第2章 天然石材

第2章天然石材主要內容：1、了解天然石材的形成，掌握天然石材的分類及特性——巖漿巖、沉積巖、變質巖。2、理解天然石材的技術性質，掌握天然石材抗壓強度測試條件。重點和難點：石材的性質及選用原則。1石材是使用歷史最悠久的建筑材料之一，是建筑工程及道路與橋梁建筑中用量較大的一種建筑材料。天然石材：指從天然巖石體中開采未經加工或經加工制成塊狀、板狀或特定形狀的石材的總稱。特點：質地堅硬、抗壓強度高、耐磨、耐久性好，對建筑物起保護與裝飾作用。石材有兩種：一種是指采得大塊巖石，經鋸解、劈鑿、磨光等機械加工制成各種形狀和尺寸的石料制品；另一種是直接采得的各種塊狀和粒狀的石料。無論是經加工或未加工的石材，都是重要的建筑材料。2

趙州橋，橋長64.40米，跨徑37.02米，是世界上跨徑最大、建造最早的單孔敞肩型石拱橋。3

龍門石窟奉先寺4

羅馬斗獸場5

埃及金字塔6目前，石材作為結構材料已很大程度上被鋼筋混凝土、鋼材所取代。由于天然石材具有抗壓強度高、耐久性、耐磨性及裝飾性好等優(yōu)點，因此，在建筑工程中的使用目前仍然相當普遍，較多的用作建筑裝飾材料、基礎和墻身等砌筑材料以及混凝土的骨料。隨著合成高分子材料的興起，人造石材(人造大理石、人造花崗巖等)作為裝飾材料也得到極大的發(fā)展和應用。7巖石是構成地殼的主要物質。它是由地殼的地質作用形成的固態(tài)物質，具有一定的結構構造和變化規(guī)律。一、巖石的組成巖石是由一種或數種主要礦物所組成的集合體。所謂礦物即是存在于地殼中具有一定化學成分和物理性質的自然元素或化合物。構成巖石的礦物，稱為造巖礦物。巖石中的主要造巖礦物有：(1)石英石英為結晶狀的SiO2，兩端為尖形的六方柱狀晶形，是最堅硬穩(wěn)定的礦物。密度約為2.65g/cm3，硬度為7，常見的有白色、乳白色等。純凈的SiO2無色透明，稱為“水晶”。2.1天然巖石的組成及分類8(2)長石長石為結晶的鋁硅酸鹽。長石有正長石和斜長石之分。正長石的晶體呈短柱狀和厚板狀，常見的為粒狀或塊狀，密度為2.50~2.60g/cm3，硬度為6，顏色呈肉紅色、褐黃色。斜長石的晶體呈柱狀，密度為2.61~2.76g/cm3，硬度為6，顏色為灰白色和淺紅色。長石強度比石英低，穩(wěn)定性不及石英，易風化成高嶺土。(3)云母云母為片狀含水鋁硅酸鹽。云母密度為2.70~3.10g/cm3，硬度為2~3，易于分解成薄片。當巖石中含有大量云母時，石材具有層理，降低了巖石的耐久性和強度，且表面難以磨光。9(4)角閃石、輝石、橄欖石角閃石、輝石、橄欖石均為結晶的鐵鎂硅酸鹽。晶體為粒狀、柱狀，密度為3.00~4.00g/cm3，硬度為5~7，顏色為暗綠或黑色，常稱為暗色礦物。這些造巖礦物強度高、韌性好、耐久性好，巖石中暗色礦物含量越多，其強度和耐久性也隨之提高，但也給加工造成了困難。(5)方解石方解石是結晶狀的碳酸鈣(CaCO3)，密度為2.70g/cm3，硬度為3，呈白色，強度中等，易被酸類分解，微溶于水，易溶于含有CO2的水中。(6)白云石白云石為結晶的碳酸鈣鎂復鹽(MgCO3?CaCO3)，密度為2.90g/cm3，硬度為4，呈白色或灰色，強度高于方解石，物理性質與方解石接近。10二、巖石的分類巖石按地質形成條件可分為巖漿巖(火成巖)、沉積巖(水成巖)和變質巖三大類。巖漿巖沉積巖變質巖111、巖漿巖(1)形成巖漿巖是由地殼深處上升的巖漿冷凝結晶而成的巖石，其成分主要是硅酸鹽礦物，是組成地殼的主要巖石。按地殼質量計，巖漿巖占89％，儲量極大。根據冷卻條件不同，可分為深成巖、噴出巖和火山巖三類。①深成巖：深成巖是巖漿在地殼深處受上部覆蓋層的壓力作用，緩慢且較均勻冷卻而形成的巖石。其礦物全部結晶且晶粒較粗，構造致密，具有抗壓強度高、吸水率小、表觀密度大及抗凍性、耐磨性好等特點。建筑上常用的深成巖有花崗巖、正長巖、輝長巖、橄欖巖、閃長巖等。12②噴出巖：噴出巖是巖漿巖噴出地表時，在壓力驟減和冷卻較快的條件下而形成的巖石。由于結晶條件差，多呈隱晶質或玻璃體結構。