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第3章　石　材
3.1　天然岩石的分类
3.2　天然石材的技术性质、类型及选用原则
3.3　人造石材
3.1　天然岩石的分类
3.1.1　造岩矿物
　　岩石由各种地质作用所形成， 是矿物的集合体， 组成岩石的矿物称为造岩矿物。大多数岩石由多种造岩矿物组成， 不同的造岩矿物在不同的地质条件下， 形成不同性质的岩石。 岩石没有确定的化学组成和物理性质， 同种岩石，产地不同，其各种矿物的含量、颗粒结构均有差
异，因而颜色、强度、 耐久性等也有差别。
表3－1　 主要造岩矿物的颜色和特性
3.1.2　岩石的形成及分类
　　岩石按地质形成条件分为火成岩、 沉积岩和变质岩三大类， 它们具有显著不同的结构、 构造与性质。
　　1. 火成岩
　　火成岩又称岩浆岩，是因地壳变动，熔融的岩浆由地壳内部上升后冷却而成。火成岩是组成地壳的主要岩石， 占地壳总重量的89%。火成岩按岩浆冷却条件的不同，又分为深成岩、喷出岩和火山岩三种。
　　（1） 深成岩。
　　深成岩是岩浆在地壳深处， 在很大的覆盖压力下缓慢冷却而成的岩石， 其特性是： 构造致密、表观密度大、 抗压强度高、 吸水率小、 抗冻性好、 耐磨性好， 如花岗岩、 正长岩、 辉长岩、闪长岩等。
　　（2） 喷出岩。
　　喷出岩是熔融岩浆喷出地表后， 在压力降低、 迅速冷却的条件下形成的岩石。 当岩浆形成较厚的岩层时， 其结构致密， 性能接近于深成岩， 但因冷却迅速多呈隐晶质（矿物晶粒细小，肉眼不能识别）或玻璃质， 如建筑上常用的玄武岩、 安山岩等； 若喷出的岩浆层较薄时， 常呈多孔构造。
　　（3） 火山岩。
　　火山岩又称火山碎屑岩。 火山岩是火山爆发时， 岩浆被喷到空中， 急速冷却后落下而形成的碎屑岩石， 如火山灰、 浮石等。火山岩都是轻质多孔结构的材料， 其中火山灰被大量用作水泥的混合材料， 浮石可用作轻质骨料以配制轻骨料混凝土用作墙体材料。
　　2. 沉积岩
　　沉积岩又称水成岩。 地表的多种岩石在外力地质作用下， 经风化、 搬运（风吹搬迁、 流水冲移）、 沉积和再造岩等作用（压固、 胶结、 重结晶等）， 在地表或离地表不太深处形成的岩石。沉积岩大都呈层状结构， 各层岩石的成分、 构造、 颜色、 性能等均不相同， 且为各向异性。与深成火成岩相比， 沉积岩的表观密度小， 结构致密性较差， 孔隙率和吸水率较大， 强度和耐久性较低。
　　沉积岩虽仅占地壳总重量的5%， 但在地球上分布很广、 约占地壳表面积的75%， 加之藏于离地表不太深处， 故易于开采。 沉积岩用途广泛， 其中最重要的是石灰岩。 石灰岩是烧制石灰和水泥的主要原料， 更是配制普通混凝土的重要组成材料。 石灰岩也是修筑堤坝和铺筑道路的原材料。
　　3. 变质岩
　　变质岩由原生的火成岩或沉积岩， 经过地壳内部高温、 高压等变化作用使它们的矿物成分、结构、 构造以及化学组成都发生改变后而形成的岩石。 其中沉积岩变质后， 性能变好， 结构变得致密， 坚实耐久， 如石灰岩变质为大理岩； 而火成岩经变质后， 性质反而变差， 如花岗
岩变质成的片麻岩， 易产生分层剥落， 使耐久性变差。
　3.2　天然石材的技术性质、类型及选用原则
3.2.1　天然石材的特点
　　天然石材是指从天然岩体中开采出来，经过加工成块状或板状材料的总称。天然石材的主要优点是：
　　(1)蕴藏丰富，分布很广，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100MPa以上。
　　(3)耐水性好。
　　(4)耐磨性好。
　　(5)装饰性好。石材具有纹理自然、质感稳重、庄严、雄伟的艺术效果。
　　(6)耐久性好，使用年限可达百年以上。
3.2.2　天然石材的技术性质
