第2章 天然石材

第2章天然石材主要内容：1、了解天然石材的形成，掌握天然石材的分类及特性——岩浆岩、沉积岩、变质岩。2、理解天然石材的技术性质，掌握天然石材抗压强度测试条件。重点和难点：石材的性质及选用原则。1石材是使用历史最悠久的建筑材料之一，是建筑工程及道路与桥梁建筑中用量较大的一种建筑材料。天然石材：指从天然岩石体中开采未经加工或经加工制成块状、板状或特定形状的石材的总称。特点：质地坚硬、抗压强度高、耐磨、耐久性好，对建筑物起保护与装饰作用。石材有两种：一种是指采得大块岩石，经锯解、劈凿、磨光等机械加工制成各种形状和尺寸的石料制品；另一种是直接采得的各种块状和粒状的石料。无论是经加工或未加工的石材，都是重要的建筑材料。2

赵州桥，桥长64.40米，跨径37.02米，是世界上跨径最大、建造最早的单孔敞肩型石拱桥。3

龙门石窟奉先寺4

罗马斗兽场5

埃及金字塔6目前，石材作为结构材料已很大程度上被钢筋混凝土、钢材所取代。由于天然石材具有抗压强度高、耐久性、耐磨性及装饰性好等优点，因此，在建筑工程中的使用目前仍然相当普遍，较多的用作建筑装饰材料、基础和墙身等砌筑材料以及混凝土的骨料。随着合成高分子材料的兴起，人造石材(人造大理石、人造花岗岩等)作为装饰材料也得到极大的发展和应用。7岩石是构成地壳的主要物质。它是由地壳的地质作用形成的固态物质，具有一定的结构构造和变化规律。一、岩石的组成岩石是由一种或数种主要矿物所组成的集合体。所谓矿物即是存在于地壳中具有一定化学成分和物理性质的自然元素或化合物。构成岩石的矿物，称为造岩矿物。岩石中的主要造岩矿物有：(1)石英石英为结晶状的SiO2，两端为尖形的六方柱状晶形，是最坚硬稳定的矿物。密度约为2.65g/cm3，硬度为7，常见的有白色、乳白色等。纯净的SiO2无色透明，称为“水晶”。2.1天然岩石的组成及分类8(2)长石长石为结晶的铝硅酸盐。长石有正长石和斜长石之分。正长石的晶体呈短柱状和厚板状，常见的为粒状或块状，密度为2.50~2.60g/cm3，硬度为6，颜色呈肉红色、褐黄色。斜长石的晶体呈柱状，密度为2.61~2.76g/cm3，硬度为6，颜色为灰白色和浅红色。长石强度比石英低，稳定性不及石英，易风化成高岭土。(3)云母云母为片状含水铝硅酸盐。云母密度为2.70~3.10g/cm3，硬度为2~3，易于分解成薄片。当岩石中含有大量云母时，石材具有层理，降低了岩石的耐久性和强度，且表面难以磨光。9(4)角闪石、辉石、橄榄石角闪石、辉石、橄榄石均为结晶的铁镁硅酸盐。晶体为粒状、柱状，密度为3.00~4.00g/cm3，硬度为5~7，颜色为暗绿或黑色，常称为暗色矿物。这些造岩矿物强度高、韧性好、耐久性好，岩石中暗色矿物含量越多，其强度和耐久性也随之提高，但也给加工造成了困难。(5)方解石方解石是结晶状的碳酸钙(CaCO3)，密度为2.70g/cm3，硬度为3，呈白色，强度中等，易被酸类分解，微溶于水，易溶于含有CO2的水中。(6)白云石白云石为结晶的碳酸钙镁复盐(MgCO3•CaCO3)，密度为2.90g/cm3，硬度为4，呈白色或灰色，强度高于方解石，物理性质与方解石接近。10二、岩石的分类岩石按地质形成条件可分为岩浆岩(火成岩)、沉积岩(水成岩)和变质岩三大类。岩浆岩沉积岩变质岩111、岩浆岩(1)形成岩浆岩是由地壳深处上升的岩浆冷凝结晶而成的岩石，其成分主要是硅酸盐矿物，是组成地壳的主要岩石。按地壳质量计，岩浆岩占89％，储量极大。根据冷却条件不同，可分为深成岩、喷出岩和火山岩三类。①深成岩：深成岩是岩浆在地壳深处受上部覆盖层的压力作用，缓慢且较均匀冷却而形成的岩石。其矿物全部结晶且晶粒较粗，构造致密，具有抗压强度高、吸水率小、表观密度大及抗冻性、耐磨性好等特点。建筑上常用的深成岩有花岗岩、正长岩、辉长岩、橄榄岩、闪长岩等。12②喷出岩：喷出岩是岩浆岩喷出地表时，在压力骤减和冷却较快的条件下而形成的岩石。由于结晶条件差，多呈隐晶质或玻璃体结构。