加工及应用

10　石　　材

(1)了解石材的概念和性质。

(2)了解天然石材和人造石材的品种及应用。

(3)掌握石材的技术性质。

石材是历史悠久的建筑材料，具有强度高、耐磨性和耐久性好、装饰效果好等优点，且资源丰富，便于就地取材，因此在现代土木工程中依然应用十分广泛，如砌筑基础、桥涵和护坡，以及作为混凝土拌合的骨料等。

建筑石材是指具有一定的物理力学性能和化学性能且能满足建筑材料条件的岩石。目前，建筑石材分为天然石材和人造石材两种。天然石材是指从天然岩石体中开采的、经过或未经过加工的石料。人造石材是指用有机或无机胶凝材料、矿物质原料以及外加剂按一定的比例配制而成的，如混凝土、人造大理石和人造花岗石等。人造石材的性能、颜色、图案、形状等均可通过改变原料而获得，因此其应用也较为广泛。

10.1　天然石材

10.1.1　天然石材的来源

天然石材开采自天然岩石，各种造岩矿物在不同的地质条件作用下，形成不同的天然岩石类型，通常可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。

1)岩浆岩(火成岩)

岩浆岩是岩浆在活动过程中或地壳内部已熔融的岩浆，经过冷却凝固而成的岩石，是地壳的主要组成岩石。由于岩浆冷却条件不同，所形成的岩石具有不同的结构性质，根据岩浆冷却条件将岩浆岩分为3类：深成岩、喷出岩和火山岩。建筑中常用的花岗岩、玄武岩、辉绿岩、火山灰、浮石等都属于岩浆岩。

2)沉积岩(水成岩)

沉积岩是地表的各种岩石(火成岩、变质岩或早期形成的沉积岩)，在外力作用下，经风化、搬运、沉积，在地表及地下不太深的地方沉积形成的岩石，其主要特征是呈层状结构，且各层的成分、结构、颜色和厚度均不相同，还可能含有动、植物化石。沉积岩中含有丰富的矿产资源，有煤、石油、锰、铁、铝、磷、石灰石和盐岩等。沉积岩的特点是表观密度小，孔隙率和吸水率较大，强度较低，耐久性较差。建筑中常用的沉积岩有石灰岩、砂岩和碎屑石等。

3)变质岩

地壳中原有的岩石(岩浆岩、沉积岩及已经生成的变质岩)，由于岩浆活动及构造运动的影响(主要是温度和压力的作用)，在固体状态下发生再结晶作用，而使它们的矿物成分、结构构造以及化学成分发生部分或全部改变所形成的新岩石称为变质岩。变质后的岩浆岩其结构不如原岩石坚实，性能变差，称为正变质岩；而沉积岩变质后，结构较原岩石致密，性能更好，称为副变质岩。建筑中常用的变质岩有大理岩、石英岩和片麻岩等。

10.1.2　建筑装饰用的天然石材

建筑装饰工程中常用的天然石材有大理石和花岗石。建筑装饰工程常用天然石材的主要产品如表10.1所示。

大理石是一种主要成分为碳酸钙的变质岩，是由石灰岩、白云岩、蛇纹石、方解石等在高温、高压作用下变质而成的。大理石的颗粒细致，表面的纹理分布不规则，色彩和图案丰富，但硬度较低，属于中硬石材，易于加工，吸水率小，耐久性好但抗风化能力差(除少数大理石抗风化能力强，如汉白玉、艾叶青等)。可称之为大理石的岩石有大理岩、白云岩、石灰岩、砂岩和页岩等。云南大理石以品种多样、石质细腻和图案独特闻名，“大理石”就是以云南大理命名的；而著名的汉白玉则是产自北京房山的白云岩。大理石一般适用于室内墙面、柜面、料理台的台面等；由于其硬度不高，耐磨性差，一般不用于地面；其抗风化能力差，故也不可用于室外装饰装修工程中。

花岗石是岩浆岩中分布最广、土木工程中使用最多的一种岩石，属于酸性深成岩。天然花岗石经加工打磨抛光后，会形成色泽深浅不同的斑点花纹，花纹晶粒细小，云母与石英细晶分散其中，具有亮光闪烁的美丽装饰效果。花岗石具有强度高、表观密度大、孔隙率小、吸水率小、耐磨、耐久性好等优点，因此可作为结构材料使用，广泛应用于建筑物的基础、柱子、地面、踏步、桥梁墩台以及挡土墙等。同时花岗岩又是一种名贵的装饰材料，当今仍为许多公共建筑所采用。

