第1章

土木工程材料的基本性質

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材料的基本物理性質材料的力學性質材料的耐久性材料的組成、結構、構造與性質思考題本章內容材料的基本物理性質一、材料的體積組成

大多數土木工程材料的內部都含有孔隙，孔隙的多少和孔隙的特徵對材料的性能均產生影響，掌握含孔材料的體積組成是正確理解和掌握材料物理性質的起點。孔隙特徵指孔尺寸大小、孔與外界是否連通兩個內容。孔隙與外界相連通的叫開口孔，與外界不相連通的叫閉口孔。含孔材料的體積組成如圖1.1所示。圖1.1含孔材料體積組成示意圖1.固體物質；2.閉孔；3.開孔材料的基本物理性質從圖1.1可知，含孔材料的體積包括以下三種。(1)材料絕對密實體積。用V表示，是指不包括材料內部孔隙的固體物質本身的體積。(2)材料的孔體積。用VP表示，指材料所含孔隙的體積，分為開口孔體積(記為VK)和閉口孔體積(記為VB)。(3)材料在自然狀態下的體積。用V0表示，是指材料的實體積與材料所含全部孔隙體積之和。上述幾種體積存在以下的關係：

V0=V+VP(1.1)

其中 VP=VK+VB (1.2)散粒狀材料的體積組成如圖1.2所示。其中V0′表示材料堆積體積，是指在堆積狀態下的材料顆粒體積和顆粒之間的間隙體積之和，Vj表示顆粒與顆粒之間的間隙體積。散粒狀材料體積關係如下：V0′=V0+Vj=V+VP+Vj (1.3)圖1.2散粒材料堆積體積組成示意圖1.顆粒的固體物質；2.顆粒的閉口孔隙；3.顆粒的開口孔隙；4.顆粒間的間隙材料的基本物理性質二、材料的密度、表觀密度和堆積密度1.密度

材料在絕對密實狀態下單位體積的品質，稱為材料的密度(俗稱比重)。其計算式如下：

(1.4)

式中——材料的密度(g/cm3)。

m——材料的品質(乾燥至恒重)(g)。

V——材料的絕對密實體積(cm3)。密度的單位在SI制中為kg/m3，我國建設工程中一般用g/cm3，偶爾用kg/L，忽略不寫時，隱含的單位為g/cm3，如水的密度為1。多孔材料的密度測定，關鍵是測出絕對密實體積。在常用的土木工程材料中，除鋼、玻璃、瀝青等可近似認為不含孔隙外，絕大多數含有孔隙。測定含孔材料絕對密實體積的簡單方法是將該材料磨成細粉，乾燥後用排液法(李氏瓶，見15.1.1)測得的粉末體積即為絕對密實體積。由於磨得越細，內部孔隙消除得越完全，測得的體積也就越精確，因此，一般要求細粉的粒徑至少小於0.2mm。對於砂石，因其孔隙率很小，VV0，常不經磨細，直接用排水法測定其密度。對於本身不絕對密實，而用排液法測得的密度叫視密度或叫視比重。材料的基本物理性質材料的基本物理性質2.表觀密度材料在自然狀態下單位體積的品質，稱為材料的表觀密度(原稱容重)。其計算式如下：

(1.5) 式中——材料的表觀密度(kg/m3)。

m——材料的品質(kg)。

V0

——材料在自然狀態下的體積(m3)。測定材料在自然狀態下的體積的方法較簡單，若材料外觀形狀規則，可直接度量外形尺寸，按幾何公式計算；若外觀形狀不規則，可用排液法測得，為了防止液體由孔隙滲入材料內部而影響測定值，應在材料表面塗蠟。對於砂石，由於孔隙率很小，常把視密度叫作表觀密度(見15.3.3)，如果要測定砂石真正意義上的表觀密度，應蠟封開口孔後用排水法測定。當材料含水時，重量增大，體積也會發生變化，所以測定表觀密度時須同時測定其含水率，注明含水狀態。材料的含水狀態有風乾(氣幹)、烘乾、飽和面幹和濕潤四種。一般為氣幹狀態，烘乾狀態下的表觀密度叫幹表觀密度。材料的基本物理性質3.堆積密度

散粒材料在堆積狀態下單位堆積體積的品質，稱為材料的堆積密度(原稱鬆散容重)。其計算式如下：

(1.6)

