第二章天然石料

第二章天然石料天然石料：天然岩石经机械或人工开采、加工（或不经加工）获得的各种块料或散粒状石材。第一节岩石的形成与分类岩石由于形成条件不同可分为：岩浆岩（火成岩）沉积岩（水成岩）变质岩一、岩浆岩（一）岩浆岩的形成与分类岩浆岩是由地壳深处熔融岩浆上升冷却而成的。（1）深成岩：岩浆在地壳深处，在上部覆盖层的巨大压力下，缓慢且比较均匀地冷却而形成的岩石。特点：矿物全部结晶，多呈等粒结构和块状构造，质地密实，表观密度大、强度高、吸水性小、抗冻性高。建筑上常用的深成岩主要有花岗岩、闪长岩、辉长岩等。（2）喷出岩：岩浆喷出地表时，在压力急剧降低和迅速冷却的条件下形成的。特点：岩浆不能全部结晶，或结晶成细小颗粒，常呈非结晶的玻璃质结构、细小结晶的隐晶质结构及个别较大晶体嵌在上述结构中的斑状结构。建筑上常用的喷出岩主要有玄武岩、辉绿岩、安山岩等。（3）火山岩：火山岩也称火山碎屑岩，是火山爆发时喷到空中的岩浆经急速冷却后形成的。常见的有火山灰、火山砂、浮石及火山凝灰岩等。（二）岩浆岩的主要矿物成分（1）石英：结晶状态的SiO2强度高、硬度大、耐久性好。常温下基本不与酸、碱作用。温度达575℃以上时，石英体积急剧膨胀，使含石英的岩石，在高温下易产生裂缝岩浆岩分为：酸性岩石(SiO65%)2中性岩石(65%≥SiO2≥55%)碱性岩石（SiO255%）（2）长石：强度、硬度及耐久性均较低（与石英相比）正长石（KO·AlO·6SiO）2232斜长石钠长石（NaO·AlO·6SiO）2232钙长石（CaO·AlO·2SiO）232干燥条件下耐久性高，温暖潮湿的条件下较易风化，特别遇CO2，更易于被破坏。风化后主要生成物是高岭石（AlO·2SiO·2HO）。2322（3）云母：含水的铝硅酸盐，柔软而有弹性的成层薄片。白云母黑云母云母含量较多时，易于劈开，降低岩石的强度和耐久性，且使表面不易磨光。（4）暗色矿物：角闪石、辉石、橄榄石等着色深暗的铁镁硅酸盐类矿物，统称为暗色矿物。特点：密度特别大（3～4）g/cm3。与长石相比，强度高，冲击韧性好，耐久性也较高。在岩石中含量多时，能形成坚固的骨架。其它：黄铁矿（FeS2），特征：岩石表面具有锈斑。黄铁矿遇水，易氧化成硫酸，腐蚀其它矿物，加速岩石风化。二、沉积岩（一）沉积岩的形成与分类位于地壳表面的岩石，经过物理、化学和生物等风化作用，逐渐被破坏成大小不同的碎屑颗粒和一些可溶解物质。这些风化产物经水流、风力的搬运，并按不同质量、不同粒径或不同成分沉积而成的岩石，称为沉积岩。特点：有明显的层理，较多的孔隙，不如深成岩密实。（1）化学沉积岩：原岩石中的矿物溶于水，经聚集沉积而成的岩石。常见：石膏、白云岩、菱镁矿及某些石灰岩。（2）机械沉积岩：原岩石在自然风化作用下破碎，经流水、冰川或风力的搬运，逐渐沉积而成。常见：页岩、砂岩、砾岩。（3）有机沉积岩：由海水或淡水中的生物残骸沉积而成。常见：石灰岩、贝壳岩、白垩、硅藻土等。（二）沉积岩的主要矿物成分（1）方解石：结晶的CaCO3，强度中等，硬度较低，微溶于水，在含有CO的水中，易于形成Ca(HCO)，而使溶232解度急剧增大，遇稀盐酸会立即分解出CO2。（2）白云石：一种碳酸钙镁的复盐（CaCO·MgCO）。33物理性质接近方解石，但较方解石的硬度、强度稍高，在水中的溶解度较小，并仅在浓度较大的热盐酸作用下才分解出CO2。（3）高岭石（AlO·2SiO·2HO）：由长石风化而成，是粘土的主要组成部分。2322强度、硬度均低，遇水即膨胀软化。（4）非结晶（无定型）的二氧化硅：由胶体状态凝聚成的蛋白石；由硅藻类生物沉积成的硅藻土、硅藻石：有化学活性，磨细后可作水泥的混合材料。三、变质岩是由岩浆岩或沉积岩在地壳变动或与熔融岩浆接触时，受到高温高压的作用变质而成的。变质岩一般可分为片状构造和块状构造两大类。（1）正变质岩：即由岩浆岩变质形成的岩石，常因变质岩产生了片状构造，使其性能较原岩石有所降低，如片麻岩等。