呂龍土木工程材料第2章天然石材

第2章天然石材本章要點(diǎn)：

本章主要介紹天然石材的組成、形成與性質(zhì)的關(guān)系，常用石材及其技術(shù)要求等內(nèi)容。

通過(guò)學(xué)習(xí)應(yīng)理解天然石材組成與形成條件對(duì)性質(zhì)的影響，了解常用石材的種類與品種。一、石材定義：凡是由天然巖石開(kāi)采而得到的毛料，或經(jīng)加工而制成的塊狀或板狀巖石，統(tǒng)稱為石材。石材是古老的建筑材料之一，由于其抗壓強(qiáng)度高，耐磨、耐久性好、美觀而且便于就地取材，所以現(xiàn)在仍然被廣泛的使用。石材在建筑中常被用作砌體材料、裝飾材料，還可以作為膠結(jié)材料和人造石的原料。2.1巖石的組成與分類2.1.1巖石的組成巖石：是指地球上部（地殼和上地幔）由各種地質(zhì)作用形成的，由一種或幾種礦物和天然玻璃組成的，具有穩(wěn)定外形的固態(tài)集合體。巖石是由一種或幾種礦物組成的集合體。其中由一種礦物組成的巖石稱作單礦巖，如大理巖由方解石組成，石英巖由石英組成等；有數(shù)種礦物組成的巖石稱作復(fù)礦巖，如花崗巖由石英、長(zhǎng)石和云母等礦物組成，輝長(zhǎng)巖由基性斜長(zhǎng)石和輝石組成等等。另外，巖石是具有穩(wěn)定外形的固體，那些沒(méi)有一定外形的液體如石油、氣體如天然氣以及松散的沙、泥等，都不是巖石。由于巖石形成的地質(zhì)條件很復(fù)雜，因此巖石沒(méi)有確定的化學(xué)組成和物理力學(xué)性質(zhì)。即使是同種巖石，但由于產(chǎn)地不同，其中各種礦物的含量、光澤、質(zhì)感及強(qiáng)度、硬度和耐久性也呈現(xiàn)差異，這就形成了巖石組成的多變性．但造巖礦物的性質(zhì)及含量仍對(duì)巖石的性質(zhì)起著決定性作用?；靖拍?.礦物：具有一定化學(xué)成分和一定結(jié)構(gòu)特征的天然化合物或單質(zhì)體。只有具備以下條件的物質(zhì)才能稱為礦物：1）礦物是各種地質(zhì)作用形成的天然化合物或單質(zhì)，比如火山作用。2）礦物具有一定的化學(xué)成分。如金剛石成分為單質(zhì)碳(C)，石英為二氧化硅(SiO2)，但天然礦物成分并不是完全純的，常含有少量雜質(zhì)。3）礦物還具有一定的晶體結(jié)構(gòu)，它們的原子呈規(guī)律的排列。4）礦物具有較為穩(wěn)定的物理性質(zhì)。5）礦物是組成礦石和巖石的基本單位。

組成巖石的礦物稱為造巖礦物。截止到1998年底，全世界已發(fā)現(xiàn)且命名的礦物有三千八百多種（不包括亞種），其中絕大多數(shù)是無(wú)機(jī)物。隨著礦產(chǎn)的開(kāi)采和研究的深入，礦物種類將會(huì)繼續(xù)增加。目前人們所能直接觀察到的礦物基本上都產(chǎn)自地球的巖石圈中。近來(lái)礦物學(xué)的研究由地殼擴(kuò)大到地幔，推測(cè)將會(huì)發(fā)現(xiàn)一些地幔礦物。對(duì)隕石和月巖中礦物的研究，發(fā)現(xiàn)隕石、月巖中的礦物種類基本和地殼中的礦物一致。從礦物的分類及礦物成分來(lái)看，礦物分成單質(zhì)和化合物兩種。單質(zhì)是由一種元素組成的礦物，如金剛石成分是碳，自然金成分是Au。化合物則是由陰陽(yáng)離子組成的，根據(jù)陰離子成分不同分為若干類：硫化物S-2、氧化物O-2、氫氧化物（OH）-1

