用于外立面石材幕墙的洞石性能

刘叶锋 王 涛 王 雄 朱振伟

（1中建阿尔及利亚公司，北京100125；2中建三局三公司，湖北 武汉430064；3中建幕墙，湖北 武汉 430100；）

用于外立面石材幕墙的洞石性能

刘叶锋1王 涛1王 雄2朱振伟3

（1中建阿尔及利亚公司，北京100125；2中建三局三公司，湖北 武汉430064；3中建幕墙，湖北 武汉 430100；）

近年来洞石越来越多的受到建筑师青睐，广泛应用于建筑外立面石材幕墙工程中。 然而由于其独特的孔洞和纹理结构，造成其强度低、各向异性、抗冻融性能和耐腐蚀性能相对较差等特点。因此在洞石用于外立面石材幕墙工程时，需要特别注意，不能简单的参考石灰石或者其他石材标准。本文简述了洞石的上述性能特点，并指出了洞石在外立面石材幕墙工程上应用时应注意的要点，以供参考。

洞石；石材幕墙；弯曲强度；抗冻融；耐腐蚀；

洞石，由于其特有的孔洞、独特的纹理、古朴自然的质感，备受建筑师青睐，广泛应用于建筑装饰工程领域。许多建筑大师如贝聿铭、Welton Becket、Richard Meier等，对洞石情有独钟，缔造了一批洞石经典工程。狭义上的洞石是指原产于意大利底波利（Tivoli）的一种天然石灰石，中文学名“石灰华”，英文“Travertine”，其开采和应用的历史可追溯至古罗马时期。古罗马斗兽场、梵蒂冈大教堂都是罗马洞石应用的绝佳典范。近几十年来，随着洞石在全世界的广泛应用，原产于意大利的洞石供不应求，土耳其、伊朗、甚至于中国等相继开发了外观和质地近似的石材产品，广义上将这些产品也都统称为洞石。

洞石实际上是一种变质成岩不完全的石灰石，但又具有大理石可抛光的特征。由于洞石独特的孔洞和纹理结构，造成其强度低、质地疏松、孔洞内容易积水、抗冻融性能和耐久性都较差[1]。当洞石应用于外立面石材幕墙时，需要抵抗自重、风荷载、地震荷载、冻融、腐蚀性环境等，其各项性能的确定非常重要。目前，国内还没有洞石的专门标准，一般按照石灰石的相关标准对其性能进行判定。许多设计师并不完全了解洞石的独特性能，简单的参考石灰石、大理石或者花岗岩等其他石材标准和设计方法，有时还会造成安全隐患。

1 用于外立面石材幕墙的石材性能要求

用于外立面石材幕墙工程的石材性能指标主要包括强度、抗冻融性能、耐腐蚀性能等三个方面。其中强度又包括抗弯强度、抗剪强度、石材固点处的断裂强度（或背栓固定点的抗拉拔强度）等。标准还规定了石材的体积密度、吸水率、放射性核素限量、石材板材的最小厚度和单块最大面积等要求[2]。

2 洞石的强度

用于外立面石材幕墙的石材板材，可以通过实验确定其抗弯强度。常用的测试标准包括中国标准《GB/T9966.2-2001天然饰面石材试验方法（第2部分：干燥、水饱和弯曲强度试验方法）》，欧洲标准《EN 13161:2008天然石材试验方法-恒定负荷抗弯强度》，美国标准《ASTM C880/C880M-09石材弯曲强度测定方法》等。需要注意的是，由于洞石独特的纹理结构，其强度表现为各向异性，在不同的方向上强度明显不同。在弱方向上的石材强度甚至只有强方向的30%~40%，这在商业化应用的石材中是非常少见的。

如图1为洞石不同切割方向的纹理效果；表1为根据EN13161测试的某洞石弯曲强度。

由表1可以看出洞石强度的几个特点：

1）各项异性。当洞石采用不同的切割方式时，其弯曲强度差异非常明显。荷载垂直于纹理方向（强向）其平均弯曲强度可以达到6-9MPa，而荷载平行于纹理方向（弱向）时其平均弯曲强度往往只有3-5MPa。当纹理在厚度方向时（乱纹），其弯曲强度通常接近于强向的抗弯强度。

2）石材强度低，尤其是在荷载平行于纹理方向时，其最低期望强度甚至低于我国标准关于石灰石干挂石材弯曲强度要求的下限（4.0MPa）[3]。

图1 洞石不同切割方向的纹理效果

表1 根据EN13161测试的某洞石弯曲强度

3）离散性高。同一组试件，最低和最高值相差甚至超过平均值的50%。

由于洞石强度的上述特点，在用于石材幕墙工程时，应采取非常审慎的态度，认真分析材料和工程特点，选用合适的设计参数，加强生产和安装过程中的质量管理和控制，确保质量安全。应特别注意：

1）确定石材强度时选取的实验样品应具有代表性，应结合具体项目选用的石材矿的位置、矿层，项目选用的代表性纹理样板，石材板材的使用方式等，使得实验样品能够相对真实的反映用于项目的石材板材性能。特别注意的是，设计师不能直接使用石材供应企业提供的试验数值作为设计依据。