式中——散粒材料的堆積密度(kg/m3)。

m——材料的品質(kg)。

——散粒材料的堆積體積(m3)。材料的堆積密度定義中亦未注明材料的含水狀態。根據散粒材料的堆積狀態，堆積體積分為自然堆積體積和緊密堆積體積(人工搗實後)。由緊密堆積測得的堆積密度稱為緊密堆積密度。材料的基本物理性質表1-1常用土木工程材料的密度、表觀密度和堆積密度材料名稱密度(g/cm3)表觀密度(kg/m3)堆積密度(kg/m3)石灰巖2.6～2.81800～2600—花崗巖2.7～3.02000～2850—水泥2.8～3.1—900～1300(鬆散堆積)1400～1700(緊密堆積)混凝土用砂2.5～2.6—1450～1650混凝土用石2.6～2.9—1400～1700普通混凝土—2100～2500—粘土2.5～2.7—1600～1800鋼材7.857850—鋁合金2.7～2.92700～2900—燒結普通磚2.5～2.71500～1800—建築陶瓷2.5～2.71800～2500—紅松木1.55～1.60400～800—玻璃2.45～2.552450～2550—泡沫塑料—10～50—材料的基本物理性質三、材料的密度、表觀密度和堆積密度1.

孔隙率材料中孔隙體積占材料總體積的百分率，稱為材料的孔隙率()。其計算式如下：

(1.7)

材料孔隙率的大小反映了材料的密實程度，孔隙率大，則密實度小。工程中對保溫隔熱材料和吸聲材料，要求其孔隙率大，而高強度的材料，則要求孔隙率小。工程上，一般通過測定材料的密度和表觀密度來計算材料的孔隙率。2.空隙率散粒材料在堆積狀態下，顆粒間的空隙體積占堆積體積的百分率，稱為材料的空隙率()。其計算式如下：

(1.8)空隙率的大小反映了散粒材料堆積時的緻密程度，與顆粒的堆積狀態密切相關，可以通過壓實或振實的方法獲得較小的空隙率，以滿足不同工程的需要。材料的基本物理性質四、材料與水有關的性質

1.親水性與憎水性當水與材料表面相接觸時，不同的材料被水所潤濕的情況各不相同，這種現象是由於材料與水和空氣三相接觸時的表面能不同而產生的(如圖1.3所示)。親水性材料(b)憎水性材料圖1.3材料的潤濕角

材料、水和空氣三相接觸的交點處，沿水錶面的切線與水和固體接觸面所成的夾角稱為潤濕角。當水分子間的內聚力小於材料與水分子間的分子親合力時，≤90°，這種材料能被水潤濕，表現為親水性。當水分子間的內聚力大於材料與水分子間的分子親合力時，≥90°，這種材料不能被水潤濕，表現為憎水性。土木工程材料中石材、金屬、水泥製品、陶瓷等無機材料和部分木材為親水性材料；瀝青、塑膠、橡膠和油漆等為憎水性材料，工程上多利用材料的憎水性來製造防水材料。材料的基本物理性質2.吸水性材料在水中吸收水分的性質稱為吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，材料的吸水率有品質吸水率和體積吸水率兩種表達形式。材料的基本物理性質1)品質吸水率指材料吸水飽和時，所吸收水量占材料幹品質的百分率。其計算式如下：

(1.9)

式中Ｗm——材料的品質吸水率(%)。

mb——材料在吸水飽和狀態下的品質(g)。

mg——材料在乾燥狀態下的品質(g)。2)體積吸水率指材料吸水飽和時，所吸收水分的體積占材料自然體積的百分率。其計算式如下：

(1.10)式中Ｗv——材料的體積吸水率(%)。

mb——材料在吸水飽和狀態下的品質(g)。

mg——材料在乾燥狀態下的品質(g)。

V0——材料的自然體積(cm3)。

——水的密度，常溫下取1.0g/cm3。材料的吸水率一般用品質吸水率表示。體積吸水率與品質吸水率之間存在以下關係：

(1.11)

