对准和连接在一起。例如，具有定向夹子的管可以在块之间使用以夹紧相邻的块中的邻接构件的端部。

凹部或开口可以形成在块内并且可以从块内的嵌入构件的终止端延伸到块的侧面的表面，该侧面与嵌入构件突出并穿过的侧面相对。

在一实施例中，嵌入构件的延伸端可以从块体突出的距离大约等于块内的凹部的深度。作为示例，具有8英寸高度的块可以容纳8英寸长的嵌入构件。构件的突出端可以从块的一侧的表面延伸出2英寸，其余6英寸嵌入块内。在块内形成的凹部在构件的相对端处的深度可以为2英寸。该凹部可以从容置在块中的嵌入构件的终止端直接延伸到块的相对侧的表面。

凹部可以具有一定尺寸、形状并且可以彼此间隔开，以便与另一个块的嵌入构件的突出端对齐并且容纳该突出端。这种布置可以类似于互锁的“插头和插座”布置，并且可以用作定位装置，用于相对于附加的块精确地定位块，同时在压缩下还有助于块的承重属性。

当一个块的嵌入构件的突出端定位到第二块的相应凹部中时，该嵌入构件的突出端可以与第二块的嵌入构件的终止端直接接触。因此，块可以说是自动对准的，并且嵌入构件可以说是形成了堆叠结构，堆叠结构形成了承重结构构件。

为了易于组装，块内的凹部所具有的宽度可以比嵌入构件的宽度在尺寸上大一些。在一实施例中，凹部的宽度可以比构件的宽度宽1/4英寸，例如，在凹部的任一侧上(当块和凹部是正方形时，在四个侧面的每一侧上)宽1/8英寸，以容许相邻块的突出构件轻松插入。

任何合适的粘合剂(例如石灰砂浆)可以用于将一个块的嵌入构件的突出端粘合到第二块的相应凹部中。在形成这种粘合时可以比块本身更坚固。

当嵌入构件和相应的凹部互锁时，可以形成有助于块的承重或其他结构性质的分子键。在一些情况下，本发明的块的承载能力可以比空心混凝土块的承载能力大几倍，并且更类似于或超过常规的立柱框架墙结构。

在另一个实施例中，可以在块上产生孔，孔可以等距定位在嵌入构件之间。如图5-图7，孔可以用于形成导管以在例如结构墙内部容纳电线或其他设施。通过将块的内部暴露于例如注入的二氧化碳中，孔也可有利于固化过程。在替代实施例中，一些支柱构件可以是中空的和开槽的。如图8-图10所示，在另一实施例中，附加的穿孔管或支柱可以贯穿地结合在块中。

构件或支柱本身的组成可以包括任何一种刚性的材料或其混合物，对所使用材料的任何偏好均指向了材料的成本考虑和承载能力。在优选实施例中，嵌入构件可以包括任何木材，例如杉木、云杉、松树、雪松等。该元件还可以包括有机或无机纤维的复合材料，例如麻类植物或碳纤维等。在又一实施例中，嵌入构件可包括生物纤维和聚合物(例如聚乙烯、聚丙烯或聚酯)的混合物。也可以使用一些兼容金属。构件或支柱也可以是中空的，例如中空的方块或柱形管。其它材料可包括金属、碳纤维或复合材料、3d印刷或挤出的塑料或任何合适的结构构件。

张紧系统

在一实施例中，本发明的块也可以适于张力承载。如图11-图12所示，块可以进一步适于容纳可以提供张力的张紧系统。在这样的实施例中，块的嵌入构件可以通过构件的长度容纳张紧装置，这种张紧装置通过构件的一端进入并且通过构件的另一端离开。

在一实施例中，张紧装置可以是缆绳，例如是张紧的无法伸缩的不锈钢电缆。在备选的实施例中，该系统可包括杆。

如图13所示，当张紧系统包括缆绳时，除了缆绳之外，张紧端组件可以包括六边形挤压张紧器。

如图14所示，当组装时，每个块的嵌入构件可以与其他块的相应构件对准，以允许存在张紧装置通过多个嵌入构件和块的通路。

这种构造为包括本发明的块的结构提供了另一种紧固装置。特别地，这种构造可以是张力承载，因为块可以通过适于非垂直结构元件(例如地板、墙壁、倾斜或平坦的屋顶表面等)的张力而连接在一起。

