2.2 天然石材的技术性质及应用
天然石材在土木及水利工程中，除广泛的用作混凝土的骨料外，主要是以规则或不规则的大块石材砌筑或堆筑成整体的建筑物。常见的堆石工程有堆石坝、防波堤等。常见的砌石工程有砌石坝、护岸、挡土墙、码头、渠道等。
2.2.1 天然石材的主要技术性质
用于砌石或堆石工程的天然石材，其性质主要取决于他们的矿物组成、结晶程度、结构与构造特征，还受一系列外界条件的影响，如风化、日晒、浸水、冻融、负重作用及开采加工所造成的缺陷等。物理性质主要包括表观密度、抗冻性、软化系数、吸水性和抗风化性。力学性质主要指抗压强度。在某些情况下还应考虑溶解度、抗剪强度、摩擦系数、磨损与磨耗以及撞击韧性等。
1.物理性质
（1）表观密度。石材的表观密度主要取决于其矿物成分、结构特征及孔隙率。一般表观密度大的石材，都比较密实，故其强度较高，吸水率较小，抗冻性也较好。因此，可以把表观密度的大小作为石材质量的粗略估价。
一般致密性较好的石材其表观密度接近于真实密度，在2500～3100kg/m3之间；孔隙率较大的石材，其表观密度仅为500～1700kg/m3。表观密度大于1800kg/m3的石材称为重质石材，通常作为承重材料、耐磨擦材料及装饰材料，如大理石、花岗岩等。表观密度小于1800kg/m3的石材称为轻质石材，可作为轻质保温材料，如浮石。
（2）抗冻性。天然石材的抗冻性也取决于其矿物成分、结构及其构造。当石材中含有较多的黑云母、黄铁矿、黏土等物质时，易于风化，抗冻性较差。具有等粒结晶结构的石材，其抗冻性比玻璃质或斑状结构的石材较好。
疏松多孔或具有层理构造的石材，其孔隙率、吸水率较大，抗冻性远较均匀致密的石材为差。
按石材在水饱和状态下所能经受的冻融循环次数，其抗冻等级可分为5、10、15、25、50、100及200七个等级。一般认为吸水率小于0.5%的石材，冰冻破坏的可能性很小，可以考虑不做抗冻性实验。
（3）软化系数。软化系数是评价石材耐水性的重要指标，依据其大小，将石材的耐水性分为高、中、低三个等级。软化系数介于0.60～0.75之间的石材称为低耐水性；软化系数介于0.75～0.90之间的石材称为中耐水性；软化系数大于0.90的石材称为高耐水性；当岩石中含有较多的黏土或易溶于水的物质时，岩石在遇水后，或软化，或导致其强度下降。因此，用于水工建筑物中的石材，应考虑石材的软化系数。一般在水利水电工程中经常与水接触的建筑物，石材的软化系数不应小于0.75。
（4）吸水性。天然石材的吸水性，即吸水能力，主要取决于矿物组成、孔隙结构特征和孔隙率。主要以吸水率来衡量：吸水率小于1.5%时，称为低吸水性岩石；吸水率介于1.5%～3.0%时，称为中吸水性岩石；吸水率大于3.0%时，称为高吸水性岩石。不同的岩石其吸水性差异很大，致密的石材如石灰岩其吸水率低于1%，花岗岩其吸水率不足0.5%；而多孔的贝壳石灰岩其吸水率高于15%，浮石其吸水率高达30%以上。石材吸水后降低了颗粒之间的黏结力，故其强度有所下降，耐水性及抗冻性变差，导热性变大。
（5）抗风化性。地壳表层的岩石在日晒、风、气温变化、水冰和空气等作用下及生物活动等因素的影响下，导致岩石矿物成分、化学成分以及结构构造特征发生变化，使岩石逐渐发生剥落、开裂及破坏的过程称为岩石的风化。
岩石的抗风化性与其矿物组成、结构和构造特征有关。岩石风化后其强度会降低，因此可用风化后的岩石与新鲜岩石的单轴抗压强度的比值kw来衡量岩石的风化程度，见表2.1。
表2.1 岩石风化程度
2.力学性质
岩石的力学性能主要考虑其抗压强度，取决于岩石的矿物组成、结晶程度、孔隙结构特征和风化程度等。依据《砌体结构设计规范》（GB 50003—2011）规定：砌筑石材的强度等级以三块70mm×70mm×70mm立方体试件，在干燥状态下，用标准方法所测得的极限抗压强度平均值（MPa）来表示，根据抗压强度值的大小，将天然石材划分为7个强度等级：MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30及MU20。
