四川青砂岩等天然凝灰岩(砂岩)石材幕墙技术的讨论

青石在石材外墙干挂上的应用并不是很常见，很大一部分原因是材质的问题，造成施工难度大，当然还有一个是颜色的喜好，青石做装饰可以，但是大面积墙面应用也的确不常见，而同样是砂岩的黄沙岩产品相对来说就应用的多了，看下图，所以技术不是问题，关键还是消费者的喜好。技术迟早都是可以解决的。一起来了解下砂岩石材幕墙的一些探讨。

黄沙岩幕墙应用

石材幕墙用天然石板材过去主要采用天然花岗石建筑板材，现在有很多工程采用天然凝灰岩（砂岩）建筑板材。由于有关规范（标准）没有凝灰岩（砂岩）的内容，为帮助广大工程技术人员在使用凝灰岩（砂岩）石材幕墙时掌握有关技术，特对凝灰岩（砂岩）石材幕墙有关技术进行讨论。

石材科学分类方法应该是根据石材的地质组成来划分其种类，从地质学的角度来看，地壳土层中的岩石分为下列三种类：

(1)火成岩

这些岩石从热的熔化的材料中形成，花岗岩和玄武岩是火成岩中的两种。

(2)沉积岩

这些岩石起源于其他岩石的碎片和残骸，这些碎片在水、风、重力及冰等各种因素的作用下移动到一个由沉积物形成的盆地中沉积，沉积物压缩和胶结后形成坚硬的沉积岩。沉积岩由其他岩石中丰富的物质所组成，石灰岩、砂岩以及凝灰岩是沉积岩中的三类型。

(3)变质岩

这些岩石形成于其他已经存在的岩石在受热或压力作用下进行了结晶或重结晶。大理岩、板页岩和石英岩是变质岩中的三种。

从以上可以看出，凝灰岩、花岗岩、大理岩的区别是明显的，它们分别属于石材的三大种类，凝灰岩是沉积岩，花岗岩是火成岩，而大理岩是变质岩，因此凝灰岩不是大理岩，根据美国规范ASTM C119—“规格石材相关的标准术语”，凝灰岩是“可通过分层结构来划分的结晶的或微结晶的石灰岩的一个变种”。

花岗石原指花岗岩加工的石材，而现在所称的花岗石是一个商品名称，它包括所有可作为饰面石材，并以硅酸盐矿物为主的火成岩，花岗石以氧化硅为主，含有氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁等成分，因其形成温度高，各种矿石晶体镶嵌严密，质地坚硬，耐酸、碱、盐的腐蚀，化学稳定性好，但因其中含有石英，在高温下会膨胀碎裂，此外氧化铁含量高时，石材表面会出现锈斑。花岗石多数结构紧密，呈现出美丽的自然构造纹理，具有很强的装饰性。

凝灰岩是在大气条件下从含碳酸盐的泉水（通常是热泉）中沉淀而成的一种钙质材料。含有二氧化碳的循环地下水带走了溶液中大量的钙质碳酸盐，当地下水到达泉水表面时，一些二氧化碳释放出来就导致了一些钙质碳酸盐沉淀而成为凝灰岩（通常在浅池塘的底部）。与在远古的海洋中形成的石灰岩不同的是，凝灰岩是从河流或池塘里富含石灰的饱和水中通过碳酸盐的快速沉淀而形成的。这一快速沉淀限制了有机物和气体，在凝灰岩中产生了孔隙及明显的基床平面特征，这就形成了凝灰岩的美丽纹理。与此同时不利的一面上，这些孔隙及基床平面特征使得凝灰岩在气候中暴露时会产生内部的裂缝和分层，发生沿基床平面的腐蚀和恶化，进一步降低了石材弱方向的强度。但是如果凝灰岩得到很好的加固，它在尺寸稳定性、抗冻融能力、压缩强度等方面的物理性能就可以被认为与大理岩类似。而且除了孔隙以外，凝灰岩自身通常是密实和不透水的。