材料吸水率的大小主要取決於它的孔隙率和孔隙特徵。水分通過材料的開口孔隙吸入，通過連通孔隙滲入其內部，通過潤濕作用和毛細管作用等因素將水分存留住。因此，具有較多細微連通孔隙的材料，其吸水率較大；而具有粗大孔隙的材料，雖水分容易滲入，但也僅能潤濕孔壁表面，不易在孔記憶體留，其吸水率並不高；緻密材料和僅有閉口孔隙的材料是不吸水的。3.吸濕性材料在潮濕空氣中吸收水分的性質稱為吸濕性。材料的吸濕性用含水率表示，材料的吸濕性是可逆的。當較乾燥材料處於較潮濕空氣中時，會從空氣中吸收水分；當較潮濕材料處於較乾燥空氣中時，材料就會向空氣中放出水分。材料的吸濕性受所處環境的影響，隨環境的溫度、濕度的變化而變化。當空氣的濕度保持穩定時，材料中的濕度會與空氣的濕度達到平衡，也即材料的吸濕與乾燥達到平衡，這時的含水率稱為平衡含水率。材料的基本物理性質含水率計算式如下：（1.12）式中Ｗh——材料的含水率(%)。

ms——材料吸濕後的品質(g)。

mg——材料在乾燥狀態下的品質(g)。4.耐水性材料長期在水的作用下不破壞，強度也不顯著降低的性質稱耐水性。材料的耐水性用軟化係數來衡量，其計算式如下：（1.13）式中ＫR——材料的軟化係數。

——材料在吸水飽和狀態下的抗壓強度(MPa)。

——材料在乾燥狀態下的抗壓強度(MPa)。材料吸水後，水分會吸附到材料內物質微粒的表面，減弱微粒間的結合力，從而致使其強度下降，這是吸水材料性質變化的重要特徵之一，軟化係數反映了這一變化的程度。材料的基本物理性質材料的基本物理性質

軟化係數ＫR的範圍在０～1之間，它是選擇使用材料的重要參數。工程中通常將ＫR＞0.85的材料看作是耐水材料，可以用於水中或潮濕環境中的重要結構；用於受潮較輕或次要結構時，材料的ＫR值也不得低於0.75。5.抗滲性材料抵抗壓力水滲透的能力稱為抗滲性。材料中含有孔隙、孔洞或其他缺陷，當材料兩側受水壓差的作用時，水可能會從高壓一側向低壓一側滲透。水的滲透會對材料的性質和使用帶來不利的影響；尤其當材料處於壓力水中時，材料的抗滲性是決定其工程使用壽命的重要因素。材料的抗滲性常用滲透係數或抗滲等級來表示。滲透係數計算式如下：

(1.14)式中Ks——材料的滲透係數(cm/h)。

Q——時間內的滲水總量(cm3)。

d——材料試件的厚度(cm)。

A——材料垂直於滲水方向的滲水面積(cm2)。

t——滲水時間(h)。

H——材料兩側的水頭高度(cm)。材料的基本物理性質

滲透係數Ｋs的物理意義是一定時間內，在一定水壓力作用下，單位厚度的材料，單位滲水面積上的滲水量。材料的Ｋs越小，說明材料的抗滲性越好。材料的抗滲性也可用抗滲等級表示。抗滲等級用標準方法進行滲水性試驗，測得材料能承受的最大水壓力，並依此劃分成不同的等級，常用“Pn”表示，其中n表示材料所能承受的最大水壓力MPa數的10倍值，如P6表示材料最大能承受0.6MPa的水壓力而不滲水。材料的抗滲等級越高，其抗滲性越好。材料的抗滲性與其孔隙多少和孔隙特徵關係密切，開口並連通的孔隙是材料滲水的主要管道。材料越密實、閉口孔越多、孔徑越小，水越難滲透；孔隙率越大、孔徑越大、開口並連通的孔隙越多的材料，其抗滲性越差。此外，材料的親水性、裂縫缺陷等也是影響抗滲性的重要因素。工程上常採用降低孔隙率提高密實度、提高閉口孔隙比例、減少裂縫或進行憎水處理等方法來提高材料的抗滲性。6.抗凍性材料在飽水狀態下，能經受多次凍融迴圈而不破壞，強度也不顯著降低的性質稱為抗凍性。當溫度下降到負溫時，材料內的水分會由表及裏地凍結，內部水分不能外溢，水結冰後體積膨脹約9%，產生強大的凍脹壓力，使材料內毛細管壁脹裂，造成材料局部破壞，隨著溫度交替變化，凍結與融化迴圈反復，冰凍的破壞作用逐漸加劇，最終導致材料破壞。材料的基本物理性質

