土木工程材料第2版柯国军配套教学课件PPT 02土木工程材料.ppt 21页

'第2章天然石材返回总目录 岩石的形成与分类石材的技术性质石材在土木工程中的应用建筑石材的选用思考题本章内容 凡由天然岩石开采的，经加工或未加工的石材，统称为天然石材。人类对天然石材的使用有着悠久的历史，古埃及的金字塔、太阳神神庙，中国隋唐时代的石窟、石塔，赵州永济桥，明、清故宫宫殿的汉白玉、大理石基座、栏杆，都是具有历史代表性的石材建筑。在现代建筑中，北京人民英雄纪念碑、毛主席纪念堂、人民大会堂、北京火车站等，都是使用石材的典范，石材被公认为是一种优良的土木工程材料，被广泛应用于土木工程中。天然石材具有以下的优点。(1)蕴藏量丰富、分布广，便于就地取材。(2)石材结构致密，抗压强度高，大部分石材的抗压强度可达到100MPa以上。(3)耐久性好，使用年限一般可达到百年以上。(4)装饰性好。石材具有纹理自然、质感稳重、肃穆和雄伟的艺术效果。(5)耐水性好。(6)耐磨性好。但石材也有自身不易克服的缺点，主要缺点是自重大，质地坚硬，加工困难，开采和运输不方便。 石材由岩石加工而成。岩石由造岩矿物组成，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。而造岩矿物是具有一定化学成分和一定结构特征的天然固态化合物或单质体。各种造岩矿物各具不同颜色和特征，如云母、角闪石、石英、方解石、黄铁矿等。目前，已发现的矿物有3300多种，绝大多数是固态无机物，主要造岩矿物有30多种。天然岩石按矿物组成不同可分为单矿岩和多矿岩(或复矿岩)。凡是由单一的矿物组成的岩石叫单矿岩，如石灰岩就是由95%以上的方解石组成的单矿岩。凡是由两种或两种以上的矿物组成的岩石叫多矿岩(复矿岩)。如主要由长石、石英、云母组成的花岗岩。天然岩石按形成的原因不同可分为岩浆岩、沉积岩、变质岩等三大类。1.岩浆岩岩浆岩又称火成岩，是由地壳内部熔融岩浆上升过程中在地下或喷出地面后冷凝结晶而成的岩石，它是组成地壳的主要岩石，占地壳总质量的89%。根据岩浆冷凝情况的不同，岩浆岩又分为以下三种。岩石的形成与分类 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，经缓慢冷凝而形成的岩石。深成岩结晶完整、晶粒粗大、结构致密而没有层理，具有抗压强度高、孔隙率及吸水率小、表观密度大、抗冻性好等特点。工程上常用的深成岩有花岗岩、正长岩、橄榄岩、闪长岩等。2)喷出岩喷出岩是岩浆冲破覆盖层喷出地表时，在压力骤减和迅速冷却的条件下而形成的岩石。由于其大部分岩浆喷出后还来不及完全结晶即凝固，因而常呈隐晶质(细小的结晶)或玻璃质结构。当喷出的岩浆形成较厚的岩层时，其岩石的结构和性质与深成岩相似；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。工程上常用喷出岩有玄武岩、辉绿岩和安山岩等。3)火山岩火山岩又称火山碎屑岩，是火山爆发时，岩浆被喷到空中而急速冷却后形成的岩石。呈多孔结构，且表观密度小。工程上常用的火山岩有火山灰、浮石、火山凝灰岩等。岩石的形成与分类 2.沉积岩沉积岩又称为水成岩。它是由露出地表的各种岩石经自然界的风化、搬运、沉积并重新成岩而形成的岩石，主要存在于地表及不太深的地下。