土木工程材料 第二章 天然石材

图2-10 片麻岩
第二章 天然石材
第二节 石材的主要技术性质
天然石材的主要技术性质包括物理性质、力学性 质和工艺性质。
天然岩石由于形成原因、条件、矿物成分、杂质
含量等不同，所以即便是同一类岩石，它们的技术
性质差别也很大。在使用之前，必须对天然石材进
行鉴定和检验，保证石材的质量。
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一、物理性质 （一）表观密度 天然石材根据表观密度大小分为 轻质石材： 重质石材： 表观密度≤1800kg/m3； 表观密度 > 1800kg/m3。
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（六）抗风化性能 岩石因物理因素（温度变化、冻 融循环等）和化学因素（水侵蚀、有害 液体或气体侵蚀等）作用，逐渐崩解碎 裂成小块或生成新矿物的现象，叫做风 化。岩石的抗风化性能与软化系数、抗 冻性、结构、矿物组成、胶结物种类等 有关，将其分为不易风化岩石和易风化 岩石两类，见表2—1。
第二章 天然石材
第二章 天然石材
课题引入：现代土木工程广泛使用混凝土，普通混凝土 的集料来自天然石材，现代建筑中广泛使用花岗岩、大 理岩等天然石材作为装饰材料，石材在土木工程中应用
十分广泛。为了在土木工程中正确使用石材，我们应该
了解天然石材的形成原因及其分类，掌握天然石材的主 要技术性质及常用石材的应用。
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（五）耐热性 石材的耐热性与其化学成分、矿物组成和结构 有关。岩石受热升温后，体积膨胀，一些矿物发生分 解变异，矿物在达到熔点后开始熔化，岩石的结构遭 到破坏。石英等结晶矿物组成的石材（如花岗岩）， 当温度达到700℃以上时，由于石英矿物膨胀，强度迅 速下降。岩石中含有石膏时，当温度在100℃以上时开 始破坏。
轻质石材可作为墙体材料和轻混凝土的粗骨料，重质石 材可用作基础、桥梁墩台、挡土墙、道路、衬面等。
表观密度间接反映石材的致密程度和孔隙率大小。一般 情况下，同种岩石的表观密度越大，则抗压强度越高，吸水 率越小，导热性、耐久性越好。
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（二）吸水性
根据 吸水率大小划分
将吸水率大于3.0% 高吸水性岩石
图2-7 砂岩
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（三）常用变质岩 1.大理岩（见图2-8） 大理岩是石灰岩、白云岩在变质作用（岩 浆活动）下形成的岩石，属变晶结构，因原 产于我国云南大理而得名。大理岩色彩丰富， 当含杂质不同时呈玫瑰色、粉红色、灰色、 黑色、绿色等，且常呈网脉状花纹。纯大理 石是雪白的，叫“汉白玉”。大理岩表观密 度为2500～2700kg/m3，抗压强度为50～ 140MPa，硬度低，耐磨性较差，耐酸能力差， 容易雕琢，通过锯切、打磨、抛光，可制成 需要的装饰构件和板材，是高级装饰材料， 一般用于室内装饰，用于室外装饰时容易被 空气中的SO2腐蚀。
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（七）安全性 部分天然石材中可能含有 放射性元素，当射线超标时对 人体健康有害。用于室内装饰 和人口密集处的石材，应该通 过检测，合格后方能使用。通 常情况下，通过测定镭－226、 钍－232、钾－40三种核素的 比活度大小，就可整体判定石 材产品的放射性水平。
• 天然石材中的放射性危害主要有两个方面，即体内辐射与 体外辐射。体内辐射主要来自于放射性辐射在空气中的衰 变，而形成的一种放射性物质氡及其子体。进入人的呼吸 系统造成辐射损伤，诱发肺癌。另外，氡还对人体脂肪有 很高的亲和力，从而影响人的神经系统。大理石有辐射已 经是事实，应该说任何石头都有辐射，就看辐射大小的问 题了，对于大理石的放射性， 国家建材局标准化研究所专 家认为，在自然界中，天然放射性是客观存在的，同样， 天然石材产品中也存在放射性，关键是看它是否超过了国 家规定的标准。大理石是由沉积岩中的石灰岩经温高压等 外界因素影响变质而成。由于其组成的方解石和白云石的 放射性一般都很低，所以由放射性很低的石灰岩变质而成 的大理石，放射性也是很低的。 • 所以，其实作为一种常用的建材，其实大理石对人体 的危害很小，大家可以放心使用。 • 如果确实担心的话，可以用一些方法来减少大理石的 辐射，选购石材时一定要弄清楚石材的放射性和有害气体 指标，使用时也要保持室内通风。只能打开窗通风，减少 危害。 摆放一些植物，对空气清新点也有帮助，要注意选 合适在室内种植的。
