四川青砂巖等天然凝灰?guī)r(砂巖)石材幕墻技術(shù)的討論

青石在石材外墻干掛上的應(yīng)用并不是很常見，很大一部分原因是材質(zhì)的問題，造成施工難度大，當(dāng)然還有一個(gè)是顏色的喜好，青石做裝飾可以，但是大面積墻面應(yīng)用也的確不常見，而同樣是砂巖的黃沙巖產(chǎn)品相對(duì)來說就應(yīng)用的多了，看下圖，所以技術(shù)不是問題，關(guān)鍵還是消費(fèi)者的喜好。技術(shù)遲早都是可以解決的。一起來了解下砂巖石材幕墻的一些探討。

黃沙巖幕墻應(yīng)用

石材幕墻用天然石板材過去主要采用天然花崗石建筑板材，現(xiàn)在有很多工程采用天然凝灰?guī)r（砂巖）建筑板材。由于有關(guān)規(guī)范（標(biāo)準(zhǔn)）沒有凝灰?guī)r（砂巖）的內(nèi)容，為幫助廣大工程技術(shù)人員在使用凝灰?guī)r（砂巖）石材幕墻時(shí)掌握有關(guān)技術(shù)，特對(duì)凝灰?guī)r（砂巖）石材幕墻有關(guān)技術(shù)進(jìn)行討論。

石材科學(xué)分類方法應(yīng)該是根據(jù)石材的地質(zhì)組成來劃分其種類，從地質(zhì)學(xué)的角度來看，地殼土層中的巖石分為下列三種類：

(1)火成巖

這些巖石從熱的熔化的材料中形成，花崗巖和玄武巖是火成巖中的兩種。

(2)沉積巖

這些巖石起源于其他巖石的碎片和殘骸，這些碎片在水、風(fēng)、重力及冰等各種因素的作用下移動(dòng)到一個(gè)由沉積物形成的盆地中沉積，沉積物壓縮和膠結(jié)后形成堅(jiān)硬的沉積巖。沉積巖由其他巖石中豐富的物質(zhì)所組成，石灰?guī)r、砂巖以及凝灰?guī)r是沉積巖中的三類型。

(3)變質(zhì)巖

這些巖石形成于其他已經(jīng)存在的巖石在受熱或壓力作用下進(jìn)行了結(jié)晶或重結(jié)晶。大理巖、板頁(yè)巖和石英巖是變質(zhì)巖中的三種。

從以上可以看出，凝灰?guī)r、花崗巖、大理巖的區(qū)別是明顯的，它們分別屬于石材的三大種類，凝灰?guī)r是沉積巖，花崗巖是火成巖，而大理巖是變質(zhì)巖，因此凝灰?guī)r不是大理巖，根據(jù)美國(guó)規(guī)范ASTM C119—“規(guī)格石材相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)”，凝灰?guī)r是“可通過分層結(jié)構(gòu)來劃分的結(jié)晶的或微結(jié)晶的石灰?guī)r的一個(gè)變種”。

花崗石原指花崗巖加工的石材，而現(xiàn)在所稱的花崗石是一個(gè)商品名稱，它包括所有可作為飾面石材，并以硅酸鹽礦物為主的火成巖，花崗石以氧化硅為主，含有氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵等成分，因其形成溫度高，各種礦石晶體鑲嵌嚴(yán)密，質(zhì)地堅(jiān)硬，耐酸、堿、鹽的腐蝕，化學(xué)穩(wěn)定性好，但因其中含有石英，在高溫下會(huì)膨脹碎裂，此外氧化鐵含量高時(shí)，石材表面會(huì)出現(xiàn)銹斑?；◢徥鄶?shù)結(jié)構(gòu)緊密，呈現(xiàn)出美麗的自然構(gòu)造紋理，具有很強(qiáng)的裝飾性。

