土木工程材料(第4章 石材)

土木工程材料

朱凯(上海应用技术学院城建学院)第四章石材主要内容：岩石的性质及分类天然石材人造石材4.1

岩石的基本性质天然石材:采自地壳的天然岩石，不经机械加工或经机械加工而得的材料。天然石材的优点：强度高、装饰性好、耐水性、耐磨性、耐久性高、来源广泛。天然石材的缺点：加工困难，自重大，开采和运输不方便。天然石材的应用：重要结构，特别是建筑装饰。

一.造岩矿物

1.造岩矿物：组成岩石的矿物称为造岩矿物。（矿物是具有一定化学成分和结构特征的天然化合物或单质）大多数岩石是由多种造岩矿物组成的，由于其各种矿物的含量、颗粒结构均有差异，因而颜色、强度、耐久性等也有差异。造岩矿物的性质及其含量决定岩石的性质。2.主要造岩矿物及其性质主要造岩矿物有以下几种：石英、长石、角闪石、辉石、方解石、白云石、黄铁矿、云母。（1）石英：二氧化硅(Si02)晶体的总称。莫氏硬度为7，非常坚硬，强度高，化学稳定性及耐久性高。但受热时(573C以上)，因晶型转变会产生裂缝．甚至松散。（2）长石：钾、钠、钙等的铝硅酸盐晶体。莫氏硬度为6，坚硬、强度高、耐久性高，但低于石英，具有白、灰、红、青多种颜色。长石是火成岩中最多的造岩矿物，约占总量的2／3。

（3）角闪石、辉石、橄榄石：莫氏硬度为5~7，强度高、韧性好、耐久性好。具有多种颜色，但均为暗色，故也称暗色矿物。（4）方解石：莫氏硬度为3，强度较高、耐久性次于上述矿物，遇酸后分解。（5）白云石：莫氏硬度为4,强度、耐酸腐蚀性及耐久性略高于方解石，遇酸时分解。（6）黄铁矿：莫氏硬度为6~7,耐久性差，遇水和氧生成游离硫酸，且体积膨胀，并产生锈迹。黄铁矿为岩石中的有害矿物。（7）云母：莫氏硬度为2~3，具有权完全解理(矿物在外力等作用下，沿一定的结晶方向易裂成光滑平面的性质称为解理，裂成的平面称为解理面)，易裂成薄片，玻璃光泽，耐久性差，具有多种颜色。云母的主要种类为白云母和黑云母，后者易风化为岩石中的有害矿物。二、岩石的结构、构造与性质（一）岩石的结构及构造（1）岩石的结构岩石的结构是指岩石中矿物的结晶程度、颗粒大小、形态及组合方式按结晶程度：全晶质、半晶质、玻璃质按矿物颗粒大小：显晶质(晶体颗粒较粗，肉眼或放大镜可识别)、隐晶质(晶体颗粒较细，肉眼不可识别)按矿物颗粒相对大小：等粒、不等粒、斑状、似斑状（2）岩石的构造岩石的构造是指岩石中不同矿物间的排列方式及充填方式。块状构造：整体均匀性耐久性高（花岗岩、大理岩）层片状构造：易沿层片连接处崩裂而风化（砂岩、页岩、片麻岩）斑状构造、杏仁状构造、结核状构造：整体均匀性差，易开裂和风化，不易制取规整的块材（安山岩、斑岩）气孔状构造（火山碎屑岩、喷出岩）（二）性质1.岩石大多数属于结晶晶体，少数属于玻璃质结构，两者相比结晶质的较玻璃质的强度高，化学稳定性、韧性及耐久性好。2.细小晶粒较粗大晶粒的强度高、韧性及耐久性好。3.含有极完全解理的矿物组成的岩石，强度低、韧性差、易于开采。4.岩石的孔隙率较大，则岩石的强度，抗冻性，耐水性及耐久性等会显著下降。

