用于外立面石材幕墻的洞石性能

劉葉鋒 王 濤 王 雄 朱振偉

（1中建阿爾及利亞公司，北京100125；2中建三局三公司，湖北 武漢430064；3中建幕墻，湖北 武漢 430100；）

用于外立面石材幕墻的洞石性能

劉葉鋒1王 濤1王 雄2朱振偉3

（1中建阿爾及利亞公司，北京100125；2中建三局三公司，湖北 武漢430064；3中建幕墻，湖北 武漢 430100；）

近年來洞石越來越多的受到建筑師青睞，廣泛應(yīng)用于建筑外立面石材幕墻工程中。 然而由于其獨(dú)特的孔洞和紋理結(jié)構(gòu)，造成其強(qiáng)度低、各向異性、抗凍融性能和耐腐蝕性能相對(duì)較差等特點(diǎn)。因此在洞石用于外立面石材幕墻工程時(shí)，需要特別注意，不能簡單的參考石灰石或者其他石材標(biāo)準(zhǔn)。本文簡述了洞石的上述性能特點(diǎn)，并指出了洞石在外立面石材幕墻工程上應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的要點(diǎn)，以供參考。

洞石；石材幕墻；彎曲強(qiáng)度；抗凍融；耐腐蝕；

洞石，由于其特有的孔洞、獨(dú)特的紋理、古樸自然的質(zhì)感，備受建筑師青睞，廣泛應(yīng)用于建筑裝飾工程領(lǐng)域。許多建筑大師如貝聿銘、Welton Becket、Richard Meier等，對(duì)洞石情有獨(dú)鐘，締造了一批洞石經(jīng)典工程。狹義上的洞石是指原產(chǎn)于意大利底波利（Tivoli）的一種天然石灰石，中文學(xué)名“石灰華”，英文“Travertine”，其開采和應(yīng)用的歷史可追溯至古羅馬時(shí)期。古羅馬斗獸場、梵蒂岡大教堂都是羅馬洞石應(yīng)用的絕佳典范。近幾十年來，隨著洞石在全世界的廣泛應(yīng)用，原產(chǎn)于意大利的洞石供不應(yīng)求，土耳其、伊朗、甚至于中國等相繼開發(fā)了外觀和質(zhì)地近似的石材產(chǎn)品，廣義上將這些產(chǎn)品也都統(tǒng)稱為洞石。

洞石實(shí)際上是一種變質(zhì)成巖不完全的石灰石，但又具有大理石可拋光的特征。由于洞石獨(dú)特的孔洞和紋理結(jié)構(gòu)，造成其強(qiáng)度低、質(zhì)地疏松、孔洞內(nèi)容易積水、抗凍融性能和耐久性都較差[1]。當(dāng)洞石應(yīng)用于外立面石材幕墻時(shí)，需要抵抗自重、風(fēng)荷載、地震荷載、凍融、腐蝕性環(huán)境等，其各項(xiàng)性能的確定非常重要。目前，國內(nèi)還沒有洞石的專門標(biāo)準(zhǔn)，一般按照石灰石的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其性能進(jìn)行判定。許多設(shè)計(jì)師并不完全了解洞石的獨(dú)特性能，簡單的參考石灰石、大理石或者花崗巖等其他石材標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方法，有時(shí)還會(huì)造成安全隱患。

1 用于外立面石材幕墻的石材性能要求

用于外立面石材幕墻工程的石材性能指標(biāo)主要包括強(qiáng)度、抗凍融性能、耐腐蝕性能等三個(gè)方面。其中強(qiáng)度又包括抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、石材固點(diǎn)處的斷裂強(qiáng)度（或背栓固定點(diǎn)的抗拉拔強(qiáng)度）等。標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了石材的體積密度、吸水率、放射性核素限量、石材板材的最小厚度和單塊最大面積等要求[2]。

