幕墻用飾面石材的選擇主要取決于工程實(shí)施所在地的氣候條件和空氣中的污染介質(zhì)情況。當(dāng)污染介質(zhì)與水和空氣混合時(shí)，便會形成腐蝕性的化合物。而石材的表面往往存在裂紋，如孔洞和裂縫。這些裂紋或是天然形成的，或是由于加工過程（如加熱、鑿打、夾固等）而引起，或是由于礦石的化學(xué)組織發(fā)生變化而引起。腐蝕性的物質(zhì)通過表面裂紋進(jìn)入石材內(nèi)部，對石材產(chǎn)生破壞。同樣，水可以通過裂縫進(jìn)入石材內(nèi)部，在寒冷的氣候條件下，會產(chǎn)生頻繁的冰凍和解凍過程，這必然導(dǎo)致石材裂縫擴(kuò)張，使水滲透到石材的更深層，從而加速了石材的破損。

緩慢而持續(xù)的化學(xué)腐蝕加上板材的物理機(jī)械損傷，致使破損不斷加劇，使板材不斷喪失抵抗力。當(dāng)板材較薄和微觀裂紋相對其厚度尺寸可比時(shí)，這種現(xiàn)象就越突出。

幕墻所受載荷主要的也是最危險(xiǎn)的是風(fēng)載荷，因?yàn)殡S著飾面石材厚度的減少，風(fēng)可在飾面上產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力。一旦作用于飾面上的載荷已經(jīng)確定，即便根據(jù)單個(gè)板材的尺寸和要采用的固定系統(tǒng)來檢測其固定點(diǎn)處的整體和局部壓力，固定系統(tǒng)也會發(fā)生彈性變形，彈性變形將使固定點(diǎn)偏離了理論上計(jì)算位置，從而使固定溝槽的邊緣超載。

在選用石材時(shí)，應(yīng)充分考慮氣候、環(huán)境和載荷條件，仔細(xì)、精確分析材料的物理化學(xué)性能和力學(xué)性能，并根據(jù)石材特性和受力情況確定合適的幅面和厚度尺寸。

本文對石材的物理化學(xué)和力學(xué)性能進(jìn)行了初步分析。并用有限元法對石材單元內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行了理論計(jì)算。

1 實(shí)驗(yàn)方法

對于天然石材的物理化學(xué)性能，各國均制定了有關(guān)實(shí)驗(yàn)測定方法的標(biāo)準(zhǔn)，最常用的有ASTM（美國材料實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)）、BS（英國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）和DIN（德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），我國也制定了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。

表1是依據(jù)美國的ASTM標(biāo)準(zhǔn)及我國相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)給出的天然石材性能的測試項(xiàng)目和方法。由表可知，在各類測試方法中，只有一項(xiàng)即耐候性實(shí)驗(yàn)方法（ASTMC217）是用來評價(jià)石材在類似的氣候條件下的化學(xué)性能，其余幾項(xiàng)均是用測定石材的物理和力學(xué)特性來得到數(shù)據(jù)的。

通過這些實(shí)驗(yàn)，我們可以獲取有關(guān)石材性能方面及其破損情況的信息，同時(shí)也可以用它來評價(jià)應(yīng)用特殊的表面加工方法的可行性。在采取各類復(fù)雜的或先進(jìn)的加工方法來加工石材制品時(shí)，不能只考慮美感和藝術(shù)性而忽略加工過程對石材物理性能的影響。這一點(diǎn)應(yīng)該引起我們的重視。

表1 測試方法

2 幾項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容簡介
2.1 斷裂模數(shù)試驗(yàn)
斷裂模數(shù)試驗(yàn)
圖1所示為試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皬澗貓D,其最大應(yīng)力
σ =3WL / (2Bd )（ B為寬，d為高，W為力的大小，L為兩支架的寬度）
注意,當(dāng)應(yīng)用較薄的板材時(shí),其斷裂模數(shù)要比試樣的實(shí)驗(yàn)值要小。

圖 1

2.2 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)
如圖2所示，采用與斷裂模數(shù)試驗(yàn)相同的試樣，采用四點(diǎn)負(fù)荷方式，這樣可以獲得較為可行的抗彎強(qiáng)度值。其最大彎曲應(yīng)力σ =3WL / （4Bd ）。