当喷出的岩浆形成的岩层很厚时，其结构接近深成岩。当喷出岩凝固成比较薄的岩层时，常呈多孔构造，近于火山岩。工程上常用的喷出岩有玄武岩、安山岩和辉绿岩等。③火山岩：火山岩是火山爆发时岩浆被喷到空中，急速冷却后形成的岩石。火山岩为玻璃体结构且呈多孔构造。如火山灰、火山渣、浮石和凝灰岩等。火山灰、火山渣可作为水泥的混合材料，浮石可作轻混凝土的骨料。1314(2)种类：按岩浆化学成分中SiO2的含量分为：①酸性岩类(SiO2>65%)：由石英、正长石及少量的黑云母和辉石等组成，例如花岗岩、花岗斑岩等。其颜色较浅，密度较小。②中性岩类(SiO2为45%～65%)：由正长石、斜长石、角闪石及少量的黑云母和辉石组成，例如正长岩、闪长岩等。其颜色较深、密度较大。③基性岩类(SiO2为45%～52%)：由斜长石、辉石及少量的角闪石和橄榄石等组成，例如玄武岩、辉长岩等。其颜色深、密度大。④超基性岩类(SiO2<45%)：由橄榄石、辉石及角闪石组成，一般不含硅铝矿物。其颜色很深、密度很大。15(3)常用的岩浆岩①花岗岩是岩浆中分布较广的一种岩石，全晶质结构，其颜色一般为灰白、微黄和淡红色。花岗岩构造致密，孔隙率和吸水率都很小，硬度大耐磨性好，耐火性差。②玄武岩是喷出岩中分布较广的一种岩石，隐晶质或玻璃质结构。硬度高脆性大，抗风化能力强。③浮石、火山灰浮石是颗粒奖的火山岩，火山灰是粉状火山岩。16花岗岩玄武岩辉绿岩闪长岩172、沉积岩(1)形成：沉积岩是地表岩石经长期风化作用、生物作用或某种火山作用后，成为碎屑颗粒状或粉尘状，经风或水的搬运，通过沉积和再造作用而形成的岩石。按地壳质量计，仅占5％，但在地表分布很广，约占地壳表面积的75％，因而开采方便，使用量大。沉积岩大都呈层状构造，表观密度小，孔隙率大，吸水率大，强度低，耐久性差。如硅藻土、硅藻石。根据生成条件，沉积岩可分为机械沉积岩、化学沉积岩和生物沉积岩。①机械沉积岩：由自然风化而逐渐破碎松散的岩石，经风、雨、冰川、沉积等机械力的作用而重新压实或胶结而成的岩石，如砂岩、页岩等。18②化学沉积岩由溶解于水中的矿物质经聚积、沉积、重结晶、化学反应等过程而形成的岩石。如石膏、白云石等。③有机沉积岩由各种有机体的残骸沉积而成的岩石。如石灰岩、硅藻土等。(2)常用的沉积岩沉积岩有石灰岩、砂岩、砾岩、白云岩、白垩、硅藻土等。①石灰岩又称为灰石或青石，主要矿物为方解石，主要化学成分为CaCO3。石灰岩是地表面分布最广的岩石，其来源广、硬度低、易开采。19石灰岩20②砂岩由石英砂或石灰岩等细小碎屑经沉积并重新胶结而成的岩石。以氧化硅胶结而成的硅质砂岩，以碳酸钙胶结而成的为石灰质砂岩，还有铁质砂岩和粘土质砂岩。砂岩的主要矿物为石英，致密的硅质砂岩性能接近于花岗岩，钙质的砂岩性能接近于石灰岩。钙质砂岩硅质砂岩213、变质岩岩石由于强烈的地质活动，在高温和高压作用下，矿物再结晶或生成新矿物，使原来岩石的矿物成分、结构及构造发生显著变化而成为一种新的岩石，称为变质岩。变质岩大多是结晶体，构造、矿物成分都较岩浆岩、沉积岩更为复杂而多样。根据原岩种类，分为正变质岩和副变质岩。变质岩如花岗岩变质后形成的片麻岩，石灰岩和白云岩变质后形成的大理岩，砂岩变质后形成的石英岩等。一般沉积岩变质后，结构更为密实，性能提高；而深成岩变质后，性能变差。22大理岩：属于副变质岩，由石灰岩或白云岩变质而成，主要矿物组成为方解石和白云石。大理岩主要用于室内的装修，如墙面，柱面及磨埙较小的地面，踏步。大理岩23242526三、岩石的构造与性能不同的成岩条件和造岩矿物使各类岩石具有不同的结构和构造特征，它们对岩石的物理和力学性能影响甚大。1、构造(1)块状构造块状构造的岩石是由无序排列、分布均匀的造岩矿物所组成的一种构造。具有成分均匀、构造致密、整体性好的特点，因此这类岩石强度高、表观密度大、吸水率小、抗冻性和耐久性好，是良好的承重和装饰材料。属于块状构造的岩石有花岗岩、正长岩、大理岩和石英岩。