2 洞石的強(qiáng)度

用于外立面石材幕墻的石材板材，可以通過實(shí)驗(yàn)確定其抗彎強(qiáng)度。常用的測試標(biāo)準(zhǔn)包括中國標(biāo)準(zhǔn)《GB/T9966.2-2001天然飾面石材試驗(yàn)方法（第2部分：干燥、水飽和彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法）》，歐洲標(biāo)準(zhǔn)《EN 13161:2008天然石材試驗(yàn)方法-恒定負(fù)荷抗彎強(qiáng)度》，美國標(biāo)準(zhǔn)《ASTM C880/C880M-09石材彎曲強(qiáng)度測定方法》等。需要注意的是，由于洞石獨(dú)特的紋理結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度表現(xiàn)為各向異性，在不同的方向上強(qiáng)度明顯不同。在弱方向上的石材強(qiáng)度甚至只有強(qiáng)方向的30%~40%，這在商業(yè)化應(yīng)用的石材中是非常少見的。

如圖1為洞石不同切割方向的紋理效果；表1為根據(jù)EN13161測試的某洞石彎曲強(qiáng)度。

由表1可以看出洞石強(qiáng)度的幾個(gè)特點(diǎn)：

1）各項(xiàng)異性。當(dāng)洞石采用不同的切割方式時(shí)，其彎曲強(qiáng)度差異非常明顯。荷載垂直于紋理方向（強(qiáng)向）其平均彎曲強(qiáng)度可以達(dá)到6-9MPa，而荷載平行于紋理方向（弱向）時(shí)其平均彎曲強(qiáng)度往往只有3-5MPa。當(dāng)紋理在厚度方向時(shí)（亂紋），其彎曲強(qiáng)度通常接近于強(qiáng)向的抗彎強(qiáng)度。

2）石材強(qiáng)度低，尤其是在荷載平行于紋理方向時(shí)，其最低期望強(qiáng)度甚至低于我國標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于石灰石干掛石材彎曲強(qiáng)度要求的下限（4.0MPa）[3]。

圖1 洞石不同切割方向的紋理效果

表1 根據(jù)EN13161測試的某洞石彎曲強(qiáng)度

3）離散性高。同一組試件，最低和最高值相差甚至超過平均值的50%。

由于洞石強(qiáng)度的上述特點(diǎn)，在用于石材幕墻工程時(shí)，應(yīng)采取非常審慎的態(tài)度，認(rèn)真分析材料和工程特點(diǎn)，選用合適的設(shè)計(jì)參數(shù)，加強(qiáng)生產(chǎn)和安裝過程中的質(zhì)量管理和控制，確保質(zhì)量安全。應(yīng)特別注意：

1）確定石材強(qiáng)度時(shí)選取的實(shí)驗(yàn)樣品應(yīng)具有代表性，應(yīng)結(jié)合具體項(xiàng)目選用的石材礦的位置、礦層，項(xiàng)目選用的代表性紋理樣板，石材板材的使用方式等，使得實(shí)驗(yàn)樣品能夠相對(duì)真實(shí)的反映用于項(xiàng)目的石材板材性能。特別注意的是，設(shè)計(jì)師不能直接使用石材供應(yīng)企業(yè)提供的試驗(yàn)數(shù)值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

2）必須建立嚴(yán)格的質(zhì)量管理和控制體系，包括工廠內(nèi)質(zhì)量控制流程和出廠檢驗(yàn)措施。相應(yīng)的質(zhì)量檢查應(yīng)由了解洞石材料和石材幕墻設(shè)計(jì)的專門人員進(jìn)行，保證石材性能符合設(shè)計(jì)要求。由于洞石強(qiáng)度的高離散性，每塊石材甚至一塊石材的不同部位強(qiáng)度都可能有較大區(qū)別，因而熟練且富有經(jīng)驗(yàn)的檢查人員往往比實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)更加重要[4]。

