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土木工程材料 3 第二章 天然石材


土木工程材料

第二章 天然石材
2011.5

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


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。

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

第二章 天然石材

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。

岩 石 沉 变


积 质


岩 岩

第二章 天然石材

(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

第二章 天然石材

(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

第二章 天然石材

(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。

第二章 天然石材

图2-2

沉积岩和变质岩的形成过程

第二章 天然石材

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。

第二章 天然石材

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。
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。

图2-5 玄武岩

第二章 天然石材

(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。

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2-7 砂岩

第二章 天然石材

(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。

图2-8 大理岩

第二章 天然石材

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。

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。

第二章 天然石材

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。

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。

第二章 天然石材

(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

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。

第二章 天然石材

(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。

第二章 天然石材

(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。

第二章 天然石材

(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。

第二章 天然石材

(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

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





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

第二章 天然石材

(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。

第二章 天然石材

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

(二)冲击韧性 石材的冲击韧性好坏取决于 其矿物组成和结构构造特征。具 有结晶结构特征的石材冲击韧性

优于玻璃质结构;石英含量较多
的石英岩、硅质砂岩脆性大,韧 性差;暗色矿物含量较多的辉绿 岩、辉长岩等韧性较好。

手动冲击试验机

第二章 天然石材

(三)硬度 石材的硬度用莫氏硬度表示。 通常用刻画法来鉴定石材的硬度。 已知硬度的十种矿物分别是:1 滑石、2石膏、3方解石、4萤石、 5磷灰石、6正长石、7石英、8黄 玉、9刚玉、10金刚石。用以上 十种矿物来刻画石材,鉴定出石 材的硬度大小。 石材的硬度与矿物成分、结 构和构造特征等有关。由高硬度 矿物组成,则石材硬度高;结构 致密,则石材硬度高。

第二章 天然石材

(四)耐磨性 石材的耐磨性是指抵抗摩擦、边缘剪切、冲击等联 合作用的能力,通常用洛杉矶磨耗率表示。耐磨性取决 于石材的矿物硬度、岩石强度和结构构造特征。若组成 石材的矿物硬度高、石材的抗压强度高、结构致密,则 耐磨性好。

用于地面和其它可能遭受磨损部位的石材,应具有
较高的耐磨性。

第二章 天然石材

三、工艺性质 (一)加工性

石材的加工性主要是指对岩石进行开采、锯切、凿琢、磨 光和抛光等加工工艺的难易程度。硬度、强度和韧性较高的石 材,加工性差。石材质脆又粗糙,结构上颗粒交错,具有层状 或片状构造,岩石风化等,都难满足加工要求。

第二章 天然石材

(二)磨光性 磨光性是指石材能否被磨成平整 光滑表面的性质。磨光性与石材的硬 度、致密程度、颗粒均匀和粗细程度 等有关。硬度中等、致密、均匀、细 粒的石材,具有良好的磨光性;而结 构疏松、有气孔或鳞片状构造的岩石, 磨光性差。 对于使用环境和用途不同的石材, 所要求的技术指标也不同。土木工程 中所使用的石材,一般要求抗压强度、 耐水性和抗冻性达到规定的指标要求。 常用天然石材的指标及用途见表2—2。

第二章 天然石材

表2—2
主要技术指标 表观密度(kg/m3) 抗压 强度(MPa) 抗折 抗剪 吸水率(%) 膨胀系数(10-6/℃) 平均韧性(cm) 平均质量磨耗(%) 耐用年限(年)

常用天然石材的性能及用途
石灰岩 1000~2600 22.0~44.0 砂岩 2200~2500 47~140 大理岩 2500~2700 47~140

花岗岩 2500~2700 120~250

8.5~15.0
13~19 <1 5.6~7.34 8 11 75~200
用于基础、墙 身、桥梁墩台 、台阶、路面 、海港、装饰 等。

1.8~20.0
8.5~18.0 2~6 6.75~6.77 7 8 20~40
用于基础、墙 身、桥梁墩台 、台阶、路面 、石灰及水泥 原材料。

3.5~14.0
8.5~18.0 <10 9.02~11.2 10 12 20~200
用于基础、墙身 、桥梁墩台、台 阶、路面、海港 、装饰等。

2.5~16.0
8.0~12.0 <1 6.5~11.2 10 12 30~100
用于地面、 墙面、柱面 、踏步、台 面等装饰。

主要用途

第二章 天然石材

第三节
一、砌筑用石材

石材的主要品种和应用

铁路工程用于砌筑的石材分为片石、块石和料石三 类,对其类别、形状、规格和质量要求见表2—3。

第二章 天然石材
表2—3 序 号 类 型 普通 片石 镶面 片石 块石 镶面 块石 砌筑工程所用石料的类别、规格和质量要求(TB10424—2003) 形 状 规 格 和 质 量 要 求

