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建筑工程系主讲教师：刘月宾《土木工程材料》第二章天然石材第2章天然石材本节的学习目标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。3）了解天然板材的应用。2.1天然石材的形成和分类•岩石:是不同地质作用所形成的天然固态矿物的集合体，组成岩石的矿物称为造岩矿物。•造岩矿物:是具有一定化学成分和一定结构特征的天然化合物和单质的总称。•天然石材：经天然岩石不同程度的机械加工后得到的材料。•岩石按地质形成条件不同，通常可分为三大类，即岩浆岩、沉积岩和变质岩。•2.1.1.岩浆岩•岩浆岩又称火成岩，它是因地壳变动，熔融的岩浆由地壳内部上升后冷却而成。岩浆岩是组成地壳的主要岩石，占地壳总质量的89％。•岩浆岩根据岩浆冷却条件的不同，又分为深成岩、喷出岩和火山岩。2.1.1.1深成岩•深成岩是岩浆在地表深处受上部覆盖层的压力作用，缓慢冷却而形成的岩石。•其特点是结晶完全、晶粒明显可辨、构造致密、表观密度大、抗压强度高、吸水率小、抗冻及耐久性好。花岗岩属于深层岩•花岗岩在地表分布很广泛，是人类最早发现和利用的天然岩石之一。在世界各地有许多古代开发利用花岗岩的遗迹，如古埃及人建造的金字塔、古希腊的神庙、古罗马的斗兽场等。•花岗岩主要成分是长石和石英。花岗岩质地坚硬，结构致密，孔隙率和吸水率小，抗冻性好，难被酸碱或风化作用侵蚀，使用年限为75~200年。常被用于建筑物的材料。•花岗岩（Granite）的语源是拉丁文的granum，意思是谷粒或颗粒。因为花岗岩是深成岩，常能形成发育良好、肉眼可辨的矿物颗粒，因而得名。而汉字名词花岗岩则是由日本人翻译而来。花形容这种岩石有美丽的斑纹，刚或岗则表示这种岩石很坚硬。花岗岩应用实例•北京的“人民英雄纪念碑”高37.94m，仅碑心石重就达120t，是取材于山东青岛的花岗岩。兰州“黄河母亲”花岗岩巨型石雕•花岗岩石约有300多种。花岗岩岩体在我国约占国土面积的9％，达80多万平方公里，尤其是东南地区，大面积裸露各类花岗岩体，可见其储量之大。•喷出岩是岩浆喷出地表冷凝而成。•由于冷却较快，大部分结晶不完全呈细小结晶状。当喷出岩形成较厚岩层时，接近深层岩；形成较薄岩层时，呈多孔构造，接近火山岩。•建筑中用到的喷出岩有玄武岩、辉绿岩等。玄武岩和辉绿岩可作为耐酸和耐热材料，还是生产铸石和岩棉的原料。2.1.1.2喷出岩铸石材料在建材设备中主要代替不受冲击的金属材料耐磨件，用在设备上。岩棉优质岩棉能耐1250～1400℃高温。用于耐烧蚀、耐高温隔热材料；•火山岩是火山爆发时，岩浆被喷到空中急速冷却而形成的多孔散粒状岩石，多呈玻璃质结构，有较高的化学活性。如火山灰、浮石等。•火山灰可用作生产水泥时的混合材料。浮石是配制轻混凝土的一种天然轻骨料。2.1.1.3火山岩•2.1.2沉积岩•沉积岩又称水成岩。沉积岩是由原来的母岩风化后，经过搬运、沉积等作用形成的岩石。沉积岩虽仅占地壳总质量的5％，但在地球上分布极广，约占地壳表面积的75％，加之藏于离地表不太深处，易于开采。•与火成岩相比，其特性是：结构致密性较差，密度较小，大都成层状结构，孔隙率及吸水率均较大，强度较低，耐久性也较差。•根据生成条件，沉积岩分为以下三类：机械沉积岩、化学沉积岩和生物沉积岩。•机械沉积岩是岩石风化破碎以后又经风、雨、河流及冰川等搬运、沉积、重新压实或胶结作用，在地表或距地表不太深处形成的岩石，主要有砂岩和页岩。•砂岩是由砂粒经胶结而成。由于胶结结构和致密程度的不同，性能差别很大。•页岩由粘土沉积而成，呈页片状，强度低、耐水性差，不能直接用作建筑材料。2.1.2.1机械沉积岩2.1.2.2化学沉积岩•化学沉积岩是岩石中的矿物溶于水后，经聚积、沉积而成的岩石，如石膏、白云岩、菱镁矿、石灰岩•石膏的化学成分为CaSO4·2H2O，是烧制建筑石膏和生产水泥的原料。