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。
特点
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。
分类
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。
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。
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。
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。
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。
应用
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。
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。