第二章 天然石材

2.1天然石材1、巖石的組成及分類2、天然石材的技術(shù)性質(zhì)3、石材的加工類型及選用2.1天然石材1、巖石的組成及分類2、天然石材的技術(shù)性質(zhì)3、石材的加工類型及選用1、巖石的組成及分類（1）天然巖石的組成元素礦物巖石：單礦巖和多礦巖O長石花崗巖Si石英玄武巖Ca云母砂巖Fe角閃石頁巖Al方解石地質(zhì)作用（2）天然巖石的分類（一）巖漿巖（二）沉積巖（三）變質(zhì)巖（一）巖漿巖

Igneousrock

1．巖漿巖的形成

巖漿：地殼下面存在著的高溫高壓熔融狀態(tài)的硅酸鹽物質(zhì)，主要成分是SiO2，還有其他元素、化合物及揮發(fā)組分。地殼內(nèi)部熔融巖漿上升冷凝而成。根據(jù)冷卻條件不同，可分為以下三類：（1）深成巖：地殼深處（形成深度在地表以下5km）（2）噴出巖：噴出地表（3）火山巖：火山爆發(fā)巖漿巖的分類（按SiO2含量）

超基性巖(SiO2<45%)橄欖巖(深成巖)基性巖(SiO2：52%～45%)玄武巖(噴出巖)輝長巖(深成巖)中性巖(SiO2：52%～65%)安山巖(噴出巖)正長巖(深成巖)酸性巖(SiO2>65%)流紋巖(噴出巖)花崗巖(深成巖)（1）花崗巖花崗巖構(gòu)造致密，較小的孔隙率和吸水率較大的密度和抗壓強度優(yōu)良的裝飾性能

（2）玄武巖由斜長石、橄欖石和輝石組成。硬度高脆性大，抗風(fēng)化能力強。常用于高強混凝土的骨料、道路路面和水利工程。（3）浮石、火山灰浮石是顆粒狀的火山巖?？勺鳛檩p混凝土的骨料?；鹕交沂欠蹱罨鹕綆r。能與石灰反應(yīng)生成水硬性膠凝材料?？勺鳛樗嗟幕旌喜暮突炷恋耐鈸搅稀＃ǘ┏练e巖

Sedimentaryrock

1．沉積巖的形成由地表的各類巖石經(jīng)自然界的風(fēng)化作用，被風(fēng)力、水流和冰川搬遷后再沉淀堆積，在地表或地表下不太深的地方形成的巖石。沉積巖的孔隙率和吸水率大，表觀密度小，抗壓強度低，耐久性差。

沉積巖按生成條件可分為三類：（1）機械沉積是巖石經(jīng)自然風(fēng)化而松散破碎后，經(jīng)風(fēng)力、水流和冰川等搬運、沉積、重新壓實而成的巖石，砂巖和頁巖等。（2）化學(xué)沉積是巖石中易溶于水的礦物，經(jīng)聚集沉積而成的巖石，有石膏、白云巖和菱鎂石等。（3）生物沉積是各種生物死亡后的殘骸沉積而成的巖石，有白堊和硅藻土等。沉積巖的礦物組成碎屑礦物（如石英、長石、白云母等）化學(xué)沉積礦物(方解石、白云石、石膏、石鹽以及鐵、錳氧化物)膠結(jié)物（礦物及巖屑顆粒間的粘結(jié)物）粘土礦物（如高嶺石、蒙脫石、伊利石等）kAOLINITE高嶺石Al2Si2O5(OH)4

Montmorillonite

蒙脫石(Na,Ca)0,3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·n(H2O)Montmorillonite

蒙脫石Illite

伊利石

KAl2[(OH)2|AlSi3O10]non-expanding,clay-sized,dioctahedral,micaceousmineralsCalcite

方解石CaCO3

Dolomite白云石CaMg(CO3)2

Dolomite白云石CaSO4·2H2OGypsum石膏Limonite褐鐵礦2Fe2O3.3H2O有機質(zhì)及生物殘骸（貝殼、硅藻土、泥炭、石油等）2．常用的沉積巖石灰?guī)r：主要化學(xué)成分為CaCO3，主要礦物為方解石。使用如下：

