CN1902364A - 预应力、坚固的泡沫玻璃砖 - Google Patents

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Abstract

一种用于建筑物的预应力、坚固的泡沫玻璃砖。本发明的预应力、坚固的泡沫玻璃砖，由于它们的比较高的抗压强度，可以耐受比较大的预应力。与传统的泡沫玻璃砖相比，这些预应力、坚固的泡沫玻璃砖将会吸收和/或耐受来自于爆炸的更多的能量，耐受更高的热负荷和风载荷以及其它的机械力。本发明的泡沫玻璃砖足够强，能够施加超过1000psi(lb./sq.in.)的预应力，更优选地，能够施加超过2,000、3,000、4,000以及甚至更加优选地超过5,000psi的预应力。可以作为预应力组件的一部分包含本发明的预应力、坚固的泡沫玻璃砖。所述预应力组件可以包括两个金属构件，一个或多个预应力、坚固的泡沫玻璃砖，以及诸如张紧螺栓和/或金属丝等张紧构件。

Description

预应力、坚固的泡沫玻璃砖
技术领域
本发明总的涉及用于建筑构造中的建筑材料。更具体地说，本发明涉及带预应力、坚固的泡沫玻璃砖以及由其制造的组装品，所述泡沫玻璃砖用于建筑构造及其它目的。
背景技术
过去几十年间，已有多次恐怖分子对美国国外和国内的属于美国和其它国家政府的建筑物发动袭击。例如，在1993年，恐怖分子在纽约的世界贸易中心的车库内爆炸了汽车炸弹，造成了生命损失和重大的财产破坏。此后，在1995年，另外的极端主义分子在位于Oklahoma(俄克拉荷马)州的Oklahoma(俄克拉荷马)城联邦政府大楼的外面，爆炸了一辆卡车，也造成了重大的生命和财产损失。在1998年，美国在Nairobi(内罗比)和Dar Es Salaam(达累斯萨拉姆)的大使馆遭受了汽车炸弹的袭击，每一次都造成了重大的生命财产损失。最近，在纽约世界贸易中心和Virginia(弗吉尼亚)的五角大楼的悲剧事件，进一步强烈地令人感到需要开发和制造能够耐受来自于汽车炸弹爆炸和其它类似的恐怖袭击的冲击波的建筑材料。
传统上，很多建筑物的支承结构用钢筋混凝土制成。在有些情况下，当需要更坚固的材料时，使用预应力混凝土。例如，预应力混凝土已经用于房屋、地下建筑、电视塔、浮动储藏库和近海构造物、发电厂、核反应堆容器以及各种类型的桥梁系统，包括分段拼装式桥梁和斜拉桥。一般认为，在相同的跨度和负荷条件下，当深度较浅时，预应力混凝土比钢筋混凝土更有利。当需要较轻的材料时，预应力混凝土也被认为优于钢筋混凝土。预应力混凝土，由于其附加的强度，需要较少的混凝土和较少的加强物。不幸的是，预应力操作本身却导致附加成本：由于预应力部分的几何形状通常是由具有薄的腹板的带凸缘的部分构成的，所以，模板更加复杂。从而，需要一种建筑材料，所述建筑材料能够获得预应力混凝土的附加的强度，但却重量较轻、因此需要较少的支承结构。较轻的支承结构可以在相同的基底面内增加可用空间、和/或增加可以被支承的地板的数目、和/或耐受更大的冲击力，例如地震引起的冲击力。典型地，预应力混凝土会含有水，或者是该预应力混凝土的制造过程的结果，或者是由于水从混凝土的外部进入造成的。由于水的存在，通常用钢或其它腐蚀性金属制成的对混凝土施加预应力的受拉构件会发生锈蚀，从而使结构变弱。进而，由于这种水的存在，当预应力混凝土暴露在典型的热/解冻循环中时，所述预应力混凝土会发生破裂。并且，由于水的存在，在发生火灾的情况下，由于形成水蒸气，预应力混凝土会遭到破坏。采用预应力混凝土的另一个缺点是，这种预应力混凝土只有有限种类的美学上的外观。
尽管利用泡沫玻璃作为建筑材料的概念在现有技术中是公知的，但是，一般地，这种泡沫玻璃用作高温隔热体，因此，寻求将其密度和重量最小化，不适合于吸收来自于意外的爆炸的大量的能量，或者抗拒地震和/或大风和热负荷。现将描述在这种传统的泡沫玻璃中与这种长期存在的问题相关的缺点。
例如，美国宾夕法尼亚州匹兹堡的Pittaburgh CorningCorporation(“PCC”匹兹堡康宁公司)开发上市了一种称为FoamGlasInsulation System的产品，所述产品在美国专利U.S.Pat.Nos.3,959,541，4,119,422，4,198,224，4,571,321和4,623,585中进行过描述。由于这些开发的焦点集中在制造泡沫隔热材料，所以由PCC作为商品出售的Foam GlasInsulation System砖比较轻，重量为9.5lb./cu.ft.。进而，由于这种砖的目的是用于隔热，所以它缺乏表面强度，并且很容易使之凹陷。由于Foam GlasInsulation System砖密度相对较低的，例如，9.5lb./cu.ft.，当典型地对于外墙所要求的力作用到建筑物或其它构造物上时，这种砖很容易破裂。从而，这种砖不适合于用作外墙的砖。类似地，当暴露在由爆炸引起的冲击波内时，这种泡沫，当其向内破裂时，很少吸收冲击波的能量。冲击波是与爆炸相关联的一种度量，作为由爆炸造成的压力波前，熟悉本领域的人员是很容易理解的。
另外有的人，试图利用泡沫玻璃砖作为建筑物的外表层面。例如，美国专利U.S.Pat.No.5,069,960揭示了一种隔热泡沫玻璃砖，所述泡沫玻璃砖涂敷有一层外表面，制成硬的表层，以便保护建筑物的外面。所揭示的砖，制成非常成小的尺寸，即，18cm×18cm×6cm，构成大块材料的内部泡沫材料一般是低密度的。值得注意的是，这里并没有指出所揭示的材料的强度能够吸收来自于爆炸的足够大的能量，实际上，所揭示的砖的尺寸，并不能很理想地适合于吸收这种能量的。进而，这里也没有指出采用小尺寸的孔隙。
如美国专利U.S.Pat.No.4,430,108所述，发明人和其它人所进行的以前的工作，已经开发了制造很宽范围的各种密度的适合于用作建筑材料的泡沫玻璃砖的方法。尽管所揭示的技术和方法能够制造在当时是标准的尺寸的4.25in.×4.25in×0.25in.的砖，但是，该专利并未讲授如何制造大尺寸的砖，例如，2ft.×2ft.×3in.的砖。类似地，按这些方法制造的砖比较轻，例如，小于10lb.，并且，不是制造成用来耐受爆炸的作用。相反地，这些方法寻求的是将材料的隔热性能最佳化，从而将其制造成较小、较轻和不太坚固的砖。