凝灰?guī)r是在大氣條件下從含碳酸鹽的泉水（通常是熱泉）中沉淀而成的一種鈣質(zhì)材料。含有二氧化碳的循環(huán)地下水帶走了溶液中大量的鈣質(zhì)碳酸鹽，當(dāng)?shù)叵滤竭_(dá)泉水表面時(shí)，一些二氧化碳釋放出來就導(dǎo)致了一些鈣質(zhì)碳酸鹽沉淀而成為凝灰?guī)r（通常在淺池塘的底部）。與在遠(yuǎn)古的海洋中形成的石灰?guī)r不同的是，凝灰?guī)r是從河流或池塘里富含石灰的飽和水中通過碳酸鹽的快速沉淀而形成的。這一快速沉淀限制了有機(jī)物和氣體，在凝灰?guī)r中產(chǎn)生了孔隙及明顯的基床平面特征，這就形成了凝灰?guī)r的美麗紋理。與此同時(shí)不利的一面上，這些孔隙及基床平面特征使得凝灰?guī)r在氣候中暴露時(shí)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部的裂縫和分層，發(fā)生沿基床平面的腐蝕和惡化，進(jìn)一步降低了石材弱方向的強(qiáng)度。但是如果凝灰?guī)r得到很好的加固，它在尺寸穩(wěn)定性、抗凍融能力、壓縮強(qiáng)度等方面的物理性能就可以被認(rèn)為與大理巖類似。而且除了孔隙以外，凝灰?guī)r自身通常是密實(shí)和不透水的。

砂巖（金年華天然石材），產(chǎn)地巴基斯坦，為生物碎屑灰質(zhì)巖，鏡下觀察：

結(jié)構(gòu)構(gòu)造：生物碎屑結(jié)構(gòu)， 塊狀構(gòu)造。

礦物成分：碎屑 (生物碎屑)60% 、膠結(jié)物40%，由次多量塵點(diǎn)狀碳酸鹽灰質(zhì)和少量氧化鐵質(zhì)組成。

巖石為生物碎屑灰質(zhì)巖，呈黃白—淺黃褐色，由大量的生物碎屑和次多量的灰質(zhì)及少量氧化鐵質(zhì)膠結(jié)而成。巖石中的生物碎屑含量和種類極為豐富，以有孔蟲為主，其次為腕足類、腹足類、莛科類和棘皮生物海膽類及介形蟲等。生物碎屑碎片占巖石中絕大部分，因而定名為生物碎屑灰質(zhì)巖。生物碎屑中的灰質(zhì)粒度極為細(xì)小，僅在0.001mm左右，屬原始未經(jīng)重結(jié)晶海洋碳酸鹽沉淀物，經(jīng)后期壓實(shí)作用而成的巖石。而分布于碎屑?xì)け谏系幕屹|(zhì)則呈纖維狀或超顯微鱗片狀集合體產(chǎn)出。個(gè)別灰質(zhì)局部略有重結(jié)晶而呈微粒狀現(xiàn)象。由于巖石中的硐酸鹽基本沒有重結(jié)晶，呈原始?jí)m點(diǎn)狀或泥狀沉淀，說明巖石屬沉積世代較新的二迭系—第三系平靜淺海相沉積的生物碎屑灰質(zhì)巖。

膠結(jié)物由次多量塵點(diǎn)狀或超顯微鱗片狀碳酸鹽灰質(zhì)和少量氧化鐵質(zhì)組成，灰質(zhì)呈不均勻團(tuán)粒狀散布于生物碎屑間，粒度均＜0.001mm受氧化鐵質(zhì)的渲染，局部呈不均勻淺黃—淺黃褐色。

砂巖（金年華天然石材）化學(xué)成分：

氧化鈣 50.54% 、氧化鎂 1.88%、 二氧化硅 2.38%、三氧化二鋁 2.04%

大理石學(xué)名大理巖，因盛產(chǎn)于我國(guó)云南大理點(diǎn)蒼山而得名。現(xiàn)在所說的大理石實(shí)際上包括所有能作飾面石材的變質(zhì)巖。大理石成分以碳酸鈣為主，約占58%以上，另外含有碳酸鎂、氧化鈣、氧化鎂等。因而當(dāng)空氣潮濕并含有二氧化硫氣體時(shí)，大理石表面會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成石膏，呈現(xiàn)風(fēng)化現(xiàn)象。

凝灰?guī)r及砂巖沒有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），現(xiàn)列出性能參考參數(shù)見下表。