1、石灰?guī)r是生產(chǎn)水泥和石灰的主要原料；

2、石灰?guī)r塊石可用于基礎(chǔ)、墻身、臺階和路面，水利工程中可用于堤岸、護坡等；

3、石灰?guī)r碎石是混凝土常用的骨料。（三）變質(zhì)巖

Metamorphicrock

1．變質(zhì)巖的形成變質(zhì)巖是地殼中原有的各類巖石，在高溫高壓下，發(fā)生再結(jié)晶作用，礦物組成、結(jié)構(gòu)發(fā)生部分或全部改變所形成新的巖石。大理巖由石灰?guī)r和白云巖變質(zhì)而成：建筑飾面材料。石英由砂巖變質(zhì)而成：陶瓷和玻璃的主要原料。2．常用的變質(zhì)巖（1）大理巖（2）石英巖（3）片麻巖（一）表觀密度表觀密度與礦物組成和孔隙率有關(guān)。表觀密度可間接反映出石材的致密程度、孔隙率、抗壓強度、吸水率和耐久性等性能。2、天然石材的技術(shù)性質(zhì)

一、物理性質(zhì)石材按表觀密度大小分為：1、重石表觀密度≥1800kg/m3，主要用于基礎(chǔ)、路面、橋梁、承重墻、水工建筑物等。2、輕石表觀密度＜1800kg/m3，主要用于墻體材料。

（二）吸水性巖石在一定的試驗條件下吸收水分的能力，稱為巖石的吸水性。常用吸水率、飽和吸水率與飽水系數(shù)等指標表示。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(1)吸水率巖石的吸水率(Wa)是指巖石試件在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量(mw1)與巖樣干質(zhì)量(mw2)之比，用百分數(shù)表示，即

(2)飽和吸水率巖石的飽和吸水率(Wp)是指巖石試件在高壓(一般壓力為15MPa)或真空條件下吸入水的質(zhì)量(mw2)與巖樣干燥質(zhì)量(ms)之比，用百分數(shù)表示，即(3）飽水系數(shù)巖石的吸水率(Wa)與飽和吸水率(Wp)之比，稱為飽水系數(shù)。反映了巖石中大、小開口孔隙的相對比例關(guān)系。飽水系數(shù)愈大，巖石中的大開口孔隙相對愈多，而小開口孔隙相對愈少。飽水系數(shù)大，說明常壓下吸水后余留的孔隙就愈少，巖石愈易被凍脹破壞，因而其抗凍性差

(三)巖石的耐水性巖石浸水飽和后強度降低的性質(zhì)，稱為軟化性。用軟化系數(shù)(KR)表示。KR定義為巖石試件的飽和抗壓強度與干抗壓強度的比值，即按軟化系數(shù)分為高、中、低三等：

1、K軟＞0.90，為高耐水性石材

2、0.75~0.90，為中耐水性石材

3、0.60~0.75，為低耐水性石材經(jīng)常與水接觸的建筑物中，石料的K軟＞0.75~0.90。（四）抗凍性巖石抵抗凍融破壞的能力，稱為抗凍性。常用抗凍系數(shù)和質(zhì)量損失率來表示?？箖鱿禂?shù)(Rd)是指巖石試件經(jīng)反復(fù)凍融后的干抗壓強度(σc2)與凍融前干抗壓強度(σc1)之比，用百分數(shù)表示，即質(zhì)量損失率(Km)是指凍融試驗前后干質(zhì)量之差(ms1－ms2)與試驗前干質(zhì)量(ms1)之比，以百分數(shù)表示，即：（五）抗風(fēng)化性水、冰、化學(xué)因素造成巖石開裂或剝落的過程，稱為巖石的風(fēng)化。（六）安全性少數(shù)天然石材中可能含有某些放射性元素，如鐳-226，鉀-40等，若超過國家規(guī)定的標準是不安全的，它們對人體健康有害。⒉風(fēng)化作用的類型⑴物理風(fēng)化指:地表成因（主要指溫度、水等）使得巖石產(chǎn)生機械崩解的過程現(xiàn)象：熱脹冷縮、冰劈、晶脹等結(jié)果：使得巖石塊體越來越小CompassbergMountainsinSouthAfrica.Manygeologicalprocessesareatworkhere,particularlyfreeze-thawactioninwhichrocksarebrokenapartbytheexpansionoffrozenwaterandrepeatedheatingandcooling.