3）設(shè)計(jì)師應(yīng)采用石材最低保證強(qiáng)度作為石材強(qiáng)度設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)值，而不是根據(jù)簡單實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。所謂石材最低保證強(qiáng)度，是指富有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員，在（1）和（2）的基礎(chǔ)上，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)、使用方式和重要程度等，綜合考慮后確定的石材強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，其值往往低于型式試驗(yàn)的數(shù)值。

4）宜采用多系數(shù)法，確定石材面板的安全系數(shù)即石材面板材料性能分項(xiàng)系數(shù)。我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[2]，對(duì)于強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值在4~8MPa之間的石灰石，其安全系數(shù)取3.57。英國標(biāo)準(zhǔn)[5]建議對(duì)于洞石材料安全系數(shù)取2.5，而美國標(biāo)準(zhǔn)[6]建議取8。由此可見，不同國家對(duì)于洞石的使用認(rèn)識(shí)上也有很大差異。最近的一些研究已經(jīng)關(guān)注到這一點(diǎn)，并建議采用多系數(shù)法來綜合反映洞石材料的性能和使用環(huán)境，從而確定更加安全可靠的安全系數(shù)。

3 抗凍融性能

長期以來，人們對(duì)洞石的抗凍性能持懷疑態(tài)度，認(rèn)為這種多孔的石材更容易存儲(chǔ)水分，從而會(huì)面臨更嚴(yán)重的凍融破壞的風(fēng)險(xiǎn)。一些實(shí)驗(yàn)也表明，富含泥質(zhì)和裂縫的洞石在水飽和后進(jìn)行凍融實(shí)驗(yàn)，甚至?xí)趲状窝h(huán)后完全碎裂。當(dāng)建筑大師貝聿銘將洞石引入北京中國銀行總部大樓項(xiàng)目時(shí)，甚至親自寫信給專家組保證這一材料可以適應(yīng)北方冬天的寒冷天氣。

然而，工程實(shí)踐表明，挑選密實(shí)度高、孔洞均勻的優(yōu)質(zhì)洞石，并不比其他石材材料面臨更嚴(yán)重的凍融危害。在美國，對(duì)一些洞石進(jìn)行的超過300次的凍融實(shí)驗(yàn)表明，質(zhì)量優(yōu)良的洞石（孔洞和紋理?。┰趦鋈诤鬀]有一例破壞，其中有些石材已經(jīng)暴露在水中超過30年[4]。

Stefano Hoffmann（歐洲標(biāo)準(zhǔn)理事會(huì)成員，洞石專家）認(rèn)為，當(dāng)洞石用于外立面工程時(shí)，由于其很少處于水飽和狀態(tài)，而孔洞又給了水在結(jié)冰時(shí)自由膨脹的空間，在實(shí)際工程中反而有更好的抗凍性能。歷史上洞石廣泛應(yīng)用于意大利，其緯度大約在北緯42度，冬季多雨雪，但良好設(shè)計(jì)和選擇的洞石表現(xiàn)出優(yōu)異的抗凍性能。

但由于缺少系統(tǒng)研究，以及一些洞石不當(dāng)使用造成危害的警示，在國內(nèi)對(duì)于寒冷地區(qū)的外立面洞石，一般采用封洞處理[7]。標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定，用于外立面的石灰石板材，其抗凍系數(shù)不能小于0.8。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)師在使用洞石時(shí)，還應(yīng)很好的考慮構(gòu)造節(jié)點(diǎn)，以保證水分不在石材表面聚集，從而減小凍融破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

4 耐腐蝕性能

洞石屬于碳酸鹽結(jié)構(gòu)的石灰石，耐酸性較差。在污染較重的區(qū)域，酸雨侵蝕會(huì)很嚴(yán)重，更會(huì)加速石材的破壞?？拷I地區(qū)的鹽霧或者酸雨，溶于水后可通過孔洞進(jìn)入洞石材料內(nèi)部，有些鹽可以在洞石內(nèi)結(jié)晶，某些情況下可以導(dǎo)致體積增加產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這會(huì)導(dǎo)致洞石的分層和去角質(zhì)化。除冰鹽和洞石接觸（或者和大多數(shù)石材接觸）會(huì)加劇這一問題。

