土木工程材料(第4章 石材)

1、朱朱 凱凱( (上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 城建學(xué)院城建學(xué)院) )第四章第四章 石材石材l主要內(nèi)容：l巖石的性質(zhì)及分類l天然石材l人造石材天然石材:采自地殼的天然巖石，不經(jīng)機(jī)械加工或 經(jīng)機(jī)械加工而得的材料。 天然石材的優(yōu)點：強(qiáng)度高、裝飾性好、耐水性、耐 磨性、耐久性高、來源廣泛。天然石材的缺點：加工困難，自重大，開采和運(yùn)輸 不方便。天然石材的應(yīng)用：重要結(jié)構(gòu)，特別是建筑裝飾。 一.造巖礦物 1.造巖礦物：組成巖石的礦物稱為造巖礦物。（礦物是具有一定化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征的天然化合物或單質(zhì)） 大多數(shù)巖石是由多種造巖礦物組成的，由于其各種礦物的含量、顆粒結(jié)構(gòu)均有差異，因而顏色、強(qiáng)度、耐久性等也有差

2、異。 造巖礦物的性質(zhì)及其含量決定巖石的性質(zhì)。 2.主要造巖礦物及其性質(zhì) 主要造巖礦物有以下幾種：石英 、長石、角閃石、輝石、方解石、白云石、黃鐵礦 、云母 。（1）石英：二氧化硅(Si02)晶體的總稱。莫氏硬度為7，非常堅硬，強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性及耐久性高。但受熱時(573C以上)，因晶型轉(zhuǎn)變會產(chǎn)生裂縫甚至松散。（2）長石：鉀、鈉、鈣等的鋁硅酸鹽晶體。莫氏硬度為6，堅硬、強(qiáng)度高、耐久性高，但低于石英，具有白、灰、紅、青多種顏色。長石是火成巖中最多的造巖礦物，約占總量的23。 （3） 角閃石、輝石、橄欖石 ：莫氏硬度為57，強(qiáng)度高、韌性好、耐久性好。具有多種顏色，但均為暗色，故也稱暗色礦物。（4）

3、方解石：莫氏硬度為3，強(qiáng)度較高、耐久性次于上述礦物，遇酸后分解。（5）白云石：莫氏硬度為4,強(qiáng)度、耐酸腐蝕性及耐久性略高于方解石，遇酸時分解。（6）黃鐵礦： 莫氏硬度為67,耐久性差，遇水和氧生成游離硫酸，且體積膨脹，并產(chǎn)生銹跡。黃鐵礦為巖石中的有害礦物。（7）云母 ： 莫氏硬度為23，具有權(quán)完全解理(礦物在外力等作用下，沿一定的結(jié)晶方向易裂成光滑平面的性質(zhì)稱為解理，裂成的平面稱為解理面)，易裂成薄片，玻璃光澤，耐久性差，具有多種顏色。云母的主要種類為白云母和黑云母，后者易風(fēng)化為巖石中的有害礦物。二、巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造與性質(zhì)（一）巖石的結(jié)構(gòu)及構(gòu)造（1）巖石的結(jié)構(gòu)巖石的結(jié)構(gòu)是指巖石中礦物的結(jié)晶程度

4、、顆粒大小、形態(tài)及組合方式l按結(jié)晶程度：全晶質(zhì)、半晶質(zhì)、玻璃質(zhì)l按礦物顆粒大?。猴@晶質(zhì)(晶體顆粒較粗，肉眼或放大鏡可識別)、隱晶質(zhì)(晶體顆粒較細(xì)，肉眼不可識別)l按礦物顆粒相對大?。旱攘！⒉坏攘?、斑狀、似斑狀（2）巖石的構(gòu)造 巖石的構(gòu)造是指巖石中不同礦物間的 排列方式及充填方式。l塊狀構(gòu)造：整體均勻性耐久性高（花崗巖、大 理巖）l層片狀構(gòu)造：易沿層片連接處崩裂而風(fēng)化（砂 巖、頁巖、片麻巖）l斑狀構(gòu)造、杏仁狀構(gòu)造、結(jié)核狀構(gòu)造：整體均 勻性差，易開裂和風(fēng)化，不易制取 規(guī)整的塊材（安山巖、斑巖）l氣孔狀構(gòu)造（火山碎屑巖、噴出巖）（二）性質(zhì)1. 巖石大多數(shù)屬于結(jié)晶晶體，少數(shù)屬于玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)，兩者相比結(jié)晶