(2)流纹、斑状、杏仁状和结核状构造岩浆喷出地表后，沿地表流动时冷却而形成的构造称为流纹状构造；岩石成分中较粗大的晶粒分布在微晶矿物或玻璃体中的构造称为斑状构造；岩石的气孔被次生矿物填充，则形成杏仁状构造。27(3)层片状构造组成岩石的物质其矿物成分、结构和颜色等特征沿垂直方向一层一层地变化而形成层状构造。层片状构造的岩石，由于层理、片理变化，整体性差。各层的物理、力学性能不同，垂直于层理方向的抗压强度远高于平行层理方向的抗压强度。各层连接处易被水或有害液体侵蚀而导致风化和破坏。但具有层理、片理的岩石易于开采和加工。建筑上多用于人行道、踏步和屋面板等。砂岩、板岩和片麻岩等均为层片状构造。上述几种构造所组成的岩石整体均匀性差，斑晶、杏仁及结核的结构和构造与四周物质的结构和构造差异较大，一旦受到温度变化和外力作用时，易导致开裂和破坏。28(4)气孔状构造岩浆中含有一些易挥发的成分，当岩浆上升至地面或喷出地表时，由于温度和压力剧减，便形成气体逸出，待岩浆凝固后，便留下了气孔。气孔构造的岩石孔隙率大、强度低、吸水率大、表观密度低，由于轻质、多孔而导热差，宜作墙体材料或轻质集料。多孔状构造岩石有浮石、玄武岩、火山凝灰岩等。