、鹵化物、碳酸鹽[CO3]-2、硫酸鹽[SO4]-2、硅酸鹽[SiO4]-4。建筑工程中常用造巖礦物有：石英，長(zhǎng)石，云母，角閃石、輝綠石、橄欖石，方解石，白云石，黃鐵礦。石英

結(jié)晶的二氧化硅(SiO2)。密度為2.65g／cm3，莫氏硬度(刻劃硬度)為7，無(wú)色透明至乳白色，強(qiáng)度高，材質(zhì)堅(jiān)硬，耐久，呈現(xiàn)玻璃光澤，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，但在受熱至573℃以上時(shí)，因發(fā)生晶體轉(zhuǎn)變，會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象。巴西是世界著名的水晶出產(chǎn)國(guó)，曾發(fā)現(xiàn)直徑2.5米、高5米、重達(dá)40余噸的水晶晶體。紫水晶長(zhǎng)石

是鉀、鈉、鈣等的鋁硅酸鹽一類礦物的總稱。包括正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石等。密度為2．5~2．7g／cm3，莫氏硬度為6，呈白、灰、紅、青等不同顏色。堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，但耐久性不如石英，在大氣中長(zhǎng)期風(fēng)化后成為高嶺土。長(zhǎng)石是火成巖中含量最多的造巖礦物，常含60％以上。

正長(zhǎng)石冰長(zhǎng)石斜長(zhǎng)石葉鈉長(zhǎng)石云母

是含水的鉀、鐵、鎂的鋁硅酸鹽片狀晶體。密度為2.7～3.lg／cm3，莫氏硬度為2~3，具有無(wú)色透明、白、英、黑各種顏色。解理極完全(指礦物在外力作用下，沿一定的結(jié)晶方向易裂解成薄片的性質(zhì))，呈玻璃光澤，存在于巖石中影響耐久性和開(kāi)光性，為巖石中的有害礦物。白云母較黑云母耐久，黑云母風(fēng)化后形成蛭石，為一種輕質(zhì)保溫材料。白云母為無(wú)色及淺灰、淺黃、淺綠等色。呈細(xì)小鱗片狀、具絲絹光澤的異種稱絹云母。

白云母黑云母黑云母是含鎂、鐵的云母，黑、綠黑或褐黑色。金云母金云母是含鎂的云母，黃褐色或金黃色，解理面上常具有半金屬光澤。角閃石、輝石、橄欖石

鐵、鎂、鈣等硅酸鹽的晶體。密度為3～4g／cm3，莫氏硬度5~7，呈深綠、棕或黑色，常稱暗色礦物。堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，耐久性好，韌性大，具有良好的開(kāi)光性。普通角閃石的化學(xué)成分為(Ca，Na)2-3(Mg2+，F(xiàn)e2+，F(xiàn)e3+，Al3+)5[(Al，Si)4o11](oH)2，晶體屬單斜晶系的雙鏈狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物。晶體呈長(zhǎng)柱狀，橫斷面為近菱形的六邊體，集合體常呈粒狀、針狀或纖維狀。綠黑至黑色，條痕淺灰綠色，玻璃光澤，近乎不透明。兩組柱面解理完全，交角為124°或56°。摩氏硬度5-6，比重3.1-3.4。普通輝石是火成巖、尤其是基性巖、超基性巖中很常見(jiàn)的一種造巖礦物，在月巖中也很豐富，變質(zhì)巖中偶有出現(xiàn)。因常呈橄欖綠色而得名。其中偏于富鎂的鎂鐵橄欖石最常見(jiàn)，一般稱為橄欖石。晶體為短柱狀，多呈粒狀集合體。隨Fe含量增多，可由淺黃綠色至深綠色，玻璃光澤，透明至半透明。解理中等或不完全，常具貝殼狀斷口，性脆。摩氏硬度6-7，比重3.3-4.4。