尽管还有其它人致力于尝试制造某些大尺寸的多孔状体，但是，与本发明相比，这些多孔状体其临界尺寸较小，其密度较低，不适合于吸收冲击到这些物体上的与爆炸或地震相关联的冲击波。例如，美国专利U.S.Pat.No.5,151,228描述了一种通过膨胀制造低密度大尺寸的多孔状体的工艺，用于制造大尺寸多孔混凝土结构构件，例如，重量轻的多层楼高墙构件。在该例子中，揭示了一种8.2ft.×1.64ft.×2in.的砖，其密度为26lb./cu.ft.，其质量为60lbs.。该专利还讲授了获得低密度，以便将隔热性能最佳化。从而，当这种泡沫暴露在来自于爆炸或地震、或者热或风的负荷或者任何一种应力的冲击波中时，当其向内爆裂时，这种泡沫很少吸收冲击波的能量。
进而，其它人，例如，如美国专利U.S.Pat.No.4,798,758中所揭示的，日本的Central Glass Co.Ltd.，of Ube，Japan，试图利用在0.3～0.6g/cu.cm(或18.7至37.4lb./cu.ft.)的范围内的密度，制造泡沫玻璃。该专利‘758阐明，为了制造更坚固的泡沫玻璃，还添加密度在0.8～1.7g/cu.cm、厚度为1.5～20mm的外层。在所展示的例子中发现，从其可切割性和抗冲击性的观点出发，由于其表面上具有可感觉到的断裂及有时有裂缝、从而不能提供封闭的孔隙表面等其它原因，所有重量超过30lb.的样品都是不可接受的。进而，Central Glass Co.Ltd.后来的专利U.S.Pat.No.4,833,015阐明，‘758专利所述的砖的垂直于表面的抗拉强度很差，即，低于150lb./sq.in.，从而，不适合于本发明的目的。尽管如‘015专利所述，为了改进产品的强度，在加上的第三层之后，所能达到的抗拉强度也低于200lb./sq.in.，不适合于本发明的目的。
Central Glass Co.Ltd.作了其它努力，试图制造更高密度的玻璃砖，例如，参照美国专利U.S.Pat.No.4,992,321。但是，这些砖看来并不是封闭的孔隙结构，并且没有指出它们的强度。实际上，为了增加强度采用了填充材料，但没有提供数据。进而，所描述的砖也非常薄，为33mm(或者1.3in.)。
还有一些人试图制造具有小的孔隙尺寸的泡沫玻璃砖。例如，美国专利U.S.Pat.No.5,516,351指出了孔隙尺寸与热阻率的关系，其中，最好的孔隙尺寸总是大于1.0mm。类似地，密度总是小于12lb./cu.ft.。其它采用小孔隙尺寸和大密度的努力，例如美国专利U.S.Pat.No.3,951,632和4,758,538，在获得与本发明可比的强度方面遭到失败，并且没有揭示达到如本发明所揭示的那样的封闭的孔隙的表层。
过去，尽管已经制造了钢化玻璃，例如用于风挡中的钢化玻璃，但是，还没有人成功地制造出像本发明中这样的预应力泡沫玻璃砖。类似地，在美国专利U.S.Pat.No.4,024,309中提出预应力泡沫玻璃厚板，但是，所揭示的达到这种预应力的方法却是不能实行的。具体地说，专利‘309揭示了一种工艺，借助该工艺，通过拉伸使外部金属片处于张力之下，而泡沫玻璃则形成在外部金属片之间。不幸地是，形成这种泡沫玻璃时的温度，会引起与之接触的外部金属片伸展，从而会将预期的张力释放。这样，所揭示的工艺将是不可能实行的。进而，在专利‘309中所揭示的方法，对泡沫玻璃采用水冷，这将导致外缘在其内部之前经受玻璃化转变，从而，由于和固态的外部相比，液态的中心的热膨胀系数较高，会导致内部的收缩，这将使得最终的产品在中心部受到张力而不是像所希望的那样受到压力。从而，即使所得到的产品不会由于这种张力而破裂，预应力也与所希望的相反，只能使最终的产品非常脆弱。
和上面描述的现有技术不同，恰当地设计并用各种材料制造本发明的砖，使这种砖具有能够很好地耐受与大的爆炸相关的冲击波的性质，或者使建筑物或其它构造物能够抗拒地震和其它冲击波。
因此，虽然现有技术是有价值的，但是现有技术的已知的方法和设备存在着一些限制，本发明寻求克服这些限制。特别是，本发明的目的是提供一种带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖，所述玻璃砖可以用于建筑材料或其它方面。
本发明的另外一个目的是提供一种带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖，所述玻璃砖比预应力混凝土轻。
本发明的另外一个目的是提供一种带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖，所述玻璃砖比预应力混凝土更坚固。
本发明的进一步的另外一个目的是提供一种带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖，所述玻璃砖能够比预应力混凝土耐受更到的温度。
本发明的另外一个目的是提供一种带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖，与预应力混凝土相比，所述玻璃砖很少允许渗水，从而，保护支撑构件并且防止由于冷冻/解冻循环造成的开裂，并且在发生火灾的情况下，防止混凝土内部的蒸汽爆炸。
本发明的进一步的另外一个目的是提供一种带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖，所述玻璃砖与水泥、钢或其它建筑材料相接合，可以用在具有高的恐怖袭击的危险性的建筑物的关键性的表面上。
本发明的进一步的另外一个目的是提供一种带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖，所述玻璃砖可以获得各种各样的美观的外观。