表10.1　装饰工程常用天然石材主要产品

续表10.1

10.2　人造石材

人造石材是以大理石、方解石、白云石、硅砂、玻璃粉等无机物粉料为骨料，水泥或不饱和树脂为胶结剂，以及适量的阻燃剂及颜料等，经过混合、浇筑、振捣、压缩挤压等成型固化而成的。人造石材具有结构致密、强度高、比重轻、耐磨、韧性好、坚固耐用、不吸水、耐风化等性能，且有天然石材的花纹和质感，又可制作出色彩丰富、花色繁杂的不同品种和尺寸的制品，是一种绿色环保的建筑材料。按照人造石材所用的原材料不同，分为水泥型、树脂型、复合型和烧结型四类。

10.2.1　水泥型人造石材

水泥型人造石材是以普通水泥、白色水泥、彩色水泥或各种硅酸盐、铝酸盐水泥为胶结剂，碎大理石、花岗石或工业废渣等为粗骨料，砂为细骨料，再配以适量的耐碱颜料等，经过配料、搅拌、成型、加压养护硬化后，磨平抛光而成的。水泥型石材的生产取材方便，造价低，但其装饰性和物理力学性能等与天然石材比稍差。各种水磨石制品和各类花阶砖都属于水泥型人造石材。

10.2.2　树脂型人造石材

树脂型人造石材是以不饱和聚酯为胶结剂，加入天然石英砂、大理碎石、方解石、石粉按一定的比例混合均匀，再加入催化剂、固化剂、颜料等外加剂，经混合搅拌、浇筑成型、脱模、烘干、表面抛光等工序加工而成。其产品颜色丰富、光泽度高、装饰效果好，且树脂的黏度低，易于成型，在常温下即可发生固化，可制成各种形状复杂的成品。树脂型人造石材的密度小、强度高、耐酸碱腐蚀、美观性强，但耐老化性能差，因此常用于室内装饰。

10.2.3　复合型人造石材

复合型人造石材是由有机胶结剂和无机胶结剂组成的。有机胶结料可采用苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯、丁二烯等，而无机胶结剂则可用各种水泥。例如可将水泥型人造石材浸渍在具有聚合性能的有机单体中并加以聚合，来提高制品的性能和档次。

10.2.4　烧结型人造石材

烧结型人造石材的生产与陶瓷的生产工艺相似，即将斜长石、长石、方解石、辉石等石粉，加以赤铁矿粉、高岭土等混合均匀，再加入大约40%的黏土混合制成泥浆，经过制坯、成型、高温(1000℃)焙烧而成，具有性能稳定，耐久性和装饰性好等特点，但其高温焙烧过程能耗较大，造价较高，所以工程上应用得较少。

10.3　石材的技术性质、加工及应用

10.3.1　石材的技术性质

天然石材的技术性质包括物理性质、力学性质和工艺性质等。

1)物理性质

(1)表观密度

石材表观密度的大小主要与其矿物组成、结构的致密程度等有关，大多数岩石的表观密度较大。致密岩石的表观密度一般为2400～3200kg/m3，常用致密岩石的表观密度为2400～2850kg/m3。按表观密度的大小把天然石材分为轻质石材和重质石材，轻质石材的表观密度≤1800kg/m3，重质石材的表观密度>1800kg/m3。一般情况下，同种岩石，其表观密度越大，抗压强度越高，孔隙率越小，吸水率越低，导热和耐久性等越好。

(2)吸水性

岩石按其吸水率的大小分为低吸水性岩石(吸水率小于1.5%)、中吸水性岩石(吸水率为1.5%～3.0%)和高吸水性岩石(吸水率大于3.0%)三种。

岩石的吸水率与岩石的致密程度和矿物组成有关。岩石的吸水率越小，则岩石的强度与耐久性越高。深成岩和多数变质岩的吸水率较小，一般不超过1.00%，如花岗岩的吸水率通常小于0.5%，但多孔的贝壳石灰岩吸水率可高达15%。