材料的抗凍性用抗凍等級表示。抗凍等級是用標準方法進行凍融迴圈試驗，測得材料強度降低不超過規定值，且無明顯損壞和剝落時所能承受的凍融迴圈次數來確定，常用“Fn”表示，其中n表示材料能承受的最大凍融迴圈次數，如F100表示材料在一定試驗條件下能承受100次凍融迴圈。材料的抗凍性與材料的孔隙率、孔隙特徵、充水程度和冷凍速度等因素有關。材料的強度越高，其抵抗冰凍破壞的能力也越強，抗凍性越好；材料的孔隙率及孔隙特徵對抗凍性影響較大，其影響與抗滲性相似。五、材料的熱工性質

1.熱容量與比熱容熱容量是指材料在溫度變化時吸收或放出熱量的能力；比熱容也叫比熱，指單位品質的材料在溫度每變化１Ｋ時所吸收或放出的熱量，用“Ｃ”表示。（1.15）材料的基本物理性質(1.16)式中Q——材料的熱容量(kJ)。

C——材料的比熱容，kJ/(kg?K)。

m——材料的品質(kg)。

t1―t2——材料受熱或冷卻前後的溫差(K)。比熱容與材料品質的積稱為材料的熱容量值，即材料溫度上升1K須吸收的熱量或溫度降低1K所放出的熱量。材料的熱容量值對於保持室內溫度穩定作用很大，熱容量值大的材料能在熱流變化、採暖、空調不均衡時，緩和室內溫度的波動；屋面材料也宜選用熱容量值大的材料。2.導熱性指材料傳導熱量的能力。導熱性可用導熱係數來表示，其物理意義是厚度為1m的材料，當其相對表面的溫度差為1K時，1s時間內通過1m2面積的熱量。材料的基本物理性質導熱係數的計算式如下：

(1.17)式中——材料的導熱係數(W/(m?K))。

Q——傳導的熱量(J)。

a——材料的厚度(m)。

A——材料傳熱的面積(m2)。

T——傳熱時間(s)。

t1―t2——材料兩側的溫度差(K)。材料的導熱係數越小，其熱傳導能力越差，絕熱性能越好。工程上把＜0.23W/(m?K)的材料稱為絕熱材料。常用材料的熱工性質指標見表1-2。材料的基本物理性質表1-2常用材料的熱工性質指標材料名稱導熱係數，W/(m·K)比熱容，kJ/(kg·K)線膨脹係數

10-6/K銅3700.3818.6鋼550.4610～12石灰巖2.66～3.230.749～0.8466.75～6.77花崗巖2.91～3.450.716～0.925.60～7.34大理巖2.450.8756.50～10.12普通混凝土1.80.885.8～15燒結普通磚0.4～0.7

5～7松木0.17～0.352.51玻璃2.7～3.260.838～10泡沫塑料0.031.30水0.604.187密閉空氣0.0231

材料的導熱係數與材料內部的孔隙構造密切相關。因為，密閉空氣的導熱係數僅為0.023W/(m?K)，所以，當材料中含有較多閉口孔隙時，其導熱係數較小，材料的隔熱絕熱性較好；但當材料內部含有較多粗大、連通的孔隙時，則空氣會產生對流作用，使其傳熱性大大提高。水的導熱係數遠大於空氣，當材料吸水或吸濕後，其導熱係數增加，導熱性提高，隔熱絕熱性降低。材料的基本物理性質3.耐火性指材料在長期高溫作用下，保持其結構和工作性能的基本穩定而不損壞的性能，用耐火度表示。工程上用於高溫環境的材料和熱工設備等都要使用耐火材料。根據材料耐火度的不同，可分為三大類。1)耐火材料耐火度不低於1580℃的材料，如各類耐火磚等。2)難熔材料耐火度為1350℃～1580℃的材料，如難熔粘土磚、耐火混凝土等。3)易熔材料耐火度低於1350℃材料，如普通粘土磚、玻璃等。4.耐燃性指材料能經受火焰和高溫的作用而不破壞，強度也不顯著降低的性能，是影響建築物防火、結構耐火等級的重要因素。根據材料耐燃性的不同，可分為三大類。1)不燃材料遇火或高溫作用時，不起火、不燃燒、不碳化的材料，如混凝土、天然石材、磚、玻璃和金屬等。需要注意的是玻璃、鋼鐵和鋁等材料，雖然不燃燒，但在火燒或高溫下會發生較大的變形或熔融，因而是不耐火的。2)難燃材料遇火或高溫作用時，難起火、難燃燒、難碳化，只有在火源持續存在時才能繼續燃燒，火源消除燃燒即停止的材料，如瀝青混凝土和經防火處理的木材等。材料的基本物理性質3)易燃材料指遇火或高溫作用時，容易引燃起火或微燃，火源消除後仍能繼續燃燒的材料，如木材、瀝青等。用可燃材料製作的構件，一般應作防燃處理。5.溫度變形指材料在溫度變化時產生的體積變化，多數材料在溫度升高時體積膨脹，溫度下降時體積收縮。溫度變形在單向尺寸上的變化稱為線膨脹或線收縮，一般用線膨脹係數來衡量，線膨脹係數用“α”表示，其計算式如下：