橄欖石受熱液作用蝕變變成蛇紋石。透明色美的橄欖石可作寶石。優(yōu)質(zhì)橄欖石的世界著名產(chǎn)地有紅海中埃及圣約翰島、意大利維蘇維火山、挪威斯納魯姆、德國(guó)艾費(fèi)爾地區(qū)、美國(guó)的亞利桑那州和新墨西哥州等。中國(guó)河北張家口漢諾壩玄武巖包體中也有寶石級(jí)的橄欖石。普通角閃石普通輝石橄欖石古時(shí)候稱橄欖石為“太陽(yáng)的寶石”，人們相信橄欖石所具有的力量像太陽(yáng)一樣大，可以驅(qū)除邪惡，降伏妖術(shù)。橄欖石顏色艷麗悅目，為人們所喜愛(ài)，給人以心情舒暢和幸福的感覺(jué)，故被譽(yù)為“幸福之石”。國(guó)際上許多國(guó)家把橄欖石和纏絲瑪瑙一起列為“八月誕生石”，象征溫和聰敏、家庭美滿、夫妻和睦。橄欖石常用來(lái)做胸針、指環(huán)、耳墜等，為珠寶市場(chǎng)上常見(jiàn)的中檔寶石。

世界上最大的一顆寶石級(jí)橄欖石產(chǎn)于紅海的扎巴賈德島，重310克拉，現(xiàn)存于美國(guó)華盛頓史密斯學(xué)院。在俄羅斯莫斯科金剛石庫(kù)中，保存有一粒產(chǎn)于紅海的橄欖石，重192.6克拉，顏色鮮艷，純凈透明，是1096-1291年十字軍東征巴勒斯坦時(shí)掠奪的。我國(guó)河北省張家口地區(qū)萬(wàn)全縣大麻坪發(fā)現(xiàn)的橄欖石，重量236.5克拉，取名為“華北之星”，是我國(guó)橄欖石之最。方解石

是結(jié)晶的碳酸鈣(CaC03)，密度為2.7g／cm3，莫氏硬度為3．通常呈白色。強(qiáng)度高，但硬度不大，開(kāi)光性好，耐久性僅次于石英、長(zhǎng)石。易被酸分解，易溶于含二氧化碳的水中。

小方解石大方解石精品方解石白云石

是碳酸鈣和碳酸鎂的復(fù)鹽晶體((CaCO3·MgCO3)，密度為2.9g／cm3，莫氏硬度4，呈白色或從白色，性質(zhì)與方解石相似，強(qiáng)度稍高，耐酸腐蝕性略高于方解石。

白云石礦白云石黃鐵礦

為二硫化鐵(FeS2)晶體。密度為5g／cm3。莫氏硬度6～7，呈黃色，但條痕呈黑色，無(wú)解理，耐久性差，在空氣中易氧化成游離的硫酸及氧化鐵，體積膨脹，產(chǎn)生銹跡，污染巖石，是巖石中常見(jiàn)的有害雜質(zhì)。

2.1.2巖石的分類巖石的形成與分類各種造巖礦物在不同的地質(zhì)作用下，形成不同類型的巖石，通?？煞譃槿箢悾夯鸪蓭r：又稱巖漿巖，因地殼變動(dòng)，熔融的巖漿由地殼內(nèi)部上升后冷卻而成。火成巖根據(jù)巖漿冷卻條件的不同，又分為深成巖（如花崗巖）、噴出巖、火山巖。水成巖：又稱沉積巖，由原來(lái)的母巖分化后，經(jīng)過(guò)風(fēng)吹搬遷、流水沖移而沉積和再造巖等作用，在離地表不太深處形成的巖石。（如石灰?guī)r、砂巖）變質(zhì)巖：由原生的火成巖或水成巖，經(jīng)過(guò)地殼內(nèi)部高溫、高壓等變化后形成的巖石。（如大理巖）名稱成巖情況及特點(diǎn)主要品種巖漿巖