沉积岩为层状结构，各层的成分、结构、颜色和层厚均不相同，与岩浆岩相比，其特点是结构致密性较差，表观密度小，孔隙率和吸水率大，强度较低，耐久性相对较差，但分布较广，约占地表面积的75%，且藏地不深，开采、加工容易，在工程上应用较广。根据沉积岩生成条件，可分为以下三种：1)机械沉积岩它是由自然风化逐渐破碎松散的岩石及砂等，经风、雨、冰川和沉积等机械力的作用而重新压实或胶结而成的岩石，如砂岩和页岩等。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，如石膏、白云石等。3)有机沉积岩由各种有机体的残骸沉积而成的岩石，如石灰岩和硅藻土等。3.变质岩变质岩是地壳中原有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。其性质决定于变质前的岩石成份和变质过程。沉积岩形成变质岩后，其建筑性能有所提高，如石灰岩和白云岩变质后得到的大理岩，比原来的岩石坚固耐久。而岩浆岩经变质后产生片状构造，性能反而下降，如花岗岩变质后成为片麻岩则易于是分层剥落、耐久性差。岩石的形成与分类 天然石材的技术性质可分为物理性质、力学性质和工艺性质。天然石材因生成条件不同，常含有不同种类的杂质，矿物成分也会有所变化，所以，即使是同一类岩石，他们的有可能有很大差别，因此在使用前都必顺进行检验和鉴定，以保证工程质量。一、物理性质1.表观密度岩石的表观密度由其矿物质组成及致密所决定。表观密度的大小常间接的反映石材的致密和孔隙多少，一般情况下，同种石材表观密度愈大，则抗压强度愈高，吸水率愈小，耐久性、导热性越好。天然岩石按表观密度大小可分为轻质石材(表观密度<1800kg/m3)和重质石材(表观密度>1800kg/m3)，重石可用于建筑的基础、贴面、地面、不采暖房屋外墙、桥梁及水工构筑物等；轻石主要用于保温房屋外墙。2.吸水性天然石材的吸水率一般较小，但由于形成条件，密实程度与胶结情况的不同，石材的吸水率波动也较大，如花岗岩和致密的石灰岩，吸水率通常小于是1%，而多孔的石灰岩，吸水率可达15%。石材吸水后强度降低，抗冻性、耐久性下降。石材根据吸水就率的大小分为低吸水性岩石(吸水率<1.5%)，中吸水性岩石(吸水率为1.5%～3.%)和高吸水性岩石(吸水率>3%)。石材的技术性质 3.耐水性石材的耐水性用软化系数表示。当石材含有较多的粘土或易溶物质时，软化系数较小，其耐水性较差。根据各种石材软化系数大小，可将石材分为高耐水性石材(软化系数小于0.90)，中耐水性石材(软化系数为0.75～0.90)和低耐水性石材(软化系数为0.60～0.75)。当石材软化系数<0.6时，则不允许用于重要建筑物中。4.抗冻性抗冻性是指石材抵抗冻融破坏的能力，可用在水饱和状态下能经受的冻融循环次数(强度降低值不超过25%、质量损失不超过5%，无贯穿裂缝)来表示。抗冻性是衡量石材耐久性的一个重要指标，能经受的冻融次数越多，则抗冻性越好。石材抗冻性与吸水性有着密切的关系，吸水性大的石材其抗冻性也差。根据经验，吸水率<0.5%的石材，则认为是抗冻的，可不进行抗冻试验。5.耐热性石材的耐热性与其化学成分及矿物组成有关。石材经高温后，由于热胀冷缩，体积变化而产生内应力或因组成矿物发生分解和变异等导致结构破坏。如含有石膏的石材，在100℃以上开始破坏；含有碳酸镁的石材，温度高于是725℃会发生破坏；含有碳酸钙的石材，温度达827℃时开始破坏。