干挂饰面石材抗冻性能试验研究<sup>*</sup>

目前在建筑石材幕墙领域常用的外墙干挂石材以天然花岗岩和板石类石材为主，砂岩以及石灰石类石材市场应用也越来越多[1]。天然石材强度的高低主要取决于石材的黏聚力和矿物颗粒间的内摩擦力，冻融是影响黏聚力和内摩擦力的一个因素[2]。在北方等一些天气较寒冷的地方，冻融循环会导致储存在孔隙内部的水发生冻结并产生约9%的体积膨胀率[3-4]，这实际上是一个伴随着温度场、应力场、渗流场动态变化的过程[5]。

国内对天然岩石、岩体的冻融循环次数的影响研究已比较深入并取得了积极进展。姜自华等通过试验研究得到冻融循环次数是影响砂岩单轴强度的主要因素[6]。杨更社等通过开展试验探讨了冻融循环次数对岩石材料损伤扩展特性的影响，并表示对于比较坚硬、低含水量的岩石材料，冻融循环次数对其损伤扩展在初期有一定的影响，但后期影响不大[7]。徐光苗等根据不同冻融循环次数后的岩石单轴压缩试验结果，得到了砂岩和页岩弹性模量与冻融次数的拟合关系曲线及拟合关系表达式[8]；母剑桥等通过对冻融循环过后的不同岩石单轴压缩强度测试拟合，得出统一的岩石强度衰减曲线[9]；方云等根据试验结果，建立了云冈砂岩饱和单轴抗压强度、岩样初始波速和冻融次数之间的指数函数关系[10]；闻磊等通过不同次数的冻融循环试验，得到了冻融次数与花岗斑岩和灰岩2种典型岩石的抗压强度、抗拉强度、冻融系数的拟合关系曲线[11]。由此可知目前对于冻融循环次数的研究多集中在天然岩石、岩体。而干挂饰面天然石材的冻融研究却鲜有文献可供查询。虽然干挂饰面天然石材的矿物成分以及各项性能与天然岩石类似，但已有的研究中所选的这些天然石材却由于参考标准的不同未必符合GB/T 32834—2016《干挂饰面石材》[12]中所规定的各项指标要求，试验方案也有一些偏差。同时，由于冻融产生的主要因素是水，因此，干挂饰面石材的防护处理对于石材面板防冻融破坏也是至关重要的一环。而石材防护剂的研究目前国内多停留在不同种类防护剂制备及性能研究[13-15]、防护剂研究应用进展[16-17]以及未来发展方向[18]这些方面，真正开展冻融试验研究的相关文献只能检索到关于石质文物保护的一些探索性研究[19]，干挂饰面石材开展防护处理对冻融影响的试验研究几乎还是空白。

基于此，本文选择了目前幕墙工程中常用的天然花岗岩、天然石灰石以及天然砂岩这三种吸水率各不相同的建筑板材为研究对象。通过开展冻融循环及力学试验研究其在不同的防护处理和冻融循环次数下，其压缩强度以及弯曲强度的变化，分析冻融损伤对干挂饰面石材的影响。同时通过数据拟合得到这三类石材的冻融破坏最少循环次数等，以期能够为后续研究者关于干挂石材的防冻融破坏技术研究及冻融试验方案的改进提供参考。

1 冻融力学试验

1.1 试样制备

本试验选用目前外墙干挂石材领域最常用的三类石材：花岗岩、石灰石和砂岩。并按照规范GB/T 9966—2001《天然饰面石材试验方法》[20]第3部分测得其吸水率如表1所示。

为研究防护处理的不同对石材冻融的影响，此次试验共选择了4种通用型防护剂，其中水剂型(水性)和溶剂型(油性)各两种，所选用的防护剂均由厂家直供，且均为目前市场最新型的渗透型防护剂，具有优良的渗透性和透气性，且不改变石材表面原有的颜色和风貌。每种防护剂的编号及各项指标详见表2。

