第2章 天然石材
2.1 天然石材的分类及常用石材
岩石通过机械方法或人工方法进行加工，或不经加工而获得的各种块状或散粒状材料，统称为天然石材。天然石材是人类使用的最古老的建筑材料之一，世界上许多著名的石材建筑物，如古埃及金字塔，古罗马的大角斗兽场，意大利的比萨斜塔，还有我国的赵州桥、万里长城等。天然石材在水利水电、土木、道路、桥梁等工程中具有广泛的应用。
天然石材的特点主要是：抗压强度高、耐久性良好、耐磨、美观，分布广泛便于就地取材。天然石材其缺点主要是：脆性较大，自身质量大，开采加工比较困难，其结构抗震性能较差。
岩石由于形成的地质条件不同，分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。它们分别具有不同的矿物成分、不同的结构及构造特征，其建筑性能和使用范围，主要就是由于这些特征所决定的。
2.1.1 常用的岩浆岩石材
岩浆岩是由于地壳深处熔融岩浆上升，在地下或喷出地面后冷凝而成的。根据形成条件不同，岩浆岩可分为以下三类：
（1）深成岩。深成岩是岩浆在地壳深处，在上部覆盖层较大压力作用下，缓慢且比较均匀地冷却而形成的岩石。其特点是矿物结晶完整且颗粒较粗，呈块状构造，具有较高的抗压强度，吸水率和孔隙率小，抗冻性好及表观密度大等优点。工程中常见的深成岩有花岗岩、闪石岩、正长岩和橄榄岩等。
（2）喷出岩。喷出岩是岩浆喷出地表后，在压力急剧降低和迅速冷却的条件下所形成的岩石。其特点是岩浆不能全部结晶，或结晶成细小颗粒，所以常呈非结晶的玻璃质结构、细小结晶的隐晶质结构及个别较大晶体嵌在上述结构中的斑状结构。当喷出岩形成很厚的岩层时，其结构、构造和性能接近深成岩；当形成较薄的岩层时，由于气压及冷却速度快的作用呈现多孔状构造，性能低于深成岩。工程中常见的喷出岩有玄武岩、辉绿岩、安山岩等。
（3）火山岩。火山岩是火山爆发时，喷到空气中的岩浆，经急速冷却后而形成的。常见的火山岩有火山灰、火山砂、浮石及火山凝灰岩等。火山岩呈非结晶的玻璃质结构，内部含大量气孔，具有化学活性，磨细加工后可作水泥的混合材料及混凝土骨料。
工程上常见的岩浆岩有以下几种。
1.花岗岩
花岗岩是岩浆岩中分布最广的一种岩石，呈等粒结晶质结构，十分致密。由于有立方体节理的存在，故可开采成整齐大块的石材。
花岗岩主要由石英、长石和少量云母所组成，有时还含有少量的暗色矿物质如角闪石、辉石等。优质的花岗岩其石英含量较多，而云母含量较少，且不含黄铁矿（FeS2）等杂质。黄铁矿与水作用，易氧化成硫酸等，能腐蚀周围矿物，加速岩石的分化。
花岗岩按结晶颗粒大小不同，可分为细粒、粗粒、斑状等不同种类。结晶颗粒细而均匀的花岗岩比粗粒、斑状的花岗岩强度高耐久性也好。
新鲜密实的花岗岩的表观密度为2600～2700kg/m3，抗压强度为120～250MPa，吸水率一般小于1%，有相当好的耐久性和良好的耐磨性。所以是十分优良的建筑石材，广泛应用于各种建筑物中，如修筑桥梁、大型建筑物的基础、闸、坝、防坡堤和码头等。
当花岗岩中所含的长石已开始风化时，花岗岩的强度和耐久性将逐渐降低。因此建造水工建筑物时，应注意选用新鲜的花岗岩。
2.闪长岩
闪长岩是由斜长石、角闪石及少量黑云母与辉石等矿物成分所组成。具有均匀颗粒的结晶结构。它的表观密度为2800～3000kg/m3，抗压强度为150～280MPa，吸水性低，韧性大，耐久性胜过花岗岩。
3.辉长岩
辉长岩主要由斜长石、辉石及少量橄榄石所组成，为等粒结晶质结构和块状。表观密度为2900～3300kg/m3，抗压强度为300～400MPa。具有很高的韧性及抗风化性，是良好的水工建筑材料。
4.辉绿石
辉绿石主要由长石、辉石或橄榄石等矿物成分所组成，为全晶质中粒或细粒结构，呈块状结构。它的表观密度较大，抗压强度达300～400MPa，韧性高，不易磨耗。
5.玄武岩
玄武岩主要是由斜长石、辉石及橄榄石所组成。它的结构大多是玻璃质或隐晶质的。它的构造多为气孔状，也有块状及杏仁状的。致密的玄武岩，其表观密度可达2900～3300kg/m3，抗压强度由于构造不同而波动较大，约为100～500MPa。玄武岩的强度和耐久性都很好，但因硬度高，脆性大，加工困难，主要用作筑路材料、堤岸的护坡等。