當噴出的巖漿形成的巖層很厚時，其結構接近深成巖。當噴出巖凝固成比較薄的巖層時，常呈多孔構造，近于火山巖。工程上常用的噴出巖有玄武巖、安山巖和輝綠巖等。③火山巖：火山巖是火山爆發(fā)時巖漿被噴到空中，急速冷卻后形成的巖石?；鹕綆r為玻璃體結構且呈多孔構造。如火山灰、火山渣、浮石和凝灰?guī)r等?；鹕交?、火山渣可作為水泥的混合材料，浮石可作輕混凝土的骨料。1314(2)種類：按巖漿化學成分中SiO2的含量分為：①酸性巖類(SiO2>65%)：由石英、正長石及少量的黑云母和輝石等組成，例如花崗巖、花崗斑巖等。其顏色較淺，密度較小。②中性巖類(SiO2為45%～65%)：由正長石、斜長石、角閃石及少量的黑云母和輝石組成，例如正長巖、閃長巖等。其顏色較深、密度較大。③基性巖類(SiO2為45%～52%)：由斜長石、輝石及少量的角閃石和橄欖石等組成，例如玄武巖、輝長巖等。其顏色深、密度大。④超基性巖類(SiO2<45%)：由橄欖石、輝石及角閃石組成，一般不含硅鋁礦物。其顏色很深、密度很大。15(3)常用的巖漿巖①花崗巖是巖漿中分布較廣的一種巖石，全晶質結構，其顏色一般為灰白、微黃和淡紅色?；◢弾r構造致密，孔隙率和吸水率都很小，硬度大耐磨性好，耐火性差。②玄武巖是噴出巖中分布較廣的一種巖石，隱晶質或玻璃質結構。硬度高脆性大，抗風化能力強。③浮石、火山灰浮石是顆粒獎的火山巖，火山灰是粉狀火山巖。16花崗巖玄武巖輝綠巖閃長巖172、沉積巖(1)形成：沉積巖是地表巖石經長期風化作用、生物作用或某種火山作用后，成為碎屑顆粒狀或粉塵狀，經風或水的搬運，通過沉積和再造作用而形成的巖石。按地殼質量計，僅占5％，但在地表分布很廣，約占地殼表面積的75％，因而開采方便，使用量大。沉積巖大都呈層狀構造，表觀密度小，孔隙率大，吸水率大，強度低，耐久性差。如硅藻土、硅藻石。根據生成條件，沉積巖可分為機械沉積巖、化學沉積巖和生物沉積巖。①機械沉積巖：由自然風化而逐漸破碎松散的巖石，經風、雨、冰川、沉積等機械力的作用而重新壓實或膠結而成的巖石，如砂巖、頁巖等。18②化學沉積巖由溶解于水中的礦物質經聚積、沉積、重結晶、化學反應等過程而形成的巖石。如石膏、白云石等。③有機沉積巖由各種有機體的殘骸沉積而成的巖石。如石灰?guī)r、硅藻土等。(2)常用的沉積巖沉積巖有石灰?guī)r、砂巖、礫巖、白云巖、白堊、硅藻土等。①石灰?guī)r又稱為灰石或青石，主要礦物為方解石，主要化學成分為CaCO3。石灰?guī)r是地表面分布最廣的巖石，其來源廣、硬度低、易開采。19石灰?guī)r20②砂巖由石英砂或石灰?guī)r等細小碎屑經沉積并重新膠結而成的巖石。以氧化硅膠結而成的硅質砂巖，以碳酸鈣膠結而成的為石灰質砂巖，還有鐵質砂巖和粘土質砂巖。砂巖的主要礦物為石英，致密的硅質砂巖性能接近于花崗巖，鈣質的砂巖性能接近于石灰?guī)r。鈣質砂巖硅質砂巖213、變質巖巖石由于強烈的地質活動，在高溫和高壓作用下，礦物再結晶或生成新礦物，使原來巖石的礦物成分、結構及構造發(fā)生顯著變化而成為一種新的巖石，稱為變質巖。變質巖大多是結晶體，構造、礦物成分都較巖漿巖、沉積巖更為復雜而多樣。根據原巖種類，分為正變質巖和副變質巖。變質巖如花崗巖變質后形成的片麻巖，石灰?guī)r和白云巖變質后形成的大理巖，砂巖變質后形成的石英巖等。一般沉積巖變質后，結構更為密實，性能提高；而深成巖變質后，性能變差。22大理巖：屬于副變質巖，由石灰?guī)r或白云巖變質而成，主要礦物組成為方解石和白云石。大理巖主要用于室內的裝修，如墻面，柱面及磨塤較小的地面，踏步。大理巖23242526三、巖石的構造與性能不同的成巖條件和造巖礦物使各類巖石具有不同的結構和構造特征，它們對巖石的物理和力學性能影響甚大。1、構造(1)塊狀構造塊狀構造的巖石是由無序排列、分布均勻的造巖礦物所組成的一種構造。具有成分均勻、構造致密、整體性好的特點，因此這類巖石強度高、表觀密度大、吸水率小、抗凍性和耐久性好，是良好的承重和裝飾材料。屬于塊狀構造的巖石有花崗巖、正長巖、大理巖和石英巖。

