石材与气硬性胶凝材料Word文档下载推荐.docx
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当喷出的岩浆形成较厚的岩层时，其结构及性质接近深成岩；
当喷出的岩浆形成较薄的岩层时，由于压力小及冷却速度快，大部分岩浆形成玻璃质结构及多孔状构造，其性质近似于火山岩。
常见的喷出岩有辉绿岩、玄武岩、安山岩等。
③火山岩
火山岩是火山爆发时，岩浆被喷到空中而急速冷却后形成的岩石。
由于冷却速度过快未能结晶，排除大量水蒸气及其他气体，因而形成玻璃质结构及多孔状构造。
有散粒状的火山岩，如火山灰、火山砂、浮石等。
也有由散粒状火山岩堆积而受到覆盖层压力作用并凝聚成大块的胶结火山岩，如火山凝灰岩。
（2） 沉积岩
沉积岩又称水成岩，是由地表的各类岩石经自然界的风化作用破坏后被水流、冰川或风力搬运至不同地方，再经逐层沉积并在覆盖层的压力作用或天然矿物胶结剂的胶结作用下重新压实胶结而成的岩石。
主要存在于地表及不太深的地下。
具有明显的层状构造，各层的成分、
结构、颜色、厚度都有差异。
不如岩浆岩致密，表观密度小，孔隙率和吸水率大，强度较低，耐久性较差。
根据沉积方式，又可分为以下三种:
①机械沉积岩它是各种岩石风化后，经流水、冰川或风力作用搬运，逐渐沉积而成。
这类岩石的特点是矿物成分复杂，颗粒粗大。
散状的有粘土、砂、砾石等，它们经自然胶结物胶结成后就形成相应的页岩、砂岩、砾岩等。
②化学沉积岩原生岩石经化学分解后，其中的易溶组分常呈溶液或胶体被水流搬运至低洼处沉淀形成。
这类岩石的特点是颗粒细，矿物成分较单一，物理力学性能也较机械沉积岩均匀。
化学沉积岩主要有菱镁矿、白云岩、石膏及部分石灰岩等。
③生物沉积岩由海水或淡水中的生物死亡后的残骸沉积而成。
这类岩石大都质轻松软，强度极低。
主要的生物沉积岩有石灰岩、石灰贝壳岩、白垩、硅藻土等。
（3） 变质岩
变质岩是地壳中原有的各类岩石，在地层的压力或温度作用下，原岩石在固体状态下发生变质作用而形成的新岩石。
变质的结果，不仅可以改变岩石的结构和构造，甚至生成新的矿物。
通常，沉积岩在变质时，由于受到高压重结晶的作用，形成的变质岩较原来的沉积岩更为紧密，建筑性能有所提高。
例如，由石灰岩或白云岩变质而成的大理岩，由砂岩变质而成的石英岩均比原来的岩石坚实耐久。
相反，原为深成岩的岩石，经过变质后，产生了片状构造，其性能反而不及原来的深成岩，例如，由花岗岩变质而成的片麻岩，比花岗岩更易于分层剥落，耐久性降低。
2.2土木工程中常用的岩石及其加工类型
2.2.1土木工程中常用的岩石
（1）花岗岩
花岗岩是岩浆岩中分布较广的一种岩石，主要由石英、长石及少量暗色矿物和云母（或角闪石）组成。
花岗岩呈全晶质结构，按结晶颗粒大小，分为细粒、中粒、粗粒、斑状等多种。
其颜色与光泽由长石、云母及暗色矿物而定，通常呈灰白、微黄、淡红等色。
花岗岩的技术特性是表观密度大，达2700kg/m3；
抗压强度高，可达120～250MPa；
抗冻性好，可达100～200次冻融循环；
吸水率小；
耐磨性好；
耐久性相当高，使用年限为75～200年。
花岗岩中所含石英在573～870℃时发生晶型转变，体积膨胀而引起破坏，因此，其耐火性不好。
在土木工程中，花岗岩常用于作基础、闸坝、桥墩、台阶、路面、墙石和勒脚及纪念性建筑物等。
（2）玄武岩
玄武岩是分布最广的喷出岩，由斜长石、辉石和橄榄石组成。
颜色较深，常呈玻璃质或隐晶质结构，有时也呈多孔状或斑状构造。
硬度高，脆性大，抗风化能力强，表观密度为2900～3500kg/m3，抗压强度为100～500MPa。
常用作高强混凝土的骨料，也用其铺筑道路的路面。
（3）石灰岩
俗称灰石或青石，是分布极广的沉积岩。
主要化学成分为CaCO3，主要矿物成分为方解石。
但常含有白云石、菱镁矿、石英、蛋白石、含铁矿物及粘土等。
因此，石灰岩的化学成分、矿物组成、致密程度以及物理性质等差别甚大。
石灰岩通常为灰白色、浅灰色，常因含有杂质而呈现深灰、灰黑、浅黄、浅红等颜色，表观密度为2600～2800kg/m3，抗压强度为20～160MPa，吸水率为2%～10%，岩石中粘土含量不超过3%～4%，也有较好的耐水性和抗冻性。