1
2 3

形状不规则 石块中部厚度不小于15cm
形状不规则 有两个大致平行面,厚度不小于15cmm,其他尺寸大于厚度

形状规则大 稍加修整,厚度不得小于20cm,长度及宽度不小于厚度。 致方正
外露面稍加修凿,凹入深度不大于2cm,尺寸同块石,外露 形状规则大 面向内修凿的进深不小于7cm,但尾部的宽度和厚度不大于修 致方正 凿的部分。丁石的长度不小于顺石宽度的1.5倍。 经粗加工,表面不允许凸出,凹入深度不大于2cm,厚度不 形状规则的 小于20cm,宽度不小于厚度,长度不小于厚度1.5倍。外露 六面体 面向内修凿进深不得小于10cm,修凿面应与外露面垂直,每 10cm应凿切4~5条纹。丁石的长度比相邻顺石宽度大于15cm 形状规则的 六面体或按 设计要求 经细加工,表面不允许凸出,凹入深度不大于1cm,尺寸如 同粗料石

4

5

粗料 石

6

细料 石

第二章 天然石材

二、饰面板材 板材是用致密的岩石经凿平、锯断、磨光等各种加工方法制 作而成的板状石材(厚一般20mm),如花岗石、大理石等。
品 种 性 能 应 用 备 注

天然大理石板 材 天然花岗石板 材 青石装饰板材

耐化学腐蚀和抗风化 主要应用于 性能较差 室内装饰 细面板材 强度高、耐磨、抗风 用于室内、 镜面板材 化、耐腐蚀性能好 室外装饰 粗面板材 属于砂岩 具有古建筑 的独特风格

第二章 天然石材

三、颗粒状石料 建筑工程中的散状石材,主要指碎石、卵石和石渣三种。

碎石、卵石可用作骨料、装饰铺砌材料; 石渣是由天然大理石
或花岗岩等残碎料加工而成,可作人造大理石、水磨石、水刷石 等骨料

第二章 天然石材

(一)碎石

碎石是由天然岩石经过人工 锤击或机械破碎而成,粒径大于 4.75mm。碎石可作为混凝土的粗 骨料,或者作为铁路道砟,也可 铺筑基础和道路的垫层,或者用 于加固地基(如碎石桩)。作为 加工碎石的岩石,必须经过检验 其强度、耐磨性、抗冻性等指标 合格后方能使用。

第二章 天然石材

(二)卵石 卵石是天然岩石经过 长时间搬运后形成的圆状 或次圆状的颗粒,粒径大

于4.75mm,表面光滑,有
少量片状、针状颗粒,主 要用作混凝土的粗骨料, 其各项指标必须满足混凝 土粗骨料的要求。

第二章 天然石材

(三)石渣
石渣是由天然花岗石或 大理石等石材的残碎料进 一步加工而成,具有多种 颜色和装饰效果,可作为 人造大理石、水磨石、斩 假石、水刷石等的骨料, 也用于制作干粘石制品。

第二章 天然石材

四、石材的选用原则 (一)适用性原则 根据石材在建筑物中的用途、部位及环境,所选用石材的 技术性能要能满足使用要求。作为承重用的石材,主要满足强 度、耐久性等技术性能要求;作为围护结构的石材要满足保温 隔热和耐久性要求;装饰用石材应考虑石材色彩与环境的协调 性和加工性;用于高温、高湿环境的石材,要满足耐高温、耐 腐蚀要求。

第二章 天然石材

(二)经济性原则 选用石材要经济合理,

要考虑石材的开采、加工、
运输等成本,在满足使用要 求条件下,尽量就地取材。

第二章 天然石材

(三)安全性 天然石材是地壳演变过程中形 成的,可能含有镭、钍等放射性元素, 在衰变过程中产生对人体有害的物质 和射线。通过国家质量技术监督部门 对全国花岗石、大理石等天然石材的 放射性抽查,合格率占73.1%,其中 花岗石放射性较高,大理石放射性较 低。一般来说,红色、深红色的石材 放射性超标较多。在选用石材时,应 该选择放射性检测合格的。

第二章 天然石材

本章小结
由于石材具有抗压强度高、耐久性好、可就地取材等特 点,广泛应用与土木工程中。为了保护环境和持续发展,在 开采石材时应该注意节约土地、减少污染,在开采前应先检 测岩石的各项物理性质、力学性质指标和放射性是否满足使 用要求。 天然岩石根据成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。由 于形成原因、环境、条件不同,岩石的结构和构造也不相同, 性质不一样,要注意选择。

第二章 天然石材

天然石材的主要技术性质包括物理性质(表观密度、吸 水性、抗冻性、耐水性等)、力学性质(强度、硬度、耐磨 性、冲击韧性)和可加工性。所选用石材的以上性质要满足 建筑物的要求。 石材的主要品种有砌筑用石材(毛石、料石)、饰面 板材(花岗石板材、大理石板材)、颗粒状石料(碎石、卵 石),每一种石材都有各自的适用范围。

第二章 天然石材

思考与练习
1.天然岩石划分为哪几类?天然岩石分类的 依据是什么? 2.花岗岩、大理岩各有什么特点?分别用于 什么地方?

3.天然石材的主要技术性质包括哪些内容? 4.天然石材的强度等级根据什么划分?划分 为哪几级? 5.选用天然石材的原则有哪些? 6.天然石材根据放射性分为哪几类?使用要 求有哪些?


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