天然石材的基本知识

发布者: 发布时间:2017/10/9 10:29:20 阅读:次 【字体:

  天然石材系指在自然岩石中开采所得的石材,它是人类历史上应用最早的建筑材料之一。由于大部分天然石材具有强度高、耐久性好、蕴藏量丰富、易于开采加工等特点,因此它为各个时期的人们所青睐,常被作为墙体、地面、屋顶、建筑构件、雕塑等材料来使用。欧洲许多以石材为主要建筑材料的优秀建筑经受了千百年来的风吹雨淋,至今依然屹立于世,我们最为熟悉的古埃及金字塔、方尖碑、古希腊雅典卫城等都是石头建筑的代表作。

  西方古典建筑中常见的石材雕塑

  经过多年岁月洗礼的英国格拉斯哥大学建筑

  虽然我国同样盛产各种石材,但石材在古建筑中的应用比例却并不大,主要集中于地面、台阶、栏杆、雕塑等范围。在我国的一些地区(山区),有一些主要以石材建成的民居,与传统的木构建筑迥然不同。

  石材在建筑中最初主要作为结构及装饰材料出现,发展到今天,石材作为结构材料几乎已经绝迹,一般仅作为建筑内外表皮装饰材料使用。由于石材的天然特性,它经常能给人带来深厚凝重的文化感、历史感。

  天然石材的类别

  天然石材根据其成因分为火成岩(又称岩浆岩)、水成岩(又称沉积岩)、变质岩。建筑中最常用的为俗称为大理石及花岗石的两种石材。

  大理石(marble):属于变质或沉淀的磷酸盐类岩石,因我国云南大理盛产此石而得名,其组织细密、结实,有各种美丽的颜色及花纹。对于非专业人士来说,辨别石材的类别非常困难,因此,我们平时更习惯于将除了花岗石之外的有花纹的石材统称为大理石。石材研习社(stone5A)

  大理石纹理美观,然而易风化、耐磨性差、长期暴露在室外条件下会逐渐失去光泽、褪色甚至裂缝,一般认为应用于室外、正常厚度(20~30mm)的大理石墙面板耐用年限仅为10~20年。

  大理石在建筑中一般多用于室内墙面,应用于室外墙面则需加大石板厚度或采用现代工艺的防水防腐保护处理。

  用于室内地面时需经常抛光保养以保持光洁度,国内现在常用表面所谓的结晶处理工艺来保持大理石的光洁度。

  各种各样的大理石

  用于室内的有着美丽花纹的白色系大理石

  意大利科莫法西斯大楼(1936)

  建筑师:朱塞佩.特拉尼

  意大利科莫法西斯大楼(1936)

  经过长时间的风雨洗礼后,米黄色系大理石(类似于我们室内常用的金线/银线米黄)表面风化已较为严重。

  美国华盛顿国家美术馆东馆(1978)

  建筑师:贝聿铭

  采用与老馆同类型的田纳西州大理石作为外墙饰面(在2008-2016年间重新修整过),柔和的粉色调几何体块简洁高雅。

  花岗石(granite):属火成岩,其主要成分为长石、石英、云母等,它结构细密、耐磨、耐压、耐腐,几乎可用于室内外各种条件下,其表观一般为均匀颗粒状以及发光云母颗粒。除少数品种外,大部分花岗石的表观效果较为单一,与大理石相比缺少特殊的花纹,主要靠整体色彩及质感显示效果。

  除了常见的大理石、花岗石外,在建筑中应用不断增多的石材还有砂岩、板岩以及凝灰岩、玛瑙石、火山石等,它们由于独特的表面纹理及质感显示出与大理石、花岗石迥异的视觉效果。

  砂岩(sandstone):是一种水成岩,由砂粒经过水流冲蚀沉淀于河床上,经长时间的堆积、地壳运动而成。砂岩是一种亚光石材,不会产生强烈的反射光,视觉柔和亲切。与大理石及花岗石相比砂岩的放射性几乎为零,对人体毫无伤害,适合于大面积应用。砂岩在耐用性上也可以比拟大理石、花岗石,它不易风化、变色。

  詹姆斯.斯特林设计的斯图加特新美术馆石板幕墙中的部分砂岩

  板岩(slate):同属水成岩,天然板岩拥有一种特殊的层片状纹理,纹理清晰、质地细腻致密,沿着片理不仅易于劈分,而且劈分后的石材表面显示出自然的凸凹状纹理,可制作成片状用于墙面、地面装饰,显示出自然亲切的视觉观感。在一些盛产板岩的山区,板岩还常被用作石片屋瓦。板岩的硬度和耐磨度介于花岗石与大理石之间,具有吸水率低、耐酸、不易风化等特点。板岩从山上开采后不需特别加工,因此价格相对便宜,是一种性价比相当好的建筑用材。