Mutluhan Akin 的研究表明，在經(jīng)過25次鹽霧結(jié)晶實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)洞石的完整性損失了40%~50%，不管孔隙率是大于5%還是小于5%。其中硫酸鈉鹽的破壞性更強(qiáng)于硫酸鎂。對(duì)比試驗(yàn)還表明，酸雨腐蝕造成的耐久性損失也遠(yuǎn)大于凍融破壞[8]。

我國目前還缺少洞石耐腐蝕性能的深入研究，標(biāo)準(zhǔn)中也沒有明確要求。然而鑒于酸性腐蝕對(duì)洞石耐久性的巨大危害以及國內(nèi)環(huán)境污染的日益嚴(yán)峻，有必要在洞石使用上做出適當(dāng)?shù)目紤]。對(duì)于使用環(huán)境惡劣、重要性高的建筑，建議至少保證4cm以上的石材厚度。

5 結(jié) 語

洞石是一種極為特殊的石材產(chǎn)品，由于其獨(dú)特的孔洞和紋理結(jié)構(gòu)，造成強(qiáng)度低、各項(xiàng)異性、離散性大。

在工程應(yīng)用上，應(yīng)充分了解所選擇洞石的原材料和項(xiàng)目特點(diǎn)，慎重確定洞石抗彎強(qiáng)度等性能參數(shù)，合理選擇安全系數(shù)。同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格管理從礦山、工廠加工到現(xiàn)場安裝的全過程質(zhì)量控制，保證安全。

選擇密實(shí)度高和孔洞小而均勻的優(yōu)質(zhì)洞石，可以使用在寒冷地區(qū)。但在工程設(shè)計(jì)時(shí)，要仔細(xì)考慮構(gòu)造細(xì)節(jié)以避免水在洞石表面聚集，從而增加凍融破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

相對(duì)于凍融破壞，酸性腐蝕可以給洞石耐久性帶來更大危害，目前還缺少這方面的定量研究，但在惡劣環(huán)境和重要項(xiàng)目上使用時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)考慮增加石材板材厚度來減小這一風(fēng)險(xiǎn)。

[1]趙西安. 砂巖和洞石幕墻板材的選用要十分慎重[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu), 2007.5:P22-24.

[2]金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范[S]. JGJ133, 2013.

[3]干掛飾面石材[S]. GB/T 32834-2016.

[4]By Kimball J. Beasley. Use and Misuse of Exterior Travertine Cladding [J]. J.Perform.Constr.Facil. 1988.2:P242-253.

[5]Code of practice for the design and installation of natural stone cladding and lining[S]. BS8298-4:2010.

[6]Standard Guide for Selection, Design, and Installation of Dimension Stone Anchoring Systems[S]. ASTM C1242-05,2005.7.

[7]盧柯、鄧小軍. 洞石在建筑幕墻上的應(yīng)用情況及分析[J].四川建材，2012(6):P235-238.

[8]Mutluhan Akin . Evaluation of the long-term durability of yellow travertine using accelerated weathering tests[J]. Bull Eng Geol Environ, (2011) 70:P101–114.

The performance of travertine using for exterior stone cladding

In recent years, more and more architects prefer travertine and use it wildly in building facades. However, due to its unique hole and texture structure, it’s flexural strength, anisotropy, freeze-thaw resistance and corrosion resistance are relatively poor.When travertine was used for exterior stone cladding, it needs special attention, and does not apply limestone or other stone standards simply. This paper describes the characteristics of travertine above, and indicates the key points for the application of travertine in exterior stone cladding.

Travertine; Stone cladding; Flexural strength; Freeze-thaw resistance;Acid resistance

中國建筑股份有限公司科技研發(fā)課題 CSCEC-2013-Z-17 “大清真寺施工關(guān)鍵技術(shù)研究”

TU56+4.29

B

1003-8965(2016)05-0026-03