　　1．表观密度
　　天然石材按表观密度分为重石和轻石两类，表观密度大于1800kg/m3的为重石，用于建筑物的基础、覆面、房屋的外墙、地面、路面、桥梁以及水下建筑物等。表观密度小于1800kg/m3的为轻石，主要用作砌筑采暖房屋的墙壁。
　　2．抗压强度
　　天然岩石是以70mm×70mm×70mm的立方体试件在水饱和状态下的抗压平均值划分为MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20、MU15和MU109个等级。石材抗拉强度很低，只有抗压强度的1/20～1/50。因此，石材主要用于承受压力。
　　天然石材抗压强度大小，取决于岩石的矿物成分、结晶粗细、胶结物质的种类及均匀性，以及荷载和解理方向等因素。
　　3．抗冻性
　　石材的抗冻性用冻融循环次数表示，在规定的冻融循环次数内，无贯穿裂纹（穿过试件两棱角），重量损失不超过5%，强度降低不大于25%，则为抗冻性合格。
　　石材的抗冻性主要决定于矿物成分、晶粒大小和分布均匀性、天然胶结物的胶结性质、孔隙率及吸水性等性质。石材应根据使用条件选择相应的抗冻性指标。吸水率小于?0.5%?的石材，可以认为是抗冻的。
　　4．耐水性
　　石材的耐水性按软化系数K值的大小可分为高、中、低三等。K＞0.90的石材为高耐水性石材，中耐水性石材K=0.70～0.90，低耐水性石材K=0.60～0.70。一般K＜0.80的石材，不允许用于重要建筑。
　　此外，石材的吸水性、耐磨性及冲击韧性，根据用处不同，对其也有不同要求。
　　我国建筑装饰用饰面石材资源丰富，主要为大理石和花岗石，已探明的储量达30亿m3，且花色品种齐全，质地优良。其中大理石有300多个品种，花岗石100多个品种。
3.2.3　常用的天然岩石
　　1.大理石
　　大理石是指变质或沉积的碳酸盐岩类的岩石。
　　1）大理石的物理力学特性
　　（1）结构致密、抗压强度高。一般强度可达(100～150)MPa，表观密度为2700kg/m3左右。
　　（2）质地致密而硬度不大，故大理石较易进行锯解、雕琢和磨光等加工。
　　（3）装饰性好。大理石一般均含多种矿物，常呈多种色彩组成的花纹；抛光后光洁细腻，如脂似玉，纹理自然。
　　（4）吸水率小，一般小于0.5%。
　　（5）耐磨性好，其磨耗量小。
　　（6）耐久性好，一般使用年限为（40～100）年。
　　（7）抗风化性较差。大理石主要化学成分为CaCO3，易被酸侵蚀，故除个别品种（汉白玉、艾叶青等）外，一般不宜用作室外装修。
　　2）大理石饰面板材规格
　　经矿山开采出来的天然大理石块称为大理石荒料，形状为正方形或矩形六面体，荒料经锯切、研磨、抛光及切割后就成为大理石饰面板材。
　　大理石以其磨光加工后所显示的花色、特征及石材产地来命名。大理石饰面板材有正方形及矩形两种，其标准规格为600mm×600mm，厚度为20mm，进口石材一般约为1600mm×2500mm磨光大板，按设计要求锯解。
　　3）主要品种产地
　　大理石是以云南省大理县的大理城而命名的，所产云灰、汉白玉、彩花大理石名扬中外，大理石的名字也由此而来。大理石的各种花纹，是在其沉积、变质过程中，由于一些矿物质的浸染而形成的。
　　云南大理县的大理石品种繁多、石质细腻、光泽柔润，目前开采利用的主要有三类，即云灰、白色和彩花大理石。
　　云灰大理石因其多呈云灰色，或在云灰底色上泛起朵朵酷似天然云彩状花纹而得名。常用的花纹图案有“微波荡漾”、“惊涛骇浪”、“烟波浩渺”、“水天相连”等。云灰大理石加工性能特别好，主要用来制作建筑饰面板材，是目前开采利用最多的一种。
　　白色大理石洁白如玉、晶莹纯净、熠熠生辉，故又称苍山白玉、汉白玉和白玉。它是雕刻、绘画的好材料，同时又可制成优美的建筑板材。
