石材的形成与分类

第一节　石材的形成与分类

岩石是由各种不同地质作用所形成的天然固态矿物的集合体。组成岩石的矿物称造岩矿物。不同的造岩矿物在不同的地质条件下，形成不同性能的岩石。由一种矿物构成的岩石称单成岩（又称单矿岩，如石灰岩），这种岩石的性质由其矿物成分及结构构造决定。由两种或多种矿物构成的岩石称复成岩（又称多矿岩，如花岗岩），这种岩石的性质由其组成矿物的相对含量及结构构造决定。

一、造岩矿物

矿物是在地壳中受各种不同地质作用所形成的具有一定化学组成和物理性质的单质或化合物。目前，已发现的矿物有3　300多种，绝大多数是固态无机物。其中主要造岩矿物仅有30余种，各种造岩矿物各具不同的颜色和特性。土木工程中常用岩石的主要造岩矿物及其特性见表3－1所示。

表3－1　主要造岩矿物

大部分岩石都是复成岩，如花岗岩，它是由长石、石英、云母及某些暗色矿物组成。只有少数岩石是单成岩，如白色大理岩，是由方解石或白云石所组成，岩石并无确定的化学成分和物理性质，同一种岩石，产地不同，其矿物组成和结构均有差异，因而其颜色、强度、性能等也不相同。

二、岩石的分类

天然岩石根据其形成的地质条件不同，可分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。

（一）岩浆岩

1.岩浆岩的形成和种类

岩浆岩又称火成岩，是地壳深处的熔融岩浆在地表附近或喷出地面后冷凝而形成的岩石。根据形成条件不同，岩浆岩可分为深成岩、浅成岩、喷出岩和火山岩四种。

（1）深成岩。深成岩是地壳深处的岩浆在受上部覆盖层压力的作用下经缓慢冷却而形成的岩石。其结晶完全、晶粒粗大、结构致密，具有抗压强度高、吸水率小、表观密度大、抗冻性好等特点。土木工程常用的深成岩有花岗岩、正长岩、橄榄岩、闪长岩等。

（2）浅成岩。浅成岩是岩浆在地表浅处冷却结晶而形成的岩石。其结构致密，但由于冷却较快，故结晶较小，如辉绿岩。

深成岩和浅成岩统称侵入岩，为全晶质结构（岩石全部由结晶的矿物颗粒组成），且没有层理。侵入岩的体积密度大，抗压强度高，吸水率低，抗冻性好。

（3）喷出岩。喷出岩是岩浆喷出地表时，在压力降低和冷却较快的条件下而形成的岩石。由于大部分岩浆来不及完全结晶，因而多呈隐晶质（矿物颗粒细小，肉眼不能识别）或玻璃质（解晶质）结构。当喷出的岩浆形成较厚的岩层时，其岩石的结构与性质类似深成岩；当形成较薄的岩层时，由于冷却速度快及气压作用而易形成多孔结构的岩石，其性质近似于火山岩。土木工程中常用的喷出岩有辉绿岩、玄武岩、安山岩等。

（4）火山岩。火山岩是火山爆发时，岩浆被喷到空中而急速冷却后形成的岩石。有表观密度较小，呈多孔玻璃质结构的散粒状火山岩，如火山灰、火山渣、浮石等；也有因散粒状火山岩堆积而受到覆盖层压力作用并凝聚成大块的胶结火山岩，如火山凝灰岩等。

2.土木工程中常用的岩浆岩

（1）花岗岩。花岗岩是岩浆岩中分布较广的一种岩石，主要由长石、石英和少量云母（或角闪石等）组成，具有致密的结晶结构和块状构造。其颜色一般为灰黑、灰白、浅黄、淡红等，大多数情况下同一种花岗岩会呈现多种不同颜色的组合。由于结构致密，其孔隙率和吸水率很小，表观密度大（2　600～2　800 kg／m³），抗压强度达120～250 MPa，抗冻性好（F100～F200），耐风化和耐久性好，使用年限为75～200年，对硫酸和硝酸的腐蚀具有较强的抵抗性。表面经打磨抛光加工后光泽美观，是优良的装饰材料。在土木工程中花岗岩常用作基础、闸坝、桥墩、台阶、路面、墙石和勒脚及纪念性建筑物等。但在高温作用下，由于花岗岩内的石英膨胀将引起石材破坏，因此，其耐火性不好。另外，少量花岗岩含有放射性矿物，不宜用作土木工程材料，尤其不能用作室内装饰材料。

（2）玄武岩、辉绿岩。玄武岩是喷出岩中最普通的一种，颜色较深。常呈玻璃质或隐晶质结构，有时也呈多孔状或斑形构造，硬度高，脆性大，抗风化能力强，表观密度为2　900～3　500 kg／m³，抗压强度为100～500 MPa。玄武岩大多用于混凝土骨料，近年来已研制开发出用玄武岩熔融后拉制成纤维，并用其与树脂复合成高强耐腐蚀的混凝土筋材。

辉绿岩主要由铁、铝硅酸盐组成，具有较高的耐酸性。常用作高强混凝土的骨料、耐酸混凝土骨料、道路路面的抗滑表层等。其熔点为1400～1500℃，可作铸石的原料，所制得的铸石结构均匀致密且耐酸性好，是化工设备耐酸衬里的良好材料。