（2）副变质岩：即由沉积岩变质而成的岩石，它比原岩石更为细密，故建筑性能有所提高，如大理岩等。第二节天然石料的主要技术性质一、物理性质（一）抗风化性及风化程度岩石抗风化能力的强弱与其矿物组成、结构和构造状态有关。岩石的风化程度用Kw表示，Kw为该岩石与新鲜岩石单轴抗压强度的比值表2-1岩石风化程度表风化程度Kw值风化程度Kw值半风化0.40～0.75新鲜（包括微风化）0.9～1.0强风化0.20～0.40微风化0.75～0.90全风化0.20建筑物中所用的石料要求：质地均匀没有显著风化迹象没有裂缝不含易风化矿物。（二）表观密度同种石材表观密度愈大抗压强度愈高，吸水率愈小，耐久性愈高表观密度石材品质评价的粗略指标。3表观密度大于1800kg/m重质石材，3表观密度小于1800kg/m称为轻质石材。（三）吸水性岩石吸水性的大小与其孔隙率及孔隙特征有关。深成岩及许多变质岩，它们的孔隙率都很小，吸水率也较小。沉积岩的孔隙率及孔隙特征变化很大，吸水率波动也很大。吸水率低于1.5%低吸水性岩石；吸水率高于3.0%高吸水性岩石；吸水率介于1.5%～3.0%中吸水性岩石。石料吸水性对其强度、耐水性及抗冻性等都有很大影响。（四）抗冻性取决于其矿物成分、结构、构造以及其风化程度。当石料中含有较多的黑云母、黄铁矿、粘土等矿物时，抗冻性较差；风化程度大者，抗冻性低。石料抗冻性标号：5、10、15、25、50、100、200。（冻融循环次数）（五）耐水性经常与水接触的建筑物：石料的软化系数一般不应低于0.75～0.90。二、力学性质主要包括抗压强度、冲击韧性、硬度及耐磨性等。（一）抗压强度天然石料的强度取决于石料的矿物组成、晶粒粗细及构造的均匀性、孔隙率大小和岩石风化程度等。石料强度一般变化都较大具有层理构造的石料，其垂直层理方向的抗压强度较平行层理方向的高。国家标准GB50003-2001《砌体结构设计规范》：石料的抗压强度等级，以三块边长为70mm的立方体试件，用标准试验方法所测得极限抗压强度平均值（MPa）表示。按抗压强度值的大小，分为7个强度等级：MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20。水利工程中，将天然石料按φ50mm×100mm圆柱体或50mm×50mm×100mm棱柱体试件，浸水饱和状态的极限抗压强度，划分为100、80、70、60、50、30等6个标号。并按其抗压强度分为硬质岩石、中硬岩石及软质岩石三类（见表2-2）。水利工程中所用石料的标号一般均应大于30号。表2-2岩石软硬分类表单轴饱和抗压强度岩石类型代表性岩石(MPa)中细粒花岗岩、花岗片麻岩、闪长岩、辉绿岩、安山岩、流纹岩、硬质岩石80石英岩、硅质灰岩、硅质胶结的砾岩、玄武岩厚层与中厚层石灰岩、大理岩、白云岩、砂岩、钙质岩、板岩、中硬岩石30～80粗粒或斑状结构的岩浆岩泥质岩、互层砂质岩、泥质灰岩、部分凝灰岩、绿泥石片岩、千软质岩石30枚岩（二）冲击韧性岩石的韧性决定于其矿物组成及结构。（三）耐磨性石料的耐磨性是指它抵抗磨损和磨耗的性能。石料的耐磨性取决于其矿物组成、结构及构造。第三节工程中常用的天然石料一、常用建筑石料（一）岩浆岩1．花岗岩主要由石英、长石和少量云母所组成，有时还含有少量的暗色矿物如角闪石、辉石等。花岗岩是全晶质或斑状结构，呈块状构造。按结晶颗粒大小不同，分为细粒、中粒、粗粒、斑状等不同种类。表观密度为（2500～2700）kg/m3，干燥抗压强度为（90～160）MPa，吸水率一般小于1%，抗冻标号可达F100～F200以上，耐风化、耐酸和耐碱性能良好，良好的耐磨性，十分优良的建筑石料，饰面板材。2．辉绿岩辉绿岩是由长石、辉石或橄榄石等矿物组成，为全晶质的中粒或细粒结构，呈块状构造。表观密度为（2500～3000）kg/m3，抗压强度为（100～200）MPa，吸水率小于1%，抗冻性能良好。良好的饰面材料。3．