试样按照压缩强度试验和弯曲强度试验的不同分为两部分：压缩强度试验部分的试样根据GB/T 9966—2001第1部分：干燥、水饱和、冻融循环后压缩强度试验方法3.1条规定采用尺寸为50 mm×50 mm×50 mm的立方块，尺寸偏差±0.5 mm；弯曲强度试验部分的试样根据GB/T 9966—2001第2部分：干燥、水饱和弯曲强度试验方法3.1条规定采用尺寸为350 mm×100 mm×30 mm的板材，长度尺寸偏差±1 mm，宽度、厚度尺寸偏差±0.3 mm。

上述规定尺寸试样的制备均在工厂采用红外切割技术加工完成，要求试样表面完好且不允许有裂痕。切割完成后将所有试样用清水洗净后置于温度设置为(105±2)℃的干燥箱中干燥24 h并冷却至室温。之后对每部分试样按照试验组和对照组进行分组编号，其中，对照组取5个试样为1组，分为2组，分别测其干燥和水饱和强度，试验组取5个试样为1组，分为7组，每组的防护处理及冻融循环次数按照表3进行。接着对分组后的试样根据每种防护剂的使用要求分别进行防护处理后于自然环境下放置48 h以上。接着对分组后的试样根据每种防护剂的使用要求分别进行防护处理后于自然环境下放置48 h以上后准备开始进行冻融循环试验。

注：G-1、L-1和Q-1表示第一组花岗岩、石灰石和砂岩，其他按此类比。

1.2 冻融循环

冻融循环试验采用苏州市东华试验仪器有限公司生产的40DS-500型冻融试验机实现。试验过程按照规范GB/T 9966—2001第1部分中4.3条进行，具体步骤如下：

1)将1.1中制备好的两种尺寸中的各试验组石材试样置于(20±2)℃的清水中浸泡48 h，取出后立即放入(-20±2)℃的冷冻箱内冷冻4 h，再将其放入清水中融化4 h。

2)冻融试验组试样分别冻融循环25，50，75次后用拧干的湿毛巾将试样表面水分擦去，并立即进行力学试验。

1.3 力学试验

石材面板压缩强度是体现冻融对石材面板的影响重要参考指标之一。文中压缩强度试验采用无锡建仪仪器机械有限公司生产的TYE-1000B型压力试验机实现。试验过程同样按照规范GB/T 9966—2001第1部分中4.1条进行，步骤承接2.3节冻融循环后进行。

其中，在进行强度破坏试验时，若石材有明确层理方向，进行压缩破坏时均应选择同一层理方向进行。最后，以每组试样压缩强度的算术平均值作为该条件下的压缩强度，数值修约到1 MPa。将各组试样压缩强度试验结果记录并整理分析。

弯曲强度是冻融对石材面板影响的另一个重要观测指标。弯曲强度试验采用液压式万能试验机实现。试验过程按照GB/T 9966—2001第2部分中4.1条进行，步骤承接2.3节冻融循环后进行。

其中，在进行强度破坏试验时，若石材有明确层理方向，进行弯曲破坏时均应选择同一层理方向进行。最后，以每组试样弯曲强度的算术平均值作为该条件下的弯曲强度，数值修约到0.1 MPa。将各组试样弯曲强度试验结果记录并整理分析。

2 试验结果分析

2.1 防护处理不同的影响分析

试验测得了该3种外墙干挂天然石材花岗岩、石灰石、砂岩分别经未防护、油1防护、油2防护、水1防护、水2防护的不同处理后，冻融循环25次后的强度。将其试验数据与对照组的干燥强度进行对比，得到3种天然石材的压缩强度、弯曲强度结果，分别如图1、图2所示。图中，虚线是依据GB/T 32834—2016及查阅书籍《石材幕墙实用技术手册》[1]所得的3种天然石材强度限值，结果高于该值则表明强度符合外墙干挂石材使用安全性要求。

由图1、图2分析可知：试验所选用的3种天然石材经冻融循环25次后，其压缩强度与弯曲强度均有下降，但冻融循环后的强度依然高于虚线所代表的规范限值。该结果表明冻融循环会对这3种石材造成强度折减，但不会对其强度方面的安全性能造成实质影响。