從上表可以看出凝灰?guī)r（砂巖）的特點(diǎn)是吸水率高、強(qiáng)度低。近年來的工程建設(shè)中，對(duì)凝灰?guī)r的材質(zhì)進(jìn)行了大量的檢測(cè)（例如東莞市行政中心），對(duì)砂巖材質(zhì)也進(jìn)行了檢測(cè)（例如深圳市文化中心），取得了一些參數(shù)，使我們對(duì)凝灰?guī)r（砂巖）有了初步的認(rèn)識(shí)，但總體上來講，由于使用凝灰?guī)r（砂巖）的工程還不多，且凝灰?guī)r（砂巖）產(chǎn)地分散，各地產(chǎn)品材質(zhì)差異很大，因此每個(gè)工程在使用凝灰?guī)r（砂巖）時(shí)都應(yīng)對(duì)材質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，以便對(duì)材質(zhì)進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)要對(duì)凝灰?guī)r（砂巖）石板材表面涂有機(jī)硅防水劑進(jìn)行防水處理，深圳市文化中心用砂巖石板材，通過表面防水處理，砂巖石板材吸水率降低到0.8% 以下，且強(qiáng)度有大幅度提高，說明此類石材用有機(jī)硅防水劑進(jìn)行表面處理的必要性。但在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，現(xiàn)在尚不宜考慮處理后的效果，即仍按未處理前參數(shù)采用。對(duì)此類石板材也進(jìn)行了（抗彎、抗沖擊）承載能力試驗(yàn)，取得了一些參數(shù)，但我們對(duì)它破壞特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)尚不充分，因此設(shè)計(jì)時(shí)，總安全系數(shù)K宜取為3.5，即材料性能分項(xiàng)系數(shù)K2取為2 .5

從石材幕墻實(shí)際工程破壞和試驗(yàn)結(jié)果看，石材幕墻石板材連接破壞大部分為槽(孔)沖切（錐體）破壞，對(duì)槽(孔)破壞情況的分析表明，槽(孔)與勾(栓)配合尺寸的正確選擇是非常重要的，它對(duì)石材幕墻石板材連接性能起到關(guān)鍵作用。勾(栓)與槽(孔)的配合不僅要考慮施工、安裝時(shí)便于調(diào)整，而更重要的是考慮槽(孔)的受力特點(diǎn)，在嚴(yán)格控制施工偏差、滿足施工安裝必要的調(diào)整尺寸基礎(chǔ)上，確定槽(孔)尺寸，使其達(dá)到最佳受力狀態(tài)。

現(xiàn)在對(duì)各種連接配合構(gòu)造分別進(jìn)行討論。

1.通槽通長(zhǎng)勾（圖1）

通槽即沿板上、下邊通長(zhǎng)開槽，一般槽寬取7mm，槽深取15~17mm，這樣取值是按勾厚4mm，勾錨入槽10~12mm考慮的，通長(zhǎng)勾勾長(zhǎng)一般取比板寬兩端各減5mm考慮。

圖1 通槽（普通槽）通長(zhǎng)勾

從破壞情況分析，通槽通長(zhǎng)勾破壞時(shí)石材沿槽底向下剝離，剝離角隨石材強(qiáng)度而異，石材強(qiáng)度高，角度小(即剝離面積大)，石材強(qiáng)度低，角度大(即剝離面積小)。由于通長(zhǎng)設(shè)勾，總的剝離面積等于板寬乘剝離深度，剝離面積大，受力特別有利，但勾的用料較多。從以上分析還可看出如果槽開得很深，剝離深度不會(huì)隨開槽深度而相應(yīng)改變，即槽深比勾錨入深度大于5mm以上后，會(huì)減少剝離面積，減少抗剪承載能力（圖2）。

圖2 通槽（深槽）通長(zhǎng)勾

2.通槽短勾（圖3）

石板材上開通槽（一般槽寬取7mm，槽深取15~17mm），用短勾連接，板材受剪破壞時(shí)，短勾兩側(cè)槽壁剪切破壞，并從勾下槽底向下剝離，剪切破壞面積為槽壁剪切面積加槽底下板面剝離破壞面積，剝離面積隨勾寬和槽深而變化?？傮w來說，其總剝離面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于通槽通長(zhǎng)勾，是所有勾槽連接節(jié)點(diǎn)中剪切(剝離)面積最少的，即最易剪切破壞的連接節(jié)點(diǎn)。

圖3 通槽短勾

3. 短平槽短勾（圖4）

石板材上開短平槽（一般槽寬取7mm、槽長(zhǎng)度取100mm），用短勾連接，石板材受剪破壞時(shí)，短勾兩側(cè)槽壁呈γ0角剝離，槽底呈α0角剝離，剪切破壞面積為槽壁兩側(cè)剝離面積加槽底以下面板剝離面積，總剝離面積大于通槽短勾，但應(yīng)注意到短平槽槽長(zhǎng)與勾寬的關(guān)系，保持槽長(zhǎng)為勾寬+10mm(2×5 mm)時(shí)槽壁沿槽端剝離（如按規(guī)范規(guī)定長(zhǎng)度取不少于100mm，則勾寬應(yīng)為90mm），如果槽長(zhǎng)過長(zhǎng)(即大于勾寬2×5 mm)就有可能在槽中部剝離或沿槽壁切斷，即短平槽開槽過長(zhǎng)，對(duì)槽受力不利。