  锈色板岩/常见的青石板

  德国柏林印度驻柏林大使馆  建筑师:里昂,沃尔海及,温里克(Léon, Wohlhage,Wernik)(德国)

  以印度特有的红色砂岩作为外墙面的主要材料清晰地显示了印度特征。

  凝灰石(travertine):属水成岩(沉积岩),又称石灰华、钙华,由于表面常有许多孔隙而俗称“洞石”。它是钙质碳酸盐在富含石灰的河流、湖泊或池塘里快速沉淀而形成的,由于沉淀速度快,钙质碳酸盐中的一些有机物和气体不能及时释放,长久固化后便产生了孔隙,形成了美丽的纹理。

  凝灰石的孔隙特征使石材的强度降低,暴露在大气中时内部易产生裂缝和分层。实际应用中常采用表面涂覆有机硅防水剂的方法来进行防水加固处理,在作为幕墙板材时应特别注意石板的连接细节,防止石材裂缝的产生。凝灰石虽然强度受孔隙的影响,但其硬度较高,完全可以作为地面材料使用,为防止灰土进入孔隙内,一般应在表面涂覆合成树脂。

  密斯.凡德罗设计的西班牙巴塞罗那馆

  (原建于1929,后拆除。现在的建筑是由密斯巴塞罗那馆基金会1986年根据原作复原的)

  巴塞罗那馆采用的洞石

  厚达40mm的米色系洞石幕墙的北京中国银行总部大楼(2001)

  建筑师:贝聿铭

  贝聿铭设计的德国柏林历史博物馆(2003)

  德国柏林历史博物馆石板幕墙

  凝灰石的纹理清晰,色彩有白色、灰褐色、红色、黄色等,其中我们最为熟悉的为柔和的米黄色系(产自意大利居多)。

  建筑大师贝聿铭的作品一贯坚持经沉稳典而非哗众取宠的现代风格,柔和的凝灰石墙面恰好适宜于诠释这种风格。大师近期的作品中经常出现这种色彩柔和的墙面,北京中国银行总部办公楼外墙面除了窗户、玻璃幕墙外几乎全部采用了厚达40mm的凝灰石,虽然建筑设计比不上其巅峰之作,但其大气的风格还是得到了大众的认同。

  由于米黄色系石材色彩较为淡雅保守,在不同色彩环境中使用较为保险,国内无论室外还是室内均掀起一股“洞石风”。

  玛瑙石:建筑中常使用的玛瑙石是缟玛瑙(onyx),玛瑙石的一种。缟玛瑙拥有不同颜色的色层,常用作浮雕及高档室内设计材料。缟玛瑙用于室内时,一定厚度经过高度抛光后可呈半透明状态。玛瑙石属于名贵材料,大部分时候在建筑中作为点睛之笔使用。

  华丽色彩纹理的玛瑙石

  西班牙巴塞罗那馆

  玛瑙石墙面成为简洁空间里的视觉中心

  隈研吾设计的日本大阪LVMH总部大楼

  玛瑙石与玻璃组成复合材料作为幕墙板材应用

  火山石(basalt、lava):俗称浮石、多孔玄武岩,是火山爆发后由熔融的岩浆与气泡以及一些碎屑经冷凝、成岩、压实等多种作用形成的多孔形石材,因其常能浮于水面俗称“浮石”。火山石中含有钠、镁、铝、硅、钙、钛、等几十种矿物质和微量元素,常于过滤、研磨、建筑、园林造景、无土栽培等领域。

  火山石质地坚硬、耐磨、抗腐蚀,用于建筑外墙饰面时,常因其特殊的质感形成一种无反光的柔和视觉效果。

  多孔柔和的质感

  奥地利维也纳现代艺术博物馆(MUMOK)

  建筑师:Ortner & Ortner等

  深浅不一的深灰色火山石幕墙结合简洁的体块形成了与周围迥异的形象。

  天然石材的表面加工处理

  石材表面通过不同的加工处理可以形成不同的效果,石材表面的加工方法常有抛光、哑光、机刨纹理、烧毛、剁斧等。

  1. 抛光——将从大块石料上锯切下的板材通过粗磨、细磨、抛光的工序使板材具有良好的光滑度及较高的反射光线能力,抛光后的石材其固有的颜色、花纹得以充分显示出来,装饰效果更佳。抛光石材常根据其反射光线能力的强弱即镜面光泽度指标衡量其抛光的程度。抛光石材无论在建筑内外装饰中采用均较多。