石灰岩来源广，硬度低，易劈裂，便于开采，具有一定的强度和耐久性，因而广泛用于土木工程中。
其块石可作基础、墙身、阶石及路面等，其碎石是常用的混凝土骨料。
此外，它也是生产水泥和石灰的主要原料。
（4）砂岩
砂岩主要是由石英砂或石灰岩等细小碎屑经沉积并重新胶结而成的岩石。
它的性质决定于胶结物的种类及胶结的致密程度。
以氧化硅胶结而成的称硅质砂岩；
以碳酸钙胶结的称钙质砂岩；
还有铁质砂岩和粘土质砂岩。
砂岩的主要矿物为石英，次要矿物有长石、云母及粘土等。
致密的硅质砂岩的性能接近于花岗岩，密度大、强度高、硬度大、加工较困难，可用于纪念性建筑及耐酸工程等；
钙质砂岩的性质类似于石灰岩，抗压强度为60～80MPa，较易加工，应用较广，可作基础、踏步、人行道等，但不耐酸的侵蚀；
铁质砂岩的性能比钙质砂岩差，其密实者可用于一般建筑工程；
粘土质砂岩浸水易软化，土木工程中一般不用。
（5）大理岩
大理岩又称大理石，是由石灰岩或白云石经高温高压作用，重新结晶变质而成。
表观密度为2500～2700kg/m3，抗压强度为50～140MPa，耐用年限为30～100年。
大理石构造致密，密度大，但硬度不高，易于分割。
纯大理石常呈雪白色，含有杂质时，呈现黑、红、黄、绿等各种色彩。
锯切、雕刻性能好，磨光后非常美观，可用于高级建筑物的装饰和饰面工程。
但由于其主要成分为碳酸钙，易被酸侵蚀，所以除个别品种（如汉白玉）外，一般不宜用作室外装饰。
我国的汉白玉、丹东绿、雪花白、红奶油、墨玉等大理石均为世界著名的高级建筑装饰材料。
（6）石英岩
石英岩是由硅质砂岩变质而成。
晶体结构，岩体均匀致密，抗压强度大（250～400MPa），耐久性好。
但硬度高，加工困难。
常用作重要建筑物的贴面石，耐磨耐酸的贴面材料，其碎块可用于道路或作混凝土的骨料。
（7）片麻岩
片麻岩是由花岗岩变质而成。
其矿物成分与花岗岩相似，呈片状构造，因而各个方向的物理力学性质不同。
在垂直于解理（片层）方向有较高的抗压强度，可达120～200MPa。
沿解理方向易于开采加工，但在冻融循环过程中易剥落分离成片状，故抗冻性差，易于风化。
常用作碎石、块石及人行道石板等。
2.2.2石材的加工类型
土木工程中使用的天然石材常加工为散粒状、块状，形状规则的石块、石板，形状特殊的石制品等。
（1）砌筑用石材
砌筑用石材分为毛石、料石两类。
1）毛石
毛石（又称片石或块石）是由爆破直接得到的石块。
按其表面的平整程度分为乱毛石和平毛石两类:
①乱毛石它是形状不规则的毛石。
一般在一个方向的尺寸达300～400mm，质量为20～30kg的石块，其强度不宜小于10MPa，软化系数不应小于0.75。
常用于砌筑基础、勒脚、墙身、堤坝、挡土墙等，也可作毛石混凝土的骨料。
②平毛石它是乱毛石略经加工而成的石块。
形状较整齐，但表面粗糙，其中部厚度不应小于200mm。
2）料石
料石（又称条石）是由人工或机械开采出的较规则的并略加凿琢而成的六面体石块。
按料石表面加工的平整程度可分为以下四种:
①毛料石一般不加工或仅稍加修整，为外形大致方正的石块。
其厚度不应小于200mm，长度常为厚度的1.5～3倍，叠砌面凹凸深度不应大于25mm。
②粗料石外形较方正，截面的宽度、高度不应小于200mm，而且不小于长度的1/4，叠砌面凹凸深度不应大于20mm。
③半细料石外形方正，规格尺寸同粗料石，但叠砌面凹凸深度不应大于15mm。
④细料石经过细加工，外形规则，规格尺寸同粗料石，其叠砌面凹凸深度不应大于10mm。
制作为长方形的称作条石，长宽高大致相等的称方料石，楔形的称为拱石。
上述料石常用致密的砂岩、石灰岩、花岗岩等开采凿制，至少应有一个面的边角整齐，以便相互合缝。
料石常用于砌筑墙身、地坪、踏步、拱和纪念碑等；
形状复杂的料石制品可用于柱头、柱基、窗台板、栏杆和其他装饰等。
（2）板材
用致密岩石凿平或锯解而成的厚度一般为20mm的石材，称为板材。
常用于建筑装饰工程，作为墙面和地面的饰面材料。