在另一实施例中，出于增加由张紧的块形成的结构元件的压缩强度的目的，可以使用称为压缩支柱的附加构件。如图15-图20所示，例如，压缩支柱可以大致垂直地放置在集成到块的主体中的一对现有构件或支柱之间并与之接触，每个块都容纳有作为张紧装置的缆绳。在该实施例中，压缩支柱的应用可有助于保持成对的嵌入构件适当地间隔开，而不需要该块材料中固有的结构，有助于保持相邻成对的张紧支柱和缆绳或杆在其整个长度上大致等距。

根据本发明可以使用其它构件，例如支柱盖和/或安装板。作为示例，支柱盖可以设置在块中，并位于嵌入构件的突出端上方，其中该延伸端从支柱盖突出。

在实际中，在块已经对准之后，在构造之后可以使张紧装置张紧。

当张紧装置包括缆绳时，关于屋顶的张紧过程例如可以包括以下步骤：

(i)可以使用张紧块在平坦的水平表面上组装梁，并且可通过使用缆绳预张紧并且提升到位。或者，需要将支架组装就位并使用缆绳对该块进行后张紧。

(ii)一旦建造了屋顶(减去端盖)，缆绳的非挤压端从屋顶的顶部开始通过嵌入构件供给。

(iii)拉动缆绳。

(iv)缆绳的第二端尽可能靠近六角拉伸器进行挤压。

(v)六角张紧器根据需要尽可能的拉紧。

在一实施例中，张紧装置的频率(例如，组装结构的每一米)可能需要仅根据需求施加以形成地板、屋顶或其它非垂直结构，或者可以是墙壁。

生物纤维结构块

在优选的实施例中，本发明的块的主体可以包含主要为纤维和石灰的组合物。具体地，每个块的组合物可以包含以下组分：

(i)大麻草和纤维

(ii)亚麻纤维

(iii)水硬性石灰

(iv)熟石灰

某些益处可以通过实施包含本发明的优选组合物的块来实现。包括大麻草、亚麻、水硬石灰和熟石灰的组合物可以是环保可持续、可回收的，并且可以从大气中隔离二氧化碳，同时提供优异的隔热性质。

虽然考虑到需要处理的重量，混凝土块可能需要被限制尺寸(例如16英寸)，但是由于本发明的块的较低的密度(例如300kg/立方米)，本发明的块可以具有48英寸或更长的长度，并且可以保持易于处理的状态。

石灰组分可以主要作为粘合剂，将其它组分保持在一起。然而，例如当需要更强的粘合剂的情况下，任何合适的粘合剂在实例中可以被取代。合适的替代粘合剂可包括基于聚合物的试剂，例如硅砂、火山灰、聚酯树脂或硅酸盐或类似的水泥或石膏。这样的替代试剂也可以与优选实施例中的石灰组分组合使用。

大麻草和纤维组分可以为块和块中的结构构件提供隔热性能、体积、支撑和强度。然而，可以在替代方案中使用可以提供类似的期望性能的任何替代材料或材料的组合物。一些有机替代物包括纤维材料，例如玉米原料、谷物、稻草等。大麻草是优选的材料，主要是由于其相对于其他纤维的隔热性质。

备选地，可使用非有机材料(例如泡沫聚苯乙烯/聚苯乙烯)或不可回收塑料。这些材料也可以以粉碎形式使用。也可以结合或取代结构纤维(取向纤维素绳、塑料、金属或碳丝)。这些非有机替代物的应用可以提供额外的优点，这是因为这些不可循环材料可以与环境隔离，或者可以向该块添加不同的品质(强度、导电性、电或rf屏蔽、噪声减除等)。

可回收和可持续

优选实施例的组合物包括大麻草、亚麻、水硬性石灰和熟石灰。主要的纤维-石灰组合物是有机的，并且由生物可循环材料组成。当使用这种块的结构的使用寿命结束时，其组分可以再循环。例如，可以将整个块碾碎并重新混合以用于进一步的后续应用。