圖4 短平槽短勾

4. 弧形短槽短勾（圖5）

弧形短槽（一般槽寬取7mm，槽長(zhǎng)、槽深與砂輪直徑和有效長(zhǎng)度取值有關(guān)），用短勾連接，它要求勾下端處弦長(zhǎng)（有效長(zhǎng)度）比勾寬長(zhǎng)(2×5 mm)10mm，以便安裝時(shí)調(diào)節(jié)(并考慮開槽、制勾及安裝時(shí)定位偏差)，受力破壞為剝離破壞，剝離破壞面積與勾寬和勾錨入深度有關(guān)，不會(huì)隨弧形短槽開槽深度和寬度而相應(yīng)改變，即同樣勾寬和勾錨入深度，開槽加深、加寬以后，剝離面積隨之減少，因此控制有效長(zhǎng)度對(duì)弧形短槽抗剪承載能力至關(guān)重要。如按規(guī)范規(guī)定有效長(zhǎng)度取不少于80mm，則勾寬應(yīng)為70mm，如果勾寬40mm，則有效長(zhǎng)度控制在50mm左右為宜。

短平槽(弧形短槽)如果采用蝶式勾，剪切破壞時(shí)，槽兩側(cè)剝離面積不同，即近勾側(cè)剝離面積大，遠(yuǎn)勾側(cè)剝離面積小，甚至無(wú)剝離(槽壁剪切破壞)，因此短平槽(弧形短槽)采用蝶式勾對(duì)受力不利。

圖5 弧形短槽短勾

5. 鋼銷式（圖6）

在石板材板上、下邊上開孔，一般孔徑為6~7mm，孔深22~33mm，破壞時(shí)石板在銷孔兩側(cè)呈γ0角，在孔底呈α0角剝離，孔深對(duì)剝離面積有影響，但孔深30mm以后繼續(xù)增加孔深其影響會(huì)越來越小。

圖6 鋼銷式

6． 背栓式（背栓式）

背栓式是在石板材背面開背栓孔，用背栓將石材和連接件緊固起來，形成連接節(jié)點(diǎn)。單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）。這樣，在受風(fēng)壓力時(shí)沖切破壞面積小于受風(fēng)吸力時(shí)沖切破壞面積，且在反復(fù)沖擊時(shí)易于破壞。

雙切面背栓由于板材背面墊圈面積大于擴(kuò)孔孔底面積，且抗沖擊厚度為板厚，受風(fēng)壓力時(shí)沖切破壞面積大于受風(fēng)吸力時(shí)沖切破壞面積（即單切面背栓最大沖切破壞面積），而且在反復(fù)沖擊時(shí)不會(huì)破壞。凝灰石(黃洞石)由于板材上有孔洞，如果背栓孔位于板上孔洞上(附近)有可能使連接失效。

圖7 背栓式 單切面背栓 雙切面背栓

從現(xiàn)有工程調(diào)查發(fā)現(xiàn)，勾(栓)鐵件銹蝕后體積膨脹，將槽(孔)擠壓破壞的情況屢屢發(fā)生，導(dǎo)至連接失效。因此勾(栓)必須采用不銹鋼(1Cr18Ni9 0Cr19Ni9等)或鋁合金（6063、6063a、6061、3003、5005等），不得采用碳鋼鍍鋅件和其它易銹鋼件。

從以上分析，我們可以看出凝灰?guī)r(砂巖)石板的連接設(shè)計(jì)不僅要選用恰當(dāng)?shù)牟?孔)形式，并且對(duì)勾(栓)槽(孔)的配合尺寸也要正確選擇，如果勾(栓) 槽(孔)的配合尺寸選不當(dāng)，將會(huì)可能使石板材連接能力降低，易于破壞。

通過以上討論，我認(rèn)為凝灰?guī)r(砂巖)用于石材幕墻是可行的，但要注意對(duì)材質(zhì)的認(rèn)識(shí)和評(píng)估，以及選擇正確的連接型式及勾(栓)槽(孔)的連接配合尺寸。凝灰?guī)r(砂巖)用于石材幕墻的計(jì)算方法和花崗石石材幕墻相同，只是強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取凝灰?guī)r(砂巖)抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（實(shí)測(cè)抗彎強(qiáng)度平均值/2.5）、抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（實(shí)測(cè)抗彎強(qiáng)度平均值/5）。