由石英与其他矿物所组成的结晶石材如花岗岩等，当温度达到700℃以上时，由于石英受热发生膨胀，强度会迅速下降。6.导热性主要与其致密程度有关，重质石材的热导率可达2.91W/(m•K)～3.49W/(m•K)，而轻质石材的热导率则在0.23W/(m•K)～0.7W/(m•K)之间，具有封闭孔隙的石材，热导率更低。岩石的形成与分类 二、力学性质1.抗压强度石材的抗压强度是以3个边长为70mm的立方体试块的抗压破坏强度的平均值表示，砌体所用石材根据抗压强度分成9个强度等级：MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20、MU15、MU10。抗压试件边长可采用表2-1所列各种边长尺寸的立方体，但应对其测定结果乘以相应的换算系数。表2-1石材强度等级的换算系数石材的抗压强度与其矿物组成、结构与构造特征等有密切的关系。如：组成花岗岩的主要矿物成分中石英是很坚强的矿物，其含量越多，则花岗岩的强度也越高，而云母为片状矿物，易于分裂成柔软薄片。因此，若云母含量越多，则其强度越低。另外，结晶质石材的强度较玻璃质的高，等粒状结构的强度较斑状结构的高，构造致密的强度较疏松多孔的高。岩石的形成与分类立方体边长(mm)2001501007050换算系数1.431.281.1410.86 2.冲击韧性石材的冲击韧性决定于岩石的矿物组成与构造。石英岩、硅质砂岩脆性较大，含暗色矿物较多的辉长岩、辉绿岩等具有较高的韧性。一般来说，晶体结构的岩石较非晶体结构的岩石具有较高的韧性。3.硬度石材的硬度取决于石材的矿物组成与构造，凡由致密、坚硬矿物组成的石材，其硬度就高。岩石的硬度以莫氏矿度表示。4.耐磨性耐磨性是石材抵抗摩擦、边缘剪切以及撞击等复杂作用的能力。石材的耐磨性包括耐磨损(石材受摩擦作用)和耐磨耗性以单位摩擦质量所产生的质量损失的大小来表示。石材的耐磨性质与石材内部组成矿物的硬度、结构和构造有关。石材的组成矿物越坚硬，构造越致密以及其抗压强度和冲击韧性越高，则石材的耐磨性越好。岩石的形成与分类 三、工艺性质石材的工艺性质，主要指其开采和加工过程的难易程度及可能性，包括以下几个方面。1.加工性石材的加工性，是指对岩石开采、据解、切割、凿琢、磨光和抛光等加工工艺的难易程度。凡强度、硬度、韧性较高的石材，不易加工；质脆而粗糙，有颗粒交错，含有层状或片粒结构以及已风化的岩石，都难以满足加工要求。2.磨光性磨光性指石材能否磨成平整光滑表面的性质。致密、均匀、细粒的岩石，一般都有良好的磨光性，可以磨成光滑亮洁的表面；疏松多孔有鳞片状构造的岩石，磨光性不好。3.易钻性抗钻性指石材钻孔难易程度的性质。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。当石材的强度越高，硬度越大时，越不易钻孔。岩石的形成与分类 由于天然石材具有抗压强度高、耐久性、耐磨性及装饰性好等优点，因此，目前在建筑工程的使用仍然相当普遍。工程中所使用的石材，按加工后的外形分为块状石材、板状石材、散粒石材和各种石制品等。1.花岗岩1)花岗岩的组成和特性花岗岩为典型的深成岩，是岩浆岩中分布最广的一种岩石。主要由长石、石英和少量暗色矿物及云母(或角闪石等)组成，其中长石含量为40%～60%，石英含量为20%～40%。