土木工程材料(第4章 石材)

土木工程材料

朱凱(上海應用技術(shù)學院城建學院)第四章石材主要內(nèi)容：巖石的性質(zhì)及分類天然石材人造石材4.1

巖石的基本性質(zhì)天然石材:采自地殼的天然巖石，不經(jīng)機械加工或經(jīng)機械加工而得的材料。天然石材的優(yōu)點：強度高、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，開采和運輸不方便。天然石材的應用：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、強度、耐久性等也有差異。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，強度高，化學穩(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2／3。

（3）角閃石、輝石、橄欖石：莫氏硬度為5~7，強度高、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）方解石：莫氏硬度為3，強度較高、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6~7,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2~3，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、顆粒大小、形態(tài)及組合方式按結(jié)晶程度：全晶質(zhì)、半晶質(zhì)、玻璃質(zhì)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，肉眼不可識別)按礦物顆粒相對大小：等粒、不等粒、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。塊狀構(gòu)造：整體均勻性耐久性高（花崗巖、大理巖）層片狀構(gòu)造：易沿層片連接處崩裂而風化（砂巖、頁巖、片麻巖）斑狀構(gòu)造、杏仁狀構(gòu)造、結(jié)核狀構(gòu)造：整體均勻性差，易開裂和風化，不易制取規(guī)整的塊材（安山巖、斑巖）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)晶質(zhì)的較玻璃質(zhì)的強度高，化學穩(wěn)定性、韌性及耐久性好。2.細小晶粒較粗大晶粒的強度高、韌性及耐久性好。3.含有極完全解理的礦物組成的巖石，強度低、韌性差、易于開采。4.巖石的孔隙率較大，則巖石的強度，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、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)。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。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)風化、搬運、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、化學沉積巖、生物沉積巖、粘土巖主要待征: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石材的技術(shù)性質(zhì)4.2.1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，則認為是抗凍的。（5）耐熱性石材的耐熱性與其化學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)應力或因組成礦物發(fā)生分解和變異等導致結(jié)構(gòu)破壞。（6）導熱性石材的導熱性與其表觀密度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)，重質(zhì)石材導熱系數(shù)可達2.91－3.49W/m

·K2力學性質(zhì)天然石材的力學性質(zhì)主要包括：抗壓強度、沖擊韌性、硬度及耐磨性等。（1）抗壓強度石材的抗壓強度，是以3個邊長為70mm的立方體試塊的抗壓破壞強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MU10。礦物組成對石材抗壓強度有一定影響。例如，組成花崗巖的主要礦物成分中石英是很堅強的礦物，其含量越多，則花崗巖的強度也越高。結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征對石材的抗壓強度也有很大影響。結(jié)晶質(zhì)石材的強度較玻璃質(zhì)的高；等粒狀結(jié)構(gòu)的強度較斑狀結(jié)構(gòu)的高；構(gòu)造致密的強度較疏松多孔的高。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。

硬度影響石材的易加工性和耐磨性。石材的硬度常用莫氏硬度表示，它是一種刻劃硬度。

各莫氏硬度級的標準礦物如表3.1所列。表3.1礦物的莫氏硬度表硬度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、細粒的巖石，一般都有良好的磨光性，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)。一般石材的強度越高、硬度越大，越不易鉆孔。4放射性

4.3天然石材

建筑中所用的石材分為天然石材和人造石材。

天然石材是指由天然巖石開采的，經(jīng)過或不經(jīng)過加工而制得的石材。

人造石材是指由高分子材料制造而成的，如人造大理石、人造花崗巖等。

一、天然巖石的分類

巖石由各種不同地質(zhì)作用所形成的天然礦物的集合體。大部分巖石是由幾種礦物組成，如花崗巖由長石、石英、云母等；少數(shù)巖石是由一種礦物組成，如石灰?guī)r是由方解石組成。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二、建筑中常用巖石的特性

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2500～2700kg/m3抗壓強度達120～250MPa使用年限達75～200年大理巖是由石灰?guī)r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2600～2700kg/m3抗壓強度達70～110MPa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2000～2600kg/m3抗壓強度達80～160MPa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2200～2500kg/m3抗壓強度達5～200MPa常用于建筑物的基礎(chǔ)、墻身、踏步等。

建筑上使用的石材，按加工后的外形分為塊狀石材、板狀石材、散狀石材和各種石制品等。

（一）塊狀石材

1、毛石（片石或塊石）

山體爆破直接得到的石塊，分為亂毛石和平毛石。

2、料石（條石）

經(jīng)人工或機械開采出的較規(guī)則的六面體形的石塊，略加鑿制而成，至少有一個面的邊角整齊。主要用于基礎(chǔ)、墻身、地坪、柱頭、窗臺板、踏步等。

1）毛料石——表面不經(jīng)加工或稍加修飾的料石

2）粗料石——正表面的凹凸相差≯20mm

3）半細料石——正表面的凹凸相差≯10mm

4）細料石——正表面的凹凸相差≯2mm

三、石材的加工和選用

（二）板材

板材是用致密的巖石經(jīng)鑿平、鋸斷、磨光等各種加工方法制作而成的板狀石材（厚一般20mm），如花崗石、大理石和青石板材等。品種性能應用備注天然大理石板材耐化