圖2

2.3吸水率試驗(yàn)和循環(huán)冰解凍后的強(qiáng)度試驗(yàn)
由前述試驗(yàn)可知，減少板材厚度必然引起彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力增大，使板材強(qiáng)度降低。在冰凍/解凍過程中，風(fēng)載荷作為一個(gè)主要載荷，其影響力會大大提高。由于石材的抗拉強(qiáng)度要比抗壓強(qiáng)度低，（抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比有時(shí)甚至小于1 /20），如果該材料吸水率高，且使用寒冷氣候下，其彎曲強(qiáng)度將會更低。實(shí)驗(yàn)證明，寒冷條件下的材料彎曲強(qiáng)度回減小20%以上。
對于天然石材在頻繁冰凍、解凍后的反應(yīng)情況，我們可作以下的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。
在頻繁冰凍、解凍后石材的殘余抗彎強(qiáng)度；
在頻繁冰凍、解凍后，在板材固定點(diǎn)周圍的殘余靜剛度。
由于溫度的循環(huán)變化，在板材上作用著交變應(yīng)力，使材料逐漸變形。時(shí)間長了，最終會使板材遭到破壞。通常條件下，板材表面產(chǎn)生小裂紋，材料的靜剛度大大減小，安全水平明顯降低。
2.4天然石材化學(xué)性能淺析
花崗石主要來自于巖漿巖及部分火山巖與變質(zhì)巖，它們主要是由鎂、鐵、鈣、鈉、鉀的碳酸鹽和鋁硅酸鹽類以及少量鈦、錳、鐵氧化物組成。大力士包括各種各種碳酸鹽或鎂質(zhì)硅酸鹽巖，它們的主要礦物組成是各種方解石、白云石或蛇紋石。
對于石材來說，對其影響最大的氣體是SO （主要來自于使用石油或煤炭作能源的工礦企業(yè)生產(chǎn)的污染）NO （主要來自交通污染）。在工業(yè)污染區(qū)，空氣中的SO 和NO 、CO 等氣體與水溶解粘附于碳酸鹽石材表面，可反應(yīng)生成可溶性鹽或微溶鹽。這些腐蝕性的鹽類或是被雨水沖走?；蚴俏交覊m在石材表面形成堅(jiān)硬而骯臟的皮層。疏松的石材空隙大，微孔多，水分和腐蝕性介質(zhì)容易進(jìn)入石材內(nèi)部，從而引起石材更大的破壞。
因而，對于外用飾面場合，我們應(yīng)盡量選擇空隙分布均勻、孔徑小、吸水率低的花崗石板材。并要采取恰當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施來提高石材的抗腐蝕性能。
2.5 板材固定點(diǎn)周圍應(yīng)力集中的研究
對于飾面板材，由于其承受的載荷均通過固定點(diǎn)的支撐構(gòu)件傳遞到建筑物上，故起周圍存在著應(yīng)力集中現(xiàn)象，使其周圍材料失效，最終導(dǎo)致板材突然斷裂。在確定板材規(guī)格尺寸時(shí)，首先應(yīng)按此處的受力及應(yīng)力情況分別計(jì)算確定。如圖3所示，它為飾面石材趕掛法的簡易安裝示意圖，在外載荷（如風(fēng)載荷）作用下連接件給板材以作用力，我們近似以集中力F來表示。受力示意圖簡化成a圖所示。應(yīng)用時(shí)加工成b圖形式，對于板材溝 槽底部，A處的應(yīng)力最大。σ =kσ
其中k為應(yīng)力集中系數(shù)，k=f（r，d，h）=[1+0.26×(d/2r) ]×[1+0.106×(d/h) ]
σ為平均應(yīng)力,σ=6F×h/d
例如:若d=12mm,h=15mm,當(dāng)r=0.5mm時(shí),則k=2.67;當(dāng)r=3.0mm時(shí),則k=1.53。
由此可見，應(yīng)力集中系數(shù)與圓弧半徑r有關(guān)。對于如上所給定的尺寸d，h，當(dāng)r=3.0mm變?yōu)閞=0.5mm時(shí), 應(yīng)力集中系數(shù)則由k=1.53變?yōu)閗=2.67（有75%的增幅）。對于石材這種脆性材料，假如板材固定溝草底部的曲率半徑很小，而溝槽底部往往又存在著小裂紋，因而當(dāng)板材受到拉應(yīng)力作用時(shí)是非常容易破損的。
有限元分析計(jì)算的結(jié)果同樣表明，當(dāng)r=3.0減為r=0.5時(shí),其最大應(yīng)力將增加50%以上。
3 結(jié)論
選擇天然飾面石材時(shí)，我們不僅要考慮石材價(jià)格、美感等因素，更應(yīng)該考慮到石材的物理化學(xué)性能。
從前面的試驗(yàn)我們可以得出以下結(jié)論：
（1） 板材上的載荷不同或載荷分布不同，板材中的最大彎曲應(yīng)力就會不同。
（2） 對于較高吸水率的板材，在頻繁冰凍--解凍后，其彎曲強(qiáng)度會減少20%以上，抵抗變形的能力大大降低，壽命也大大減少。
（3） 在板材的固定點(diǎn)周圍存在著應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)與溝槽底部的曲率半徑有關(guān)，曲率半徑越小，應(yīng)力集中系數(shù)越大。對于干掛板材，要盡量避免其固定溝槽半徑過小。