建筑幕墙用洞石砂岩材料的选择.docx

建筑幕墙用洞石、砂岩材料的选择董 彪，李 涛，殷 波，钱 方（中国建筑西南设计研究院有限公司 , 四川 成都 610042）摘 要：本文从洞石、砂岩的物理性能分析入手，依据试验数据，论述适用于建筑幕墙的洞石、砂岩材料的性能和指标，指导洞石、砂岩幕墙的材料选择。关键词：幕墙；洞石；砂岩；选材中图分类号：tu364文献标识码：a文章编号：1671-3362（2013）04-0167-031 前言国内建筑幕墙通过 30 年的发展，各类型的幕墙系统已经 越来越成熟。随着建筑市场的深化，对建筑品质的要求也越来 越高，幕墙作为建筑的外衣，建筑感官最直接的体现，在建筑 中的作用也越来越重要。业主、建筑师对建筑表现力的深入需 求，促使一些非常规的材料逐渐的应用到建筑幕墙上。例如以 前应用到内装、景观等部位的洞石、砂岩材料就越来越受到建 筑师、业主的青睐。虽然在幕墙相关的国家规范中石材幕墙的 首选面材依然是花岗岩材料，但由于洞石、砂岩材料本身独有 的纹理和质感，依然在一些建筑幕墙上使用。从已经应用的洞石或砂岩幕墙的效果来看，在选材、加工、 安装及使用维护上还是存在一些问题的。影响最终使用效果的 因素很多，但是选材是决定工程成败的最关键的因素。本文将 从洞石砂岩材料的选择上入手，提出这些材料选择的一些观点， 供建筑业的同行进行参考。2 材料物理性能检测及分析2.1 砂岩由石英颗粒（沙子）形成，结构稳定，主要含硅、钙、黏 土和氧化铁。砂岩是一种沉积岩，主要由砂粒胶结而成的，其 中砂里粒含量要大于 50%。决大部分砂岩是由石英或长石组成 的。目前世界上已被开采利用的有澳洲砂岩、印度砂岩、西班 牙砂岩、中国砂岩等。笔者共选取了 7 种市场上经常使用，且储量丰富的砂岩品 种进行检测，分别是黄砂岩、黄木纹砂岩、灰砂岩、灰白砂岩、 黑沙岩、红砂岩、青砂岩。并对其粘贴了纤维网、简单做了防 水的样品单独进行了检测，与原片样品进行了比较。共检测了 材料密度、吸水率、弯曲强度、冻融等物理性能。2.1.1 用于检测的砂岩样品（见图 1）图 2（3）黄木纹砂岩（无网）（见图 4）（4）黄木纹砂岩（有网）（见图 5）图 3图 4（5）灰砂岩（无网）（见图 6）（6）灰砂岩（有网）（见图 7）图 5图 12.1.2 检测数据报告（1）黄砂岩（无网）（见图 2）（2）黄砂岩（有网）（见图 3）图 6图 7china construction metal structure 167中国建筑金属结构第肆期（下）贰零壹叁年肆月（7）灰白砂岩（无网）（见图 8）（8）灰白砂岩（有网）（见图 9）2.1.3 材料物理性能分析通过研究及试验数据可以得出如下结论：（1）砂岩材料的品种非常丰富，但不同产地、不同矿山 的砂岩品种物理性能会千差万别。（2）砂岩的材质疏松，体积密度偏低，而且各种砂岩的 体积密度也会有很大不同。（3）砂岩的吸水率高，普遍都在 2% 以上，有的品种甚 至高达 5% 以上。即使做了防水处理的砂岩，其吸水率也偏高。（4）砂岩的弯曲强度不同品种之间也有非常大的差别， 干燥状态下弯曲强度低的只有 4mpa，高的可以达到 14mpa， 可以媲美花岗岩。（5）一般而言砂岩的体积密度越大，证明其材料越密实， 其弯曲强度越高。（6）由于砂岩的吸水率高，干燥状态和水饱和状态的弯 曲强度差别很大，水饱和状态的材料弯曲强度会急剧降低。