大型天然砂岩石材仿古做旧工艺探究

大型天然砂岩石材仿古做旧工艺探究

杨光旭 ,蒋家梁 ,宋俊成 ,谭平,王迪威

中建八局第三建设有限公司 江苏南京210046

[摘要]：为还原历史风貌，展现地方特色，现在城市更新工程多选择石材砌筑或者装饰的仿古建筑。为了确保现代施工技艺达到修旧如旧的效果，一是采用收购零散古石材的方法，该方法难以大规模应用且整体观感一致性难以保证，二是就是利用天然砂岩进行再加工，批量工业化生产。但是，再加工的难度就在于石材单重大，加工工序多而复杂，加工精度要求高且无相关验收标准可做指导。为此，重庆市朝天门仿古城墙建设过程中，利用西南区域产砂岩为基材，采用实地考察、现场试验、理论研究及三维建模模拟拼装的方式，研究出一套现代工业化生产大型天然砂岩仿古石材的方法，具有定型快、耐久性好、适宜批量生产的特点，仿古效果浑然天成，为类似工程提供有效的参考和借鉴，也为相关规范、标准的建立提供理论支撑。

关键词： 砂岩石材；仿古做旧；工业化生产；历史文化

一、引言

城市更新是目前城市规划范畴中被广泛研究的重要内容之一，我国从大拆大建到目前在跨学科解决居住、土地、交通等问题的同时，更加注重历史文化遗存，保护人类最珍贵的精神财产，打造出了一大批源于历史、写意当代的城市更新精品工程。

一座古城墙往往是一个城市的名片，国内的城墙发展历史比国外的要早的多，早在2700年前的楚国就开始修建城墙，此后，还修建了闻名世界的万里长城、苏州古城墙、西安城墙等。由此可见，我国对古城墙的改建技术已经有了比较系统和完备的认识。古代的城墙是抗击外敌入侵的防御体系的主体，对保卫国家和城市发挥了巨大的作用，但在21世纪的现代城市中，城墙不再是封建阶级统治的工具，也已结束其防御功能的使命，但城墙长期形成的历史文化特质，拓展了城墙的新内涵，承载了新的历史使命---传承城市历史文脉，因此，在构建具有中国特色新型城市建设中，城墙文化具有重要的现实意义。

为了体现人文底蕴，符合修旧如旧的理念，改建旧城墙的主要建筑材料一般采用的是仿古石材。然而，仿古石材并不是天然存在的，它需要由在大自然中开采的天然石材经过多步加工工艺才能形成，国内的石材业起步比较晚，仿古石材对于中国来说还是一种新型的材料，因此大量学者针对这种石材加工技术进行了大量研究。

二、工程概况/研究的目的

重庆市朝天门广场仿古城墙位于重庆市渝中区渝中半岛的嘉陵江与长江交汇处，北侧为嘉陵江与长江交汇处，西侧为嘉陵江，东侧为长江，南侧为重庆来福士建设用地，媲美上海外滩。

城墙改造总长约211.726mm，拟采用仿古砂岩石材与钢筋混凝土剪力墙复合建造，分为基岩段、标准段、箭垛段，标准城墙石材宽度为700mm，高度为400mm，基岩段三层石材高度1m（局部2m），厚度从900mm按50mm逐层递减，最大石材重达13t，城墙最大高度约22.9m，基础采用筏板+桩基础，城墙结构为石材与剪力墙复合结构形式。

为最大限度的展现厚重的历史文化底蕴，石材表面为仿古做旧自然面，四边倒角，石材内侧切槽座浆并预埋钢筋与剪力墙拉结，从外观看，城墙整体无灰缝，且无任何机切面裸露，石材总耗用量达14000方。

三、工程重难点/研究的方法

砂岩仿古做旧的难点在于需综合考虑砂岩材质及做旧工艺的影响，一方面砂岩基材本身影响最终达到的做旧石材的色调及观感，另一方面砂岩仿古做旧的核心是做旧，即人为改变石材表观历史时间。结合工程实践，工程以西南片区产青砂岩为基材，着重研究仿古做旧工艺[1]。