　　彩色大理石呈薄层状，产于云灰大理石之间，是大理石中的精品，经过研磨、抛光、便显现出色彩斑斓、千姿百态的天然图画，为世界所罕见。
　　此外，山东、陕西、贵州、四川、安徽、江苏、浙江、北京、辽宁、广东、福建、湖北等全国其他24个省市也有大理石出产。
　　作为建筑装修用的饰面石材，对其强度、表观密度、吸水率及耐磨性等不作具体规定，而以其外观质量、光泽度及颜色花纹等作为主要评价和选择指标。大理石板材按外观质量分为一级和二级。表3－3至3－6分别列出了大理石的外型尺寸、角度的允许偏差、平整度以及外观质量的具体要求。
表3－3　天然大理石板材外形尺寸允许偏差
表3－4　天然大理石板材角度允许偏差
表3－5　天然大理石板材表面平整度允许偏差
表3－6　天然大理石板材外观质量要求
表3－6　天然大理石板材外观质量要求
表3－6　天然大理石板材外观质量要求
表3－6　天然大理石板材外观质量要求
　　4）应用
　　天然大理石板材作为高级饰面材料，主要用于建筑装饰等级要求高的建筑物。大理石适用于纪念性建筑和大型公共建筑，如宾馆、展览馆、商场、机场、车站等建筑物的室内墙面、柱面、地面、楼梯踏步等的饰面材料，也可用作楼梯栏杆、服务台、门脸、墙裙、窗台板、踢脚板等。
　　抛光的大理石板光泽可鉴、色彩绚丽、花纹奇异，具有极好的装饰效果。少数质地纯正、杂质少、比较稳定耐久的大理石，如汉白玉、艾叶青等可用于外墙饰面。外装饰用的大理石板材，不必进行抛光，因其光泽遇雨就会消失，故只要采用水磨光滑即可。
　　意大利的大理石堪称质量上乘，品种花式多，产量高，畅销于国际市场。我国一些要求高级装饰的建筑物，也常采用意大利大理石作为饰面材料。
　　用大理石边角料做成的“碎拼大理石”墙面或地面，格调优美、乱中有序、别有风韵，且造价低廉。大理石边角余料可加工成尺寸相同的矩形、方形块料，或锯割成整齐而大小不一的正方形、长方形块材，或锯割成整齐的各种多边形称为冰裂块料，也可不经锯割而呈不规则的毛边碎块。碎拼大理石还可以点缀高级建筑物的庭院走廊等部位，为建筑物增添色彩。
　　2.花岗石
　　花岗石为全晶质结构的岩石，按结晶颗粒的大小不同，分为细粒、中粒和斑状。其颜色和光泽取决于长石、云母及暗色矿物，常呈灰色、黄色、蔷薇色及红色等，以深色花岗石较为名贵。优质花岗石晶粒细而均匀，构造紧密，石英含量多，云母含量少，不含黄铁矿等杂质，长石光泽明亮，没有风化迹象。
　　花岗石的化学成分随产地不同而有所区别，但各种花岗石SiO2含量很高，一般为67%～75%，故花岗石属酸性岩石。某些花岗石含微量放射元素，对这类花岗石应避免用于室内。花岗石主要化学成分如表3－7所示。
表3－7　花岗石主要化学成分
　　1）花岗石的物理力学特性
　　（1）密度大。表观密度为（2600～2800）kg/m3。
　　（2）结构致密，抗压强度高。一般抗压强度可达（120～250）MPa。
　　（3）孔隙率小，吸水率低。
　　（4）材质坚硬，耐磨性优异。
　　（5）化学稳定性好。不易风化变质，耐酸性很强。
　　（6）装饰性好。花岗石色调鲜明，庄重大方，质感坚实，许多著名的纪念性建筑都选用了花岗石，如人民英雄纪念碑、人民大会堂等重要建筑。
　　（7）耐久性好。细粒花岗石使用年限可达（500～1000）年，粗粒花岗石可达（100～200）年。
　　（8）花岗石不抗火。因所含石英在800℃以上的高温下会发生晶态转变，产生体积膨胀。
　　2）花岗石饰面板材规格
　　天然花岗石按图纸要求加工，其标准规格尺寸（单位为mm）有300×300、305×305、400×400?、600×300、610×610、600×600、900×600、1070×750等多个规格。
　　此外对于天然花岗石板材料外形尺寸、表面平整度、角度的允许偏差、外观质量和色斑的允许范围也做了具体规定。
　　3）主要品种产地
