第2章 天然石材

第2章天然石材主要內(nèi)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(zhì)巖。2、理解天然石材的技術(shù)性質(zhì)，掌握天然石材抗壓強度測試條件。重點和難點：石材的性質(zhì)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(jīng)加工或經(jīng)加工制成塊狀、板狀或特定形狀的石材的總稱。特點：質(zhì)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(jīng)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(jīng)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(jié)構(gòu)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(dāng)普遍，較多的用作建筑裝飾材料、基礎(chǔ)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(yīng)用。7巖石是構(gòu)成地殼的主要物質(zhì)。它是由地殼的地質(zhì)作用形成的固態(tài)物質(zhì)，具有一定的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和變化規(guī)律。一、巖石的組成巖石是由一種或數(shù)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(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素或化合物。構(gòu)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(jié)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(jié)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(fēng)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(dāng)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(jié)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(jié)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(jié)晶的碳酸鈣鎂復(fù)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(zhì)與方解石接近。10二、巖石的分類巖石按地質(zhì)形成條件可分為巖漿巖(火成巖)、沉積巖(水成巖)和變質(zhì)巖三大類。巖漿巖沉積巖變質(zhì)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(jié)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(zhì)量計，巖漿巖占89％，儲量極大。根據(jù)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(jié)晶且晶粒較粗，構(gòu)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(jié)晶條件差，多呈隱晶質(zhì)或玻璃體結(jié)構(gòu)。當(dāng)噴出的巖漿形成的巖層很厚時，其結(jié)構(gòu)接近深成巖。當(dāng)噴出巖凝固成比較薄的巖層時，常呈多孔構(gòu)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(jié)構(gòu)且呈多孔構(gòu)造。如火山灰、火山渣、浮石和凝灰?guī)r等。火山灰、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(xué)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(zhì)結(jié)構(gòu)，其顏色一般為灰白、微黃和淡紅色?；◢弾r構(gòu)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(zhì)或玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)。硬度高脆性大，抗風(fēng)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(jīng)長期風(fēng)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(jīng)風(fēng)或水的搬運，通過沉積和再造作用而形成的巖石。按地殼質(zhì)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(gòu)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(jù)生成條件，沉積巖可分為機械沉積巖、化學(xué)沉積巖和生物沉積巖。①機械沉積巖：由自然風(fēng)化而逐漸破碎松散的巖石，經(jīng)風(fēng)、雨、冰川、沉積等機械力的作用而重新壓實或膠結(jié)而成的巖石，如砂巖、頁巖等。18②化學(xué)沉積巖由溶解于水中的礦物質(zhì)經(jīng)聚積、沉積、重結(jié)晶、化學(xué)反應(yīng)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(xué)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(jīng)沉積并重新膠結(jié)而成的巖石。以氧化硅膠結(jié)而成的硅質(zhì)砂巖，以碳酸鈣膠結(jié)而成的為石灰質(zhì)砂巖，還有鐵質(zhì)砂巖和粘土質(zhì)砂巖。砂巖的主要礦物為石英，致密的硅質(zhì)砂巖性能接近于花崗巖，鈣質(zhì)的砂巖性能接近于石灰?guī)r。鈣質(zhì)砂巖硅質(zhì)砂巖213、變質(zhì)巖巖石由于強烈的地質(zhì)活動，在高溫和高壓作用下，礦物再結(jié)晶或生成新礦物，使原來巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造發(fā)生顯著變化而成為一種新的巖石，稱為變質(zhì)巖。變質(zhì)巖大多是結(jié)晶體，構(gòu)造、礦物成分都較巖漿巖、沉積巖更為復(fù)雜而多樣。根據(jù)原巖種類，分為正變質(zhì)巖和副變質(zhì)巖。變質(zhì)巖如花崗巖變質(zhì)后形成的片麻巖，石灰?guī)r和白云巖變質(zhì)后形成的大理巖，砂巖變質(zhì)后形成的石英巖等。一般沉積巖變質(zhì)后，結(jié)構(gòu)更為密實，性能提高；而深成巖變質(zhì)后，性能變差。