Changes in the strength of sandstone cladding panels under environmental influences

openaccess, Vol. 639 (11) 2025 / piątek, 21 listopada, 2025

Zmiana wytrzymałości płyt elewacyjnych z piaskowca pod wpływem oddziaływania środowiska

(Open Access)

DOI: 10.15199/33.2025.11.07

citation/cytuj: Byrdy A., Rembiś M. Changes in the strength of sandstone cladding panels under environmental influences. Materiały Budowlane. 2025. Volume 639. Issue 11. Pages 59-68. DOI: 10.15199/33.2025.11.07

Nevertheless, no comprehensive studies have been conducted thus far to evaluate the influence of environmental factors on the mechanical performance of sandstones quarried and used as façade materials in Poland. Experimental investigations carried out on sandstones from Śmiłów, Żerkowice, and Skała, extracted from existing building façades, revealed substantial degradation in their mechanical strength. The findings also highlighted deficiencies in current evaluation protocols for natural stone materials intended for use in ventilated façade systems. Petrographic and microscopic analyses demonstrated that the loss of structural integrity in the examined sandstones is primarily due to the development of multidirectional microcracks propagating through mineral grains, and, in near‑surface zones, the breakdown of grain‑to‑grain contacts leading to granular disintegration. These deterioration mechanisms were initiated and accelerated by repeated freeze‑thaw cycles associated with the infiltration of meteoric water. The ingress of water was facilitated by the high total porosity of the material, exceeding 20%, as well as by the presence of an interconnected pore network, which significantly enhanced water permeability and retention within the stone matrix.

Dotychczas nie przeprowadzono badań wpływu środowiska na parametry wytrzymałościowe piaskowców wydobywanych i stosowanych na elewacje w Polsce. Wyniki badań piaskowców Śmiłów, Żerkowice i Skała, pochodzących z elewacji budynków, wykazały znaczne zmniejszenie ich wytrzymałości na zginanie oraz braki w stosowanych metodach weryfikacji materiałów kamiennych, stanowiących podstawę do ich stosowania jako materiału okładzinowego w elewacjach wentylowanych. Badania mikroskopowe wykazały, że powodem obniżenia zwięzłości piaskowców jest powstanie w ich wnętrzu wielokierunkowych spękań obejmujących ziarna, a w ich zewnętrznej części, zerwanie połączeń między ziarnami i ich wykruszanie się. Zmiany te zostały wywołane cyklicznym zamarzaniem i rozmarzaniem wody pochodzącej z opadów atmosferycznych. Jej wnikaniu w głąb kamieni sprzyjała ich znaczna porowatość, wynosząca ponad 20% oraz system połączonych porów.
durability of ventilated façades; natural stone cladding; degradation of cladding panels; sandstone; petrography