（3）火山灰、浮石。火山灰是颗粒粒径小于5 mm的粉状火山岩，具有火山灰活性，即在常温和有水的情况下可与石灰［CaO或Ca（OH）₂］反应生成具有水硬性胶凝能力的水化物。因此，可作水泥的混合材料及混凝土的掺和料。

浮石是粒径大于5 mm并具有多孔玻璃质构造（海绵状或泡沫状）的火山岩。其表观密度小，一般为300～600 kg／m³，在土木工程中常用作轻质骨料，用于轻质混凝土的配制。

（二）沉积岩

1.沉积岩的形成和种类

沉积岩又名水成岩，是由地表的各类岩石经自然界的风化、剥蚀、搬运、沉积、流水冲刷等作用后再沉积，经压实、相互胶结、重结晶等而形成的岩石，主要存在于地表及不太深的地下。其特征是呈层状构造，外观多层理，表观密度小，孔隙率和吸水率较大，强度较低，耐久性较差。沉积岩是地壳表面分布最广的一种岩石，面积约占陆地表面积的75%。由于主要存在于地表，易开采、易加工，所以土木工程中应用较广。根据沉积岩的生成条件，可分为机械沉积岩、化学沉积岩、生物有机沉积岩。

（1）机械沉积岩。由自然风化逐渐破碎松散的岩石及砂等，经风、水流及冰川运动等的搬运，并经沉积等机械力的作用而重新压实或胶结而成的岩石，常见的有砂岩和页岩等。

（2）化学沉积岩。由溶解于水中的矿物质经聚积、沉积、重结晶和化学反应等过程而形成的岩石，常见的有石灰岩、石膏、白云石等。

（3）生物有机沉积岩。由各种有机体的残骸沉积而成的岩石，如硅藻土等。

2.土木工程中常用的沉积岩

（1）石灰岩。石灰岩俗称灰石或青石，主要化学成分为CaCO₃，主要矿物成分是方解石，但常含有白云石、菱镁矿、石英、蛋白石、含铁矿物及黏土等。因此，石灰岩的化学成分、矿物组成、致密程度以及物理性质等差别很大，在强度和耐久性等方面不如花岗岩。其表观密度为2　600～2　800 kg／m³，抗压强度为80～160 MPa，吸水率为2%～10%。如果岩石中黏土含量不超过3%～4%，其耐水性和抗冻性较好。

石灰岩来源广，硬度低，易劈裂，有一定的强度和耐久性，土木工程中可用作基础、墙身、台阶、路面等，碎石可作混凝土骨料。石灰岩也是生产水泥的主要原料。

（2）砂岩。砂岩主要是由石英砂或石灰岩等细小碎屑经沉积并重新胶结而成的岩石。在沉积和胶结过程中胶结物的种类及胶结的致密程度直接影响砂岩的性质。以氧化硅胶结而成的砂岩称为硅质砂岩；以碳酸钙胶结而成的砂岩称为钙质砂岩；还有铁质砂岩和粘土质砂岩。砂岩的主要矿物是石英、云母和黏土，致密的硅质砂岩的性能接近于花岗岩，表观密度大、强度高、硬度大、加工较困难，多用于纪念性建筑和耐酸工程等；钙质砂岩的性质与石灰岩相似，易加工、强度较好，但耐酸性较差，多用于基础、踏步等部位；粘土质砂岩浸水易软化，土木工程中一般不用。

（三）变质岩

1.变质岩的形成与种类

变质岩是由地壳中原有的岩浆岩或沉积岩，在地层的压力或温度作用下，在固体状态下发生再结晶作用，使其矿物成分、结构构造乃至化学成分发生部分或全部改变而形成的新岩石。

变质岩的矿物成分，除了保留了原来岩石的矿物成分，如石英、长石、云母、角闪石、辉石、方解石和白云石外，还新生成了变质矿物，如绿泥石、精石、蛇纹石等。这些矿物一般称为高温矿物。经过变质过程后，岩浆岩会产生片状构造，强度会下降，变质岩会变得更加致密。

2.土木工程中常用的变质岩

（1）大理岩。大理岩又称大理石、云石，是由石灰岩或白云岩经过高温高压作用，重新结晶变质而成。由白云岩变质成的大理石性能比石灰岩变质而成的大理石优良。大理石的主要矿物成分是方解石或白云石，化学成分主要为CaO、MgO、CO₂和少量的SiO₂。经变质后，结晶颗粒直接结合呈整体块状构造，抗压强度高（100～150 MPa），耐磨性好，质地致密，表观密度为2　500～2　700 kg／m³，莫氏硬度为3～4，比花岗岩易于雕琢，吸水率小，一般不超过1%，抗风化性能较差，不宜用于室外。

（2）石英岩。石英岩是由硅质砂岩变质形成的，呈晶体结构。结构均匀致密，抗压强度高（250～400 MPa），耐久性好，但其硬度大，加工困难。常用作重要建筑的贴面材料及耐磨耐酸的贴面材料。