这些目的和其它目的，由前面的描述中将会变得更加明显。
发明内容
现已经发现，本发明的上述目的和相关的目的，以供建筑用的带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖的形式来获得。本发明的带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖，由于其相对高的抗压强度，所以能够耐受比较大的预应力。与其它的泡沫玻璃砖相比，预应力泡沫玻璃砖能够吸收和/或耐受更多的来自于爆炸的能量，耐受更高的热量和风荷载及其它机械力。本发明的泡沫玻璃砖足够坚固，可以被预加应力超过1000psi(lb./sq.in.)，更优选地，超过2,000、3,000、4,000甚至更加优选地超过5,000psi。
在本发明的另一个实施例中，本发明的预应力、坚固的泡沫玻璃砖可以作为供建筑物和其它构造物使用的预应力组装件的一部分。所述预应力组装件可以包括：至少一个预应力泡沫玻璃砖，该玻璃砖具有1000psi或更大的预应力压力；至少两个金属梁；一个或多个张紧构件；其中，所述至少一个泡沫玻璃砖位于所述至少两个金属梁之间，并且被所述一个或多个张紧构件以至少1000psi预应力保持在压缩状态。或者，所述至少一个预应力泡沫玻璃砖的预应力压力为2000psi或更大，优选地，为3000psi或更大，更优选地，为4000psi或更大，以及更加优选地，为5000psi或更大。或者，金属构件可以在所述砖的内部，部分地在砖的内部，和/或在所述砖的外部。本发明的预应力泡沫玻璃砖也可以处于由建筑物的重量的一部分造成的压力之下。预应力组装件可以是建筑物中的柱。金属梁可以由钢或任何其它合适的金属构成。张紧构件可以由张紧螺栓、金属丝、碳纤维、标准和/或紧密的七股金属丝预应力绞绳、杆、角铁、板、棒和/或其它在本领域中公知的用于引起预应力混凝土的压力的器件。为了引起将要施加到组件上的应力，可以在组装之前将金属梁拱起。或者，所述组件可以进一步包括两个带有斜缘的金属块，所述金属块位于所述至少一个泡沫玻璃砖与每一个金属梁之间。所述至少一个泡沫玻璃砖可以包括一个或多个预应力泡沫玻璃砖的列，和/或一个或多个预应力玻璃砖的排。所述至少一个泡沫玻璃砖可以进一步包括两组泡沫玻璃砖，所述张紧构件位于所述两组泡沫玻璃砖之间。
附图说明
通过结合附图对于本发明的优选的、用于说明的实施例的详细描述，将会对本发明的上述以及相关的目的，特征以及优点得到更全面的理解，其中：
图1表示本发明的一个实施例的侧视图，其中，一个预应力泡沫玻璃砖处于由砖的外部的张紧螺栓产生的压力之下；
图2表示本发明的一个实施例的侧视图，其中，三个预应力泡沫玻璃砖处于由砖的外部的张紧螺栓产生的压力之下；
图3A表示本发明的一个实施例的侧视图，其中，两个预应力泡沫玻璃砖处于由砖的内部的张紧螺栓产生的压力之下；
图3B表示图3A的沿着砖52A的中间的剖面图；
图4A表示本发明的另外一个实施例的剖面图，其中，两组泡沫玻璃砖处于由它们之间的张紧螺栓产生的压力之下；
图4B表示图4A的沿着砖62A和62C的中间的剖面图；
图5A表示本发明的另外一个实施例的剖面图，其中，两组泡沫玻璃砖处于由它们之间的张紧螺栓在两个方向上的压力之下；
图5B表示图5A的沿着砖72A和72C的中间的剖面图；
图6表示本发明的另外一个实施例的侧视图，其中，多个泡沫玻璃砖处于建筑物中两个地板之间的压力之下；以及
图7表示作为三点弯曲试验的位移的函数的力的曲线图，其中，对未受应力的例子7与利用施加预应力的例子7的本发明的组件进行比较。
具体实施方式
本发明涉及带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖，其可以用作建筑材料等。本发明可以和水泥、钢或其它建筑材料结合，用在具有恐怖袭击的高危险性的建筑物的关键性的表面。本发明也可以用在典型的建筑物的表面上和/或用作这种建筑物的结构支撑构件。本发明可以代替钢筋混凝土和/或预应力混凝土，用在包括但并不局限于房屋、地下建筑、电视塔、浮动储藏库和近海构造物、发电厂、核反应堆容器以及包括分段拼装式桥梁和斜拉桥的各种类型的桥梁系统的各种应用中。本发明具有更能耐受地震和/或风载荷和热负荷的优点。
属于本申请人的与本申请同一天提出的共同待审美国专利申请中，揭示了一种坚固的、高密度、具有小的孔隙尺寸的泡沫玻璃砖，该玻璃砖，具有从775到2500lb./sq.in.范围内的抗拉强度和从2000到14,600lb./sq.in.的压缩强度，在这里，通过引用将所述专利申请结合到本申请中。这种以前在泡沫玻璃砖中难以达到的强度，使得能够将与预应力混凝土相关的技术应用到预应力泡沫玻璃砖中。本发明把注意力集中在这种新的从前不可能的用途。在本申请中，详细揭示如何制造这种砖。
有很多可能的方法制造具有各种密度、尺寸、和表面光洁度的陶瓷泡沫面板。美国专利No.4,430,108描述了利用飞灰和其它添加剂制造的具有各种密度和表面光洁度的各种泡沫玻璃制品，该专利所揭示的内容，通过参考而结合在这里。类似地，由相同的受让人(assignee)于2002年，2月15日提出的共同待审申请系列号No.10/076,971，也揭示了制造本发明当中有用的另外的工艺，该申请所揭示的内容，通过引用结合到本申请中。可以通过改变泡沫剂的组分以及类型和浓度来制造具有不同密度的泡沫玻璃。在发泡过程中，玻璃的粘度是主要参数。另外，孔隙的结构及其均匀性依赖于泡沫剂的分布状态和颗粒的大小。