常根据其形状分为普型板材和异型板材:
普型板材（N）:
正方形或长方形板材。
异型板材（S）:
其他形状的板材。
（3）颗粒状石料
①碎石天然岩石经人工或机械破碎而成的粒径大于5mm的颗粒状石料。
其性质决定于母岩的品质。
主要用于配制混凝土或作道路、基础等的垫层。
②卵石母岩经自然条件风化、磨蚀、冲刷等作用而形成的表面较光滑的颗粒状石料。
用途同碎石，还可作为装饰混凝土（如粗露石混凝土等）的骨料和园林庭院地面的铺砌材料等。
③石渣用天然大理石或花岗石等的残碎料加工而成，具有多种颜色和装饰效果。
可作人造大理石、水磨石、斩假石、水刷石等的骨料，还可用于制作干粘石制品。
2.2.3石材的选用
在建筑设计和施工中，应根据适用性和经济性的原则选用石材。
适用性主要考虑石材的技术性能是否能满足使用要求。
可根据石材在建筑物中的用途和部位，选择其主要技术性质能满足要求的岩石。
如承重用的石材（基础、勒脚、柱、墙等），主要应考虑其强度等级、耐久性、抗冻性等技术性能；
围护结构用的石材应考虑是否具有良好的绝热性能；
用作地面、台阶等的石材应坚硬耐磨；
装饰用的构件（饰面板、栏杆、扶手等），需考虑石材本身的色彩与环境的协调及可加工性等；
对处在高温、高湿、严寒等特殊条件下的构件，还要分别考虑所用石材的耐久性、耐水性、抗冻性及耐化学侵蚀性等。
经济性主要考虑天然石材的密度大，不宜长途运输，应综合考虑地方资源，尽可能做到就地取材。
2.3石材的技术性质
天然石材的技术性质可分为物理性质、力学性质与工艺性质。
天然石材因生成条件各异常含有不同种类的杂质，矿物成分会有所变动，所以，即使是同一类岩石，它们的性质也可能有很大差别。
因此，在使用时都必须进行检验和鉴定，以保证工程质量。
2.3.1物理性质
（1）表观密度
它与矿物组成、孔隙率及含水率有关。
致密的石材，如花岗岩、大理岩等，其表观密度接近于密度，一般为2500～3100kg/m3。
而孔隙较多的石材，如火山凝灰岩、浮石等，其表观密度远小于密度，为500～1700kg/m3。
表观密度的大小常间接反映石材的致密程度与孔隙多少。
在通常情况下，同种石材的表观密度越大，则抗压强度越高，吸水率越小，耐久性越强，导热性越好。
天然石材根据表观密度大小可分为:
轻质石材表观密度<
1800kg/m3，多用作墙体材料。
重质石材表观密度>
1800kg/m3，可用于基础、桥涵、挡土墙及道路等方面。
（2）吸水性
主要与石材的孔隙率及孔隙特征有关，同时还与其中的矿物组成、湿润性及浸水条件有关。
一般来说，开口孔隙易被水浸入，而对于闭口孔隙，水不易浸入。
孔隙特征相同的石材，其孔隙率越大，则吸水率越高。
岩浆深成岩以及许多变质岩，它们的孔隙率都很小，故吸水率也很低，例如花岗岩的吸水率通常小于0.5%。
沉积岩由于形成条件、密实程度与胶结情况有所不同，因而孔隙率与孔隙特征的变动很大，这导致石材吸水率的波动也很大，例如致密的石灰岩，它的吸水率可小于1%，而多孔贝壳石灰岩可高达15%。
石材的湿润性与其中矿物组成的亲水性有关。
由于酸性岩石如花岗岩等，含有亲水性较好的矿物，故比起碱性岩石如石灰石等，具有较大的湿润性，因而吸水性较强。
石材的吸水性还与饱和系数大小有关，饱和系数是指材料的体积吸水率与开口孔隙率之比。
饱和系数越大，吸水性越强。
而且石材的吸水程度与浸水时间有关，浸水时间越长，吸水程度越大。
吸水率低于1.5%的岩石称为低吸水性岩石，介于1.5%～3.0%的称为中吸水性岩石，高于3.0%的称为高吸水性岩石。
石材的吸水性对其强度与耐水性有很大影响。
石材吸水后，会降低颗粒之间的粘结力，从而使强度降低。
有些岩石还容易被水溶蚀，因此，吸水性强及易溶的岩石，其耐水性较差。
石材的吸水性还与其他一些性质，如导热性、抗冻性等有着密切的关系。
（3）耐水性
石材的耐水性以软化系数表示。
岩石中含有较多的粘土或易溶物质时，软化系数则较小，其耐水性较差。
根据软化系数大小，可将石材分为高、中、低三个等级。
软化系数>
0.90为高耐水性，软化系数在0.75～0.90的为中耐水性，软化系数在0.60～0.75的为低耐水性，软化系数<