在水利水电工程中，试验时也可采用非标准尺寸的立方体或圆柱体试件，可按50mm×50mm×50mm柱体或φ50mm×100mm圆柱体试件，在浸水饱和状态下测得的极限抗压强度，可划分为100、80、70、80、50、30等6个等级，但需采用适当系数进行换算。对有层理、片理构造的天然石材，在测抗压强度时，其受力方向，应与石材在砌体中的实际受力方向相同。在水利水电工程中所用石材强度等级一般均应大于30MPa。
2.2.2 天然砌筑石材
1.石材的选用原则
选用石材，一般主要考虑使用性和经济性两个原则，有些还需考虑美观、环保等性能。
（1）使用性。石材选用的关键是看其使用的环境条件、使用的部位、受力程度、设计年限等。在处于高温、高湿、严寒、浸水及有腐蚀介质等环境中的石材，应考虑其耐热性、耐水性、抗冻性、耐化学侵蚀性等性能；用作地面、踏步、台阶等的石材，要考虑其耐磨、坚韧性等性能；用作承重构件的石材要考虑其抗压、抗剪强度等性能；用作装饰的石材，应考虑其外观、花纹及色彩，可雕琢、可打磨性等性能。
（2）经济可行性。工程所用的石材，依据其使用性来确定其可行性。石材若密度大、强度高，不便于开采和加工利用。应尽可能就地取材，减少运输、加工的程序，合理利用石材资源。
2.工程上常用的天然石材
（1）毛石。毛石是由爆破直接得到的、形状不规则的块状石或片状石，又称片石或块石。依其表面的平整程度分为乱毛石和平毛石两种。毛石在工程中用途广泛，常用于砌筑基础、墙身、勒脚、挡土墙、堤坝等。
1）乱毛石：各个面的形状均不规则的毛石称为乱毛石。一般在同一个方向上的尺寸为300～400mm，强度不低于10MPa，质量为20～30kg，软化系数不应低于0.75。
2）平毛石：将乱毛石稍做加工后，形状较整齐规则，但表面略粗糙的毛石称为平毛石。其中部厚度不应低于200mm。
（2）料石。料石指由机械或人工开采的、并略加凿琢而成的，具有较规则平整的加工面。按石材表面加工的平整程度分为4种。
1）毛料石：毛料石为大致方正的块石，并具有两个大致平行的面，一般不做加工或加工较少。其厚度与高度不小于20cm的块料，抗压强度不低于30MPa。多用于砌筑一般建筑物的主要部位。
2）粗料石：粗料石规格尺寸同细料石，但表面凹凸深度不大于2cm。用于拱、墩墙等部位。
3）半细料石：规格尺寸同粗料石，但叠切面凹凸深度不大于1.5cm。
4）细料石：表面经过细加工，外形规则，表面凹凸深度不大于0.20cm，截面的宽度、高度不少于20cm，且不小于长度的1/3，多用于涵闸的门槽部位。
（3）石板。指对采石场所开采的石材经人工开凿或锯成的板材，长度和宽度一般为30～120cm，厚度为3～12cm。
1）粗面板材：粗面板材是断开表面规则，但较粗糙的板材。
2）细面板材：细面板材为表面平整、光滑的板材。
3）镜面板材：镜面板材指表面平整、光滑，具有镜面光泽的板材，如大理石。
（4）道砟材料。主要指碎石、砾石及砂。
1）碎石道砟：开采或加工坚韧的岩浆岩或沉积岩时的小粒径石材及大粒径石材经过破碎而得到的石材称为碎石道砟。按其粒径可分为标准道砟（20～70mm）和中道砟（15～40mm）。前者一般应用于新建、大修与维修铁道线路上，后者主要应用于垫砂铺道。
2）砾石道砟：分天然级配砾石道砟和筛选砾石道砟两种。天然级配砾石道砟是砾石和砂子的混合物，但含有一定的比例，3～60mm粒径的砾石占总混合量的50%～80%，砂子（粒径小于3mm）约占总混合量的20%～50%。筛选砾石道砟是由天然级配砾石（粒径为5～40mm）与规定数量的碎石材（粒径为5～40mm）组成的。
3）砂子道砟：基本组成为坚韧的石英砂，大于0.5mm的颗粒应超过总质量的50%，尘末和黏土的含量必须在规定的范围之内。