　　我国花岗石储量丰富，主要产地有山东的泰山和崂山（北京人民英雄纪念碑取材于此）、四川石棉县（毛主席纪念堂的台基取材于此，为红色花岗石）、湖南衡山、江苏金山和焦山、浙江莫干山、北京西山、安徽黄山和陕西华山，此外福建、广东、河南、山西、黑龙江等地也有出产。
　　4）应用
　　花岗石是公认的高级建筑结构材料和装饰材料，但由于开采运输困难，修琢加工及铺贴施工耗工费时，因此造价较高，一般只用在重要的大型建筑中，例如室外地面、台阶、基座、踏步、墙面、柱面等处。
　　3.石灰岩
　　石灰岩的主要矿物组成为方解石，常含有少量黏土、二氧化硅、碳酸镁及有机物质等。当杂质含量高时，则过渡为其他岩石，如黏土含量为25%～60%时称为泥灰岩，碳酸镁含量为40%～60%时称为白云岩。石灰岩的构造有致密、多孔和散粒等多种形式。松散土状的称为白垩，其组成几乎完全是碳酸钙，是制造玻璃、石灰、水泥的原料；多孔的如贝壳石灰岩可作保温建筑的墙体；密实的即普通石灰岩。
　　各种致密石灰岩表观密度一般为（2000～2600）kg/m3，相应的抗压强度为（20～120）MPa。如黏土杂质含量超过30%～40%，则其抗冻性、耐水性显著降低。含氧化硅的石灰岩，硬度高、强度大、耐久性好。
　　石灰岩的颜色随所含杂质而不同。含黏土或氧化铁等杂质，使石灰岩呈灰、黄或蔷薇色。若含有机物质碳，则颜色呈深灰甚至黑色。
　　石灰岩分布极广，开采加工容易，常作为地方材料，广泛用于基础、墙体及一般砌石工程。石灰岩加工成碎石，可用作碎石路面及混凝土骨料。石灰岩不能用于酸性或含游离二氧化碳较多的水中，因方解石易被侵蚀溶解。
　　4.砂岩
　　砂岩是母岩碎屑沉积物被天然胶结物胶结而成，其主要成分是石英，有时也含少量长石、方解石、白云石及云母等。
　　根据胶结物的不同，砂岩又分为：由氧化硅胶结而成的硅质砂岩，常呈淡灰色或白色；由碳酸钙胶结而成的钙质砂岩，呈白色或灰色；由氧化铁胶结而成的铁质砂岩，常呈红色；由黏土胶结而成的黏土质砂岩，呈灰黄色。
　　砂岩的性能与胶结物种类及胶结的密实程度有关。密实的硅质砂岩坚硬耐久，耐酸，性能接近于花岗岩，可用于纪念性建筑及耐酸工程。钙质砂岩，有一定的强度，加工较易，是砂岩中最常用的一种，但质地较软，不耐酸的侵蚀。铁质砂岩的性能较差，其中胶结密实者，仍可用于一般建筑工程。黏土质砂岩的性能较差，易风化，长期受水作用会软化，甚至松散，在建筑中一般不用。
　　由于砂岩的胶结物和构造的不同，其性能波动很大，抗压强度为（5～20）MPa。同一产地的砂岩性能也有很大差异。建筑上可根据砂岩技术性能的高低，使用于勒脚、墙体、衬面、踏步等处。
　　砂岩产地分布极广，我国各地均有，进口砂岩以澳大利亚和新西兰产的砂岩著名。
3.2.4　天然石材选用原则
　　由于天然石材自重大，运输不方便，故在建筑工程中，为了保证工程的经济合理，在选用石材时必须考虑几点：
　　(1)经济性。尽量就地取材，缩短运距，减轻劳动强度，降低成本。
　　(2)强度与耐久性。石材的强度与其耐久性、耐磨性、耐冲击性等性能密切相关。因此应根据建筑物的重要性及建筑物所处环境，选用足够强度的石材，以保证建筑物的耐久性。
　　(3)装饰性。用于建筑物饰面的石材，选用时必须考虑其色彩及天然纹理与建筑物周围环境的相协调性，充分体现建筑物的艺术美。
3.3　人造石材
3.3.1　人造石材类型
　　人造石材按生产所用的材料，一般可分为四类：
　　1．水泥型人造石材
　　水泥型人造石材是以各种水泥为胶结材料，砂为细骨料，碎大理石、花岗石、工业废渣等为粗骨料，经配料搅拌、成型、蒸压养护、磨光、抛光制成。这种人造石材表面光泽度高、花纹耐久，抗风化力、耐火性、防潮性都优于一般人造石。
　　2．树脂型人造石材
　　树脂型人造石材以有机树脂为胶结剂，与天然碎石、石粉及颜料等配制搅拌成混合料，经浇捣成型、固化、脱模、烘干、抛光等工序制成，是目前国内外主要使用的人造石材。?