个 别品种会降低一半。（7）与弯曲强度的规律一样，砂岩的体积密度越大，其 吸水率越低。（8）材料经过后面粘贴纤维布的形式进行加强后，当材 料自身的物理性能较低时有一定的作用。随着材料自身物理性 能的提高，该加强措施对提高材料性能会逐渐减弱。（9）砂岩在冻融性能方面表现满足一般工程要求。2.2 洞石洞石，学名叫做石灰华，是一种多孔的岩石，所以通常人 们也叫它洞石。洞石属于陆相沉积岩，它是一种碳酸钙的沉积 物。洞石大多形成于富含碳酸钙的石灰石地形，是由溶于水中 的钙碳酸钙及其他矿物沉积于河床、湖底等地而形成的。由于 在重堆积的过程中有时会出现孔隙，同时由于其自身的主要成 分又是碳酸钙，自身就很容易被水溶解腐蚀，所以这些堆积物 中会出现许多天然的无规则的孔洞。洞石是因为石材的表面有 许多孔洞而得名，商业上，将其归为大理石类。目前，世界上 已被开采利用的有意大利洞石、伊朗洞石、土耳其洞石、中国 河南洞石等。笔者共选取了 4 种市场上经常使用，且储量丰富的洞石品 种进行检测，分别是黄洞石（国产）、咖啡洞石（土耳其）、 超白洞石（土耳其）、米黄洞石（伊朗）。共检测了材料密度、 吸水率、弯曲强度、冻融等物理性能。2.2.1 用于检测的洞石样品（见图 16）图 8图 9（9）黑砂岩（无网）（见图 10）（10）黑砂岩（有网）（见图 11）图 10图 11（11）红砂岩（无网）（见图 12）（12）红砂岩（有网）（见图 13）图 12图 13（13）青砂岩（无网）（见图 14）（14）青砂岩（有网）（见图 15）图 162.2.2 检测数据报告（1） 黄洞石（国产）（见图 17）图 14图 15168 中国建筑金属结构材料应用（2）咖啡洞石（土耳其）（见图 18）长青苔等影响观感的现象，都是工程实施过程中对面材的选择不慎重、不科学造成的。因此若建筑幕墙选择洞石或砂岩作为 面材，应进行系统的、科学的论证，方可实施。笔者认为必须 考虑如下因素：（1）建筑幕墙选材除了要考虑材料的颜色、纹路等外在 因素之外，应重点注意其强度、吸水率等内在的安全参数，同 时加强材料的检测。（2）砂岩在全世界储量非常丰富，品种非常多，但即使 材料外观相近，但不同矿区，乃至同一矿区、不同开采点的砂 岩物理性能也会存在较明显的差异。因此，砂岩幕墙工程的材 料检测尤为重要。不同批次的砂岩材料都应该分别进行抽样复 检，以保证材料本身的安全性能。（3）洞石的整体强度指标是表现良好的，但其受孔洞的 影响，局部强度会有很多薄弱点，因此质地过于疏松、孔洞较 多、较大的洞石不宜用于幕墙。在选择洞石时要慎重，特别是 在其安装构造的连接部位需避开孔洞等薄弱点，若避不开，该 石材不应用于工程。（4）由于砂岩、洞石材料的吸水率较高，水饱和状态下， 材料的强度会有不同程度降低，因此在上墙前应做好充分的防 水处理。（5）目前已经建成的一些洞石、砂岩幕墙石材虽然经过了 防水处理，但效果并不理想。像试验中的一些砂岩也经过了防水 处理，但处理后石材样件的试验数据表现也不适宜做幕墙面材。 因此在建筑工程实施过程中，经防水处理后的石材试验检测也 必不可少。为防止高的吸水率对石材强度、石材耐久性、石材 表面抗污染性产生较大影响，因此建议应用到建筑幕墙上的洞 石、砂岩材料，在经过防水处理后，其吸水率不应大于 1%。