天然石材的技术性质

    第二节　天然石材的技术性质

    天然石材的技术性质分为物理性质、力学性质和工艺性质。由于天然石材的生成条件各异，所含杂质和矿物也不尽相同，所以表现出来的性能有很大的差异。土木工程中应用天然石材时，应了解石材的各种性质，并严格检验，以确保工程质量。

    一、物理性质

    （一）表观密度

    天然石材表观密度与其矿物组成及致密程度有关。致密的石材，如花岗岩、大理石等，其表观密度接近于其密度，为2　500～3　100 kg／m³；而孔隙率较大的石材，如火山凝灰岩、浮石等，其表观密度为500～1700 kg／m³。一般来说石材的表观密度越大，孔隙率越小，其抗压强度越高，吸水率越小，耐久性越好。

    天然石材按表观密度大小分为轻质石材（表观密度≤1800 kg／m³）、重质石材（表观密度＞1800 kg／m³）。重质石材可用于建筑的基础、贴面、地面、不采暖房屋外墙、桥梁及水工构筑物等。轻质石材主要用于保温房屋外墙。

    （二）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，如深成岩以及许多变质岩，它们的孔隙率都很小，因而吸水率也很小。沉积岩孔隙率与孔隙特征的变化范围较大（1%～15%）。

    根据吸水率的大小可以把岩石分为低吸水性岩石（吸水率低于1.5%）、中吸水性岩石（吸水率介于1.5%～3.0%）和高吸水性岩石（吸水率高于3.0%）。

    石材的吸水性对其强度与耐水性的影响很大，吸水后石材会降低颗粒间的黏结力，从而使强度降低，抗冻性、耐久性、导热性也会有所下降。

    （三）耐水性

    当石材含有较多的黏土或易溶物质时，软化系数较小，耐水性较差。石材的耐水性用软化系数表示，根据软化系数大小石材可分为三个等级。

    （1）高耐水性石材：软化系数大于0.9。

    （2）中耐水性石材：软化系数0.7～0.9。

    （3）低耐水性石材：软化系数0.6～0.7。

    一般软化系数小于0.6的石材，不允许用于重要建筑物中。

    （四）抗冻性

    石材的抗冻性用冻融循环次数来表示，是指石材在水饱和状态下，保证强度降低值不超过25%、质量损失不超过5%、无贯通裂缝的条件下能经受的冻融循环次数。石材抗冻标号分为：F5、F10、F15、F25、F50、F100、F200等。抗冻性是衡量石材耐久性的一个重要指标，石材的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。一般认为吸水率小于0.5%的石材是抗冻的，可不进行抗冻试验。

    （五）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，或由于高温使岩石中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℃以上时就开始破坏；含碳酸镁的石材，当温度高于725℃时会发生破坏等。

    （六）导热性

    石材的导热性主要与致密程度有关。重质石材的导热系数可达2.91～3.49 W／（m·K）；轻质石材的导热系数在0.23～0.70 W／（m·K）之间。具有封闭孔隙石材的导热性差。相同成分的石材，玻璃态比结晶态的导热系数小。

    二、力学性质

    （一）抗压强度

    根据GB　50003—2011《砌体结构设计规范》的规定，石材的抗压强度是以边长为70 mm的立方体抗压强度值表示，根据抗压强度值的大小，天然石材强度等级分为MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20共7个等级。由于在测定立方体抗压强度时“环箍效应”的影响，试件尺寸越大，测定值比实际值越低，因此不同尺寸的试件对应不同的尺寸换算系数。不同尺寸的石材尺寸换算系数见表3－2。

    

    表3－2　石材的尺寸换算系数

    

    天然岩石抗压强度的大小，取决于岩石的矿物组成、结构与构造特征、胶结物质的种类及均匀性等因素。例如组成花岗岩的主要矿物成分中石英是很坚硬的矿物，其含量愈高则花岗岩的强度也愈高；而云母为片状矿物，易于分裂成柔软薄片，云母愈多则其强度愈低。沉积岩的抗压强度则与胶结物成分有关，由硅质物质作为胶结剂，其抗压强度较大，以石灰质物质胶结的次之，泥质物质胶结的则最小。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的高，构造致密的石材强度较疏松多孔的高。层状、带状或片状构造石材，其垂直于层理方向的抗压强度较平行于层理方向的高。

    （二）冲击韧性

    天然岩石的抗拉强度比抗压强度小得多，为抗压强度的1／10～1／20，是典型的脆性材料，这是石材与金属材料和木材相区别的重要特征，也是限制其使用范围的重要原因。

    石材的冲击韧性取决于矿物组成与构造。石英和硅质砂岩脆性很大，含暗色矿物较多的辉长岩、辉绿岩等具有相对较大的韧性。通常，晶体结构的岩石较非晶体结构的岩石韧性好。

    （三）耐磨性

    耐磨性是指石材在使用条件下抵抗摩擦、边缘剪切以及冲击等复杂作用的性质。石材的耐磨性以单位面积磨耗量表示。石材的耐磨性与其内部组成矿物的硬度、结构、构造特征以及石材的抗压强度和冲击韧性等性质有关。组成矿物愈坚硬、构造愈致密以及抗压强度和冲击韧性愈高，则石材的耐磨性愈好。

    （四）硬度

    岩石的硬度以莫氏硬度或肖氏硬度表示，它取决于岩石组成矿物的硬度与构造。凡由致密、坚硬矿物组成的石材，其硬度就高。一般抗压强度高的，硬度也大。岩石的硬度越大，其耐磨性和抗刻画性能越好，但表面加工越困难。

    三、工艺性质

    石材的工艺性质是指其开采及加工过程的可能性及难易程度，包括加工性、磨光性和抗钻性。

    （一）加工性

    加工性是指对岩石开采、劈解、切割、凿琢、研磨、抛光等加工工艺的难易程度。影响石材加工性的主要因素有：强度和硬度、矿物成分、化学成分及岩石的结构构造。对于强度、硬度、韧性较高的石材，不易加工；石英和长石含量越高，越难加工；质脆而粗糙，有颗粒交错，含有层状或片状结构以及已风化的岩石，都难以满足加工要求。

    （二）磨光性

    磨光性是指岩石能否研磨、抛光成光滑表面的性质。致密、均匀、细粒的岩石，一般都有良好的磨光性。通过一定的研磨、抛光工艺可获得光亮、洁净的表面，从而充分展现天然石材斑斓的色彩和纹理质感，获得良好的装饰效果。疏松多孔、鳞片状结构的岩石，磨光性都较差。

    （三）抗钻性

    抗钻性是指岩石钻孔的难易程度。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。