HalfDomeThat'sthenorthsideofEnchantedRockitself.Niceexfoliation,eh?⑵化學(xué)風(fēng)化作用方式水化：CaCO3(石灰?guī)r）＋CO2＋H2OCa(HCO3)2

(重碳酸鈣)指：巖石在水、水溶液和空氣中的氧與二氧化碳等的作用下所發(fā)生的溶解、水化、水解、碳酸化和氧化等一系列復(fù)雜的化學(xué)變化。溶解：

CaSO4(硬石膏）＋2H2O

CaSO4˙2H2O(石膏，體積增大30%）Dissolutionofsandstone.Oregoncoast水解：長石高嶺土(附屬物KOH、SiO2被水帶走）水解氧化：黃鐵礦(FeS2)褐鐵礦（Fe2O3

˙nH2O)氧化⑶生物風(fēng)化指：生物在生長和分解過程中直接或間接地對巖石礦物產(chǎn)生的物理化學(xué)作用現(xiàn)象有機酸硝酸碳酸亞硝酸生物死亡人類的工程活動促成風(fēng)化作用植物、細菌新陳代謝腐蝕巖石腐殖質(zhì)(有機酸)根劈：根劈壓力可達10～15Kg／cm2孔隙率和礦物成分。風(fēng)化程度用系數(shù)Kw表示，Kw為風(fēng)化巖石與新鮮巖石的單軸抗壓強度的比值。防風(fēng)化的主要措施：1、磨光石材表面2、防止表面積水3、采用有機硅噴涂表面4、對硅酸鹽類巖石，可用氟硅酸鎂溶液處理表面二、力學(xué)性質(zhì)（一）抗壓強度Compressivestrength

以三個邊長為70mm的立方體試件，吸水飽和下的抗壓強度算術(shù)平均值。根據(jù)強度值劃分為MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20、MU15、MU10九個強度等級。立方體邊長（mm）2001501007050換算系數(shù)1.431.281.1410.86水利工程中，將石材按ф50ｍｍ×100ｍｍ的圓柱體或50ｍｍ×50ｍｍ×100ｍｍ的棱柱體，在浸水飽和狀態(tài)下的極限抗壓強度劃分為100、80、70、60、50、30六個強度等級。

強度影響因素形狀和尺寸：尺寸越小，強度越高礦物組成：主要礦物為石英時強度較高，但云母含量多時強度低。構(gòu)造：有層理的巖石，垂直于層理方向的強度高于平行層理方向的強度孔隙率和風(fēng)化：較大的孔隙率，易風(fēng)化，易降低巖石強度（二）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。石英巖、硅質(zhì)砂巖脆性較大。含暗色礦物較多的輝長巖、輝綠巖等有較高的韌性。（三）硬度石材的硬度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。巖石的硬度以莫氏硬度表示。（四）耐磨性石材的耐磨性可用磨耗率表示。磨耗率是指其抵抗撞擊、邊緣剪力和摩擦聯(lián)合作用的能力，多采用洛杉磯試驗進行測定。

洛杉磯磨耗實驗：將一定質(zhì)量且有一定級配的石料試樣和鋼球置于擱板式試驗機中，以30—33r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動到要求次數(shù)后停止，取出試樣過篩并稱量，石料的磨耗率QM采用下式計算：m1:試驗前裝入試驗機中石料試樣質(zhì)量，gm2:試驗后洗凈烘干的篩上試樣的質(zhì)量，g3、加工類型及選用（一）天然巖石的加工

建筑工程使用的天然石材常加工為散粒狀、塊狀，形狀規(guī)則的石塊、石板，形狀特殊的石制品等。（1）粒狀石材①碎石由天然巖石、卵石或礦山廢石經(jīng)人工或機械破碎、篩分而制成的粒徑大于4.75mm的巖石顆粒。主要用于配制混凝土或作道路、基礎(chǔ)等墊層。②卵石母巖經(jīng)自然條件風(fēng)化、磨蝕、水流搬運和分選、堆積形成的粒徑大于4.75mm的巖石顆粒。卵石在建筑工程中的用途與碎石一致，還可作為裝飾混凝土的骨料和園林庭院地面的鋪砌材料等。③石碴用天然大理石或花花崗石等的殘碎料加工而成，具有多種顏色和裝飾效果。可作人造大理石、水磨石、斬假石、水刷石等的骨料，還可用于制件干黏制品。（2）砌筑用塊狀石材①毛石在采石場爆破后直接得到的形狀不規(guī)則的石塊。按其表面的平整程度分為亂毛石和平毛石。常用于砌筑基礎(chǔ)、堤壩、墻身、擋土墻等。②料石用毛料加工成較為規(guī)則、具有一定規(guī)格的六面體石材。按料石表面加工和平整程度分為毛料石、粗料石、半細料石和細料石。常用于砌筑墻身、地坪、踏步、拱和紀念碑等；形狀復(fù)雜的料石制品可用于柱頭、柱基等。

（3）板材用結(jié)構(gòu)致密的巖石經(jīng)鑿平或鋸解而成的、厚度一般為20mm的板狀石材。建筑工程上常采用大理石板材和花崗巖板材兩種。（二）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，