5、質(zhì)的較玻璃質(zhì)的強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性、韌性及耐久性好。2.細(xì)小晶粒較粗大晶粒的強(qiáng)度高、韌性及耐久性好。 3.含有極完全解理的礦物組成的巖石，強(qiáng)度低、韌 性差、易于開采。4.巖石的孔隙率較大，則巖石的強(qiáng)度，抗凍性，耐 水性及耐久性等會顯著下降。 三、巖石的形成、分類與性質(zhì)(一) 分類：巖石按地質(zhì)形成條件分為： 正變質(zhì)巖 副變質(zhì)巖 侵入巖噴出巖1.火成巖2.沉積巖3.變質(zhì)巖深成巖淺成巖碎屑巖化學(xué)、沉積巖生物沉積巖粘土巖1.火成巖 ：侵入巖（深成巖和淺成巖）和噴出巖(1)深成巖：巖漿在地表深處受上部巖層的壓力作用，緩慢冷卻結(jié) 晶成巖。 結(jié)構(gòu)致密具有粗大的晶粒和塊狀構(gòu)造(礦物排列無序，宏觀呈塊 狀構(gòu)造)。

6、如花崗巖、正長巖、輝長巖、閃長巖等。(2)淺成巖：巖漿在地表淺處冷卻結(jié)晶成巖。 結(jié)構(gòu)致密，由于冷卻較快，故晶粒較小，如輝綠巖。l侵入巖為全晶質(zhì)結(jié)構(gòu)(巖石全部由結(jié)晶的礦物顆粒組成)，且沒有解理。侵入巖的體積密度大、抗壓強(qiáng)度高、吸水率低、抗凍性好。(3)噴出巖由于形成條件不同，結(jié)構(gòu)有的致密(形成較厚的巖層)或多孔構(gòu)造(形成較薄的巖層)或內(nèi)部含有大量的氣孔(當(dāng)巖漿被噴到空氣中，急速冷卻而形成的巖石) 并多呈玻璃質(zhì) 2.沉積巖：巖石在地質(zhì)、外力作用下經(jīng)風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積成巖作用(壓固、膠結(jié)等)，在地表或地表不 太深處形成的巖石，又稱水成巖。分為以下四種 ： 碎屑巖、化學(xué)沉積巖、生物沉積巖、粘土巖l主要待

7、征:呈層狀構(gòu)造，各層巖石的成分、構(gòu)造、 顏色、性能均不同，且為各向異性。與深成巖相比，沉積巖的體積密度小、孔隙率大、吸水率較大、強(qiáng)度和耐久性較低。3.變質(zhì)巖：（1）正變質(zhì)巖：由火成巖變質(zhì)而成，性能一般較原 火成巖差。如片麻巖（2）副變質(zhì)巖：由沉積巖變質(zhì)而成，性能一般較原 沉積巖好。如大理巖、石英巖等。 4.2.1 技術(shù)性質(zhì)技術(shù)性質(zhì) 天然石材的技術(shù)性質(zhì)，可分為物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和工藝性質(zhì)。 1 物理性質(zhì) (1)表觀密度 石材的表觀密度與其礦物組成、孔隙率等因素有關(guān)。表觀密度大的石材孔隙率小、抗壓強(qiáng)度高、耐久性好。 按照表觀密度的大小可將石材分為： 重質(zhì)石材 表觀密度1800kg/m3； 輕質(zhì)石材

8、 表觀密度1800kg/m3。 (2)吸水性 吸水率低于1.5%的巖石稱為低吸水性巖石，介于1.5%3.0%的稱為中吸水性巖石,吸水率高于3.0%的稱高吸水性巖石。石材的吸水性對其強(qiáng)度與耐水性有很大影響。石材吸水后，會降低顆粒之間的粘結(jié)力，從而使強(qiáng)度降低。 （3）耐水性 巖石中含有較多的粘土或易溶物質(zhì)時，軟化系數(shù)則較小，其耐水性較差。根據(jù)軟化系數(shù)大小，可將石材分為高、中、低三個等級。軟化系數(shù)大于0.90為高水性，軟化系數(shù)在0. 75 0.90之間為中耐水性，軟化系數(shù)在0.60 0. 75 之間為低耐水性，軟化系數(shù)小于0.60者，則不允許使用。 （4）抗凍性石材抗凍性與吸水性有密切的關(guān)系，吸水率

9、大的的石材其抗凍性也差。根據(jù)經(jīng)驗，吸水率小于0.50%的石材，則認(rèn)為是抗凍的。 （5）耐熱性石材的耐熱性與其化學(xué)成分及礦物組成有關(guān)，石材經(jīng)高溫后，因熱脹冷縮、體積變化而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力或因組成礦物發(fā)生分解和變異等導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。 （6）導(dǎo)熱性石材的導(dǎo)熱性與其表觀密度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)，重質(zhì)石材導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)2.913.49W/m K2 力學(xué)性質(zhì) 天然石材的力學(xué)性質(zhì)主要包括：抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度及耐磨性等。 （1）抗壓強(qiáng)度 石材的抗壓強(qiáng)度，是以3個邊長為70mm的立方體試塊的抗壓破壞強(qiáng)度平均值確定劃分的。它分為9個等級：MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20、MU15和MU