三、岩石的形成、分类与性质(一)分类：岩石按地质形成条件分为：

正变质岩副变质岩侵入岩喷出岩1.火成岩2.沉积岩3.变质岩深成岩浅成岩碎屑岩化学、沉积岩生物沉积岩粘土岩1.火成岩：侵入岩（深成岩和浅成岩）和喷出岩(1)深成岩：岩浆在地表深处受上部岩层的压力作用，缓慢冷却结晶成岩。结构致密具有粗大的晶粒和块状构造(矿物排列无序，宏观呈块状构造)。如花岗岩、正长岩、辉长岩、闪长岩等。(2)浅成岩：岩浆在地表浅处冷却结晶成岩。结构致密，由于冷却较快，故晶粒较小，如辉绿岩。侵入岩为全晶质结构(岩石全部由结晶的矿物颗粒组成)，且没有解理。侵入岩的体积密度大、抗压强度高、吸水率低、抗冻性好。(3)喷出岩由于形成条件不同，结构有的致密(形成较厚的岩层)或多孔构造(形成较薄的岩层)或内部含有大量的气孔(当岩浆被喷到空气中，急速冷却而形成的岩石)并多呈玻璃质2.沉积岩：岩石在地质、外力作用下经风化、搬运、沉积成岩作用(压固、胶结等)，在地表或地表不太深处形成的岩石，又称水成岩。分为以下四种：碎屑岩、化学沉积岩、生物沉积岩、粘土岩主要待征:呈层状构造，各层岩石的成分、构造、颜色、性能均不同，且为各向异性。与深成岩相比，沉积岩的体积密度小、孔隙率大、吸水率较大、强度和耐久性较低。3.变质岩：（1）正变质岩：由火成岩变质而成，性能一般较原火成岩差。如片麻岩（2）副变质岩：由沉积岩变质而成，性能一般较原沉积岩好。如大理岩、石英岩等。4.2石材的技术性质4.2.1技术性质

天然石材的技术性质，可分为物理性质、力学性质和工艺性质。1物理性质

(1)表观密度石材的表观密度与其矿物组成、孔隙率等因素有关。表观密度大的石材孔隙率小、抗压强度高、耐久性好。按照表观密度的大小可将石材分为：重质石材表观密度＞1800kg/m3；轻质石材表观密度＜1800kg/m3。(2)吸水性吸水率低于1.5%的岩石称为低吸水性岩石，介于1.5%~3.0%的称为中吸水性岩石,吸水率高于3.0%的称高吸水性岩石。石材的吸水性对其强度与耐水性有很大影响。石材吸水后，会降低颗粒之间的粘结力，从而使强度降低。（3）耐水性岩石中含有较多的粘土或易溶物质时，软化系数则较小，其耐水性较差。根据软化系数大小，可将石材分为高、中、低三个等级。软化系数大于0.90为高水性，软化系数在0.75~0.90之间为中耐水性，软化系数在0.60~0.75之间为低耐水性，软化系数小于0.60者，则不允许使用。（4）抗冻性石材抗冻性与吸水性有密切的关系，吸水率大的的石材其抗冻性也差。根据经验，吸水率小于0.50%的石材，则认为是抗冻的。（5）耐热性石材的耐热性与其化学成分及矿物组成有关，石材经高温后，因热胀冷缩、体积变化而产生内应力或因组成矿物发生分解和变异等导致结构破坏。（6）导热性石材的导热性与其表观密度和结构状态有关，重质石材导热系数可达2.91－3.49W/m

·K2力学性质天然石材的力学性质主要包括：抗压强度、冲击韧性、硬度及耐磨性等。（1）抗压强度石材的抗压强度，是以3个边长为70mm的立方体试块的抗压破坏强度平均值确定划分的。它分为9个等级：MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20、MU15和MU10。矿物组成对石材抗压强度有一定影响。例如，组成花岗岩的主要矿物成分中石英是很坚强的矿物，其含量越多，则花岗岩的强度也越高。结构与构造特征对石材的抗压强度也有很大影响。结晶质石材的强度较玻璃质的高；等粒状结构的强度较斑状结构的高；构造致密的强度较疏松多孔的高。具有层状、带状或片状构造的石材，其垂直于层理方向的抗压强度较平行于层理方向的高。（2）冲击韧性石材的冲击韧性决定于岩石的矿物组成与构造。通常，晶体结构的岩石较非晶体结构的岩石，具有较高的韧性。（3）硬度它取决于石材的矿物组成的硬度与构造。凡由致密、坚硬矿物组成的石材，其硬度就高。