在本发明的另一个实施例中，泡沫玻璃砖优选具有封闭的孔隙外表层，从而，提供一种具有增大的强度的砖，保护该砖使之防水并耐受冷冻、解冻循环。封闭的孔隙外表层可以如美国专利No.4,430,108所讲授的那样自然地形成，也可以如美国专利No.5,069,960所讲授的那样，通过粘结辅助玻璃表面来机械地形成，所述专利的内容，通过引用而结合在这里。或者，可以根据美国专利No.4,833,015的讲授形成封闭的孔隙外表层，其内容在这里通过引用加以结合。自然形成是有利的，因为不要求额外的人工和质量控制，从而具有更高的成本效率和较低的烦杂性。利用辅助玻璃表面也可能是有利的，因为这种技术允许封闭的孔隙外表层具有各种颜色和纹理变化，在将其用作建筑物或其它构造物的外部或内部的立面时，将会使该砖在建筑学上更加吸引人。制造不同颜色的表面的一种方法是使用不同的着色剂，如熟悉本领域的人员所公知的那样。
【0029】本发明的高密度的泡沫玻璃砖的另外一个优点是，当它暴露在爆炸冲击波中时，它可以吸收冲击波的相当大的部分。因为这些砖能够吸收爆炸冲击波的相当大的部分，所以，对于处在暴露在爆炸的危险之中的建筑物的内表面和外表面的建筑材料是特别有利的，所述暴露在爆炸的危险之中的建筑物例如为政府建筑物，大使馆以及显著/著名的建筑物等。
泡沫玻璃砖的颗粒尺寸、厚度和密度的选择依赖于该砖的使用目的。例如，如果想要将砖用于抵抗地震，则应当将砖优化使之重量最轻，能够耐受风压。相反，如果想要将砖用于保护建筑物或构造物使之免受与爆炸相关的冲击波，则应当将砖优化，增加其密度并缩小其孔隙尺寸，使之足够牢固，以便耐受这种冲击波，或者反过来使之吸收这种冲击波。所需厚度依赖于暴露的砖距潜在的爆炸位置的接近程度。例如，在建筑物的外面，所需要的厚度应当考虑到砖离带有爆炸物的汽车或卡车可能停放的最近的位置的距离。另一方面，在建筑物的内部，例如支撑柱，所预期的接近程度应当紧靠着该柱，尽管能够预期的爆炸荷载有可能很小。
为了美学的目的，可以将带有精制层的砖用于公众观瞻的任何表面对象上。因此，如果只有一个表面暴露于公众的视野内，则只有该表面需要带有带有精制层的砖。另一方面，如果本发明所要保护的墙的两侧都被公众看到，则可以在第二个暴露侧，例如在建筑物的内部，使用带有适当的精制层的第二种砖。或者，也可以利用其它的内表面。
本发明的砖的另外一个优点是，这种砖是隔热的，而且是防火的。因此，这些砖具有额外的优点，它能够用于保护支撑柱免受恐怖分子开火袭击，例如，Moltov鸡尾酒，或其它火源。从而，利用本发明的砖可以保护和/或推迟这种支撑柱的毁坏，因此，增加使被袭击的建筑物的居住者有足够的时间进行疏散的可能性。
在优选实施例中，本发明的砖可以利用包括(但并不一定局限于)以下材料的原料制造，所述材料为：硅石，飞灰，火山灰，硅藻土，硅土矿物，碱金属碳酸盐，钙矿石和镁矿石，如白云石和石膏，硅酸钠，硼砂，玻璃粉末(例如碎玻璃)和发泡剂。发泡剂可以选自如糖和淀粉等含碳的有机物，碳黑，碳化硅，碳酸盐，硫酸盐及其它类似的材料。
在本发明的另外一种实施例中，泡沫玻璃砖可以利用金属丝网、金属丝或者如美国专利No.4,798,758，4,833,015，4,987,028，和4,992,321所描述的其它可供选择的支撑结构进行加强，所述专利文献的内容，在这里通过引用加以结合。另一方面，尽管这些附加的材料会有助于增强所获得的泡沫玻璃砖，但另一方面，这些材料也会使之更难切割。
在图1所示的一个实施例中，表示出预应力组件10。该预应力组件10包括带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖12，两个钢梁26，两个钢片28，和两个带有相关的螺母22和垫圈20的张紧螺栓18。该带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖12根据前面讨论过的属于本申请人的与本申请同一天提出的共同待审美国专利申请教示形成，带有安装在泡沫玻璃砖12的四侧的每一个上的应变片14，以及从应变片14引出并连接到应变测量机(未示出)上的金属丝16。在该实施例中，应变片14应当靠近砖12的四个侧壁的大致中心放置。应当对砖12的顶面和底面32进行研磨使之平滑和平行，以避免向砖12上不均匀地施加应力。两个钢片28靠近砖12的顶面和底面32放置。两个钢梁26则依次置于钢片28的外表面上。钢梁也可以由其它适当的坚固和坚硬的建筑材料代替。两个钢梁26被两个具有螺栓头24和相关的螺母22以及垫圈20的张紧螺栓18螺栓连接在一起，钢片28和泡沫玻璃砖12位于所述两个钢梁之间。或者，代替使用螺母，以熟悉本领域的人员公知的方式焊接或其它方式紧固张紧螺栓也可以被认为是很理想的。每个钢片28，在其远离砖12并靠近钢梁26的侧面上包括斜缘30。当螺母22和螺栓24被拧紧以向钢梁26施加压力时，钢梁26将会弯曲。为了避免向泡沫玻璃砖12上传递不均衡的应力，钢片28设置有斜缘30，以便当螺母22被拧紧时允许钢梁26弯曲，并避免将钢梁26的弯曲传递给砖12。或者，可以使钢梁26构造成适当的拱形，以便避免在钢片28上设置斜缘30的必要性，并且可以完全不必设置钢片28。应当选择具有螺栓头24和螺母22的螺钉18，以便具有足够强度，从而施加对于所选择的泡沫玻璃砖12所需要的预应力。
为了确保均匀地施加应变，监测由应变片测量的应变。具体地说，应当对靠近张紧螺栓18的砖12的侧壁上的应变片14进行监测，以确保均衡地施加应力。例如，应当在螺栓头24被保持固定状态下将螺母22拧紧，以便保持应变片14大致上是均匀的，尽管不必是精确相同的。重要地是，在对于特定的结构开发出适当的紧固协议之前，为了确保均匀的紧固，使应变片位于靠近每一个张紧螺栓处是很有用的。
在图2中，表示本发明的另外一个实施例。这里，除了在钢梁26/钢片28之间有多个带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖12A、12B、12C之外，预应力组件10A包括与图1所示的预应力组件10相同的部件。尽管在图2中表示出三个砖，但是，砖的数目可以根据砖的尺寸和地板的高度而变化。例如，如果采用2英尺×2英尺×某一厚度的砖，并且地板之间的距离为10英尺，则如通常在很多建筑物中的情况那样，可以代替图2中所示的三个砖，而采用五个砖。类似地，在地板之间的距离为12英尺的情况下，可以采用相同尺寸的六个砖。但是，即使地板之间的距离不与偶数倍的砖高度匹配，也可以将本发明的砖切割成应有的尺寸，只要通过如上面关于图1所讨论那样的研磨和/或抛光或者一些替代的等同的平整方法，使顶面和底面保持平坦的即可。进而，在泡沫玻璃砖之间，应当提供平滑或平坦的表面。