花岗岩表观密度为2600kg/m3～2800kg/m3，孔隙率小(0.04%～2.8%)，吸水率极低(0.11%～0.7%)，抗压强度高达120MPa～250MPa，材质坚硬，肖氏硬度80～100，具有优异的耐磨性，对酸具有高度的抗腐性，对碱类侵蚀也有较强的抵抗力，耐久性很高，一般使用年限达75～200年，细粒花岗岩的使用年限甚至可达到500年～1000年之久。但花岗岩的耐火性较差，当温度达800℃以上，花岗岩中的二氧化硅晶体产生晶形转化，使体积膨胀，故发生火灾时，花岗岩会发生严重开裂而破坏。花岗岩为全晶质结构的岩石，按结晶颗粒的大小，通常分为细粒、中粒和斑粒等几种。颜色一般为灰白、微黄、淡红和蔷薇等色，以深青花岗岩比较名贵，国际市场上以纯黑、红色及绿色最受欢迎。石材在土木工程中的应用 2)花岗岩的应用花岗岩是公认的高级建筑结构材料和装饰材料。花岗岩石材常制作成块状石材和板状饰面石材，块状石材用于重要的大型建筑物的基础、勒脚、柱子、栏杆、踏步等部位以及桥梁、堤坝等工程中，是建造永久性工程，纪念性建筑的良好材料。如毛主席纪念堂的台基为红色花岗岩，象征着红色江山坚如磐石。板材石材质感坚实，华丽庄重，是室内外高级装饰装修板材。根据在建筑物中使用部位的不同，对其表面的加工要求也就不同，通常可分为以下四种。剁斧板：表面粗糙，呈规则的条纹斧状。机刨板：用刨石机刨成较为平整的表面，呈相互平行的刨纹。粗磨板：表面经过粗磨，光滑而无光泽。磨光板：经过打磨后表面光亮，色泽鲜明，晶体裸露。再经抛光处理后，即成为镜面花岗岩板材。剁斧板多用于室外地面、台阶、基座等处；机刨板一般用于地面、台阶、基座、踏步、檐口等处；粗磨板常用于墙面、柱面、台阶、基座、纪念碑、墓碑、铭牌等处；磨光板因具有色彩绚丽的花纹和光泽，故多用于室内外墙面、地面、柱面的装饰，以及用作旱冰场地面、纪念碑、奠基碑、铭牌等处。石材在土木工程中的应用 天然花岗岩板材可分为普通型板材(即正方形或长方形的板材，代号N)、异形板材(其他形状的板材，代号S)。按其表面加工程度分为细面板材(RB)、镜面板材(PL)、粗面板材(RU)；按其尺寸、平面度、角度偏差、外观质量等分为优等品(A)、一等品(B)、合格品(C)三个等级。板材正面的外观缺陷应符合(JG205—92)的规定，如表2-2所示。表2-2天然花岗岩板材的外观质量要求值得指出的是，花岗岩的化学成分随产地不同而有所区别，某些花岗岩含有放射性元素，对这类花岗岩应避免应用于室内。名称规定内容优等品一等品合格品缺棱长度不超过10mm(长度小于5mm不计)，周边每米长(个)不允许12缺角面积不超过5mm×2mm(面积小于2mm×2mm不计)，每块板(个)裂纹长度不超过两端顺延至板边总长度的1/10(长度小于20mm的不计)每块板(条)色斑面积不超过20mm×30mm(面积小于15mm×15mm不计)，每块板(个)色线长度不超过两端顺延至板边总长度的1/10(长度小于40mm的不计)，每块板(条)23坑窝粗面板材的正面出现坑窝不明显出现，但不影响使用石材在土木工程中的应用 2.大理石1)大理石的组成和特性大理石因最早产于云南大理而得名，全世界的同类石材均以“大理”来命名。建筑上所说的大理石是指具有装饰功能，并可磨光、抛光的各种沉积岩和变质岩。大理岩、石英岩、蛇纹岩、石炭岩、砂岩、白云岩等均可加工成大理石。大理石表观密度为2600kg/m3～2700kg/m3，抗压强度为100MPa～150Mpa，但硬度不大(肖氏硬度约50左右)，较易进行锯解，雕琢和磨光等加工。