  2. 哑光——将石材表面研磨、酸洗,使其具有良好的光滑度、有细微光泽但反射光线较少。

  3. 烧毛——用火焰喷射器灼烧锯切下的板材表面,利用组成花岗石的不同矿物颗粒热膨胀系数的差异,使其表面一定厚度的表皮脱落,形成表面整体平整但局部轻微凸凹起伏的形式。烧毛石材反射光线少,视觉柔和,与抛光石材相比石材的明度提高、色度下降。

  4. 机刨纹理——通过专用刨石机器将板面加工成特定凸凹纹理状的方法。

  5. 剁斧——剁斧是传统的加工方法,常用斧头錾凿石材表面形成特定的纹理。现代剁斧石概念的外延大大延伸了,常指人工制造出的不规则纹理状的石材。剁斧石一般用手工工具加工,如花锤、斧子、錾子、凿子等通过锤打、凿打、劈剁、整修、打磨等办法将毛胚加工成所需的特殊质感,其表面可以是网纹面、锤纹面、岩礁面、隆凸面等多种形式。现在,大部分加工过程可以使用劈石机、自动锤凿机、自动喷砂机等完成。

  6. 喷砂 ——用砂和水的高压射流将砂子喷到石材上,形成有光泽但不光滑的表面。

  7. 其他特殊加工——现代的机械技术为石板的加工提供了更多的可能性,除了上述基本方法外还有一些根据设计意图产生的特殊的加工方法,如在抛光石材上局部烧毛作出光面毛面相接的效果,在石材上钻孔产生类似于穿孔铝板既透非透的特殊效果……,基本上可以说“只有想不到,没有做不到”。

  粗磨原板/烧毛/抛光

  抛光后的随机錾凿/抛光哑光相间/机刨纹理

  机刨纹理/凸凹纹理(盲道石)/手工纹理/蘑菇石

  对于砂岩及板岩,由于其表面的天然纹理,一般外露面为自然劈开或磨平显示出自然本色而无需再加工,背面则可直接锯平也可采用自然劈开状态;

  大理石具有优美的纹理,一般均采用抛光、哑光的表面处理以显示出其花纹,而不会采用烧毛工艺隐藏其优点;

  而花岗石因为大部分品种均无美丽的花纹则可采用上述所有方法。

  不同品种、不同色彩、不同纹理、不同的加工方法以及不同的设计方法可以创造出多样性的石材墙面。

  抛光石材根据抛光度不同常具有镜面反射的效果;哑光石材则由于光线漫反射而具有远看柔和、手摸平滑的特点;烧毛石材由于主要靠大色调及设计显示效果,因此可以采用价格低廉的品种达到超值的效果;条纹状凸凹纹理的石材显现出不同于平板石材的质感肌理;大块剁斧石则能显示出坚固、敦实、厚重的历史感。

  不同的建筑师对于石材的运用有不同的偏好及着眼点,如贝聿铭的许多作品特别偏爱选择米黄色系的意大利罗马洞石,且设计中强调墙面的整体效果而对于石材墙面细节表现的关注相对较少;马里奥·博塔的石板墙面则常延续其砖建筑中一贯的条纹状肌理;德国建筑师约瑟夫·保罗·克莱胡斯(Josef Paul Kleihues)则通过石材的构造装饰显示出其自身特色……。建筑师应根据不同的建筑需求、自己的敏感点等选择不同的解决方案。

  抛光石材的反光性

  将色泽较为单一、质地更为致密的花岗石进行高度抛光后可以达到反射图像(反光)的效果。

  美国华盛顿越战纪念碑(1982)中黑色抛光花岗石的应用

  建筑师:林璎(Maya Ying Lin)

  抛光的大理石更能展现自身的花纹,因此实际应用中绝大部分的大理石均采用抛光处理。受纹理影响,虽然反光能力强,但反射图案较差。

  密斯.凡德罗巴塞罗那馆中抛光大理石墙面

  高反光度的抛光石材自洁性更好,让人感觉更为干净、高贵。

  石材的透光性

  石材常被加工成薄片用于室内灯箱以产生有纹理的透光效果。

  为了透光,除了透光性相对较好的少数品种外,石板一般较薄,考虑到结构强度,板材大小受到一定的限制。为增强薄板的强度、减轻其重量、增加透光度,采用超薄石材作面板,和透明基料如钢化或夹胶玻璃粘结在一起形成透光的复合板便成为一个有效的解决方案。这种加工方式大幅增加了透光石板的可用品种数量,突破了天然材料的限制。这种板材不但可以用于室内,同样可以用于室外,产生意想不到的效果。

  这种透光的板材除具有石材复合板固有的优点外,另一个显著的优点是用于室外条件时一般将玻璃面置于面临室外的一面,石材的花纹清晰可见,同时又可以避免天然石材特别是大理石在室外恶劣环境中的污染腐蚀,更加易于清理维护,提高外墙的耐候性及耐久性。