石材的吸水性直接影响其强度与耐水性。石材吸水后，颗粒之间的黏结力会降低，使强度也随之降低。吸水性强且易溶蚀的岩石，其耐水性较差。

(3)耐水性

石材的耐水性用软化系数表示。根据软化系数大小可分为高耐水性(软化系数大于0.90)、中耐水性(软化系数为0.75～0.9)和低耐水性(软化系数为0.6～0.75)石材。建筑工程中，石材的软化系数小于0.6时，不得用于重要建筑物中。

(4)抗冻性

石材的抗冻性是指石材在饱和水状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，同时其强度也不显著降低的性质，用冻融循环次数来表示。如能经受冻融循环次数越多的，则其抗冻性越好。石材的抗冻性与其吸水性密切相关，吸水率大的石材其抗冻性也较差。通常认为吸水率小于0.5%的石材抗冻性能好。

(5)耐热性

石材的耐热性与其化学成分和矿物组成有关。石材在高温下，结构会发生破坏，这是由于热胀冷缩和体积变化而产生的内应力，或是组成矿物发生分解、变异等。如含有石膏的石材，在100℃以上时开始破坏；含有碳酸镁的石材，当温度高于725℃时会发生破坏；含有碳酸钙的石材，当温度达到827℃时开始破坏。而由石英与其他矿物所组成的结晶石材，如花岗岩等，温度高于700℃以上时，由于石英受热晶型转变发生膨胀，强度迅速下降。

(6)导热性

石材的导热性主要与其表观密度和结构状态有关。重质石材的导热系数可达2.91～3.49W/(m·K)；轻质石材的导热系数则在0.23～0.70W/(m·K)。相同成分的石材，玻璃态比结晶态的导热系数小，封闭孔隙多的导热性差。

2)力学性质

(1)抗压强度

石材的抗压强度是取三个边长为70mm×70mm×70mm的立方体试块的极限抗压破坏强度的平均值表示的。石材的强度等级根据抗压强度值的大小分为MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20、MU15和MU10九个等级。若非标准尺寸的试块，应将其实验结果乘以相应的换算系数，如表10.2所示。

表10.2　石材强度等级的换算系数

(2)冲击韧性

石材抵抗多次连续重复的冲击荷载作用的性能称为冲击韧性，可用石材冲击值来表示,通常采用石材冲击实验来测定。石材的冲击韧性与岩石的矿物组成成分与构造有关。石英岩和硅质砂岩脆性很大，含暗色矿物较多的辉长岩、辉绿岩等韧性相对比较大。通常，晶体结构的岩石较非晶体结构的岩石具有较高的韧性。

(3)硬度

岩石的硬度用莫氏硬度来表示。它取决于矿物组成的硬度与构造。凡由致密、坚硬矿物组成的石材，其硬度较高。石材的硬度与抗压强度密切相关，一般抗压强度越高，其硬度也越高。

(4)耐磨性

耐磨性是指石材在使用条件下抵抗摩擦、边缘剪切以及冲击等复杂作用的性质。常用磨耗率表示。石材的耐磨性与其矿物的硬度、结构、构造特征以及石材的抗压强度和冲击韧性等有关。矿物越坚硬、构造越致密以及石材的抗压强度和冲击韧性越高，石材的耐磨性越好。凡是可能遭受磨损作用的场所均应采用高耐磨性石材，如楼梯、台阶和人行道等。

3)工艺性质

石材的工艺性质是指其开采及加工过程的难易程度。包括加工性、磨光性与抗钻性等。

(1)加工性

石材的加工性是指岩石在开采、劈解、破碎与凿琢等加工工艺的难易程度。凡是强度、硬度、韧性较高的石材，加工较困难；质脆且粗糙，有颗粒交错的结构，含有层状或片状结构，以及已风化的岩石，都难以满足加工要求。

(2)磨光性

磨光性是指石材能否磨成光滑平整表面的性质。结构均匀致密、细颗粒的岩石一般磨光性比较好，容易打磨成光滑有光泽的表面；而质地疏松、多孔、有鳞片状构造的岩石磨光性则比较差。