青砂岩仿古做旧的基本原理是机械配合人工对石材自然面进行物理加工定型，再辅以火烧、酸洗发酵加速石材风化，达到石材天然浑厚的历史沧桑感[2]。石材加工不仅仅是普通工程半成品，同时，也是艺术品，整个流程包含16道工序，依次为：BIM建模→开采原料石→原料石大切→切割石材规格板→仿形机仿形(有弧形要求)→剔打自然面→倒角磨边→淡化/消除加工痕迹→一次水洗→吹干→表面火烧处理→表面打磨、抛光→石材预拼装→药水做旧处理→表面二次水洗→包装运输。为达到工业化生产加工的目的，每一道工序均进行参数设置，通过严格的质量检查达到工业品控目的。石材开采、切割、仿形及踢打倒角属于物理处理，控制石材的硬朗程度，物理加工需要提前对图纸进行BIM深化，用以把控石材损耗，精准控制石材尺寸（石材干垒）。火烧及酸洗发酵是核心工艺，利用300℃明火每个点燎5s，再用盐酸：乙酸：水=1:4:15混合溶液对处理过的石材表面进行发酵，调节石材最终呈现的颜色。

四、施工工艺流程/研究的过程

（一）施工工艺流程

青砂岩仿古做旧工艺包括16道工序，详见图4.1.1所示。

图4.1.1 砂岩仿古做旧工艺流程图

（二）实施工艺要点参数

石材加工前先利用BIM技术对建筑施工图进行解构建模，为每块石材编号，深化石材排布[3]，确认达到设计意图后，方可按照每块尺寸进行开采加工。

图4.2.1石材BIM模型

1.开采原料石

石材应质地坚实，无贯通裂纹和无明显风化剥落,石材表面的泥垢、水锈等杂质，砌筑前应清除于净。采用圆盘锯进行纵横长度方向切割、绳锯进行底部切割，在矿山采石地点开采原料石。原料石尺寸按设计尺寸要求定制，石料尺寸为高为设计尺寸，宽为设计宽度+200mm，厚为设计厚度+250mm，为之后工序预留加工富余尺寸。开采出的石材要求轴心抗压强度≥30MPa，单块石材明显色差区域不应大于整块石材面积的1/4，砂岩属于沉积岩，开采出来后部分砂岩存在裂缝和夹渣情况，石材不能使用导致有废料。

2.原料石大切

原料石转运至石材加工厂后，采用龙门切机3000C型大型切割机切除原料石6面每面至少100mm厚度的不平整面层，得到6面平整机切面，需要做旧的自然面比最终尺寸厚150mm。

3.中型切割石材规格板

采用华隆1200#型中型切割机将上一步切割得到的石材垂直于长度方向切割分段成小块。需要做旧的自然面比最终尺寸厚50mm，为之后破出自然面预留加工富余尺寸。

图4.2.2 切割石材规格板

4.仿形机仿形(若有弧形要求)

对成型有弧度要求的石材，需要仿形机加工，采用HKB-21500型双刀片弧形板切边机，将石材的仿形尺寸输入仿形机，机械根据输入数据进行工作。石材仿形加工不是必备工艺流程，主要正对需要加工成曲面的石材，仿形加工存在一定损耗。

图4.2.3 仿形机仿形

5.人工踢打自然面

根据图纸尺寸在石材上画出要剔打边线，在距正面表面150mm厚度范围剔打自然面，人工采用平口錾子先沿石头四周剔打一遍，剔打的时候注意力度，保证每小块剔打的深度基本一致，然后再修整中间部位，控制自然面的起伏度，如果凹凸感太强则需要再次剔打修整直到合格[4]，以保证石材外露面以及石材拼缝观感自然。

图4.2.4 人工踢打自然面

6.角磨机倒角磨边

石材棱边倒角宽度不小于30~50mm，不同倒角呈现的石材硬朗程度不同。倒角应为圆润弧面而非平面。四角位置倒角应适当加大范围，城墙石材存在错位的，需要将倒角向错位外漏部位延伸，保证正面观察时棱角位置圆润没有明显棱角感。碰角部位石材需要采用角磨机带切割片对石材正面四个角进行碰角倒角，使石材正面的四个角度呈圆弧形状，保持自然顺畅。