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表2—1
分 类
石材抗风化性能分类表
易风化岩石
不易风化岩石
软化系数 抗冻性
>0.75 好 细晶粒 以石英 为主 橄榄石、辉石、角闪石较 多
≤0.75 差 粗晶粒 长石、黑云母、黄 铁矿较多
岩浆岩 结构
造岩 矿物
胶结物
耐风化 时间
硅 质
钙
质
铁质、泥质
暴露1～2年后尚不易风化 暴露数日至数月后即出现风化
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二、力学性质 （一）抗压强度
石材的抗压强度是以规定尺寸的立方体（或圆柱体） 试件通过标准方法测得的抗压破坏强度平均值。如《铁路混 凝土和砌体工程施工质量验收标准》规定：石材的抗压强度 是以边长70mm的立方体试件在浸水饱和状态下的抗压极限强 度表示。当采用边长为200mm、150mm、100mm或50mmm立方体 抗压试件时，其抗压极限强度分别乘以1.43、1.28、1.14或 0.86的换算系数。 石材的抗压强度是划分强度等级的依据。《砌体结构 设计规范》（GB50003—2001）规定，石材共分为七个强度 等级：MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20。
第二章 天然石材
本章主要内容
一、岩石的主要类型
天然岩石的分类
土木工程常用的天然石材
二、石材的主要技术性质
三、石材的主要品种和应用
V块
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第一节 岩石的主要类型
一、天然岩石的分类 岩石是一种固体物质，它是不同地质作用形成的矿物 集合体。矿物是不同地质作用形成的单质或化合物，具有 一定的形状、化学成分和物理性质。由于岩石的形成原因 和条件不同，组成岩石的矿物成分不同，因此不同的岩石 具有不同的性质。根据岩石的形成原因不同。
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岩 石 沉 变
浆
积 质
岩
岩 岩
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（一）岩浆岩 又称火成岩，它是地壳内处于高温高压而又熔融状态的 岩浆，当周围应力平衡被打破后，向压力较低的方向流动， 侵入到地面以下或喷出地表并沿地面流动，冷凝形成的岩 石（见图2-1）
a) 火山喷发 图2-1 岩浆岩的形成过程
b) 岩浆流动
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图2-2
沉积岩和变质岩的形成过程
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二、土木工程常用的天然石材 （一）常用岩浆岩 1.花岗岩（见图2-3） 花岗岩是深成岩，呈酸性，主要矿物成分 是石英、正长石、斜长石，含少量云母和角闪 石等。颜色较杂，有灰白色、浅红色、浅黄色 等，表观密度一般为2500~2700kg/m3，抗压强 度高达120~250MPa。由于矿物全结晶，结构致 密，所以孔隙率和吸水率较小，硬度高，耐磨 性、耐酸性、耐水性、抗冻性、抗风化性能好。 花岗岩经锯、磨、抛光后具有较好的装饰效果， 广泛应用于装饰工程中。土木工程中常用花岗 岩砌筑基础、墩台、墙体、挡土墙等，还可用 图2-3 花岗岩板材 作铁路道砟和混凝土的骨料。
图2-6 石灰岩板材
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2.砂岩（见图2-7） 砂岩是由粒径为2～0.05mm的砂 粒被天然胶结物胶结而成的岩石。 砂岩的矿物成分主要为石英和长石， 天然胶结物分别为硅质胶结物（二 氧化硅）、钙质胶结物（碳酸钙）、 铁质胶结物（氧化铁）、泥质胶结 物（黏土矿物）。胶结方式有基底 式、孔隙式和接触式。由于胶结方 式和胶结物不同，砂岩的性能差别 较大，强度为5～200MPa，耐水性差 别也较大。
图2-4 辉绿岩
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3.玄武岩（见图2-5）
玄武岩是一种普通的喷出岩，颜 色主要呈深灰色、黑色、棕黑色，无 光泽。具有隐晶质结构或斑状结构， 呈块状构造或气孔状。结构致密的玄 武岩硬度高、脆性大，抗风化能力强， 表观密度达2900～3500kg/m3，抗压强 度为100～500 MPa，主要用途是：作 为高强度混凝土的粗骨料，砌筑基础、 桥梁墩台，铺筑道路路面，制造铸石 和岩棉。
介于1.5%～3.0% 中吸水性岩石
吸水率小于1.5% 低吸水性岩石