(2)流紋、斑狀、杏仁狀和結核狀構造巖漿噴出地表后，沿地表流動時冷卻而形成的構造稱為流紋狀構造；巖石成分中較粗大的晶粒分布在微晶礦物或玻璃體中的構造稱為斑狀構造；巖石的氣孔被次生礦物填充，則形成杏仁狀構造。27(3)層片狀構造組成巖石的物質其礦物成分、結構和顏色等特征沿垂直方向一層一層地變化而形成層狀構造。層片狀構造的巖石，由于層理、片理變化，整體性差。各層的物理、力學性能不同，垂直于層理方向的抗壓強度遠高于平行層理方向的抗壓強度。各層連接處易被水或有害液體侵蝕而導致風化和破壞。但具有層理、片理的巖石易于開采和加工。建筑上多用于人行道、踏步和屋面板等。砂巖、板巖和片麻巖等均為層片狀構造。上述幾種構造所組成的巖石整體均勻性差，斑晶、杏仁及結核的結構和構造與四周物質的結構和構造差異較大，一旦受到溫度變化和外力作用時，易導致開裂和破壞。28(4)氣孔狀構造巖漿中含有一些易揮發(fā)的成分，當巖漿上升至地面或噴出地表時，由于溫度和壓力劇減，便形成氣體逸出，待巖漿凝固后，便留下了氣孔。氣孔構造的巖石孔隙率大、強度低、吸水率大、表觀密度低，由于輕質、多孔而導熱差，宜作墻體材料或輕質集料。多孔狀構造巖石有浮石、玄武巖、火山凝灰?guī)r等。