(3)抗钻性

抗钻性指岩石钻孔时的难易程度。影响抗钻性的因素很复杂，一般与岩石的强度、硬度等性质有关。石材的强度越高，硬度越高，越不容易钻孔。

10.3.2　石材的加工

建筑工程中常用的天然石材有散粒状的混凝土拌合用石料、块状的砌筑用的石材，还有装饰用的岩石板材等。

1)毛石

毛石是岩石被爆破后直接得到的形状不规则的石块。按照其表面平整程度，可将毛石分为乱毛石和平毛石两种。乱毛石形状不规则；平毛石形状也不规则，但它有大致平行的两个面。土木工程中使用的毛石，一般要求中部高度应不小于150mm，长度300～400mm，其抗压强度应不低于10MPa，软化系数应不小于0.75。毛石常用来砌筑基础、勒脚、墙身、挡土墙等，还可以用来配制毛石混凝土等。

2)片石

片石也是由岩石爆破得到的，形状不受限制，但薄片者不得使用。一般片石的厚度应不小于150mm，体积不小于0.01m3，每块质量一般在30kg以上。用于砖石砌体结构或者纯混凝土结构主体的片石，其抗压强度应不低于30MPa。片石主要用来砌筑砖石砌体结构、护坡、护岸等。

3)料石

料石由人工或机械开采出具有一定规则的六面体块石，再经过人工稍加凿琢而成。按料石表面加工的平整程度分为毛料石、粗料石、半细料石和细料石四种。而根据其形状不同，还可以分为条石、方石和拱石，其中制成长方形的称为条石，长、宽、高大致相等的称为方石，楔形的称为拱石。料石常用致密的砂岩、石灰岩、花岗岩加工而成，用于土木工程结构物的基础、勒脚、踏步、墙体等部位。

4)石板

石板是采用结构致密的岩石凿平或劈解而成的厚度适中的石材。用于饰面的石板或地板，要求耐磨、无裂缝、耐久、美观，一般采用花岗岩和大理岩制成。花岗岩板材主要用于土木工程的室外饰面；大理石板材只能用于室内装饰，因为大理石的抗风化性能差，当空气中的二氧化硫遇水时会生成亚硫酸，变成硫酸后与大理石中的碳酸钙发生反应，生成易溶于水的石膏，使表面失去光泽，变得粗糙、多孔，降低了使用价值。

10.3.3　石材的应用

石材在建筑工程中不仅可以作为建筑基础材料，还以其独特的色泽、纹路在建筑物内外起到良好装饰效果。从地面、柱面、墙面等到石材艺术装饰品、壁画、石雕、石桌、石凳等，或全部或局部由石材装饰，如万里长城、敦煌石窟、圆明园、古埃及的金字塔、希腊雅典卫城神庙等古代石材建筑。天然石材作为结构材料时，要求其具有较高的强度、硬度、耐磨性和耐久性等；从结构与装饰两个应用领域来讲，天然石材作为装饰材料的发展前景更好。但在建筑设计和施工中，首先要考虑石材的适用性，即选用石材的技术性能能否满足使用要求；其次是综合考虑资源的充分利用，做到就地取材，避免增加材料的成本，即经济性；最后是要考虑石材的安全性，因为石材是构成地壳的基本物质，可能含有放射性元素，长期使用时，会危害人体健康。而近年来逐渐发展起来的人造石材无论从材料、加工生产，还是装饰效果和产品价格等方面都显示了其优越性，成为一种发展前景广阔的建筑装饰材料。

复习思考题

1.填空题

(1)天然石材按其表观密度的大小分为__________和__________。

(2)天然岩石按其成因可分为__________、__________和__________三大类。

(3)石材的耐水性用__________表示。按其大小可分为__________、__________和__________。

(4)石材的强度等级根据抗压强度值的大小分为__________、__________、__________、__________、__________、__________和__________等七个等级。

(5)毛石按表面平整程度分为__________和__________。

(6)料石按表面加工的平整程度分为__________、__________、__________和__________。

2.简述题

(1)岩石按地质成因可分为哪几类？其各自的主要特征是什么？

(2)天然石材具有哪些主要技术性质？其技术指标是什么？

(3)土木工程中常用的天然石料有哪几种？它们各自有什么特点？

(4)土木工程中常用的石料制品有几种?它们多用在土木工程中哪些部位？

(5)人造石材按其原材料不同分为哪些品种？各自有什么特点？