玄武岩玄武岩主要由斜长石、辉石及橄榄石组成，呈玻璃质或隐晶质结构，并常存在气孔及块状或杏仁状构造。致密玄武岩的表观密度可达（2900～3300）kg/m3，抗压强度因构造不同而波动较大，约为（80～250）MPa，致密玄武岩的强度和耐久性都很好，加工困难，主要用作筑路材料、堤岸的护坡材料等。（二）沉积岩1．石灰岩矿物成分主要是方解石，此外尚有氧化硅、白云石及粘土等。一般为结晶质结构，呈层状构造。强度和耐久性均不如花岗岩，表观密度为2000kg/m33～2800kg/m，抗压强度为（60～150）MPa，吸水率为0.1%～4.5%。分布广，硬度小，开采加工容易，广泛用于建筑工程及水利工程中。但不宜用于含游离CO2较多或酸性较高的水中。泥灰岩、钙质粘土岩：强度低、耐水性差、易风化，不能作为建筑石材。2．砂岩砂岩是由石英砂经天然胶结物胶结而成的。有时在其中也有长石、云母和其它矿物颗粒。砂岩一般为粒状结构，并呈层状构造。命名：根据胶结物不同如氧化硅胶结：质砂岩；碳酸钙胶结：灰质砂岩；氧化铁胶结：铁质砂岩；粘土胶结：粘土质砂岩。砂岩的性能与胶结物的种类及密实程度有关致密的硅质砂岩：表观密度可达（2600～2800）kg/m3，抗压强度可达（45～100）MPa，但较难加工。灰质砂岩：加工较易，其强度可达（60～80）MPa，是砂岩中最常用的一种。铁质砂岩次于灰质砂岩，但仍能用于比较次要的工程。粘土质砂岩遇水软化，不能用于水工建筑物。（三）变质岩1．片麻岩常用的片麻岩是花岗片麻岩，由花岗岩变质而成的。矿物成分与花岗岩相似，结晶颗粒是等粒的或斑状的，呈片麻状或带状构造。即浅色的矿物石英、长石与深色矿物云母、角闪石等呈条带状排列，外观非常美丽。表观密度为（2300～3000）kg/m3。垂直于片理方向的抗压强度最大，可达（90～200）MPa。沿片理方向较易开采加工，但在冰冻作用下易成层剥落。优质花岗片麻岩用途与花岗岩基本相同。2．大理岩大理岩是由石灰岩或白云岩变质而成，主要矿物成分仍是方解石或白云石。经变质后，结晶颗粒直接结合，构造致密，强度可达（100～200）MPa。岩硬度不大，易于加工及磨光，适宜用作建筑物内部装饰。对CO2和酸的耐久性不高，经常接触风化，失去美丽的光泽。3．石英岩石英岩是由砂岩变质而成的。变质后，原来砂岩中的石英颗粒和天然胶结物重新结晶。质地均匀密实，强度（100～300）MPa，耐久性很高。但硬度大，开采加工很困难，常以不规则的块状石料应用于建筑物中。4．板岩是由粘土或页岩变质而成。比页岩坚硬，且极易劈成薄板，具有良好的耐久性，主要用于覆盖屋顶，而且有青、绿、红、黑等各种颜色，用于屋面颇为美观。二、建筑石材的应用按加工后外形的规则程度：分为料石和毛石两类。料石：（1）细料石：通过细加工，外表规则，截面宽、高度不小于200mm，且不小于长度的1/4。叠砌面凹入深度不大于10mm。（2）半细料石：规格尺寸同细料石。叠砌面凹入深度不大于15mm。（3）粗料石：规格尺寸同细料石。叠砌面凹入深度不大于20mm。（4）毛料石：外形大致方正，一般不加工或稍加修整，高度不小于200mm，叠砌面凹入深度不大于25mm。毛石：形状不规则，中部厚度不小于200mm。水利工程中，SL25-91《浆砌石坝设计规范》规定，用于砌体的石材必须质地坚硬、新鲜、完整，按其形状分为毛石、块石及粗料石三种：（1）毛石：无一定规则形状，单块质量大于25kg，中部厚不小于150mm。主要用于砌石坝内部，以及堆石坝和护坡等。（2）块石：上下两面大致平整，无尖角，块厚宜大于200mm。主要用于浆砌石坝、闸墩内部，以及建筑物的基础、挡土墙等大体积结构。（3）粗料石：棱角分明，六面大致平整，同一面最大高差宜小于长度的1%～3%，长度宜大于500mm，块高宜大于250mm，长厚比不大于3.0。主要用于闸、坝、桥墩等砌石工程。建筑板材：将岩石经锯解、刨平、粗磨及抛光等工序加工制成的具有规定尺寸的板材。主要用于道路路面及建筑物内外装饰等。常用的有天然花岗岩建筑板材和天然大理石板材