0.60者不允许用于重要建筑物中。
（4）抗冻性
石材的抗冻性是根据石材在水饱和状态下能经受的冻融循环次数（强度降低值不超过25%，质量损失不超过5%，无贯穿裂缝）来表示。
根据能经受的冻融循环次数，可将石材分为:
5、10、15、25、50、100及200等标号。
根据经验，吸水率<
0.5%的石材，则认为是抗冻的，可不进行抗冻试验。
（5）耐热性
耐热性与其化学成分及矿物组成有关。
含有石膏的石材，在100℃以上时就开始破坏；
含有碳酸镁的石材，温度高于725℃会发生破坏；
含有碳酸钙的石材，温度达到827℃时开始破坏。
由石英与其他矿物所组成的结晶石材如花岗岩等，当温度达到700℃以上时，由于石英受热发生膨胀，强度迅速下降。
（6）导热性
主要与其致密程度有关。
重质石材的导热系数可达2.91～3.49W/（m·
K），轻质石材的导热系数则在0.23～0.70W/（m·
K）。
具有封闭孔隙的石材，导热性较差。
2.3.2力学性质
（1）抗压强度
石材的抗压强度是以三个边长为70mm的立方体试块的抗压强度平均值表示。
根据抗压强度值的大小，石材共分九个强度等级:
MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20、MU15、MU10。
抗压试件也可采用表2.1所列边长尺寸的立方体，但应对其试验结果乘以相应的换算系数。
表2.1石材强度等级的换算系数
立方体边长/mm
200
150
100
70
50
换算系数
1.43
1.28
1.14
1.
0.86
矿物组成对石材抗压强度有一定影响。
例如，组成花岗岩的主要矿物成分中石英是很坚硬的矿物，其含量越高则花岗岩的强度也越高，而云母为片状矿物，易于分裂成柔软薄片，因此，云母含量越多则其强度越低。
沉积岩的抗压强度还与胶结物成分有关，由硅质物质胶结的其抗压强度较大，石灰质物质胶结的次之，泥质物质胶结的则最小。
结构与构造特征与抗压强度也有很大影响，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，构造致密的强度较疏松多孔的高，具有层状、片状或带状构造的石材，其垂直于层理方向的抗压强度较平行于层理方向的高。
（2）冲击韧性
天然石材是典型的脆性材料，其冲击韧性决定于岩石的矿物成分与构造。
石英岩、硅质砂岩脆性较大。
含暗色矿物较多的辉长岩、辉绿岩等具有较高的韧性。
通常，晶体结构的岩石较非晶体结构的岩石具有较高的韧性。
（3）硬度
它取决于矿物组成的硬度与构造。
凡由致密、坚硬矿物组成的石材，其强度就高。
岩石的硬度以莫氏硬度表示。
（4）耐磨性
它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。
组成矿物越坚硬构造越致密，以及抗压强度和冲击韧性越高，则石材的耐磨性越好。
凡是用于可能遭受磨损作用的场所，例如台阶、人行道、地面、楼梯踏步和可能遭受磨耗作用的道路路面的碎石等，应采用具有高耐磨性的石材。
2.3.3工艺性质
石材的工艺性质主要指开采和加工过程的难易程度及可能性，包括加工性、磨光性与抗钻性等。
（1）加工性
它是指对岩石劈解、破碎与凿琢等加工工艺的难易程度。
凡强度、硬度、韧性较高的石材，不易加工；
质脆而粗糙，有颗粒交错结构，含有层状或片状构造以及业已风化的岩石，都难以满足加工要求。
（2）磨光性
它指岩石能否磨成光滑表面的性质。
致密、均匀、细粒的岩石，一般都有良好的磨光性，可以磨成光滑亮洁的表面。
疏松多孔、有鳞片状构造的岩石，磨光性均不好。
（3）抗钻性
它指岩石钻孔时其难易程度的性质。
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。
由于用途和使用条件不同，对石材的性质及其所要求的指标均有不同。
工程中用于基础、桥梁、隧道以及石砌工程的石材，一般规定其抗压强度、抗冻性与耐水性必须达到一定的指标。
土木工程中常用天然石材的技术性能及用途可参见表2.2。