（6）防水材料宜采用中性材料，一般市场上常用的防水 材料为有机硅或有机氟材料。但无论采用哪种防水材料，其耐 久性都不高，一般仅为35 年，因此在建筑使用过程中必须 进行定期维护。（7）由于洞石、砂岩幕墙使用过程中要定期进行防水维护， 因此不建议洞石砂岩幕墙做开放式结构。（8）由于在水饱和状态下，洞石、砂岩的材料的强度会 有不同程度降低，特别是砂岩降低程度非产高，因此建议在幕 墙面材计算时，宜采用水饱和状态下的材料弯曲强度作为计算 依据。（9）由于建筑幕墙直接面对人群的特殊性，因此要求幕 墙面材在实用过程中的保证足够的安全性能，所以当幕墙面材 大量采用洞石、砂岩时，建议材料干燥状态下的弯曲强度不小 于 7mpa，水饱和状态下的弯曲强度不小于 5mpa 为宜。（10）洞石的孔洞即是幕墙漏水的隐患，也是石材污染的 主要因素，所有用于幕墙的洞石都应在使用前做好封孔处理， 该封孔包括正背面及四边的六面。（11）由于洞石于孔洞的存在和砂岩质地疏松、强度较弱 的特点，在生产、运输、安装过程中，石材会出现掉渣、裂纹 等影响安全的因素，所以在加工、存放、运输、二次加工过程 中应特别注意，并加强检查，防止带病的石材用于幕墙，带来 安全隐患。图 17图 18（3）超白洞石（土耳其）（见图 19）（4）米黄洞石（伊朗）（见图 20）图 19图 202.3 材料物理性能分析（1）洞石在商业上虽然被归于大理石类，但其体积密度、 吸水率等许多指标与大理石截然不同。（2）由于洞石材料的空洞和疏松特性，材料体积密度普 遍较低。（3）洞石的吸水率虽然比砂岩材料的表现好，但仍然逊 于花岗岩和大理石。（4）洞石整体的弯曲强度指标较高，能满足一般工程使 用要求。（5）国产洞石的质地较密实，体积密度较高，接近花岗石。 在吸水率上的指标也要优于进口洞石。（6）洞石在水饱和状态时的弯曲强度略低于干燥状态， 但降低的幅度不大。（7）洞石在封孔的情况下，冻融性能能够满足一般工程 要求。3 建筑幕墙用砂岩、洞石的材料选择建筑首先是结构安全，而材料是保证建筑质量和安全的物 质基础，幕墙面材又是直接承受自然界作用的表皮，所以幕墙 面材的选择也是建筑安全的重中之重。根据以上试验分析，可以看出，砂岩、洞石材料的物理性 能存在许多不利因素，从结构安全及长期使用的角度来看，并 不是建筑幕墙面材的理想材料，所以洞石、砂岩幕墙的面材选 择要慎之又慎。很多失败的案例都是选材不当造成的。例如面 材的破损、脱落等安全隐患、砂岩的发霉、粉化，洞石的污染、（下转第173页）china construction metal structure 169材料应用试验包括实验室部分和现场部分。现场部分是确定建筑效果的不可或缺的步骤。根据施工现场的具体情况，有针对性的 进行现场挂样试验，不仅检验了幕墙系统的全过程控制，也为 业主、建筑师提供直接的感官效果，最终确定实施方案提供参 考依据。3.4 加工加工质量是决定建筑工程质量的最重要的环节，施工及监 督单位在工程实施过程中应该对洞石、砂岩幕墙的加工工艺及 过程进行有效的管理和控制。洞石、砂岩由于其材料的特性， 易于加工，但也易于损坏。因此加工环节在运输、生产、储存 阶段必须有可靠的工艺及控制措施。加工机械的选择也尤为重 要，切割、打孔、开槽等加工工序应通过精度高的专业设备来 完成，尽量避免手工操作带来的质量问题。