玄武岩29石材的技术性质可分为物理性质、力学性质和工艺性质。一、物理性质(1)表观密度石材的表观密度由岩石的矿物组成及致密程度所决定。在一般情况下，同种石材的表观密度越大，强度越高，吸水率越小，抗冻性和耐久性越好，导热性也好。花岗岩和大理岩等致密程度高，表观密度接近于密度。火山凝灰岩、浮石等由于孔隙率大，表观密度较小。石材根据表观密度可分为：轻质石材和重质石材。轻质石材表观密度小于1800kg/m3，一般用于墙体材料；重质石材表观密度大于1800kg/m3，可作为承重、装修和装饰用材料。2.2天然石材的技术性质30(2)吸水性石材的吸水性与其孔隙率和孔隙特征有关。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%的岩石称为低吸水性岩石，吸水率介于1.5％～3.0％的岩石称为中吸水性岩石，吸水率高于3.0％的岩石称为高吸水性岩石。石材吸水后，强度降低，抗冻性变差，导热性增加，耐水性和耐久性下降。表观密度大的石材，孔隙率小，吸水率也小。如花岗岩的吸水率通常小于0.5％，而多孔贝类石灰岩的吸水率可高达15％。31(3)耐水性石材的耐水性以软化系数来表示。当石材中含有粘土或易溶于水的物质时，在水饱和状况下，强度会明显下降。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>0.90者为高耐水性；软化系数在0.75～0.90之间者为中耐水性；软化系数在0.60～0.75之间者为低耐水性。软化系数<0.60者则不允许用于重要建筑物中。32(4)抗冻性抗冻性是指石材抵抗冻融破坏的能力，是衡量石材耐久性的一个重要指标。石材的抗冻性与吸水率大小有密切关系。一般，吸水率大的石材，抗冻性也差。另外，抗冻性还与石材吸水饱和程度、冻结温度和冻融次数有关。石材的抗冻性用石材在水饱和状态下所能经受的冻融循环次数(强度降低不超过25%，质量损失不超过5%，无贯穿裂缝)表示。33(5)耐火性石材遇到高温时，将会受到损害。热胀冷缩，体积变化不一致，将产生内应力而导致破坏。各种造岩矿物热膨胀系数不同，受热后产生内应力以致崩裂。在高温下，造岩矿物会产生分解或变质。如含有石英的石材，在700℃时受热膨胀而破坏。(6)导热性导热性主要与石材的致密程度有关。重质石材的导热系数可达2.91～3.49W/(m.K)；轻质石材的导热系数则在0.23～0.7W/(m.K)之间。具有封闭孔隙的石材，导热性较差。34二、力学性质(1)抗压强度石材的强度取决于造岩矿物及岩石的结构和构造。如花岗岩的主要造岩矿物有石英、长石、云母和少量暗色矿物。若石英含量高，则强度高，若云母含量高，则强度低。当岩石中有矿物胶结物质存在，则胶结物质对强度也有一定影响，如砂岩。硅质砂岩强度高于钙质砂岩，粘土质砂岩强度最低。结晶质石材强度高于玻璃质石材强度，细颗粒构造强度高于粗颗粒构造，层片状、气孔状构造强度低，构造致密的岩石强度高。35石材是非均质和各向异性的材料，而且是典型的脆性材料，其抗压强度高，抗拉强度比抗压强度低得多，约为抗压强度的1/10～1/20。石材的抗压强度是以三个边长为50mm的立方体试块吸水饱和状态下的抗压极限强度平均值表示。根据抗压强度值的大小，石材共分九个强度等级：MUl00，MU80，MU60，MU50，MU40，MU30,MU20，MU15和MU10。抗压试件也可采用其他尺寸的立方体，但应对其试验结果乘以相应的换算系数。36(2)冲击韧性石材的冲击韧性取决于矿物成分与构造。石英岩、硅质砂岩脆性较大。含暗色矿物较多的辉长岩、辉绿岩等具有较高的韧性，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)硬度石材的硬度主要取决于矿物组成、结构和构造。由强度、硬度高的造岩矿物所组成的岩石，其硬度较高；结晶