也可以利用其它固体层经由连接化合物连接泡沫玻璃砖。例如，可以在金属片和泡沫玻璃之间应用适当的接触粘合剂。一种可以用于铝片的这样的粘合剂，是以硅酮为基础的粘合剂。其它例子是在泡沫玻璃和其它衬底材料之间应用聚合物泡沫，以便保护聚合物泡沫。聚氨酯泡沫和水泥板是这类多层衬底的例子。聚氨酯泡沫的优点在于，可以将其适当地应用到预定位的泡沫玻璃板与覆盖衬底层之间的间隙内。为了减少诸如泡沫玻璃、尤其是水泥质层的易碎层的破碎，聚合物衬底是特别有用的。衬底层可以包括利用水泥、聚合物泡沫或其它接触粘合剂粘结在一起的多个泡沫玻璃的层。该砖也可以用碳纤维、聚合物、胶合剂、水泥或其它在本领域公知的粘合剂连接起来。
在图3A和3B中，表示根据本发明制造的预应力组件50的另外一个实施例。图3A和3B的预应力组件50，包括两个带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖52A、52B，两个钢梁56，和两个张紧螺栓54。图3A表示预应力组件50的侧视图，图3B表示在砖52A的中间截取的预应力组件50的剖面图。尽管在图3A和3B中表示出两个带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖52A、52B，但是，如图上面关于图2所讨论的那样，根据用途，也可以采用更多或更少的砖。和前面的实施例一样，重要的是，每一个砖52A、52B的顶面和底面是平坦和平滑的。两个钢梁56位于砖的上、下。钢梁也可以用另外的适当的坚固和坚硬的建筑材料代替。当施加张力时，预期这些钢梁会弯曲。因此，为了确保均衡的压力分布施加到砖的表面上，可以采用上面讨论过的一个或多个带有斜缘的钢片。或者，也可以根据预期的弯曲，在钢梁中设置适当的拱起量。为了确保均衡的压力分布施加到砖的表面上，也可以采用在本领域中公知的其它技术。
利用和图1的讨论相一致的方式，用两个张紧螺栓54将两个钢梁56螺栓连接到一起。但是，在本实施例中，砖足够厚，使得张紧螺栓可以穿过砖。该实施例的超过图1和2的一个优点是，由于张紧螺栓位于不渗透流体的砖之内，所以，所述螺栓生锈的可能性比较小。图3A和3B表示穿过砖52A和52B的张紧螺栓。尽管张紧螺栓的数目不是很严格的，但是，优选地，将张紧螺栓分布得能够均匀地将压缩应变施加到砖的表面上。或者，可以不利用张紧螺栓，而是利用张紧构件、金属丝和其它熟悉本领域的人员所公知的类似机构，例如在Edward G.Nawy的“Prestressed Concrete：A Fundamental Approach(Prentice Hall 1989)(预应力混凝土：基础研究)”中的48页上所讨论的标准的和紧密的七股金属丝预应力绞绳。另外一些可供选择的张紧构件在本领域中也是公知的，也可以采用这些构件，例如Keblar的碳纤维，或其它适当的坚固的金属。
在图4A和4B中，表示根据本发明制造的预应力组件的另外一个实施例。图4A和4B的预应力组件60，包括：两组带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖62A/62B和62C/62D，两个钢梁66，和两个张紧螺栓64A和64B。图4A是表示预应力组件60的侧视图，图4B是表示在砖62A和62C的中间截取的预应力组件60的剖面图。尽管在图4A和4B中，表示出两对带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖62A/62B和62C/62D，但是，如上面关于图2所讨论的那样，根据用途也可以使用更多或更少的砖。和前面的实施例一样，重要的是，砖62A、62B、62C和62D的每一个的顶面和底面是平坦和平滑的。两个钢梁66置于砖的上、下。钢梁也可以由其它适合的坚固和坚硬的建筑材料代替。当施加张力时，预期这些梁预期会弯曲。因此，为了确保均衡的压力分布施加到砖的表面上，可以利用上面讨论过的带有斜缘的一个或多个钢片。或者，也可以根据预期的弯曲，在钢梁中设置适当数量的拱形。为了确保均衡的压力分布施加到砖的表面上，也可以采用在本领域中公知的其它技术。
两个钢梁66被两个张紧螺栓64A、64B以和图1所讨论的相一致的方式螺栓连接在一起。但是，在本实施例中，由于有两组砖，一组包括形成内墙的砖62C/62D，一组包括形成外墙的砖62A/62B，所以，张紧螺栓64A、64B穿在两组砖之间。尽管张紧螺栓的数目不是很严格的，但优选地，张紧螺栓的分布使得能够在砖的表面上施加均衡的应变。如上面所讨论的那样，其它一些可供选择的方法在本领域中也是公知的，可以代替张紧螺栓加以采用。
利用这种类型的组件60的实施例的一个优点是，前墙和后墙可以具有不同类型的表面。特别是，如上面在属于本申请人的与本申请同一天提出共同待审的申请中所描述的那样，由于本发明的带预应力的、坚固的泡沫玻璃砖可以具有多种不同类型的审美学的成品，所以能够使基于这个实施例的墙具有不同于内表面的外表面，并且，如上面所讨论的那样，具有各种各样的可以选择的表面。利用这种类型的实施例的组件60的另外一个优点是，和前面的实施例一样，将张紧螺栓64A、64B保护起来免受环境的影响。进而，由于在两个墙之间具有空间，所以配线、管道工程和其它公用事业设备可以装入其内或穿过该处。根据这个实施例，钢梁66可以具有设计在内部的适当的孔，以便使配线、管道工程和其它公用事业设备通过所述孔。也可以切割本发明的泡沫玻璃砖，以便设置检查孔，而不会反过来明显地影响它们的强度。或者，可以利用聚合物泡沫或其它适当的填充物填充空闲的空间，以便对张紧螺栓和配线、管道工程和其它公用事业设备提供附加的隔离、核保护它们不与暴露于外界环境。