  透光石在室内的应用

  戈登.邦夏((Gordon Bunshaft,SOM事务所建筑师)设计的美国耶鲁大学贝克特珍本图书馆(1963)

  透光石外墙形成如同宝盒的、保护内层的外罩,光影效果令人惊艳。

  受当年技术的限制,石材厚度还较厚,透光性还未达到更好的程度。但根据当时技术产生的固定构造却产生了远超当代幕墙形式的效果,将功能性与装饰性完美地统一起来。

  隈研吾设计的日本大阪LVMH总部大楼(2004)

  将4mm的玛瑙石薄片复合在两片玻璃中形成的特殊夹层玻璃,由于更薄透光效果更好,强度也能得到保证,这也是现代技术发展的结果。

  石材复合板

  纯天然石材密度大,某些稀缺品种价格高昂,且受形成时的自然条件的限制,常常在局部有一些瑕疵,影响观感及石材的结构强度,因此天然石材在使用上常受到价格、规格、数量的一定限制。

  近年来,随着石材加工技术的发展,一种由石材与结构增强板相互粘结而成的轻质高强薄型石材复合板应运而生。石材复合板表面常采用2~10mm(室内用常2~5mm厚,室外用常5~10mm甚至更厚)的超薄天然石材,结构增强板一般使用厚度在20mm以下的蜂窝铝板、铝塑板、胶合板、硅钙板、浸渍树脂纸板甚至安全玻璃等,粘结剂可使用环氧树脂和聚酯树脂等。

  20mm厚天然石板/20mm厚铝蜂窝石材复合板/5mm厚石材铝塑板复合板

  20mm厚的蜂窝铝与5厚石材的复合板仅重约16kg/m2,约为20mm厚天然石板的1/4~1/3。以石材复合板作为石板幕墙、地板材料时可大幅减轻幕墙重量、结构荷载、减少金属型材的用量,有利于整体安全。

  背粘铝塑板的超薄石板由于厚度较小,刚度相对较差,板块单元规格受限制,一般用于室内墙面。由于重量轻可以采用胶粘结构造方式,减少了构造厚度,更加适宜于空间有限的区域。

  复合板材保留了天然石材的自然纹理和色彩,但面层又比纯天然石材用料薄许多,减少了天然石材的消耗量。石材复合板由于结构得到增强相比于同厚度的天然石板具有重量轻、抗折强度高等优点,同时板材的规格突破天然瑕疵结构的限制可以更大。同时,石材复合板加工、安装更为简便高效,进一步拓宽了石材应用领域。

  当然,石材复合板可能并不像一些厂商所宣传的只有优点没有缺点,实际上石材复合板有几个问题需要解决:

  ①两种材料的热膨胀系数不一,在温差变化较大的室外环境(不宜采用)容易引起薄板鼓包及裂缝,这要求中间的胶结层能够适应这种变形差。当石材复合板用于室内环境时,由于温差变化较小,影响可忽略不计。

  ②相对于普通石板幕墙的两个水分挥发面,复合石板吸收水分后挥发面减少,更易形成水斑。

  ③触感及敲击时的声响与自然厚度的天然石板有异,用于人体接触的位置时易于感受。

  ④类似于铝塑板,复合板边缘不宜外露,需要做打胶密封处理。

  由于重量较轻,石材复合板外墙面系统的构造与蜂窝铝板、铝塑板外墙更为类似,常采用挂耳、背栓式滑挂件甚至胶粘结的构造方式,这种板材也更适宜于室内环境。

  石材幕墙的构造

  传统的石板墙面采用钢筋网+铜丝绑扎+灌浆的构造方式,效率低、受主体结构变形影响大,现在已基本淘汰。

  现代的石板墙面常采用我们俗称的幕墙干挂法,它采用各种专用金属干挂件将石材固定于金属龙骨上,金属龙骨则固定于结构墙体上,墙体与石板间距一般在80mm以上(考虑到保温以及安装调节量常在250mm左右)。

  幕墙干挂构造现场施工简便,易于调节墙面平整度且有利于墙体的保温节能。干这种施工工艺引进国内多年,技术较为成熟,基准单价仅约为¥600/m2。

  干挂石板幕墙常采用钢销式、短槽式、通槽式、背栓式安装方法固定支承石板,其中钢销式构造可靠性最差,仅可用于非抗震设计或6、7度抗震设计中高度不超过20m的幕墙,石板面积不大于1.0m2。背栓式石板幕墙构造适应性最强,特别适合于异型的、排列不规则的、复杂的、开缝式的石板墙面。

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