10、10。礦物組成對石材抗壓強(qiáng)度有一定影響。例如，組成花崗巖的主要礦物成分中石英是很堅強(qiáng)的礦物，其含量越多，則花崗巖的強(qiáng)度也越高。 結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征對石材的抗壓強(qiáng)度也有很大影響。結(jié)晶質(zhì)石材的強(qiáng)度較玻璃質(zhì)的高；等粒狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較斑狀結(jié)構(gòu)的高；構(gòu)造致密的強(qiáng)度較疏松多孔的高。具有層狀、帶狀或片狀構(gòu)造的石材，其垂直于層理方向的抗壓強(qiáng)度較平行于層理方向的高。 （2）沖擊韌性 石材的沖擊韌性決定于巖石的礦物組成與構(gòu)造。通常，晶體結(jié)構(gòu)的巖石較非晶體結(jié)構(gòu)的巖石，具有較高的韌性。 （3）硬度 它取決于石材的礦物組成的硬度與構(gòu)造。凡由致密、堅硬礦物組成的石材，其硬度就高。表表3.1 礦物的莫氏硬度表礦物的莫氏硬度表 硬

11、度 12345678910礦物滑石石膏方解石螢石磷灰石長石石英英玉剛玉金剛石 （4）耐磨性 耐磨性是指石材在使用條件下抵抗摩擦、邊緣剪切以及沖擊等復(fù)雜作用的能力。石材的組成礦物越堅硬，構(gòu)造越致密以及其抗壓強(qiáng)度和沖擊韌性越高，則石材的耐磨性越好。凡是用于可能遭受磨損作用的場所，例如臺階、人行道等應(yīng)采用具有高耐磨性的石材。3 工藝性質(zhì) 石材的工藝性質(zhì)，主要指其開采和加工過程的難易程度及可能性，包括加工性、磨光性與抗鉆性等。 （1）加工性 石材的加工性，主要是指對巖石開采、鋸解、切割、鑿琢、磨光和拋光等加工工藝的難易程度。 （2）磨光性 指石材能否磨成平整光滑表面的性質(zhì)。致密、均勻、細(xì)粒的巖石，一般

12、都有良好的磨光性，可以磨成光滑亮潔的表面。 （3）抗鉆性 指石材鉆孔時，其難易程度的性質(zhì)。一般石材的強(qiáng)度越高、硬度越大，越不易鉆孔。4 放射性 巖 漿 巖變 質(zhì) 巖沉 積 巖巖石 名 稱成巖情況主要品種巖漿巖熔融巖漿上升到地表附近或噴出地表，冷卻凝結(jié)而成巖?；◢弾r玄武巖輝綠巖沉積巖巖石風(fēng)化后，再經(jīng)沉積、膠結(jié)而成巖。石灰?guī)r砂巖變質(zhì)巖巖石在溫度、壓力或化學(xué)的作用下，經(jīng)變質(zhì)而成巖大理巖片麻巖天然巖石的分類天然巖石的分類名 稱組成密度花崗巖是巖漿巖中分布最廣的一種主要礦物組成，典型的深成巖，屬酸性巖石。表觀密度25002700kg/m3抗壓強(qiáng)度達(dá)120250MPa使用年限達(dá)75200年大理巖是由石灰?guī)r

13、或白云巖變質(zhì)而成，主要的造巖礦物是方解石或白云石，屬碳酸鹽類。表觀密度26002700kg/m3抗壓強(qiáng)度達(dá)70110MPa純凈的大理石稱漢白玉石灰?guī)r俗稱“青石”，是沉積巖的一種，主要成分是CaCO3，主要礦物成分是方解石，常含有白云石、菱鎂石、粘土等。表觀密度20002600kg/m3抗壓強(qiáng)度達(dá)80160MPa砂 巖其主要造巖礦物有石英、及少量的長石、方解石和白云石，屬沉積巖。表觀密度22002500kg/m3抗壓強(qiáng)度達(dá)5200MPa常用于建筑物的基礎(chǔ)、墻身、踏步等。備備 注注天然大理石板材耐化學(xué)腐蝕和抗風(fēng)化性能較差主要應(yīng)用于室內(nèi)裝飾天然花崗石板材強(qiáng)度高、耐磨、抗風(fēng)化、耐腐蝕性能好用于室內(nèi)、室外裝飾細(xì)面板材鏡面板材粗面板材青石裝飾板材屬于砂巖具有古建筑的獨(dú)特風(fēng)格 用人工方法加工制造的具有天然石材的花紋和紋理的合成石，稱為人造石材。如人造花崗石、人造大理石和水磨石等。一、人造石材的類型一、人造石材的類型 人造石材根據(jù)所用的膠結(jié)材料的不同可分為： 1、樹脂型人造石材、樹脂型人造石材：以有機(jī)樹脂為膠合劑，與天然碎石、石粉及顏料等配制拌成的混合料，經(jīng)澆搗成型、固化、脫模、烘干、拋