(火成巖）熔融巖漿上升到地表附近或噴出地表，冷卻凝結(jié)而成巖花崗巖玄武巖輝綠巖沉積巖巖石風(fēng)化后，再經(jīng)沉積、膠結(jié)而成巖。石灰?guī)r砂巖變質(zhì)巖巖石在溫度、壓力或化學(xué)的作用下，經(jīng)變質(zhì)而成巖大理巖片麻巖按地質(zhì)法分類火成巖（巖漿巖）按冷卻條件分類巖石名稱成巖情況特點(diǎn)主要品種深成巖在地殼深處，受上部覆蓋層壓力作用，緩慢均勻冷卻結(jié)晶完全，晶粒粗大，結(jié)構(gòu)致密花崗巖輝長(zhǎng)巖閃長(zhǎng)巖噴出巖熔融巖漿噴出地殼表面，迅速冷卻結(jié)晶差，呈隱晶質(zhì)或玻璃質(zhì)。凝結(jié)成厚巖層時(shí)，結(jié)構(gòu)接近深成巖，薄巖層呈多孔構(gòu)造玄武巖安山巖輝綠巖火山巖巖漿噴到空中，急速冷卻玻璃體結(jié)構(gòu)，多孔火山灰火山砂沉積巖特點(diǎn)層狀構(gòu)造，表觀密度小，孔隙率大，吸水率大，強(qiáng)度低，耐久性差。機(jī)械沉積巖：風(fēng)化巖石經(jīng)搬運(yùn)沉積，在覆蓋層壓力下膠結(jié)而成。如頁(yè)巖、砂巖、礫巖?；瘜W(xué)沉積巖：巖石礦物溶于水，經(jīng)沉淀沉積而成。如石膏、菱鎂礦、白云巖。生物沉積巖：有機(jī)體殘骸沉積而成。如石灰?guī)r、硅藻土。變質(zhì)巖定義：巖石在高溫高壓下再結(jié)晶，形成新巖石。副變質(zhì)巖：由沉積巖變質(zhì)而成，性能有所提高。石灰?guī)r、白云巖→大理石，構(gòu)造致密，密度大，但硬度不大，易分割，鋸切、雕刻性能好，拋光后用于高級(jí)建筑物的裝飾和飾面工程。砂巖→石英巖，結(jié)構(gòu)均勻致密，抗壓強(qiáng)度高，硬度大，加工困難。常用做建筑物的貼面石，耐磨耐酸。正變質(zhì)巖：由巖漿巖變質(zhì)而成的片狀結(jié)構(gòu)，性能下降?；◢弾r→片麻巖，易分層脫落，易風(fēng)化，耐久性差。常用做碎石、塊石、人行道石板?！皻W洲最高的活火山”意大利西西里島上的埃特納火山在“沉睡”了數(shù)年后，2002年2月27號(hào)凌晨突然“蘇醒”，開(kāi)始新的噴發(fā)。從火山口噴出的熔巖高達(dá)數(shù)十米，濃密而巨大的煙柱直插云宵。巖漿分兩路順著山坡流淌而下，延伸到1900米和2500米之外。伴隨著熔巖噴發(fā)，當(dāng)?shù)剡€發(fā)生了兩次震級(jí)分別為里氏3.6級(jí)和2.9級(jí)的輕微地震。公元79年8月24日，位于意大利那不勒斯東南的維蘇威火山突然噴發(fā)，附近的龐貝古城被徹底毀壞。在不到兩天的時(shí)間里，整個(gè)龐貝城就被完全掩埋在6—7米深的火山塵礫下了。由于火山噴發(fā)十分突然，大多數(shù)人都來(lái)不及逃跑，就被厚厚的火山灰覆蓋，所有生命都遭到了瞬時(shí)的窒息而死亡，龐貝城就這樣在地下默默地沉睡了1900年。直到200年前，一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，人們發(fā)現(xiàn)了常常埋在火山灰下面的這個(gè)城市。歷經(jīng)多年挖掘，一個(gè)古城市景象出現(xiàn)在了人們的眼前。厐貝城廣場(chǎng)入口“火的火山”位于墨西哥西部的哈利斯科州和科利馬州交界，在墨西哥城西北480公里，距離科利馬州首府約40公里?；鹕礁?221米，是該國(guó)最活躍的火山之一，但其自1913年起就未發(fā)生過(guò)大規(guī)模的噴發(fā)。2002年2月8日凌晨熔巖從火山口涌出，噴發(fā)時(shí)間達(dá)20分鐘?；鹕阶饔玫漠a(chǎn)物巖漿巖巨大的巖漿巖體火山碎屑巖玄武巖的柱狀節(jié)理玄武巖的氣孔（噴出巖）沉積巖沉積巖的層狀構(gòu)造巖石還造就了許多秀麗的自然景觀，成為國(guó)內(nèi)外享有盛名的風(fēng)景游覽區(qū)。如桂林有“山水甲天下”之稱，那是石灰?guī)r地區(qū)長(zhǎng)期風(fēng)化侵蝕造成的；昆明的石林，成因也是如此；在火山巖發(fā)育的地區(qū)也有很多風(fēng)景區(qū)，如長(zhǎng)白山的天池、牡丹江的鏡泊湖，早已成為人們避暑和旅游的好去處。我們可以毫不夸張地說(shuō)，巖石幾乎涉及了人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。鏡泊湖位于黑龍江省東南部，距牡丹江市區(qū)110公里，它是大約一萬(wàn)年前第四紀(jì)的中晚期火山爆發(fā)，玄武巖漿堵塞牡丹江道而成為火山熔巖堰塞湖泊。全湖總面積90.3平方公里，湖深平均40米，蜿蜒曲折呈“S”型。它以其別具一格的湖光山色和樸素?zé)o華的自然之美著稱于世。長(zhǎng)白山天池牡丹江鏡泊湖火成巖中的深成巖構(gòu)造特性：致密，容重大，抗壓強(qiáng)度高，吸水率小，抗凍性好，耐磨性好，耐久性很好。噴出巖當(dāng)巖漿層較厚時(shí)，特性近似深成巖，噴出巖漿較薄時(shí)，則形成多孔結(jié)構(gòu)?；鹕剿樾紟r則是輕質(zhì)多孔的材料。沉積巖的構(gòu)造特性（深成巖比較）：致密性較差，容重較小，孔隙率及吸水率均較大，強(qiáng)度較低，耐久性也較差。沉積巖變質(zhì)后，性能變好，結(jié)構(gòu)變得致密，如石灰?guī)r變質(zhì)為大理巖，而火成巖經(jīng)變質(zhì)后，性能反而變差，如花崗巖變質(zhì)成片麻巖。浮石火星表面的氣孔火山巖片麻巖2.2常用的巖石及類型