trwałość elewacji wentylowanych; okładziny z kamienia naturalnego; uszkodzenia płyt elewacyjnych; piaskowiec; petrografia
  1. PN-EN 1469:2015-04 Natural stone products - Slabs for cladding -Requirements
  2. PN-EN 12371:2010 Natural stone test method – Determination of frost resistance
  3. EAD 090062-00-0404. Kits for external wall claddings mechanically fixed
  4. PN-EN 12467. Fibre-cement flat sheets – Product specification and test methods.
  5. Silva A, De Brito J, Gaspar PL. Service life prediction model applied to natural stone wall claddings (directly adhered to the substrate).Constr Build Mater 2011; https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2011.03.064.
  6. Wasserman R, Ciabocco L, Shohet IM. Estimating the Service Life of Exterior Stone Claddings Subjected to Regular and Marine Service Conditions. Appl. Sci. 2023; https://doi.org/10.3390/app13084942
  7. Ding S, Jia H, Zi F, Dong Y, Yao Y. Frost Damage in Tight Sandstone: Experimental Evaluation and Interpretation of Damage Mechanisms. Materials. 2020; https://doi.org/10.3390/ma13204617
  8. Rembiś M, Smoleńska A. Microstructural changes of sandstones from selected. historical buildings of Cracow as effects of anthropogenic pollution of the atmosphere. ENVIWEATH’97: Book of Abstracts of the 2nd Conference of IGCP Project 405. Bratislava. Slovak Republic. Comenius University. Faculty of Natural Sciences.1997; 42–43.
  9.  Słaby E, Galbarczyk-Gąsiorowska L, Trzciński J, Górka H, Łukaszewski P, Dobrowolska A. Mechanizm rozpadu piaskowców wywołany krystalizacją soli. Przegląd Geologiczny.2001; 49. no. 2: 124–133.
  10.  Wilczyńska-Michalik W, Michalik M. Deterioracja materiałów skalnych w budowlach Krakowa. Przegląd Geologiczny.1995; 43. 227–235.
  11. Labus M. Evaluation of weathering-resistance classes in clastic rocks on the example of Polish sandstones. Environmental Geology. 2008; 54. no. 2. 283–289.
  12.  Besharatinezhad A, Török Á. The Effect of Freeze-thaw on Mechanical and Ultrasonic Properties of Hungarian Oolitic Stones. Period. Polytech. Civil Eng. 2024 ; https://pp.bme.hu/ci/article/view/23268
  13.  Camposinhos RS. Dimension stone design – partial safety factors: a reliability based approach. Proc. Inst. Civ. Eng. – Constr. Mater.2012; 165. 3: 145–159.
  14.  Kočí V, Maděra J, Fořt J, Žumár J, Pavlíková M, Pavlík Z, Černý R. Service life assessment of historical building envelopes constructed using different types of sandstone: A computational analysis based on experimental input data. The Scientific World Journal. 2014; https://doi.org/ 10.1155/2014/802509
  15.  PN-EN 12372:2010 Natural stone test methods - Determination of flexural strength under concentrated load
  16. Martínez-Martínez J, Benavente D, Gomez-Heras M, Marco-Castaño L, García-del-Cura M Á. Non-linear decay of building stones during freeze–thaw weathering processes. Constr. Build. Mater. 2013.; https://doi: 10.1016/j.conbuildmat. 2012.07.059
  17.  PN EN ISO 12944-2:2001. Farby i lakiery. Ochrona przed korozją konstrukcji stalowych za pomocą ochronnych systemów malarskich. Część 2: Klasyfikacja środowisk.
  18. Zhou S, Zhuang X, Zhu H, Rabczuk T. Phase field modelling of crack propagation. branching and coalescence in rocks. Theoretical and Applied Fracture. Mechanics. 2018; https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2018.04.011
  19. Zhang Y, Wu X, Guo Q, Zhang Z, Cai M, Tian L. Research on the Mechanical Properties and Damage Constitutive Model of Multi-Shape Fractured Sandstone under Hydro-Mechanical Coupling. Minerals. 2022; https:// doi.org/10.3390/min12040436
  20.  Brantut N, Petit L. Micromechanics of rock damage and its recovery in cyclic loading conditions. Geophysical Journal International. 2022; https:// doi.org/10.1093/gji/ggac447
  21.  BS 8298-4:2020 Design and installation of natural stone cladding and lining. Stone cladding on rainscreen support systems - code of practice
dr inż. Aleksander Byrdy, Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Lądowej
ORCID: 0000-0003-0565-0275
dr hab. Marek Rembiś, prof AGH, Akademia Górniczo‑Hutnicza, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska
ORCID: 0000-0003-2879-3949

dr inż. Aleksander Byrdy, Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Lądowej
ORCID: 0000-0003-0565-0275

Correspondence address: abyrdy@pk.edu.pl

Full paper:

DOI: 10.15199/33.2025.11.07

Article in PDF file

Received: 30.07.2025 / Artykuł wpłynął do redakcji: 30.07.2025 r.
Revised: 02.09.2025 / Otrzymano poprawiony po recenzjach: 02.09.2025 r.
Published: 21.11.2025 / Opublikowano: 21.11.2025 r.