对于洞石砂岩幕墙必须的材料加强环节，也应制订完善的 生产及检验办法，并有效执行，才能保障材料加强的完整性和 有效性，最终实现工程安全的使用。3.5 安装国内幕墙的安装现在依然是劳动密集型的工作，且劳务工 人的流动性大，缺少有效的培训，还是处在“扔下锄头、就盖 高楼”的阶段。特别是洞石、砂岩幕墙在国内起步较晚，工程 量少，熟练工人不多的情况下，施工人员的上岗培训非常重要， 否则工程质量的保证就会出现问题。在洞石、砂岩幕墙的现场安装过程中，材料储存、运输、 安装、保护等环节需制订严谨的施工工艺、质量检查标准和措 施。一定要坚决杜绝石材带病上墙的现象发生。在洞石、砂岩 幕墙施工过程中，施工和监督单位应该比传统花岗石幕墙投入 更多的资源和精力，加大检查力度，及时纠正错误方法和行为， 才能保证交付给社会安全、放心的工程。3.6 维护 洞石、砂岩幕墙的维护包括维修和日常维护两方面。 由于洞石、砂岩材料的强度相对较低，因此在使用过程中更容易出现损坏现象。维修工作应及时，发现问题要第一时间 解决。若由于材料采购周期等原因不能及时修理的情况下，也应及时进行封闭处理，否则由于幕墙系统的不封闭，使内部支承系统、连接系统、面材的内层长期暴露在自然界，就会出现 腐蚀、粉化等降低幕墙使用寿命的现象，而且有些损害还不能 及时发现，带来的后果会更加严重。洞石、砂岩幕墙的日常维护和清洗，相对于其他式更应该 引起重视。洞石砂岩材料经过防水处理后，防水性能得到了提 高，但是无论采用哪种防水材料，其耐久性都不高，一般仅为35 年，因此在建筑使用过程中必须进行定期维护，重新做 防水处理。洞石、砂岩在潮湿环境下容易产生霉变、粉化、表皮脱落 等现象，非常影响建筑观感和工程安全，定期的清洁是最好减 少这些情况发生的有效办法，因此项目使用及运营方应该在项 目竣工交付后制订并实施详细的幕墙维护办法。4 结语洞石、砂岩幕墙是传统花岗石幕墙的延伸，已经成为建筑 外装饰市场上不可忽视的建筑形式，必将在幕墙领域占有一席 之地。充分的论证、完善的设计、有效的组织、精心的维护是 保证这一幕墙形式安全使用的唯一原则。本文对洞石、砂岩幕墙正确应用的总结，希望能为业内同 仁提供借鉴和帮助，总结经验，吸取教训，随着幕墙设计、施 工技术的不断完善，新的工艺、方式的不断创新，在建筑项目 相关各方的重视及不懈努力下，这些为城市带来文化底蕴的材 料必将为城市建设增添一片独特的风景。参考文献1 金属与石材幕墙工程技术规范 .jgj133. 2 建筑幕墙 .gb/t 21086. 3 天然砂岩建筑板材 .gb/t 23452. 4 天然大理石建筑板材 .gb/t 19766.作者简介：董彪，就职于中国建筑西南设计研究院有限公司，职务：建筑幕墙设计研究中心总工程师。（编辑：蒋东旭）（上接第169页）（12）为避免洞石、砂岩材料的现场手工开工、切割，而产生的质量问题，洞石、砂岩的材料加工应采用加工精度高、 质量好的全机械设备来完成。（13）洞石、砂岩幕墙的构造方式的选择要特别慎重，不 能为节省成本，而采用有安全隐患的处理方式，应经过合理的 设计，并经过试验检验证明是安全的构造方式。4 结语本文仅以建筑中石材幕墙的两种特殊材料为例，科学研究 及论述，体现了建筑选材的重要性及科学性。希望有关建筑从 业者在建筑选材时要以安全为出发点、以科学研究为选择基础、 以时间检验为建筑成功标志，敢尝试、不盲目、讲科学、重试验