硬度影响石材的易加工性和耐磨性。石材的硬度常用莫氏硬度表示，它是一种刻划硬度。

各莫氏硬度级的标准矿物如表3.1所列。表3.1矿物的莫氏硬度表硬度12345678910矿物滑石石膏方解石萤石磷灰石长石石英英玉刚玉金刚石（4）耐磨性耐磨性是指石材在使用条件下抵抗摩擦、边缘剪切以及冲击等复杂作用的能力。石材的组成矿物越坚硬，构造越致密以及其抗压强度和冲击韧性越高，则石材的耐磨性越好。凡是用于可能遭受磨损作用的场所，例如台阶、人行道等应采用具有高耐磨性的石材。3工艺性质石材的工艺性质，主要指其开采和加工过程的难易程度及可能性，包括加工性、磨光性与抗钻性等。

（1）加工性石材的加工性，主要是指对岩石开采、锯解、切割、凿琢、磨光和抛光等加工工艺的难易程度。（2）磨光性指石材能否磨成平整光滑表面的性质。致密、均匀、细粒的岩石，一般都有良好的磨光性，可以磨成光滑亮洁的表面。（3）抗钻性指石材钻孔时，其难易程度的性质。一般石材的强度越高、硬度越大，越不易钻孔。4放射性

4.3天然石材

建筑中所用的石材分为天然石材和人造石材。

天然石材是指由天然岩石开采的，经过或不经过加工而制得的石材。

人造石材是指由高分子材料制造而成的，如人造大理石、人造花岗岩等。

一、天然岩石的分类

岩石由各种不同地质作用所形成的天然矿物的集合体。大部分岩石是由几种矿物组成，如花岗岩由长石、石英、云母等；少数岩石是由一种矿物组成，如石灰岩是由方解石组成。岩浆岩变质岩沉积岩岩石

名称成岩情况主要品种岩浆岩熔融岩浆上升到地表附近或喷出地表，冷却凝结而成岩。花岗岩玄武岩辉绿岩沉积岩岩石风化后，再经沉积、胶结而成岩。石灰岩砂岩变质岩岩石在温度、压力或化学的作用下，经变质而成岩大理岩片麻岩天然岩石的分类二、建筑中常用岩石的特性

名称组成密度花岗岩是岩浆岩中分布最广的一种主要矿物组成，典型的深成岩，属酸性岩石。表观密度2500～2700kg/m3抗压强度达120～250MPa使用年限达75～200年大理岩是由石灰岩或白云岩变质而成，主要的造岩矿物是方解石或白云石，属碳酸盐类。表观密度2600～2700kg/m3抗压强度达70～110MPa纯净的大理石称汉白玉石灰岩俗称“青石”，是沉积岩的一种，主要成分是CaCO3，主要矿物成分是方解石，常含有白云石、菱镁石、粘土等。表观密度2000～2600kg/m3抗压强度达80～160MPa砂岩其主要造岩矿物有石英、及少量的长石、方解石和白云石，属沉积岩。表观密度2200～2500kg/m3抗压强度达5～200MPa常用于建筑物的基础、墙身、踏步等。

建筑上使用的石材，按加工后的外形分为块状石材、板状石材、散状石材和各种石制品等。

（一）块状石材

1、毛石（片石或块石）

山体爆破直接得到的石块，分为乱毛石和平毛石。

2、料石（条石）

经人工或机械开采出的较规则的六面体形的石块，略加凿制而成，至少有一个面的边角整齐。主要用于基础、墙身、地坪、柱头、窗台板、踏步等。

1）毛料石——表面不经加工或稍加修饰的料石

2）粗料石——正表面的凹凸相差≯20mm

3）半细料石——正表面的凹凸相差≯10mm

4）细料石——正表面的凹凸相差≯2mm

三、石材的加工和选用

（二）板材

板材是用致密的岩石经凿平、锯断、磨光等各种加工方法制作而成的板状石材（厚一般20mm），如花岗石、大理石和青石板材等。品种性能应用备注天然大理石板材耐化