吸水率一般不超过1%，耐久性好，一般使用年限为40年～100年。装饰性好，因通常含多种矿物而呈多姿多彩的花纹。但其抗风化性能差，大多数大理石的主要化学成分是碳酸盐类，易被酸侵蚀。2)大理石的应用大理石因一般均含多种矿物质，常呈多种色彩组成的花纹。抛光后的大理石光洁细腻，如脂似玉，色彩绚丽，纹理自然，十分诱人。例如毛主席纪念堂内的十四种大理石花盆，每个花盆正面图案都具有深刻的含义，画面中有韶山、井冈山、娄山关、赤水河、金沙江、大渡河、雪山、草地和延安等，它们或是红军长征经过的地方，或是毛主席工作、生活过的场所，或是毛主席诗词中歌颂过的壮丽景色。纯净的大理石为白色，称汉白玉，纯白或纯黑的大理石属名贵品种。石材在土木工程中的应用 大理石荒料经锯切、研磨和抛光等加工工艺可制作大理石板材，主要用于建筑物室内饰面，如墙面、地面、柱面、台面、栏杆和踏步等。天然大理石板材可分为普通型板材(即正方形或长方形的板材，代号N)、异形板材(其他形状的板材，代号S)。按其外观质量、镜面光泽度等分为优等品(A)、一等品(B)、合格品(C)三个等级。板材正面的外观缺陷应符合(JG79—92)的规定，如表2-3所示。表2-3天然大理石板材的外观质量要求石材在土木工程中的应用缺陷名称优等品一等品合格品翘曲不允许不明显有，但不影响使用裂纹砂眼凹陷色斑污点正面棱缺陷长≤8mm，宽≤3mm1处正面角缺陷长≤3mm，宽≤3mm1处 值得指出的是，大理石抗风化能力差，易受空气中酸性氧化物(如SO2等)的侵蚀而失去光泽，变色并逐步破损，从而降低装饰性能。因此，大理石一般不宜做室外装修，只有汉白玉和艾叶青等少数几种致密、质纯的品种可用于室外。用大理石边角料加工而成的正方体、长方体、多边体(此称冰裂块料)，或不加工而制作成的“碎拼大理石”墙面、地面、庭院走廊，格调优美，乱中有序，且造价低廉。用天然大理石或花岗石等残碎料加工而成的石渣，具有多种颜色和装饰效果，可作为人造大理石、水磨石、水刷石、斩假石、干粘石及其他饰面的骨料之用。3.石灰岩石灰岩俗称“青石”，是沉积岩的一种。主要化学成分为CaCO3，主要矿物成分为方解石，但常含有白云石、菱镁矿、石英、含铁矿物、粘土矿等，表观密度为2600kg/m3～2800kg/m3，抗压强度为80MPa～160MPa，吸水率为2%～10%。若岩石中粘土含量不超过3%～4%时，也有较好的耐水性和抗冻性，但也有松散状的或多孔状的石灰岩。石灰岩来源广，硬度低，易劈裂，便于开采，具有一定的强度和耐久性，因而广泛用于建筑工程中。其块石可作为建筑物的基础、墙身、阶石及路面等，其碎石是常用的混凝骨料。此外，它也是生产水泥和石灰的主要原料。由石灰岩加工而成的“青石板”造价不高，表面能保持劈裂后的自然形状，加之多种色彩的搭配，作为墙面装饰板材，具有独特的自然风格。石材在土木工程中的应用 4.砂岩砂岩属沉积岩，它是由石英砂或石灰岩等的细小碎屑(直径0.1mm～0.2mm)经沉积并重新胶结而形成的岩石。砂岩的主要矿物为石英、云母及粘土等。根据胶结物的不同，砂岩可分为硅质砂岩、钙质砂岩、铁质砂岩、粘土质砂岩。硅质砂岩由氧化硅胶结而成，常呈淡灰色；钙质砂岩由碳酸钙胶结而成，呈白色；铁质砂岩由氧化铁胶结而成，常呈红色；粘土质砂岩由粘土胶结而成，常呈黄灰色。