图5A和5B表示本发明的另外一个实施例，其中，将图4A和4B所示的组件进一步改型，使之具有在一个方向(例如，水平方向)上通过组件70的中心的两个张紧螺栓，以及在垂直的方向(例如竖直方向)上通过组件70的中心的一个张紧螺栓。当然，可以更改张紧螺栓的数目和位置。理想地，应当以沿着相反的方向在材料上提供相等的应变的方式配置张紧螺栓。在竖直方向上的应变并不需要和水平方向上的应变相等，但是，在来自于竖直方向的相反端的应变应当是近似的均衡的，同样地，来自于水平方向的相反端的应变也应当是近似的均衡的。每一组张紧螺栓将具有一对对应的钢梁，以及上面相对于本发明的另外的实施例所描述的相关的设备。
从而，组装件70包括两组泡沫玻璃砖72A/72B/72E等，以及72C/72D/72F等。第一组泡沫玻璃砖可以包括多于一列的砖，例如，所述列由包括砖72A和72B的列表示。第一组泡沫玻璃砖可以包括多于一排的砖，例如，所述列由砖72A和72E表示。类似地，第二组泡沫玻璃砖可以包括多于一列和多于一排的砖。可以根据对前面的组件10、10A、50和60的描述，对该组件70进一步改型。
由图5A和5B中的组件70表示的本发明的实施例的一个附加优点是，可以沿水平和竖直方向上施加不同量的应变。作为这种配置的结果，每一个砖将会具有双轴压力，这将使得它可以更多方面地吸收和耐受冲击波。该实施例的另外一个附加的优点是，它可以制造更大的板。
在图6所示的本发明的另一个实施例中，除钢梁90之外，组件80还利用建筑物的两个地板86A和86B来获得预应力。由于上部地板86A的重量可以被用作施加压力，所以，可以降低由张紧螺栓84施加的初始张力。在图6中，表示出四排砖82A、82B、82C和82D。但是，如上面所述，可以更改砖的数目和尺寸。进而，可以根据上面对于实施例10、10A、50、60、和70讨论的教示和原理，进一步更改本实施例。
熟悉本领域的人员将会理解，上面所述的制造本发明的砖和组件的方法可以改型或者也可以采用其它的制造方法，而不超出本发明的主旨和范围。
例子1-7
如在属于本申请人的与本申请同一天提出的共同待审美国专利申请中所讨论的那样，通过混合下面的表1中的描述的组分的原料，制造例子1-7中的泡沫玻璃砖：
  例子   1   2   3   4   5   6   7
                                                 组分
  硅砂(g)   80   80   80   80   80   80   50
  飞灰(g)   0   20   20   20   20   20   50
  Fe2O3(g)   3.4
  硅酸钠，5H2O(g)   30   30   30   30   25   25   30
  硼砂，5H2O(g)   25   15   25   25   30   30   25
  氧化铝(g)   5
  糖(g)   2   3   3   3   3   3   2
  水(g)   25   25   24   25   25   25   25
  配料量因数   20×   20×   60×   40×   50×   50×   20×
                                                 工艺信息
  煅烧温度，℃   970   970   970   970   970   970   970
  煅烧时间，分钟   30   30   30   30   30   30   30
  发泡温度，℃   810   800   790   810   795   795   810
  发泡时间，分钟   10   10   10   10   10   10   10
  发泡网孔尺寸   100   100   100   100   100   100   100
                                                 特性
  密度(PCF)   32   36   41   46   62   65   69
  气泡/cm   12   18   12   20   13   18   29
  特征长度(mm)   0.8   0.6   0.8   0.5   0.8   0.6   0.3
  抗压强度(PSI)   2078   2400   4300   6000   10500   12500   14600
  抗拉强度(PSI)   775   930   960   1250   1400   2500
  上釉顶表面(封闭孔隙表层)   是   是   是   是   是   是   是
为了进行有用的比较，假定硅石加上飞灰的总量等于100，将组分的重量归一化。然后，为了确保所使用的材料的恰当的量，将归一化的组分重量乘以适当的配料量因数，如表1所示，以便考虑到所采用的模具的尺寸。例如，对于8英寸×14英寸×4英寸的模具，采用50×的配料量因数。
将获得的浆料干燥，将粉末混合物在如表1的工艺部分中所指出的900℃和1100℃之间的温度煅烧5至60分钟，如在表1中的工艺部分中所指出的那样，使原料进行反应，并将糖分解成微细、均匀分散的碳质相。将煅烧的产品研磨成微细的粉末，置于一个InconelTM模具中，并且如在表的工艺部分中指出的那样，通过在750℃至900℃之间加热，使之发泡，并在该温度下浸渍10至60分钟，如表1的工艺部分中所指出的那样。将获得的泡沫玻璃退火到室温，并脱模。