(1.18)式中α——材料在常溫下的平均線膨脹係數1/K。

——材料的線膨脹或線收縮量(mm)。

——溫度差(K)。

——材料原長(mm)。材料的線膨脹係數一般都較小，但由於土木工程結構的尺寸較大，溫度變形引起的結構體積變化仍是關係其安全與穩定的重要因素。工程上常用預留伸縮縫的辦法來解決溫度變形問題。材料的力學性質一、材料受力狀態材料在受外力作用時，由於作用力的方向和作用線(點)的不同，表現為不同的受力狀態，典型的受力情況如圖1.4所示。(a)壓力(b)拉力(c)彎曲(折)(d)彎曲(折)(e)剪切圖1.4材料的受力狀態材料的力學性質二、材料的強度

1.強度材料在外力作用下抵抗破壞的能力稱為材料的強度，並以單位面積上所能承受的荷載大小來衡量。材料的強度本質上是材料內部質點間結合力的表現。當材料受外力作用時，其內部便產生應力相抗衡，應力隨外力的增大而增大。當應力(外力)超過材料內部質點間的結合力所能承受的極限時，便導致內部質點的斷裂或錯位，使材料破壞。此時的應力為極限應力，通常用來表示材料強度的大小。根據材料的受力狀態，材料的強度可分為抗壓強度、抗拉強度、抗彎(折)強度和抗剪強度。抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度的計算式如下：（1.19）式中f——材料的抗壓、抗拉、抗剪強度(MPa)。

F——材料承受的最大荷載(Ｎ)。

A——材料的受力面積(mm2)。抗彎(折)強度在圖1.4(c)受力狀態時的計算式如下：

(1.20)式中f——材料的抗彎(折)強度(MPa)。

F——材料承受的最大荷載(Ｎ)。

b——材料受力截面的寬度(mm)。

h——材料受力截面的高度(mm)。材料的強度與其組成和構造有關。不同種類的材料抵抗外力的能力不同；同類材料當其內部構造不同時，其強度也不同。緻密度越高的材料，強度越高。同類材料抵抗不同外力作用的能力也不相同；尤其是內部構造非勻質的材料，其不同外力作用下的強度差別很大。如混凝土、砂漿、磚、石和鑄鐵等，其抗壓強度較高，而抗拉、彎(折)強度較低；鋼材的抗拉、抗壓強度都較高。為了掌握材料性能、便於分類管理、合理選用材料、正確進行設計、控制工程品質，常將材料按其強度的大小，劃分成不同的等級，稱為強度等級，它是衡量材料力學性質的主要技術指標。脆性材料如混凝土、砂漿、磚和石等，主要用於承受壓力，其強度等級用抗壓強度來劃分；韌性材料如建築鋼材，主要用於承受拉力，其強度等級就用抗拉時的屈服強度來劃分。材料的力學性質材料的力學性質2.比強度指單位體積品質材料所具有的強度，即材料的強度與其表觀密度的比值(f/)。比強度是衡量材料輕質高強特性的技術指標。土木工程中結構材料主要用於承受結構荷載。多數傳統結構材料的自重都較大，其強度相當一部分要用於抵抗自身和其上部結構材料的自重荷載，而影響了材料承受外荷載的能力，使結構的尺度受到很大的限制。隨著高層建築、大跨度結構的發展，要求材料不僅要有較高的強度，而且要儘量減輕其自重，即要求材料具有較高的比強度。輕質高強性能已經成為材料發展的一個重要方向。3.彈性與塑性1)彈性與彈性變形彈性指材料在外力作用下產生變形，當外力去除後，能完全恢復原來形狀的性質；這種變形稱為彈性變形。彈性變形的大小與所受應力的大小成正比，所受應力與應變的比值稱為彈性模量，用“E”表示，它是衡量材料抵抗變形能力的指標。在材料的彈性範圍內，E是一個常數，按下式計算：