白云岩的主要成分是白云石CaCO3·MgCO3，其性能接近于石灰岩。菱镁矿的化学成分为MgCO3，是生产耐火材料的原料。天然石膏•石灰岩的主要成分为方解石(CaCO3)，常含有白云石、菱镁矿、石英、蛋白石、含铁矿物和粘土等。构造疏松的石灰石用作生产石灰和水泥的原材料。构造致密的石灰石可作混凝土集料，非常致密的可作饰面装饰材料。•生物沉积岩是海生动植物的遗骸，经分解、分选、沉积而成的岩石。如硅藻土等。•硅藻土是由硅藻的细胞壁沉积而成。富含无定形SiO2、通常呈白色、灰白色、浅灰色、浅黄色和深灰色，质轻、软、多孔。易磨成粉末，有极强的吸水性。2.1.2.3生物沉积岩硅藻土的应用隔热、隔音材料：以硅藻土为主，加入其它辅料，制成保温砖、板、粉，绝热混凝土等。以硅藻土为原料的新型室内外涂料、装修材料不含有害化学物质，除了具有不燃、隔音、防水、重量轻以及隔热等特点外，还有除湿、除臭、净化室内空气等作用，是优良的环保型室内外装修材料。1.与其它资源相比，世界上的硅藻土资源并不丰富。2.我国硅藻土资源分布较广，储量丰富。3.矿床主要分布在东北的吉林、黑龙江；华东的山东、浙江；西南的云南等地。4.著名的矿山有：山东临朐县山旺村;吉林长白县马鞍山;吉林海龙县；四川米易回汉沟和新民；浙江嵊县福泉山等。•资源分布变质岩是由原生的岩浆岩或沉积岩，经过地壳内部高温、高压等变化作用后而形成的岩石。沉积岩变质后，性能变好，结构变得致密，坚实耐久:例如大理岩——石灰岩、白云岩；石英岩：砂岩变质而成。岩浆岩变质后，性质反而变差:例如片麻岩——花岗岩。2.1.3.变质岩•大理岩也称大理石。•大理岩在我国分布广泛，而以云南大理最负盛名。•大理岩质地密实但硬度不高，易于加工，可用于石雕或磨光成镜面。纯大理岩为白色，如汉白玉。若含有不同杂质呈灰色、黄色、玫瑰色、粉红色、红色、绿色、黑色等多种色彩和花纹，是高级装饰材料。变质岩——大理岩历时22年之久建造的世界上堪称奇迹的白色大理石陵墓——泰姬陵，全部用纯白色大理石建筑，用玻璃、玛瑙镶嵌，绚丽夺目、美丽无比。大理石--啡钻大理石--枫叶红大理石--蓝珍珠大理石--天山红•石英岩是由硅质砂岩变质而成，质地均匀致密，硬度大，抗压强度高达250~400MPa，加工困难，但耐久性强。•石英岩板材可用作重要建筑的饰面材料或地面、踏步等。变质岩——石英岩•片麻岩是由花岗岩等火成岩变质而成。其矿物成分与花岗石相近，具有片麻状构造。垂直于片理方向抗压强度为120~200MPa，沿片理方向易于开采加工。•吸水性高，抗冻性差，通常加工成毛石或碎石，用于不重要的工程。2.2天然石材的技术性质•2.2.1.物理性质•1.表观密度•天然石材按其表观密度大小分为重石和轻石两类。•表观密度大于1800kg/m3的为重石，主要用于建筑的基础、贴面、地面、路面、房屋外墙、挡土墙、桥梁以及水工构筑物等；表观密度小于1800kg/m3的为轻石，主要用作墙体材料，如采暖房屋外墙等。•2.吸水性•石材吸水性的大小用吸水率表示，其大小主要与石材的化学成分、孔隙率大小、孔隙特征等因素有关。按吸吸水率大小分为低吸水性岩石、中吸水性岩石和高吸水性岩石。•石材吸水后，降低了矿物的粘结力，破坏了岩石的结构，从而降低石材的强度和耐水性。•3.耐水性•石材的耐水性用软化系数表示。•按软化系数的大小，石材的耐水性可分为高、中、低三等，软化系数＞0.90的石材为高耐水性石材，软化系数＝0.70~0.90的石材为中耐水性石材，软化系数＝0.60~0.70的石材为低耐水性石材。•一般软化系数＜0.80的石材，不允许用在重要建筑中。•4.抗冻性•石材的抗冻性用冻融循环次数表示，即石材在吸水饱和状态下能经受规定条件下若干次冻融循环，而强度降低值不超过25%，质量损失不超过5%且无贯穿裂缝时，则认为抗冻性合格•致密石材的吸水率小、抗冻性好。吸水率小于0.5%的石材，认为是抗冻的，可不进行抗冻试验。•5.耐热性•石材的耐热性与其化学成分及矿物组成有关。石材经高温后会因热胀冷缩使体积变化而产生内力，或由于高温使岩石中矿物发生分解和变异等导致结构破坏。