对于例子1-7所获得的泡沫玻璃的特性，表示在表1的特性部分中。如图表1的特性部分所指出的那样，获得的泡沫玻璃具有约30和70lb./cu.ft.的密度，以及完全上釉的表面。孔隙结构是均匀的，具有如图表1的特性部分所指出的平均孔隙尺寸。如表1所示，所提供的带有较小孔隙尺寸、高密度和均匀结构的砖，具有最大的抗拉强度和抗压强度。为了确定制备的泡沫玻璃样品的强度，努力遵循用于混凝土的标准的ASTM检验程序。但是，因为所提供的样品被证实显著地比混凝土坚固，所以必须通过缩小样品的尺寸修改该程序，以便所使用的设备事实上将样品折断。因此，将泡沫玻璃块切割成直径为1.0和1.5英寸之间、高度小于5英寸的的圆柱形，用于进行不带釉面的压力测量。如在表1的特性部分中所指出的那样，例子5-7的抗压强度在10,000lb./sq.in.以上，是混凝土的抗压强度(4,000lb./sq.in.)的2倍以上的因数。类似地，如图表1的特性部分所指出的那样，例子7-9的抗拉强度在1250lb./sq./in.以上，是混凝土的抗拉强度(500lb./sq.in.)的2倍以上的因数。例子7具有2500lb./sq.in.的抗拉强度，是混凝土的抗拉强度的5倍的因数。
然后，利用例子7构成如图1所示的复合组件10。利用玻璃切割锯切割在例子7中形成的玻璃砖，并利用金刚砂(碳化硅)研磨机将其研磨成块，该块具有4.52cm×4.52cm的正方形顶面32，并且，在顶面32和底面32之间的长度为5英寸。切割和研磨加工的结果，其侧面的每一个都是平滑，并与砖12的对向侧平行。接着洗涤样品，除去出现的研磨粒(find grind)。在干燥之后，将其上连接有导线16的应变片14应用到砖12的每一侧上。将导线16连接到应变计上，以便监测在预加应力的过程中，砖的每一侧的变形。将直径为3/8英寸的张紧螺栓18穿过孔拧到钢梁26上，如图1所示，使螺栓头24和垫圈20位于下部钢梁26的一侧，垫圈20和螺母22连接到另一个钢梁26的对向侧上。不将螺母和螺栓拧紧，以便通过足够的空间，用于保持将要配合到它们之间的组件的成分。然后，将带有面对钢梁26的内表面的斜缘的钢片28，适当地放置在钢梁的中间。然后，将用例子7制造的砖12，在钢片28之间滑动，其中，令表面32靠近钢片28。检查并保证准直性，以便避免施加不均匀的应变。在以确保应变片上近似均匀的应变的方式交替地紧固螺母22时，将螺栓头24保持固定，其中，所述应变片由图1中未示出的应变计进行监测。最后所监测到的应变为2,500μ∈。
将应变片14中的一个从未被张紧螺栓覆盖的砖12的一侧上除去。然后，通过将砖12的对向的侧面置于两个刃形物(即，圆柱体)上，将第三个刃形物置于将应变片14除去的侧面的顶部中心上，对组件进行其抗拉强度的试验。张紧螺栓保持在砖12的另外两个侧面上。然后，在顶部刃形物上施加恒定速度的位移，测量所产生的力。对其表面为1.58cm×4.76cm的例子7的另一块砖也进行相同类型的分析，并对它们的结果进行比较。图7是表示作为三点弯曲试验的位移的函数的力的曲线图，其中，在所述三点弯曲试验中，对例子7的未受应力的砖92与利用例子7的施加预应力的砖94的本发明的组件进行了比较。利用下面的公式(1)，计算样品的不同的尺寸：
(1)F2，rescaled＝F2(w1/w2)(h1/h2)2
其中，F2，rescaled是改变比例的力，F2是测量的力，w1是样品1的宽度，w2是样品2的宽度，h1是样品1的高度，h2是样品2的高度。
值得注意的是，如图可以从图7中看出的，与预加应力的样品相关的曲线94的下面的面积，比起与未受应力的样品相关的曲线92的下面的面积来，大35倍。这表明，对于可能与爆炸、地震相联系的冲击波，或者其它强烈的冲击波具有极大的抵抗力。类似地，预应力的样品耐受的力的量为35kN，作为比较，未受应力的样品吸收小于10kN的力。作为在破坏之前施加的很大的力的结果，可以利用一种更轻的更致密的材料耐受更大的力。这显示出一种非常坚固的材料。可以设计所需的应变图形，以便适应特殊的用途，与熟悉本领域的人员所采用的方法相一致。
前面对本发明的优选实施例进行了说明和详细的描述，对于熟悉本领域的人员来说，各种改型和改进会变得十分明显。从而，本发明的主旨和范围是十分广泛的，只由所附权利要求加以限定，而不是被前面的说明所限定。

Claims (41)

1.一种预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述砖具有1000psi或更大的预应力压力。
2.如权利要求1所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述预应力压力为2000psi或更大。
3.如权利要求1所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述预应力压力为3000psi或更大。
4.如权利要求1所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述预应力压力为4000psi或更大。
5.如权利要求1所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述预应力压力为5000psi或更大。
6.如权利要求1所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，张紧构件在所述预应力泡沫玻璃砖的内部处于张力之下，以便提供所述预应力压力。
7.如权利要求6所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述张紧构件由张紧螺栓构成。
8.如权利要求6所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述张紧构件由金属丝构成。
9.如权利要求6所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述张紧构件由碳纤维构成。
10.如权利要求6所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述张紧构件由标准的七股金属丝预应力绞绳构成。