组合物的组分也是可持续的。例如，大麻草除了其有利的性质外，还容易供应，并且用很少的水和肥料就能够非常快速地生长。

通过优选实施例的纤维-石灰组合物可以实现其它有利的性质。特别地，这种组合物允许建筑物“呼吸”。空气和湿气可以以非常慢的速率进入和离开该块。可以不要求使用蒸气屏障。

组合物还可以耐霉菌、白蚁和其它害虫。

由于大麻草和石灰混合物或其它组合物的性质，使用优选实施例的块状组合物的结构可具有耐火性。

在另一实施例中，本发明的块还可用石灰涂层涂覆。本发明的块可以涂覆有几个(例如五个或更多个)石灰涂层。

使用本发明的块的结构可以结合成单块。这种性质在易于发生地震、飓风或龙卷风的地区尤其有利。

还可以实现防水或防潮性能，特别是通过使用石灰组分时。石灰组分还可以允许优选实施例的块自身“愈合”。例如，当其受潮时，石灰涂层中的裂纹可随时间而闭合。

二氧化碳的隔离

包含本发明的优选组合物的块的二氧化碳隔离特性允许从地球大气中移除和隔离温室气体二氧化碳。

随着植物的生长，组合物的大麻草组分可以以大于约20吨/公顷的速率隔离二氧化碳。

据估计，优选实施例的大麻草-石灰组合物块具有每立方米捕获/吸收大约100千克二氧化碳的能力。石灰组分可以使用二氧化碳来固化并凝固混合物。例如，包括这种块的普通房屋在块生产期间可以捕获大约13,000千克的二氧化碳，并且可以继续吸收二氧化碳大约100年。

制造方法

可以通过使用模制工艺的手段来实现对本发明的块的制造。

在制造期间，可以把嵌入构件或支柱切割成所需的长度，例如长度为8英寸。可以穿过这些构件主体的长度进行钻孔，这些孔将用作用于张紧装置的导管。

在夹具中将所需数量的支柱和穿孔管放置到模具中的所需位置处。

包含块组合物的组分的混合物可以组合并混合。然后可以将混合物例如倾倒、喷射或注射到模具中。

可以将组合物压缩和/或加热并使其凝固。在固化过程中，可以注入二氧化碳或二氧化碳可通过(或通过固化块内的导管)固化块，这可以减少固化时间。根据所使用的石灰组合物，该块也可以在高压釜中固化以控制温度、湿度和二氧化碳环境。

在制造时可以将石灰涂层涂覆到块的内表面和外表面，这可以增加块的强度并减少建造的完成时间。

本发明的块可以预先制造，然后根据需要在现场切割。

建筑结构及相关材料

如图21-图33所示，本发明还公开了结构和相关的建筑材料。

在优选的实施例中，这种建筑材料可以包括如本发明中公开的块。因此，在本发明的结构中使用的块可以承重、张力承载和隔热。

所使用的块可以具有标准的建筑结构尺寸。高度、宽度和长度可以根据应用、定向和所需的隔热要求而变化。例如，用于结构的墙壁的块可以是标准的11”厚和8”高，同时在长度上变化。屋顶结构块可以是12”高和16”宽。

在运输到预期的建筑工地进行组装之前，建筑材料也可以是预先制造的。

下面通过示例提供了1400平方英尺的房屋结构。

墙壁块

墙壁块可以具有标准的高度和宽度，并且在长度上可以变化。墙壁块可以是标准的11”深和8”高，并且可以在长度上变化。下面的总数计入了可以在现场切割的块。

4”:8

8”:12

12”-2支柱：13

12”-2支柱：29

16”:7

20”:13

24”:63

32”:97

36”:43

48”:644

总的墙壁块数：929

48”墙起始条-(可由加压处理的胶合板制成)：65

屋顶块

r＝屋顶

ed＝边缘(总是48”)

s＝起始

e＝结束

p＝顶点

总数计入了可以在现场切割的块。

r24’:1

r32”:2

r48”:198

red:20

re24:2

re32:1

re48:19

reed:2

rs24:1

rs48”:23

rsed:2

rp24”:2

rp48”:21

rped:2

屋顶总块数:296

梁块

标准16”:36

16”端块：1

16”端盖：2

标准12”：4

12”端盖：1

梁块总块数：44

结构带

结构带可以是透气的，并且在一个实施例中，结构带可以由16号不锈钢网制成。

屋顶/墙体结构带：23

顶带：30

方形网状带：25

结构支架：5

木材(粗切割，除非另有说明)

