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，廣泛應用于建筑外立面石材幕墻工程中。 然而由于其獨特的孔洞和紋理結構，造成其強度低、各向異性、抗凍融性能和耐腐蝕性能相對較差等特點。因此在洞石用于外立面石材幕墻工程時，需要特別注意，不能簡單的參考石灰石或者其他石材標準。本文簡述了洞石的上述性能特點，并指出了洞石在外立面石材幕墻工程上應用時應注意的要點，以供參考。

洞石；石材幕墻；彎曲強度；抗凍融；耐腐蝕；

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

洞石實際上是一種變質成巖不完全的石灰石，但又具有大理石可拋光的特征。由于洞石獨特的孔洞和紋理結構，造成其強度低、質地疏松、孔洞內容易積水、抗凍融性能和耐久性都較差[1]。當洞石應用于外立面石材幕墻時，需要抵抗自重、風荷載、地震荷載、凍融、腐蝕性環境等，其各項性能的確定非常重要。目前，國內還沒有洞石的專門標準，一般按照石灰石的相關標準對其性能進行判定。許多設計師并不完全了解洞石的獨特性能，簡單的參考石灰石、大理石或者花崗巖等其他石材標準和設計方法，有時還會造成安全隱患。

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主要包括強度、抗凍融性能、耐腐蝕性能等三個方面。其中強度又包括抗彎強度、抗剪強度、石材固點處的斷裂強度（或背栓固定點的抗拉拔強度）等。標準還規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 洞石的強度

用于外立面石材幕墻的石材板材，可以通過實驗確定其抗彎強度。常用的測試標準包括中國標準《GB/T9966.2-2001天然飾面石材試驗方法（第2部分：干燥、水飽和彎曲強度試驗方法）》，歐洲標準《EN 13161:2008天然石材試驗方法-恒定負荷抗彎強度》，美國標準《ASTM C880/C880M-09石材彎曲強度測定方法》等。需要注意的是，由于洞石獨特的紋理結構，其強度表現為各向異性，在不同的方向上強度明顯不同。在弱方向上的石材強度甚至只有強方向的30%~40%，這在商業化應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EN13161測試的某洞石彎曲強度。

由表1可以看出洞石強度的幾個特點：

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

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

圖1 洞石不同切割方向的紋理效果

表1 根據EN13161測試的某洞石彎曲強度

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%。

由于洞石強度的上述特點，在用于石材幕墻工程時，應采取非常審慎的態度，認真分析材料和工程特點，選用合適的設計參數，加強生產和安裝過程中的質量管理和控制，確保質量安全。應特別注意：

1）確定石材強度時選取的實驗樣品應具有代表性，應結合具體項目選用的石材礦的位置、礦層，項目選用的代表性紋理樣板，石材板材的使用方式等，使得實驗樣品能夠相對真實的反映用于項目的石材板材性能。特別注意的是，設計師不能直接使用石材供應企業提供的試驗數值作為設計依據。

2）必須建立嚴格的質量管理和控制體系，包括工廠內質量控制流程和出廠檢驗措施。相應的質量檢查應由了解洞石材料和石材幕墻設計的專門人員進行，保證石材性能符合設計要求。由于洞石強度的高離散性，每塊石材甚至一塊石材的不同部位強度都可能有較大區別，因而熟練且富有經驗的檢查人員往往比實驗室數據更加重要[4]。

3）設計師應采用石材最低保證強度作為石材強度設計的標準值，而不是根據簡單實驗的結果。所謂石材最低保證強度，是指富有經驗的專業人員，在（1）和（2）的基礎上，根據項目特點、使用方式和重要程度等，綜合考慮后確定的石材強度標準值，其值往往低于型式試驗的數值。

4）宜采用多系數法，確定石材面板的安全系數即石材面板材料性能分項系數。我國標準規定[2]，對于強度標準值在4~8MPa之間的石灰石，其安全系數取3.57。英國標準[5]建議對于洞石材料安全系數取2.5，而美國標準[6]建議取8。由此可見，不同國家對于洞石的使用認識上也有很大差異。最近的一些研究已經關注到這一點，并建議采用多系數法來綜合反映洞石材料的性能和使用環境，從而確定更加安全可靠的安全系數。