玄武巖29石材的技術性質可分為物理性質、力學性質和工藝性質。一、物理性質(1)表觀密度石材的表觀密度由巖石的礦物組成及致密程度所決定。在一般情況下，同種石材的表觀密度越大，強度越高，吸水率越小，抗凍性和耐久性越好，導熱性也好?；◢弾r和大理巖等致密程度高，表觀密度接近于密度。火山凝灰?guī)r、浮石等由于孔隙率大，表觀密度較小。石材根據表觀密度可分為：輕質石材和重質石材。輕質石材表觀密度小于1800kg/m3，一般用于墻體材料；重質石材表觀密度大于1800kg/m3，可作為承重、裝修和裝飾用材料。2.2天然石材的技術性質30(2)吸水性石材的吸水性與其孔隙率和孔隙特征有關。孔隙特征相同的石材，孔隙率越大，吸水率也越高。吸水率低于1.5%的巖石稱為低吸水性巖石，吸水率介于1.5％～3.0％的巖石稱為中吸水性巖石，吸水率高于3.0％的巖石稱為高吸水性巖石。石材吸水后，強度降低，抗凍性變差，導熱性增加，耐水性和耐久性下降。表觀密度大的石材，孔隙率小，吸水率也小。如花崗巖的吸水率通常小于0.5％，而多孔貝類石灰?guī)r的吸水率可高達15％。31(3)耐水性石材的耐水性以軟化系數來表示。當石材中含有粘土或易溶于水的物質時，在水飽和狀況下，強度會明顯下降。根據軟化系數大小，可將石材分為高、中、低三個等級。軟化系數>0.90者為高耐水性；軟化系數在0.75～0.90之間者為中耐水性；軟化系數在0.60～0.75之間者為低耐水性。軟化系數<0.60者則不允許用于重要建筑物中。32(4)抗凍性抗凍性是指石材抵抗凍融破壞的能力，是衡量石材耐久性的一個重要指標。石材的抗凍性與吸水率大小有密切關系。一般，吸水率大的石材，抗凍性也差。另外，抗凍性還與石材吸水飽和程度、凍結溫度和凍融次數有關。石材的抗凍性用石材在水飽和狀態(tài)下所能經受的凍融循環(huán)次數(強度降低不超過25%，質量損失不超過5%，無貫穿裂縫)表示。33(5)耐火性石材遇到高溫時，將會受到損害。熱脹冷縮，體積變化不一致，將產生內應力而導致破壞。各種造巖礦物熱膨脹系數不同，受熱后產生內應力以致崩裂。在高溫下，造巖礦物會產生分解或變質。如含有石英的石材，在700℃時受熱膨脹而破壞。(6)導熱性導熱性主要與石材的致密程度有關。重質石材的導熱系數可達2.91～3.49W/(m.K)；輕質石材的導熱系數則在0.23～0.7W/(m.K)之間。具有封閉孔隙的石材，導熱性較差。34二、力學性質(1)抗壓強度石材的強度取決于造巖礦物及巖石的結構和構造。如花崗巖的主要造巖礦物有石英、長石、云母和少量暗色礦物。若石英含量高，則強度高，若云母含量高，則強度低。當巖石中有礦物膠結物質存在，則膠結物質對強度也有一定影響，如砂巖。硅質砂巖強度高于鈣質砂巖，粘土質砂巖強度最低。結晶質石材強度高于玻璃質石材強度，細顆粒構造強度高于粗顆粒構造，層片狀、氣孔狀構造強度低，構造致密的巖石強度高。35石材是非均質和各向異性的材料，而且是典型的脆性材料，其抗壓強度高，抗拉強度比抗壓強度低得多，約為抗壓強度的1/10～1/20。石材的抗壓強度是以三個邊長為50mm的立方體試塊吸水飽和狀態(tài)下的抗壓極限強度平均值表示。根據抗壓強度值的大小，石材共分九個強度等級：MUl00，MU80，MU60，MU50，MU40，MU30,MU20，MU15和MU10。抗壓試件也可采用其他尺寸的立方體，但應對其試驗結果乘以相應的換算系數。36(2)沖擊韌性石材的沖擊韌性取決于礦物成分與構造。石英巖、硅質砂巖脆性較大。含暗色礦物較多的輝長巖、輝綠巖等具有較高的韌性，通常，晶體結構的巖石較非晶體結構的巖石具有較高的韌性。(3)硬度石材的硬度主要取決于礦物組成、結構和構造。由強度、硬度高的造巖礦物所組成的巖石，其硬度較高；結晶