试验中，除了经油2防护的花岗岩试验组强度相对于未防护的试验组强度有所下降外，其他所有经防护处理过再冻融的试验组的压缩及弯曲强度相对于未做防护即冻融的强度都有提高，这表明进行防护处理可以提升石材的抗冻性能。考虑到试验误差导致花岗岩经油2处理后其压缩及弯曲强度相对于未防护冻融的强度同时下降的概率极小，分析可能是2号油性防护剂中的氟碳树脂溶质与花岗岩发生某种化学反应的结果，但该分析有待通过试验进一步论证。

2.2 冻融循环次数的影响分析

试验所选用的3种石材经25次冻融循环后，其压缩及弯曲强度依然满足规范要求，即仅从压缩和弯曲强度这两个指标无法判断该3种石材经历25次循环后是否发生冻融破坏。因此，根据GB/T 32834—2016引入另一个物理量——抗冻系数，即石材冻融循环后的弯曲强度平均值与未冻融的水饱和弯曲强度的平均值的比值，来表征冻融对石材抗冻性能的影响。GB/T 32834—2016同时规定了外墙干挂用天然花岗岩、天然石灰石、天然砂岩的抗冻系数必须不小于80%。

试验选用的3种石材的冻融后的弯曲强度及未冻融的水饱和弯曲强度已经测得，可以直接用于石材抗冻系数的计算。同时，在25次冻融循环的基础上，进行了50次及75次的冻融循环试验。由此可以得到试验所选3种天然石材花岗岩、石灰石、砂岩25次、50 次及75次冻融循环后的抗冻系数。3种石材的抗冻系数试验数据如图3所示。

通过对图3中的有效数据点进行数据拟合，得到3种石材的抗冻系数与冻融循环次数拟合关系曲线。图中，虚线是抗冻系数规范限值，测试结果低于该限值则表明石材经冻融后抗冻系数这一物理量不符合GB/T 32834—2016要求，即石材面板的抗冻性能已不满足使用的技术要求，可视为试验石材面板此时已经冻融破坏。

拟合得到的关系曲线的表达式分别见式(1)

由图3中拟合得到的三条曲线可以发现，抗冻系数：花岗岩>石灰石>砂岩，反映该3种石材抗冻性能依次递减；且随着冻融循环次数的增加，3种石材的抗冻系数在冻融循环前25次下降较快，而后逐渐趋于稳定，其反映了冻融循环在前25次作用明显，其后逐渐变缓。

同时，由三条拟合曲线可将抗冻系数随冻融循环次数的衰减曲线表达式归纳为式(2)：

式中：Kf为石材冻融后的抗冻系数；n为冻融循环次数；A、B、C为常数项系数。

通过计算可得到本次试验所选用的3种天然石材花岗岩、石灰石、砂岩的冻融破坏最少循环次数：花岗岩大于106次，石灰石大于36次，砂岩大于10次。其中，花岗岩冻融破坏最少循环次数为利用拟合曲线计算预测所得。

3 结束语

通过对吸水率各不相同的外墙干挂用天然花岗岩、石灰石、砂岩石材开展试验研究，得到了防护处理及冻融循环次数的不同对3种石材冻融循环后的石材外观及压缩、弯曲强度变化的影响。最后通过引入抗冻系数这个物理量拟合得到了3种石材抗冻系数与冻融循环次数之间的关系曲线，并通过拟合关系表达式计算得到了本次试验所选用的3种石材的冻融破坏最少循环次数。本文的主要结论有以下几点。

1)冻融循环会对这3种石材造成压缩及弯曲强度的折减，规范规定的25次冻融循环不会对这3种石材强度方面的安全性能造成实质影响。

2)进行防护处理可以提升石材的抗冻性能。但本次试验所选用的油性石材防护剂-2000不适合用于山东石岛红花岗岩的防护。分析可能是该防护剂中的氟碳树脂溶质与该花岗岩发生某种化学反应的结果，但该分析有待通过试验进一步论证。

3)抗冻性能方面，本次试验所选的3种石材中，花岗岩优于石灰石优于砂岩。随着冻融循环次数的增加，冻融循环作用对石材的影响在前25次较为明显，其后逐渐变缓。

4)通过数据拟合找到了本次试验所选用的石材的抗冻系数衰减规律，并通过该规律计算得到了这3种石材的冻融破坏最少循环次数为：花岗岩大于106次，石灰石大于36次，砂岩大于10次。

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