2）必须建立严格的质量管理和控制体系，包括工厂内质量控制流程和出厂检验措施。相应的质量检查应由了解洞石材料和石材幕墙设计的专门人员进行，保证石材性能符合设计要求。由于洞石强度的高离散性，每块石材甚至一块石材的不同部位强度都可能有较大区别，因而熟练且富有经验的检查人员往往比实验室数据更加重要[4]。

3）设计师应采用石材最低保证强度作为石材强度设计的标准值，而不是根据简单实验的结果。所谓石材最低保证强度，是指富有经验的专业人员，在（1）和（2）的基础上，根据项目特点、使用方式和重要程度等，综合考虑后确定的石材强度标准值，其值往往低于型式试验的数值。

4）宜采用多系数法，确定石材面板的安全系数即石材面板材料性能分项系数。我国标准规定[2]，对于强度标准值在4~8MPa之间的石灰石，其安全系数取3.57。英国标准[5]建议对于洞石材料安全系数取2.5，而美国标准[6]建议取8。由此可见，不同国家对于洞石的使用认识上也有很大差异。最近的一些研究已经关注到这一点，并建议采用多系数法来综合反映洞石材料的性能和使用环境，从而确定更加安全可靠的安全系数。

3 抗冻融性能

长期以来，人们对洞石的抗冻性能持怀疑态度，认为这种多孔的石材更容易存储水分，从而会面临更严重的冻融破坏的风险。一些实验也表明，富含泥质和裂缝的洞石在水饱和后进行冻融实验，甚至会在几次循环后完全碎裂。当建筑大师贝聿铭将洞石引入北京中国银行总部大楼项目时，甚至亲自写信给专家组保证这一材料可以适应北方冬天的寒冷天气。

然而，工程实践表明，挑选密实度高、孔洞均匀的优质洞石，并不比其他石材材料面临更严重的冻融危害。在美国，对一些洞石进行的超过300次的冻融实验表明，质量优良的洞石（孔洞和纹理小）在冻融后没有一例破坏，其中有些石材已经暴露在水中超过30年[4]。

Stefano Hoffmann（欧洲标准理事会成员，洞石专家）认为，当洞石用于外立面工程时，由于其很少处于水饱和状态，而孔洞又给了水在结冰时自由膨胀的空间，在实际工程中反而有更好的抗冻性能。历史上洞石广泛应用于意大利，其纬度大约在北纬42度，冬季多雨雪，但良好设计和选择的洞石表现出优异的抗冻性能。

但由于缺少系统研究，以及一些洞石不当使用造成危害的警示，在国内对于寒冷地区的外立面洞石，一般采用封洞处理[7]。标准也规定，用于外立面的石灰石板材，其抗冻系数不能小于0.8。与此同时，设计师在使用洞石时，还应很好的考虑构造节点，以保证水分不在石材表面聚集，从而减小冻融破坏的风险。

4 耐腐蚀性能

洞石属于碳酸盐结构的石灰石，耐酸性较差。在污染较重的区域，酸雨侵蚀会很严重，更会加速石材的破坏。靠近海滨地区的盐雾或者酸雨，溶于水后可通过孔洞进入洞石材料内部，有些盐可以在洞石内结晶，某些情况下可以导致体积增加产生内应力，这会导致洞石的分层和去角质化。除冰盐和洞石接触（或者和大多数石材接触）会加剧这一问题。

Mutluhan Akin 的研究表明，在经过25次盐雾结晶实验后，实验洞石的完整性损失了40%~50%，不管孔隙率是大于5%还是小于5%。其中硫酸钠盐的破坏性更强于硫酸镁。对比试验还表明，酸雨腐蚀造成的耐久性损失也远大于冻融破坏[8]。

我国目前还缺少洞石耐腐蚀性能的深入研究，标准中也没有明确要求。然而鉴于酸性腐蚀对洞石耐久性的巨大危害以及国内环境污染的日益严峻，有必要在洞石使用上做出适当的考虑。对于使用环境恶劣、重要性高的建筑，建议至少保证4cm以上的石材厚度。

5 结 语

洞石是一种极为特殊的石材产品，由于其独特的孔洞和纹理结构，造成强度低、各项异性、离散性大。

在工程应用上，应充分了解所选择洞石的原材料和项目特点，慎重确定洞石抗弯强度等性能参数，合理选择安全系数。同时应严格管理从矿山、工厂加工到现场安装的全过程质量控制，保证安全。

选择密实度高和孔洞小而均匀的优质洞石，可以使用在寒冷地区。但在工程设计时，要仔细考虑构造细节以避免水在洞石表面聚集，从而增加冻融破坏的风险。

相对于冻融破坏，酸性腐蚀可以给洞石耐久性带来更大危害，目前还缺少这方面的定量研究，但在恶劣环境和重要项目上使用时，设计师应考虑增加石材板材厚度来减小这一风险。

[1]赵西安. 砂岩和洞石幕墙板材的选用要十分慎重[J].中国建筑金属结构, 2007.5:P22-24.

[2]金属与石材幕墙工程技术规范[S]. JGJ133, 2013.

[3]干挂饰面石材[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]卢柯、邓小军. 洞石在建筑幕墙上的应用情况及分析[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

中国建筑股份有限公司科技研发课题 CSCEC-2013-Z-17 “大清真寺施工关键技术研究”

TU56+4.29

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1003-8965(2016)05-0026-03