深成侵入岩和部分变质岩，由于自身比较致密，孔隙率 很小，吸水率很小，如花岗岩吸水率不到0.5%。沉积岩由于 形成条件、胶结方式、致密程度不同，孔隙率和孔隙特征不 一样，导致此类石材的吸水率变化较大。例如，多空隙的贝 壳石灰岩吸水率达15%，而密实的石灰岩吸水率不到1%。 石材的耐久性和强度受吸水性大小影响较大。石材吸水 后，不但降低内部颗粒之间的黏结力，还可能使部分矿物溶 解并流失，降低石材的强度和耐久性。
图2-5 玄武岩
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（二）常用沉积岩 1.石灰岩（见图2-6） 石灰岩是CaCO3结晶沉淀形成的岩 石，俗称灰岩或青石，是化学沉积岩， 化学成分为CaCO3,主要矿物为方解石， 常伴随有白云石、黏土矿物等，颜色常 为灰白、浅灰色，含杂质而呈深灰、灰 黑、浅红、浅黄等色，野外观察呈层状 构造。抗压强度较高，吸水率为2%~10%； 当黏土矿物含量不超过3%~4%，有较好 的耐水性和抗冻性。主要用途是：用于 挡土墙、基础、墩台、路面等砌体工程， 作为混凝土的粗骨料，作为烧石灰和水 泥的原材料。
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（三）耐水性
石材耐水性的大小用软化系数表示。岩石中含有较多 易容于水的物质和黏土成分时，则软化系数较小。根据软化 系数大小，将岩石的耐水性分成高、中、低三个等级，软化 系数大于0.90为高耐水性，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之间为低耐久性，软化系数 小于0.8的岩石，不能用于重要建筑物中。根据《铁路混凝土 与砌体工程施工质量验收标准》规定，浸水和潮湿地区主体 工程的石材软化系数不得低于0.8。
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2.辉绿岩（见图2-4）
花岗岩是深成岩，呈酸性，主要 矿物成分是石英、正长石、辉绿岩属 于浅成岩，颜色主要呈深灰、灰绿、 墨绿等，结构致密，主要呈块状构造， 强度高，耐酸性能好，能劈裂成规则 的块材。主要用途是：作为耐酸混凝 土或普通混凝土的骨料，作为建筑物 的衬面及高质量路面。因熔点为 1400～1500℃，可熔化浇铸成铸石， 制成需要的型材制品。
（一）岩浆岩 分类：1、岩石中SiO2含量不同分为酸性岩、中性岩、基性岩 和超基性岩。 2、岩浆岩形成的位置不同，将其分为深成岩、浅成 岩和喷出岩
酸性岩
深成岩
基性岩
SiO2含量
中性岩 浅成岩
形成的位置
喷出岩
超基性岩
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（二）沉积岩 露出地表或接近地表的岩石，由于遭受物理因素和化学因 素的作用，经过风化，岩石变成碎屑，再经过搬运、沉积、压 固、胶结等成岩过程，形成新的岩石，或者由溶液结晶沉淀形 成的岩石，叫沉积岩（见图2-2）。沉积岩又叫水成岩。 （三）变质岩 地壳内部原先形成的岩石（包括岩浆岩、沉积岩和先形 成的变质岩）在岩浆活动或构造运动变质作用下，岩石内矿 物成分、结构和构造产生一系列的变化，形成新的岩石，叫 变质岩（见图2-2）。变质岩的形成一般是在固体状态下进 行。
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（四）抗冻性
石材的抗冻性，是指其抵抗冻融循环破坏的能力。石 材的抗冻性指标用抗冻等级表示，经过规定的冻融循环次数 后，如果质量损失不超过5%，强度损失不超过25%，无剥落、 裂缝、分层及掉角等现象，认为抗冻性合格。
岩石的抗冻性与其矿物成分、结构特征、吸水率大小 密切有关，更是取决于岩石中大开口孔隙的发育情况、亲水 性矿物含量、可溶性物质含量及矿物颗粒间连接力。若岩石 中大开口孔隙较多，亲水性和可溶性矿物含量较多，矿物颗 粒间连接力较小，则岩石抗冻性差。
图2-8 大理岩
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2.石英岩（见图2-9）
石英岩是由硅质石英砂岩在
变质作用（岩浆活动）下形成的
岩石，变晶结构，强度高（高达
400MPa）,硬度大，加工较困难， 耐久性好，主要用作耐磨耐酸的 材料，以及纪念性建筑、重要建 筑的贴面材料。 图2-9 石英岩
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3.片麻岩（见图2-10） 片麻岩是由花岗岩经变质作用形成， 粒状变晶或斑状变晶结构，片麻状构 造，不同方向的物理性质和力学性质 相差较大，垂直于片理方向的抗压强 度（120～200MPa）远高于沿片理方 向。沿片理方向容易开采和加工，在 冻融循环过程中易裂解、剥落成片状， 抗冻性、抗风化能力远不如花岗岩。 片麻岩主要用于不重要的建筑工程， 用于基础、勒脚和人行道板，碎石可 用作混凝土骨料。