表2.2建筑中常用天然石材的性能及用途
名称
主要质量指标
主要用途
花岗岩
表观密度/（kg.m-3）
2500～2700
基础、桥墩、堤坝、拱石、阶石、路面、海港结构、基座、勒脚、窗台、装饰石材等
强度/Mpa
抗压
120～250
抗折
8.5～15.0
抗剪
13～19
吸水率/%
<
1
膨胀系数/（10-6·
℃-1）
5.6～7.34
平均韧性/cm
8
平均质量磨耗率/%
11
耐用年限/年
75～200
石灰岩
1000～2600
墙身、桥墩、基础、阶石、路面及石灰、粉刷材料原料等
22～140
1.8～20.0
7～14
2～6
6.75～6.77
7
20～40
砂岩
2200～2500
基础、墙身、衬面、阶石、人行道、纪念碑及其他装饰石材等
47～140
3.5～14.0
8.5～18
10
9.02～11.2
12
20～200
大理岩
装饰材料、踏步、地面、墙面、柱面、柜台、栏杆、电气绝缘板等
2.5～16.0
8～12
6.5～11.2
30～100
2.4天然石材的破坏及防护
天然石材在使用过程中受周围环境的影响，如水分的浸渍与渗透，空气中有害气体的侵蚀，以及光、热、生物、外力的作用等，会发生风化而逐渐破坏。
水是石材发生破坏的主要原因，它能软化石材并加剧其冻害，且能与有害气体结合成酸，使石料发生分解与溶蚀。
大量的水流还能对石材起冲刷与冲击作用，从而加速石材的破坏。
因此，使用石材时应特别注意水的影响。
为了减轻与防止石材的风化与破坏，可以采取以下防护措施:
（1）合理选材
石材的风化与破坏速度，主要决定于石材抵抗破坏因素的能力，因此，合理选用石材品种，是防止破坏的关键。
对于重要的结构工程，应该选用结构致密、耐风化能力强的石材，而且，其外露的表面应光滑，以便使水分能迅速排掉。
（2）表面处理
可在石材表面涂刷憎水性涂料，如各种金属皂、石蜡等，使石材表面由亲水性变为憎水性，并与大气隔绝，以延缓风化过程的发生。
思考题
（1）岩石按成因可分为哪几类？
举例说明。
（2）比较花岗岩、石灰岩、大理岩、砂岩的性质和用途，并分析它们具有不同性质的原因。
（3）工程上常应用的岩石哪些种类耐火性最差？
哪些岩石耐酸性最差？
（4）选择天然石材应考虑哪些原则？
为什么？
模块Ｘ 气硬性胶凝材料
模块摘要：
工程中用来将砂、石子等散粒材料或砖、板等块片状材料粘结为一个整体的材料，统称为胶凝材料。
胶凝材料按成分分为两大类:
有机胶凝材料和无机（矿物）胶凝材料。
石油沥青、煤沥青及各种天然和人造树脂属于有机胶凝材料。
无机胶凝材料则按照硬化条件分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。
气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或继续发展其强度；
水硬性胶凝材料则不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化，保持并发展其强度。
石膏、石灰、水玻璃和菱苦土都是建筑上常用的气硬性无机胶凝材料；
水硬性胶凝材料则有各种水泥。
将无机胶凝材料区分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料，有重要的实用意义。
气硬性胶凝材料一般只适用于地上或干燥环境，不适宜用于潮湿环境，更不可用于水中；
而水硬性胶凝材料则既适用于地上，也适用于地下或水中。
3.1石灰
3.1.1石灰的原料与生产
生产石灰的原料主要是石灰石，也可利用含有碳酸钙成分的天然物质或化工副产品作原料。
石灰石的主要成分是碳酸钙（CaCO3），其次是碳酸镁（MgCO3）和少量粘土质杂质。
将石灰石置于窑内加以煅烧，碳酸钙和碳酸镁受热分解，排除分解出的二氧化碳（CO2）气体后，得到以氧化钙（CaO）为主要成分的呈白色或灰白色的块状成品即生石灰，又称块灰。
即
CaCO3
CaO+CO2↑
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