22大理巖：屬于副變質(zhì)巖，由石灰?guī)r或白云巖變質(zhì)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(nèi)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(gòu)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(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征，它們對巖石的物理和力學(xué)性能影響甚大。1、構(gòu)造(1)塊狀構(gòu)造塊狀構(gòu)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(gòu)造。具有成分均勻、構(gòu)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(gòu)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(jié)核狀構(gòu)造巖漿噴出地表后，沿地表流動時冷卻而形成的構(gòu)造稱為流紋狀構(gòu)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(gòu)造稱為斑狀構(gòu)造；巖石的氣孔被次生礦物填充，則形成杏仁狀構(gòu)造。27(3)層片狀構(gòu)造組成巖石的物質(zhì)其礦物成分、結(jié)構(gòu)和顏色等特征沿垂直方向一層一層地變化而形成層狀構(gòu)造。層片狀構(gòu)造的巖石，由于層理、片理變化，整體性差。各層的物理、力學(xué)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(dǎo)致風(fēng)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(gòu)造。上述幾種構(gòu)造所組成的巖石整體均勻性差，斑晶、杏仁及結(jié)核的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造與四周物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造差異較大，一旦受到溫度變化和外力作用時，易導(dǎo)致開裂和破壞。28(4)氣孔狀構(gòu)造巖漿中含有一些易揮發(fā)的成分，當(dāng)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(gòu)造的巖石孔隙率大、強度低、吸水率大、表觀密度低，由于輕質(zhì)、多孔而導(dǎo)熱差，宜作墻體材料或輕質(zhì)集料。多孔狀構(gòu)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(shù)性質(zhì)可分為物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和工藝性質(zhì)。一、物理性質(zhì)(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(dǎo)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?；鹕侥?guī)r、浮石等由于孔隙率大，表觀密度較小。石材根據(jù)表觀密度可分為：輕質(zhì)石材和重質(zhì)石材。輕質(zhì)石材表觀密度小于1800kg/m3，一般用于墻體材料；重質(zhì)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(shù)性質(zhì)30(2)吸水性石材的吸水性與其孔隙率和孔隙特征有關(guān)?？紫短卣飨嗤氖?，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(dǎo)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(shù)來表示。當(dāng)石材中含有粘土或易溶于水的物質(zhì)時，在水飽和狀況下，強度會明顯下降。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)>0.90者為高耐水性；軟化系數(shù)在0.75～0.90之間者為中耐水性；軟化系數(shù)在0.60～0.75之間者為低耐水性。軟化系數(shù)<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(biāo)。石材的抗凍性與吸水率大小有密切關(guān)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(jié)溫度和凍融次數(shù)有關(guān)。石材的抗凍性用石材在水飽和狀態(tài)下所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)(強度降低不超過25%，質(zhì)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(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致破壞。各種造巖礦物熱膨脹系數(shù)不同，受熱后產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力以致崩裂。在高溫下，造巖礦物會產(chǎn)生分解或變質(zhì)。如含有石英的石材，在700℃時受熱膨脹而破壞。(6)導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性主要與石材的致密程度有關(guān)。重質(zhì)石材的導(dǎo)熱系數(shù)可達2.91～3.49W/(m.K)；輕質(zhì)石材的導(dǎo)熱系數(shù)則在0.23～0.7W/(m.K)之間。具有封閉孔隙的石材，導(dǎo)熱性較差。34二、力學(xué)性質(zhì)(1)抗壓強度石材的強度取決于造巖礦物及巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)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(dāng)巖石中有礦物膠結(jié)物質(zhì)存在，則膠結(jié)物質(zhì)對強度也有一定影響，如砂巖。硅質(zhì)砂巖強度高于鈣質(zhì)砂巖，粘土質(zhì)砂巖強度最低。結(jié)晶質(zhì)石材強度高于玻璃質(zhì)石材強度，細顆粒構(gòu)造強度高于粗顆粒構(gòu)造，層片狀、氣孔狀構(gòu)造強度低，構(gòu)造致密的巖石強度高。35石材是非均質(zhì)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(jù)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(yīng)對其試驗結(jié)果乘以相應(yīng)的換算系數(shù)。36(2)沖擊韌性石材的沖擊韌性取決于礦物成分與構(gòu)造。石英巖、硅質(zhì)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(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)硬度石材的硬度主要取決于礦物組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。由強度、硬度高的造巖礦物所組成的巖石，其硬度較高；結(jié)晶