砂岩（金年华天然石材），产地巴基斯坦，为生物碎屑灰质岩，镜下观察：

结构构造：生物碎屑结构， 块状构造。

矿物成分：碎屑 (生物碎屑)60% 、胶结物40%，由次多量尘点状碳酸盐灰质和少量氧化铁质组成。

岩石为生物碎屑灰质岩，呈黄白—浅黄褐色，由大量的生物碎屑和次多量的灰质及少量氧化铁质胶结而成。岩石中的生物碎屑含量和种类极为丰富，以有孔虫为主，其次为腕足类、腹足类、莛科类和棘皮生物海胆类及介形虫等。生物碎屑碎片占岩石中绝大部分，因而定名为生物碎屑灰质岩。生物碎屑中的灰质粒度极为细小，仅在0.001mm左右，属原始未经重结晶海洋碳酸盐沉淀物，经后期压实作用而成的岩石。而分布于碎屑壳壁上的灰质则呈纤维状或超显微鳞片状集合体产出。个别灰质局部略有重结晶而呈微粒状现象。由于岩石中的硐酸盐基本没有重结晶，呈原始尘点状或泥状沉淀，说明岩石属沉积世代较新的二迭系—第三系平静浅海相沉积的生物碎屑灰质岩。

胶结物由次多量尘点状或超显微鳞片状碳酸盐灰质和少量氧化铁质组成，灰质呈不均匀团粒状散布于生物碎屑间，粒度均＜0.001mm受氧化铁质的渲染，局部呈不均匀浅黄—浅黄褐色。

砂岩（金年华天然石材）化学成分：

氧化钙 50.54% 、氧化镁 1.88%、 二氧化硅 2.38%、三氧化二铝 2.04%

大理石学名大理岩，因盛产于我国云南大理点苍山而得名。现在所说的大理石实际上包括所有能作饰面石材的变质岩。大理石成分以碳酸钙为主，约占58%以上，另外含有碳酸镁、氧化钙、氧化镁等。因而当空气潮湿并含有二氧化硫气体时，大理石表面会发生化学反应生成石膏，呈现风化现象。

凝灰岩及砂岩没有国家标准（行业标准），现列出性能参考参数见下表。

从上表可以看出凝灰岩（砂岩）的特点是吸水率高、强度低。近年来的工程建设中，对凝灰岩的材质进行了大量的检测（例如东莞市行政中心），对砂岩材质也进行了检测（例如深圳市文化中心），取得了一些参数，使我们对凝灰岩（砂岩）有了初步的认识，但总体上来讲，由于使用凝灰岩（砂岩）的工程还不多，且凝灰岩（砂岩）产地分散，各地产品材质差异很大，因此每个工程在使用凝灰岩（砂岩）时都应对材质进行检测，以便对材质进行评估。同时要对凝灰岩（砂岩）石板材表面涂有机硅防水剂进行防水处理，深圳市文化中心用砂岩石板材，通过表面防水处理，砂岩石板材吸水率降低到0.8% 以下，且强度有大幅度提高，说明此类石材用有机硅防水剂进行表面处理的必要性。但在设计计算时，现在尚不宜考虑处理后的效果，即仍按未处理前参数采用。对此类石板材也进行了（抗弯、抗冲击）承载能力试验，取得了一些参数，但我们对它破坏特点的认识尚不充分，因此设计时，总安全系数K宜取为3.5，即材料性能分项系数K2取为2 .5

从石材幕墙实际工程破坏和试验结果看，石材幕墙石板材连接破坏大部分为槽(孔)冲切（锥体）破坏，对槽(孔)破坏情况的分析表明，槽(孔)与勾(栓)配合尺寸的正确选择是非常重要的，它对石材幕墙石板材连接性能起到关键作用。勾(栓)与槽(孔)的配合不仅要考虑施工、安装时便于调整，而更重要的是考虑槽(孔)的受力特点，在严格控制施工偏差、满足施工安装必要的调整尺寸基础上，确定槽(孔)尺寸，使其达到最佳受力状态。

现在对各种连接配合构造分别进行讨论。

1.通槽通长勾（图1）

通槽即沿板上、下边通长开槽，一般槽宽取7mm，槽深取15~17mm，这样取值是按勾厚4mm，勾锚入槽10~12mm考虑的，通长勾勾长一般取比板宽两端各减5mm考虑。

图1 通槽（普通槽）通长勾

从破坏情况分析，通槽通长勾破坏时石材沿槽底向下剥离，剥离角随石材强度而异，石材强度高，角度小(即剥离面积大)，石材强度低，角度大(即剥离面积小)。由于通长设勾，总的剥离面积等于板宽乘剥离深度，剥离面积大，受力特别有利，但勾的用料较多。从以上分析还可看出如果槽开得很深，剥离深度不会随开槽深度而相应改变，即槽深比勾锚入深度大于5mm以上后，会减少剥离面积，减少抗剪承载能力（图2）。