各种砂岩因胶结物质和构造的不同，其抗压强度(5MPa～200MPa)表观密度(2200kg/m3～2500kg/m3)，孔隙率(1.6%～28.3%)，吸水率(0.2%～7.0%)，软化系数(0.44～0.97)等性质差异很大。建筑工程中，砂岩常用于基础、墙身、人行道和踏步等，也可破碎成散粒状用作混凝土集料。纯白色砂岩俗称白玉石，可用做雕刻及装饰材料。5.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2900kg/m3～3500kg/m3，抗压强度为100MPa～500MPa。常用作高强混凝土的骨料，也用作铺筑道路路面等。辉绿岩主要由铁、铝硅酸盐组成，具有较高的耐酸性，可用作耐酸混凝土的骨料。其熔点为1400℃～1500℃，可用作铸石的原料。铸石的结构均匀致密且耐酸性好，因此，是化工设备耐酸衬里的良好材料。石材在土木工程中的应用 6.石英岩石英岩是由硅质砂岩变质而成的晶体结构。岩体均匀致密，抗压强度大(250MPa～400MPa)，耐久性好，但硬度大、加工困难。常用作重要建筑物的贴面石，耐磨耐酸的贴面材料，其碎块可用于道路或用作混凝土的骨料。7.片麻岩片麻岩是由花岗岩变质而成，其矿物成分与花岗岩相似，而结构多呈片状构造，因而各个方向的物理力学性质不同。在垂直于解理(片层)方向有较高的抗压强度，可达120MPa～200MPa。沿解理方向易于开采加工，但在冻融循环过程中易剥落分离成片状。故抗冻性差，易于风化，只能用于不重要的工程，也常用作碎石、块石及人行道石板等。8.火山灰、沸石、火山凝灰岩火山灰是颗粒粒径小于5mm的粉状火山岩。它具有火山灰活性，即在常温和有水的情况下可与石灰(CaO)反应生成具有水硬性胶凝能力的水化物。因此，可用作水泥的混合材料及混凝土的掺合料。沸石是粒径大于5mm并具有多孔构造(海绵状或泡沫状火山玻璃)的火山岩。其表观密度小，一般为300kg/m3～600kg/m3，可用作轻质混凝土的骨料。火山凝灰岩是凝聚并胶结成大块的火山岩。具有多孔构造，表观密度小，抗压强度为5MPa～20MPa，可用作砌墙材料和轻混凝土的骨料。石材在土木工程中的应用 建筑工程中应根据建筑物的类型，环境条件等慎重选用石材，使其既符合工程要求，又经济合理。一般应从以下几方面选用。1.力学性能根据石材在建筑物中不同的使用部位和用途，选用满足强度、硬度等力学性能要求的石材，如承重用的石材(基础、墙体、柱等)主要应考虑其强度等级，而对于地面用石材则应要求其具有较高的硬度和耐磨性能。2.耐久性要根据建筑物的重要性和使用环境，选择耐久性良好的石材。如用于室外的石材要首先考虑其抗风化性能的优劣；处于高温高湿，严寒等特殊环境中的石材应考虑所用石材的耐热，抗冻及耐化学侵蚀性等。3.装饰性用于建筑物饰面的石材，选用时必须考虑其色彩、质感及天然纹理与建筑物周围环境的协调性，以取得最佳装饰效果，充分体现建筑物的艺术美。4.经济性由于天然石材密度大、开采困难、运输不便、运费高，应综合考虑地方资源，尽可能做到就地取材，以降低成本。难于开采和加工的石材，将使材料成本提高，选材时应加以注意。5.环保性在选用室内装饰用石材时，应注意其放射性指标是否合格。建筑石材的选用 1.按岩石的生成条件，岩石可分为哪几类？举例说明。2.在建筑中常用的岩浆岩、沉积岩、变质岩有哪几种？主要用途如何？3.石材有哪些主要的技术性质？4.花岗岩、大理岩各有何特性及用途？5.选择天然石材应注意什么？思考题'