2.1.2 常用的沉积岩石材
位于地表面的岩石，经物理、化学和生物等一系列复杂的风化作用下，逐渐被破坏成不同的碎小颗粒和一些溶解物质，这些风化产物经沉积而成的岩石，称为沉积岩。沉积岩的形成是一个缓慢的过程，决定了其特征为层状构造，外观多层里，孔隙率和吸水率较大，表观密度较小，强度较低和耐久性差。常见的沉积岩有石灰岩、砂岩、页岩、石膏、硅藻土、硅藻石及蛋白石等。构成硅藻土、硅藻石及蛋白石的化学成分是非结晶的二氧化碳，具有化学活性，磨细后可做水泥的混合材料。
工程上常用的沉积岩如下。
1.石灰岩
石灰岩简称灰岩，其矿物成分主要是方解石，化学成分主要为碳酸钙（CaCO3），此外尚有氧化硅、白云石及黏土矿物等。石灰岩的结构与构造具有多样性，各种致密的石灰岩，在强度、耐久性等方面均不如花岗岩，表观密度一般在2000～2600kg/m3之间，抗压强度相应地在20～120MPa之间。由于石灰岩分布广，硬度小，易劈裂，开采加工容易，具有一定的强度和耐久性，所以广泛应用于土木工程及一般水利工程中。
硅质石灰岩就是石灰岩中含有较多的氧化硅，强度较高。如含黏土杂质超过3%～4%时，则石灰岩的强度及耐久性将显著降低。石灰岩不能用于含游离CO2较多或酸性较高的水中，因为方解石会被侵蚀，使建筑物破坏。
2.砂岩
砂岩是源区岩石经风化、剥蚀、搬运到盆地中，由石英砂天然胶结物胶结形成的岩石，有时在其中也有长石、云母和其他矿物颗粒。
根据胶结物的不同，砂岩有与其胶结物相对应的名称，如以氧化硅胶结的称硅质砂岩，以碳酸钙胶结的称灰质砂岩，以氧化铁胶结的称铁质砂岩，以黏土胶结的称黏土质砂岩等。
砂岩的性能与胶结物的种类以及胶结的密实程度有关。致密的硅质砂岩坚硬耐久，强度高，性能接近花岗岩，表观密度达2700kg/m3，抗压强度可达250MPa，但较难加工；灰质砂岩加工较易，其强度可达60～80MPa以上，是砂岩中最常用的一种。铁质砂岩次于灰质砂岩，但仍能用于比较次要的工程。黏土质砂岩遇水即行软化，强度显著降低，不能用于水工建筑物。
3.页岩
页岩，顾名思义，是因其具有薄页状或薄片状的节理而得名，主要是由黏土沉积后经压力和温度形成的岩石，其中混杂有长石、石英的碎屑及其他化学物质。工程中用页岩作为烧结砖的原料，或是利用页岩陶粒作为轻集骨架料制备墙体材料。
2.1.3 常用的变质岩石材
变质岩是岩浆岩或沉积岩在地壳变动、岩浆活动或地壳内热流变化等内营力作用下，使其矿物成分、结构构造发生不同程度的变化而形成的岩石。常见的变质岩有片麻岩、大理岩、石英岩及板岩等。
一般由沉积岩形成的变质岩，常较原来的岩石更为紧密，其建筑性能有所提高。由岩浆岩形成的变质岩，往往因为产生了片状构造，其性能较原来的岩石有所降低。
工程常用的变质岩如下。
1.花岗片麻岩
花岗片麻岩由花岗岩变质而成，矿物成分与花岗岩类似，结晶大多是等粒或斑状的呈片麻状构造及条带状构造，主要由石英、云母、长石等组成。其抗压强度（垂直于节理面）为250～400MPa，沿片理较易开采加工，但在冻融循环作用下易成层剥落，易风化，常呈灰白、深灰、灰绿色。优质的花岗片麻岩在用途上与花岗岩基本相同。
2.大理岩
大理岩又称大理石，由石灰岩或白云岩在高温高压下，重新结晶变质而成，主要矿物成分仍是方解石和白云石。经变质后，结晶颗粒直接结合，构造致密，其抗压强度为100～310MPa。大理岩硬度不大，易于加工及磨光，其构造多为块状，部分大理岩还带有特殊图案，如条纹、条带、斑点、斑块等构造。当含杂质时还带有美丽的色彩，如白、灰、黄、绿、浅红等颜色，因此常锯成薄板，用做建筑物内部装饰材料。但是大理岩对二氧化碳和酸的耐久性较差，经常接触就会风化，逐渐失去其美丽的光彩。
3.石英岩
石英岩由砂岩变质而来。经变质后，原来砂岩中的石英颗粒和天然胶结物都重新结晶，因此，石英岩均匀致密，抗压强度较高，为250～400MPa，耐久性很高，但硬度大，故开采加工很困难，一般呈现白、浅灰及淡红色。常以不规则的形状及大块作为地基及边坡处理等的骨料应用于岩土工程中。