图4.2.5角磨机倒角磨边

7.淡化/消除加工痕迹

采用角磨机带钢丝刷消除淡化机械切割和磨边时机器加工留下的痕迹,使石材表面显得更加浑厚。

图4.2.6淡化/消除加工痕迹

8.一次水洗

采用高压水枪冲洗掉石材加工过程中残留的石头小碎片和大量的灰尘，保证石材表面干净无大面积杂质，水洗冲洗表面2-3分钟。

图4.2.7一次水洗

9.吹干

为了让火烧时受热均匀，吹干至石材表面没有水渍。

10.表面火烧处理

采用氧气+乙炔火烧喷枪对石材表面进行火烧，火烧时用火枪嘴火舌中部侧向对准石材表面，随着时间温度升高，在温度达到300℃左右，砂岩受高温表现出黏土矿物发生膨胀脱水崩解，砂岩表面一小片一小片的崩裂。火烧要求均匀，每个点需要停留5s。石材自然面应该选择沉积岩堆积面，沉积岩横断面做自然面火烧容易炸裂，石材夹杂较多的杂质火烧也容易炸裂，石材有内部裂纹的不能加工，应切割掉。

图4.2.8 表面火烧处理

11.打磨、抛光

采用角磨机带钢丝刷对火烧后的石材表面进行打磨、抛光处理，表面打磨处理至用手触摸没有挂手感，使其圆润自然。

12.石材预拼装

石材打磨完成之后进行预拼装，下部采用50mm*90mm的木方作为枕木，每块石材下部两端各放一根，拼装时采用龙门吊配合轻吊轻放防止石材碰撞损坏，如果要拼装高度在二层及其以上时需要层与层之间用3cm的胶垫片分隔，石材预拼后检查拼缝和弧度及表面观感。

13.药水做旧处理

采用盐酸乙酸稀释溶液（盐酸：乙酸：水=1:4:15）喷涂在石材表面，加速石材风化药水采用固定专业配方，自然面及倒角处往外延伸20mm全部做旧，首先用药水喷涂在石材表面，石材表面被药水湿润等待1-2个小时待药水渗进石材内部[5]。为了让第二遍药水反应更均匀对表面的残留药水进行清洗，清洗完成后进行第二遍做旧，在石材表面满铺柔性纸巾2层，先喷涂药水将纸巾湿润与石材贴合，再涂刷做旧药水将纸巾湿透，药水涂刷完之后用塑料薄膜包裹石材表面及四个侧面，减少药水的挥发使石材充分吸收药水10小时后拆除薄膜即可达到做旧效果[6]。

图4.2.9 药水做旧处理

14.二次水洗

达到做旧时长以后将做旧纸巾和薄膜拆除，等药水自然挥发大概1个小时后，用水一边冲洗，一边用刷子刷洗，将表面的药水痕迹清洗干净。

15.包装运输

石材加工完成后，对每块石材表面及边角进行软质保护，每块石材6个面均保护，第一层采用塑料薄膜包裹，第二层采用10mm厚EPE珍珠棉保护膜包裹，石材四个角的位置300mm范围内增加一层EPE珍珠棉，第三层采用塑料薄膜包裹。运输采用拖挂车，为防止石材磕损，每块石材两端设置各设置一个木制托架。

图4.2.10 石材包装

五、结语

通过探究青砂岩仿古做旧工艺，达到了工业化批量生产仿古石材的目的。经调研，青砂岩广泛分布与重庆、四川、云南等地，石材质地质地坚实均匀，强度普遍在30MPa以上，最高可达75MPa。采用青砂岩仿古做旧工艺，通过标准工艺流程，可批量规模化生产仿古石材，极大的拓宽了石材应用范围，经处理的石材天然浑厚，符合地方历史文化特色，增强石材文化属性，提高石材经济价值。同时，为各地城市更新工程仿古做旧树立有益借鉴，彰显地方历史特色，社会效益显著。

此外，我们还应注意到，仿古城墙作为地方文化符号，石材仿古做旧的效果必须与地方特色文化相得益彰，这也极大的拓展了大型天然砂岩石材仿古做旧的研究空间[7]。

参考文献

[1] 翟嘉璐.城墙遗址保护修缮设计研究——以衢州城墙东段为例[J].干立超.城市建筑空间.2022,29(08)

[2] 吴琨.传统风格建筑结构关键节点设计和试验[J].车顺利.薛建阳.贾俊明.葛鸿鹏.建筑结构.2017(22)

[3]黄国垒.仿古建筑施工中BIM技术应用分析[J].智能建筑与智慧城市.2022(09)

[4]晏辉.石材表面及表面处理技术(五) 石材.2013,(05)

[5]孙建功.化学清洗与防护在粗糙面石材上的应用[J]. 石材.2022(08)

[6]谢兵.国内天然石材着色技术研究进展[J].彭黎花.杨飞.何玲.中国西部科技.2011(14)

[7]李东遥.仿古建筑的现代化表达[J]. 新型建筑材料.2020(01)