11.如权利要求6所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述张紧构件由紧密的七股金属丝预应力绞绳构成。
12.如权利要求6所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述张紧构件是杆。
13.如权利要求1所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，张紧构件在所述预应力泡沫玻璃砖的外部处于张力之下，以便提供所述预应力压力。
14.如权利要求13所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述张紧构件由张紧螺栓构成。
15.如权利要求13所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述张紧构件由金属丝构成。
16.如权利要求13所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述张紧构件由碳纤维构成。
17.如权利要求13所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述张紧构件由标准的七股金属丝预应力绞绳构成。
18.如权利要求13所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述张紧构件由紧密的七股金属丝预应力绞绳构成。
19.如权利要求13所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述张紧构件是杆。
20.如权利要求13所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述张紧构件是角铁。
21.如权利要求13所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述张紧构件是板。
22.如权利要求13所述的预应力泡沫玻璃砖，其特征在于，所述张紧构件是棒。
23.一种用于建筑物或其它构造物的预应力组件，包括：
至少一个预应力泡沫玻璃砖，所述泡沫玻璃砖具有1000psi或更大的预应力压力；
至少两个金属梁；以及
一个或多个张紧构件；
其特征在于，所述至少一个泡沫玻璃砖被放置在所述至少两个金属梁之间，并被所述一个或多个张紧构件保持至少1000psi的压力。
24.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述至少一个预应力泡沫玻璃砖的预应力压力为2000psi或更大。
25.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述至少一个预应力泡沫玻璃砖的预应力压力为3000psi或更大。
26.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述至少一个预应力泡沫玻璃砖的预应力压力为4000psi或更大。
27.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述至少一个预应力泡沫玻璃砖的预应力压力为5000psi或更大。
28.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述张紧构件至少部分地在所述砖内。
29.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述组件是建筑物内的柱。
30.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述金属梁由钢构成。
31.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述张紧构件由张紧螺栓构成。
32.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述张紧构件由金属丝构成。
33.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述张紧构件由碳纤维构成。
34.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述张紧构件由标准的七股金属丝预应力绞绳构成。
35.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述张紧构件由紧密的七股金属丝预应力绞绳构成。
36.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述张紧构件由一个或多个杆构成。
37.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述张紧构件不在所述至少一个预应力泡沫玻璃砖内。
38.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，在组装之前将所述金属梁弯曲，以便产生将要施加到组件上的应力。
39.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述组件进一步包括两个带有斜缘的金属片，所述金属片被放置在所述至少一个泡沫玻璃砖与各个金属梁之间。
40.如权利要求23所述的预应力组件，其特征在于，所述至少一个泡沫玻璃砖，由至少两组泡沫玻璃砖构成，并且，所述张紧构件位于所述两组泡沫玻璃砖之间。
41.一种在具有重量的建筑物内使用的预应力组件，所述组件包括至少一个预应力泡沫玻璃砖，所述泡沫玻璃砖具有1000psi或更大的预应力压力，其特征在于，所述砖处在被建筑物的重量的一部分引起的压力之下。
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