12”梁下，11/2”×12”×12”：1

16”梁下，15/8”×12”×16”：2

2'x6'屋顶起始块支架(1每个)：

37’–8”长

35’–8”长

11’–8”长

2’长

2×6窗/门头和门脚(布置好的)：

6’–4”长:2(主卧室的窗户)

9’长:2(客厅窗户)

5’long:1(前门)

8’-4”长:1(后门/后窗)

3’–8¹/2”长:1(后窗脚)

6’长:4(卧室窗户)

2×4窗户/门饰(布置好的)

6’–8”长:4(门)

3’–4”长:8(窗户–非客厅)

4’–8”长:2(客厅窗户)

紧固件

所使用的紧固件应当与石灰构造相互兼容，并且紧固件可以包括不锈钢或陶瓷涂覆的紧固件。

结构的涂层

在本发明的一实施例中，石灰砂浆或另一种合适的砂浆可以在与另一块表面相邻的所有块表面上进行刷涂。因此，这可以产生整体和密封的结构。

本发明的结构的内墙可以是石灰打底，石灰打底可以是有色的或已在其上涂覆的透气涂料。在备选的实施例中，不需要对内墙进行进一步的涂覆。在另一实施例中，内墙也可以覆盖有面板样式的石棉水泥板、薄木片或砖块，优选地在砖块和内面板之间构造有大约最小1”的气腔。

本发明的结构的外墙可以具有涂覆的平坦的涂层生物纤维涂层和石灰涂层。这样的涂覆可以增加整体质量和建筑强度，具有更光洁的外观以及不褪色或耐褪色的光洁度。在另一实施例中，外墙可以具有砂浆涂覆或“灰泥外观”。这种涂覆也可以增加整体质量和建筑强度，具有更光洁的外观和不褪色或耐褪色的光洁度。在另一实施例中，可以使用典型的墙板砖镶面和其它不可渗透的材料，并且距离块表面应保持最小1”的空间。在另一实施例中，不需要对外墙进行进一步的涂覆，并且块可以在外墙上形成有装饰性外表面。块可以具有用于装饰或其它目的(例如吸声、隔水、光反射率等)的压花表面或图案化表面。

本领域已知的任何屋顶材料可以与本发明结构的屋顶结合使用。如果使用不透气的材料，在非呼吸材料和屋顶块之间应该有大约一英寸的最小空间。在一个实施例中，可以涂覆屋顶，例如用7号涂层、100年石灰涂饰。在备选的实施例中，屋顶还可包括可能不需要气腔的生物纤维透气式“粘土状”砖。

优选提议的块的优点

本发明的最优选实施例将具有一些或所有以下特征：

·强大的承重能力

·优异的隔热性能r26至r40或λ＝0.07w/m.k，具有100％热断层

·优异的防火等级

环境可持续，零碳排放或负co2建筑材料类别

·良好的热惯性和热质量特性，以调节室内温度

·优异的空气和湿气渗透性

·符合现有的建筑标准和尺寸，使承包商和建筑师能够轻松实施。可以使用常规的紧固件，例如不锈钢或陶瓷涂层螺钉

·重量轻，易于操作，无需熟练工人进行施工装配

·建造速度快，建筑墙体不受天气影响，可以立即进行抛光。工厂准备的表面需要最低限度的内部和外部抛光

·标准尺寸可允许在现场进行机器人或机器辅助装配

·在块内使导线管路进行集成，以适应电气和公用设施

在前面的描述中，为了解释的目的，阐述了许多细节以便提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，这些具体细节不是为了实施本发明所必需的。

本发明的上述实施例仅旨在作为示例。在不脱离本发明范围的情况下，本领域技术人员可以对特定实施例进行改变、修改和变化。