3 抗凍融性能

長期以來，人們對洞石的抗凍性能持懷疑態度，認為這種多孔的石材更容易存儲水分，從而會面臨更嚴重的凍融破壞的風險。一些實驗也表明，富含泥質和裂縫的洞石在水飽和后進行凍融實驗，甚至會在幾次循環后完全碎裂。當建筑大師貝聿銘將洞石引入北京中國銀行總部大樓項目時，甚至親自寫信給專家組保證這一材料可以適應北方冬天的寒冷天氣。

然而，工程實踐表明，挑選密實度高、孔洞均勻的優質洞石，并不比其他石材材料面臨更嚴重的凍融危害。在美國，對一些洞石進行的超過300次的凍融實驗表明，質量優良的洞石（孔洞和紋理小）在凍融后沒有一例破壞，其中有些石材已經暴露在水中超過30年[4]。

Stefano Hoffmann（歐洲標準理事會成員，洞石專家）認為，當洞石用于外立面工程時，由于其很少處于水飽和狀態，而孔洞又給了水在結冰時自由膨脹的空間，在實際工程中反而有更好的抗凍性能。歷史上洞石廣泛應用于意大利，其緯度大約在北緯42度，冬季多雨雪，但良好設計和選擇的洞石表現出優異的抗凍性能。

但由于缺少系統研究，以及一些洞石不當使用造成危害的警示，在國內對于寒冷地區的外立面洞石，一般采用封洞處理[7]。標準也規定，用于外立面的石灰石板材，其抗凍系數不能小于0.8。與此同時，設計師在使用洞石時，還應很好的考慮構造節點，以保證水分不在石材表面聚集，從而減小凍融破壞的風險。

4 耐腐蝕性能

洞石屬于碳酸鹽結構的石灰石，耐酸性較差。在污染較重的區域，酸雨侵蝕會很嚴重，更會加速石材的破壞。靠近海濱地區的鹽霧或者酸雨，溶于水后可通過孔洞進入洞石材料內部，有些鹽可以在洞石內結晶，某些情況下可以導致體積增加產生內應力，這會導致洞石的分層和去角質化。除冰鹽和洞石接觸（或者和大多數石材接觸）會加劇這一問題。

Mutluhan Akin 的研究表明，在經過25次鹽霧結晶實驗后，實驗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于硫酸鎂。對比試驗還表明，酸雨腐蝕造成的耐久性損失也遠大于凍融破壞[8]。

我國目前還缺少洞石耐腐蝕性能的深入研究，標準中也沒有明確要求。然而鑒于酸性腐蝕對洞石耐久性的巨大危害以及國內環境污染的日益嚴峻，有必要在洞石使用上做出適當的考慮。對于使用環境惡劣、重要性高的建筑，建議至少保證4cm以上的石材厚度。

5 結 語

洞石是一種極為特殊的石材產品，由于其獨特的孔洞和紋理結構，造成強度低、各項異性、離散性大。

在工程應用上，應充分了解所選擇洞石的原材料和項目特點，慎重確定洞石抗彎強度等性能參數，合理選擇安全系數。同時應嚴格管理從礦山、工廠加工到現場安裝的全過程質量控制，保證安全。

選擇密實度高和孔洞小而均勻的優質洞石，可以使用在寒冷地區。但在工程設計時，要仔細考慮構造細節以避免水在洞石表面聚集，從而增加凍融破壞的風險。

相對于凍融破壞，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，但在惡劣環境和重要項目上使用時，設計師應考慮增加石材板材厚度來減小這一風險。

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

[2]金屬與石材幕墻工程技術規范[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課題 CSCEC-2013-Z-17 “大清真寺施工關鍵技術研究”

TU56+4.29

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1003-8965(2016)05-0026-03