含石膏的石材，在100度以上就开始破坏，含MgCO3的石材，当温度高于750度时才发生破坏。•6.导热性•石材的导热性主要与致密程度有关。具有封闭孔隙石材的导热性差。•7.抗风化•石材孔隙率大小对风化影响很大，水、冰和化学因素等造成岩石开裂或剥落的过程，称为岩石的风化。•2.2.2力学性质•1.抗压强度•天然岩石是以70mm×70mm×70mm的正方体试件，用标准试验方法测得的抗压强度值作为评定石材强度等级标准。•根据《砌体结构设计》（GBJ3）规定，天然石材的强度等级为MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20、MU15和MU10九个等级。•从岩石结构角度考虑，结构疏松多孔的天然石料，强度远逊于构造均匀致密的石料。具有层理、片状构造的石料，其垂直于层理、片理方向的强度较平行于层理、片理的高。对于有层理、片理构造的天然石料，在测定抗压强度时，其受力方向应与石料在砌体中的实际受力方向相同。•层理构造是岩石在形状、颜色和成分上发生相应变化显示出的层状现象，属于岩石间的层状。•片理构造则是变质岩中矿物定向排列形成的，例如：变质岩中的矿物（长石、方解石等）各自排列在一起，则就有了片理构造，属于同一种岩石中矿物间的层状。思考石料的砌筑A、B、C三块石料均具有层理，其层理及受力方向如下图。请讨论这几种石料的砌筑有何问题？分析：C石料的砌筑方向不对，具有层理构造的石块其垂直层理的强度高于平行于层理的强度，宜转90°放置。•2.冲击韧性•石材是典型的脆性材料，其抗拉强度较抗压强度小得多，为抗压强度的1/10~1/20。•3.硬度•石材的硬度取决于组成矿物的硬度和构造，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。•2.2.3工艺性质•1.加工性•指岩石开采、劈解、切割、凿琢、研磨、抛光等加工工艺的难易程度。•强度、硬度、韧性较高的石材，不易加工；质脆而粗糙，有颗粒交替，含有层状或片粒结构以及已风化的岩石，都难以满足加工要求。•2.磨光性•指岩石能否研磨抛光成光滑表面的性质。•致密、均匀、细粒的岩石，磨光性一般较好；疏松多孔、鳞片状结构的岩石，磨光性都较差。•3.抗钻性•指岩石钻孔的难易程度。与岩石的强度、硬度等性质。•强度越高、硬度越大时，越不易钻孔。2.3石材的加工类型及选用•2.3.1块状石材•1、毛石：它是爆破后直接得到的形状不规则的石块。•毛石依其平整程度又分为乱毛石和平毛石。乱毛石形状不规则（见图2.3.1乱毛石示意图）。乱毛石常用于砌筑毛石基础、勒脚、墙身、堤坝、挡土墙等，也可用于大体积混凝土中（也称毛石混凝土）。•将乱毛石略经加工就得到了平毛石，它的形状比乱毛石整齐，基本上有六个面，常用于砌筑基础、勒脚、墙身、桥墩等。•2、料石：是由人工或机械开采的较规则的六面体石块，经人加工凿磨而成的。制成长方形的称为条石、长宽大致相等的称为方石，楔形的称为拱石。•料石一般由致密均匀的砂岩、石灰岩、花岗岩开凿而成，用于建筑物的基础、勒脚、墙身、踏步、砌拱等。用料石砌筑的门拱•2.3.2板材•1.•商业上所说的大理石是指以大理岩为代表的一类装饰石材，包括碳酸盐岩和与其有关的变质岩，主要成分为碳酸盐，一般质地较软。•（1）天然大理石板的优点：•①结构致密，抗压强度高，加工性好，不变形。•②装饰性好。•③吸水率小、耐久性好。•天然大理石板的缺点：•①硬度较低。•②抗风化能力差。•(2)天然大理石的规格•天然大理石板材按形状分为普型板材（N）和异型板材（S）。•普型板材，是指正方形或长方形的板材；异型板材，是指其他形状的板材。•天然大理石板主要用于建筑物室内饰面，如地面、柱面、墙面、造型面、电梯间门口等。•大理石磨光板有美丽多姿的花纹，常用来镶嵌或刻出各种图案的装饰品。•天然大理石板还被广泛地用于高档卫生间的洗漱台面及各种家具的台面。（3）天然大理石板的应用•大理石饰面材料因主要成分碳酸钙