三大類巖石火成巖、沉積巖、變質(zhì)巖

種類特點(diǎn)、用途如下表：巖石種類常用巖石特點(diǎn)用途火成巖花崗巖表觀密度2500-2800Kg/m3、抗壓強(qiáng)度120-250MPa、孔隙率小、吸水率低、耐磨性好、耐久性高、呈灰白色建筑物基礎(chǔ)、閘壩、臺(tái)階、勒腳、路面、混凝土骨料、設(shè)備襯里輝綠巖表觀密度2900-3300Kg/m3、抗壓強(qiáng)度200-350MPa、有較高的耐酸性、韌性、抗風(fēng)化性好、呈綠色飾面材料、混凝土骨料、化工設(shè)備襯里玄武巖表觀密度2900-3300Kg/m3、抗壓強(qiáng)度250-500MPa、結(jié)構(gòu)細(xì)密、強(qiáng)度高、硬度大、顏色較深高強(qiáng)混凝土骨料、道路路面沉積巖石灰?guī)r表觀密度2600-2800Kg/m3、抗壓強(qiáng)度80-160MPa、孔隙率和吸水率大，耐久性差、呈灰白色砌筑基礎(chǔ)、橋墩、墻身、階石及路面、混凝土骨料、生產(chǎn)石灰和水泥原料砂巖由直徑0.1-0.2mm砂粒經(jīng)天然膠結(jié)而成，性能波動(dòng)大、抗壓強(qiáng)度5-200MPa，有灰黃褐色、白色建筑物基礎(chǔ)、勒腳、墻身、襯面、踏步變質(zhì)巖大理巖表觀密度2600-2700Kg/m3，抗壓強(qiáng)度100-310MPa，質(zhì)地致密而硬度大，容易加工，有雪白、灰、綠、黑、玫瑰、粉紅、黃、紅色地面、墻面、柱面、柜臺(tái)、欄桿、踏步石英巖由硅質(zhì)砂巖變質(zhì)而成，結(jié)構(gòu)均勻致密，抗壓強(qiáng)度250-400MPa,耐久性能好，硬度高、加工困難建筑物基礎(chǔ)、勒腳、欄桿、踏步，可作耐酸材料、耐火材料和玻璃的原料片麻巖由花崗巖變質(zhì)而成，垂直于片理