图2 通槽（深槽）通长勾

2.通槽短勾（图3）

石板材上开通槽（一般槽宽取7mm，槽深取15~17mm），用短勾连接，板材受剪破坏时，短勾两侧槽壁剪切破坏，并从勾下槽底向下剥离，剪切破坏面积为槽壁剪切面积加槽底下板面剥离破坏面积，剥离面积随勾宽和槽深而变化。总体来说，其总剥离面积远远小于通槽通长勾，是所有勾槽连接节点中剪切(剥离)面积最少的，即最易剪切破坏的连接节点。

图3 通槽短勾

3. 短平槽短勾（图4）

石板材上开短平槽（一般槽宽取7mm、槽长度取100mm），用短勾连接，石板材受剪破坏时，短勾两侧槽壁呈γ0角剥离，槽底呈α0角剥离，剪切破坏面积为槽壁两侧剥离面积加槽底以下面板剥离面积，总剥离面积大于通槽短勾，但应注意到短平槽槽长与勾宽的关系，保持槽长为勾宽+10mm(2×5 mm)时槽壁沿槽端剥离（如按规范规定长度取不少于100mm，则勾宽应为90mm），如果槽长过长(即大于勾宽2×5 mm)就有可能在槽中部剥离或沿槽壁切断，即短平槽开槽过长，对槽受力不利。

图4 短平槽短勾

4. 弧形短槽短勾（图5）

弧形短槽（一般槽宽取7mm，槽长、槽深与砂轮直径和有效长度取值有关），用短勾连接，它要求勾下端处弦长（有效长度）比勾宽长(2×5 mm)10mm，以便安装时调节(并考虑开槽、制勾及安装时定位偏差)，受力破坏为剥离破坏，剥离破坏面积与勾宽和勾锚入深度有关，不会随弧形短槽开槽深度和宽度而相应改变，即同样勾宽和勾锚入深度，开槽加深、加宽以后，剥离面积随之减少，因此控制有效长度对弧形短槽抗剪承载能力至关重要。如按规范规定有效长度取不少于80mm，则勾宽应为70mm，如果勾宽40mm，则有效长度控制在50mm左右为宜。

短平槽(弧形短槽)如果采用蝶式勾，剪切破坏时，槽两侧剥离面积不同，即近勾侧剥离面积大，远勾侧剥离面积小，甚至无剥离(槽壁剪切破坏)，因此短平槽(弧形短槽)采用蝶式勾对受力不利。

图5 弧形短槽短勾

5. 钢销式（图6）

在石板材板上、下边上开孔，一般孔径为6~7mm，孔深22~33mm，破坏时石板在销孔两侧呈γ0角，在孔底呈α0角剥离，孔深对剥离面积有影响，但孔深30mm以后继续增加孔深其影响会越来越小。

图6 钢销式

6． 背栓式（背栓式）

背栓式是在石板材背面开背栓孔，用背栓将石材和连接件紧固起来，形成连接节点。单切面背栓背栓孔深一般要大于板厚的一半（例如20mm板厚，孔深12mm）。这样，在受风压力时冲切破坏面积小于受风吸力时冲切破坏面积，且在反复冲击时易于破坏。

双切面背栓由于板材背面垫圈面积大于扩孔孔底面积，且抗冲击厚度为板厚，受风压力时冲切破坏面积大于受风吸力时冲切破坏面积（即单切面背栓最大冲切破坏面积），而且在反复冲击时不会破坏。凝灰石(黄洞石)由于板材上有孔洞，如果背栓孔位于板上孔洞上(附近)有可能使连接失效。

图7 背栓式 单切面背栓 双切面背栓

从现有工程调查发现，勾(栓)铁件锈蚀后体积膨胀，将槽(孔)挤压破坏的情况屡屡发生，导至连接失效。因此勾(栓)必须采用不锈钢(1Cr18Ni9 0Cr19Ni9等)或铝合金（6063、6063a、6061、3003、5005等），不得采用碳钢镀锌件和其它易锈钢件。

从以上分析，我们可以看出凝灰岩(砂岩)石板的连接设计不仅要选用恰当的槽(孔)形式，并且对勾(栓)槽(孔)的配合尺寸也要正确选择，如果勾(栓) 槽(孔)的配合尺寸选不当，将会可能使石板材连接能力降低，易于破坏。

通过以上讨论，我认为凝灰岩(砂岩)用于石材幕墙是可行的，但要注意对材质的认识和评估，以及选择正确的连接型式及勾(栓)槽(孔)的连接配合尺寸。凝灰岩(砂岩)用于石材幕墙的计算方法和花岗石石材幕墙相同，只是强度设计值取凝灰岩(砂岩)抗弯强度设计值（实测抗弯强度平均值/2.5）、抗剪强度设计值（实测抗弯强度平均值/5）。