　　3．复合型人造石材
　　复合型人造石材是指该石材的胶结料中，既有无机胶凝材料（如水泥），又有有机高分子材料（树脂）。它是先用无机胶凝材料碎石、石粉等胶结成型并硬化后，再将硬化体浸渍于有机单体中，使其在一定条件下聚合而成。
　　4．烧结型人造石材
　　烧结型人造石材的生产与陶瓷工艺相似，将长石、石英、辉绿石、方解石等粉料和赤铁矿粉，与一定量高岭土配合，一般配比为黏土40%、石粉60%，然后用泥浆制备坯料，用半干压法成型，在窑炉中以1000℃左右的高温焙烧而成。
3.3.2　聚酯型人造石材
　　1.原材料及生产
　　由于不饱和聚酯树脂具有黏度小、易于成型、光泽好、颜色浅、容易调配成各种明亮色彩、固化快、可在常温下进行固化等特点，目前使用最广泛的是聚酯型人造石材。它以不饱和聚酯树脂为胶结材料，配以石英砂、大理石渣、大理石粉、方解石粉等无机填料，再加入适量的颜料和少量固化剂，拌制成混合料，经注模成型、固化、脱模、烘干、抛光等工序，制成具有某些天然石材色彩和质感的饰面石材或制品，又称聚酯合成石。
　　2.聚酯合成石的特性
　　聚酯合成石与天然岩石相比，其表观密度较小、强度较高，同时还有以下特点：
　　（1）生产设备简单、工艺不复杂。聚酯合成石可以按照设计要求制成各种颜色、纹理、光泽和各种几何形状与尺寸的板材及制品，比加工天然石材容易得多。
　　（2)色彩花纹仿真性强，装饰性好。其质感和装饰效果完全可与天然大理石和天然花岗石媲美。
　　（3)强度高、不易碎，板材薄、重量轻，可直接用聚酯砂浆进行粘贴施工。对减轻建筑物自重及降低建筑成本有利。
　　（4)耐腐蚀。因采用不饱和聚酯树脂作胶结料，故合成石具有良好的耐酸、碱腐蚀性和抗污染性。
　　（5)可加工性好。比天然大理石易于锯切、钻孔，便于施工。
　　（6)会老化。聚酯合成石由于采用了有机胶结料，在大气中长期受到阳光、空气、水分等综合作用后，会逐渐老化。老化后表面将失去光泽、颜色变暗，从而降低其装饰效果。但如果在室内使用，老化速度变慢，耐久性相对提高。
　　3.聚酯合成石的种类及制品
　　聚酯合成石由于生产时所加颜料不同，采用的天然石料种类、粒度和纯度不同，以及制作的工艺方法不同，所以制成的合成石的花纹、图案、颜色和质感也就不同。通常制成仿天然大理石、天然花岗石和天然玛瑙石的花纹和质感，故分别称为人造大理石、人造花岗石和人造玛瑙。另外，还可以制成具有类似玉石色泽和透明状的人造石材，称为人造玉石。人造玉石甚至可以惟妙惟肖的仿造出紫晶、彩翠、芙蓉、山田玉等名贵玉石产品，达到以假乱真的程度。
　　聚酯合成石通常制作成饰面人造大理石板材、人造花岗石板材和人造玉石板材，以及制作卫生洁具，如浴缸、带梳妆台的单、双盆洗脸盆、立柱式脸盆、坐便器等，另外，还可制成人造大理石壁画等工艺品。
　　意大利、伊朗等国生产的仿天然大理石条纹的人造石材，其外貌与天然大理石极为相像，堪称独特产品，但价格昂贵。
　　4.聚酯合成石的应用
　　人造大理石和人造花岗石饰面板材，主要用作宾馆、商店、办公大楼、影剧院、会客室及休息厅等的室内墙面、柱面及地面的装饰材料，也可用作工厂、学校、医院等的工作台台面板。人造玛瑙和人造玉石主要用于高级宾馆和住宅的墙面装饰，以及卫生间的卫生洁具。人造石材工艺品主要用于各种装璜广告、壁画、雕塑、建筑浮雕等。

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