(1.21)材料的力學性質式中E——材料的彈性模量MPa。

——材料所受的應力(MPa)。

——材料在應力作用下產生的應變，無量綱。彈性模量越大，材料抵抗變形能力越強，在外力作用下的變形越小。材料的彈性模量是工程結構設計和變形驗算的主要依據之一。2)塑性與塑性變形塑性指材料在外力作用下產生變形，當外力去除後，仍保持變形後的形狀和尺寸的性質；這種不可恢復的變形稱為塑性變形。材料的塑性變形是因為其內部的剪應力作用，致使部分質點間產生相對滑移的結果。完全的彈性材料或塑性材料是沒有的，大多數材料在受力變形時，既有彈性變形，也有塑性變形，只是在不同的受力階段，變形的主要表現形式不同。當外力去除後，彈性變形部分可以恢復，塑性變形部分不能恢復。有的材料如鋼材，在受力不大的情況下，表現為彈性變形，而在受力超過一定限度後，就表現為塑性變形；有的材料如混凝土，受力後彈性變形和塑性變形幾乎同時產生。材料的力學性質4.脆性與韌性1)脆性指材料在外力作用下，無明顯塑性變形而發生突然破壞的性質，具有這種性質的材料稱為脆性材料，如普通混凝土、磚、陶瓷、玻璃、石材和鑄鐵等。一般脆性材料的抗壓強度比其抗拉、抗彎強度高很多倍，其抵抗衝擊和振動的能力較差，不宜用於承受振動和衝擊的場合。2)韌性指材料在振動或衝擊荷載作用下，能吸收較多的能量，並產生較大的變形而不破壞的性質，具有這種性質的材料稱為韌性材料，如低碳鋼、低合金鋼、鋁合金、塑膠、橡膠、木材和玻璃鋼等。材料的韌性用衝擊試驗來檢驗，又稱為衝擊韌性，用衝擊韌性值即材料受衝擊破壞時單位斷面所吸收的能量來衡量。衝擊韌性值用“”表示，其計算式如下：

(1.22)式中ak——材料的衝擊韌性值(J/mm2)。

AK——材料破壞時所吸收的能量(J)。

A——材料受力截面積(mm2)。韌性材料在外力作用下，會產生明顯的變形，變形隨外力的增大而增大，外力所做的功轉化為變形能被材料所吸收，以抵抗衝擊的影響。材料在破壞前所產生的變形越大，所能承受的應力越大，其所吸收的能量就越多，材料的韌性就越強。用於道路、橋樑、軌道、吊車梁及其他受振動影響的結構，應選用韌性較好的材料。材料的力學性質5.硬度與耐磨性1)硬度指材料表面抵抗其他硬物壓入或刻劃的能力。為保持較好表面使用性質和外觀品質，要求材料必須具有足夠的硬度。非金屬材料的硬度用摩氏硬度表示，它是用系列標準硬度的礦物塊對材料表面進行劃擦，根據劃痕確定硬度等級。摩氏硬度等級如表1-3所示。表1-3摩氏硬度等級表金屬材料的硬度等級常用壓入法測定，主要有布氏硬度法(HB)，是以淬火的鋼珠壓入材料表面產生的球形凹痕單位面積上所受壓力來表示；洛氏硬度法(HR)，是用金剛石圓錐或淬火的鋼球製成的壓頭壓入材料表面，以壓痕的深度來表示。硬度大的材料其強度也高，工程上常用材料的硬度來推算其強度，如用回彈法測定混凝土強度，即是用回彈儀測得混凝土表面硬度，再間接推算出混凝土的強度的。標準礦物滑石石膏方解石螢石磷灰巖長石石英黃玉剛玉金剛石硬度等級123456789102)耐磨性指材料表面抵抗磨損的能力。耐磨性常以磨損率衡量，以“”表示，其計算式為：

(1.23)式中G——材料的磨損率(g/cm2)。

m1-m2——材料磨損前後的品質損失(g)。

A——材料受磨面積(cm2)。材料的耐磨性與材料的組成結構、構造、材料強度和硬度等因素有關。材料的硬度越高、越緻密，耐磨性越好。路面、地面等受磨損的部位，要求使用耐磨性好的材料。材料的力學性質

材料的耐久性是指其在長期的使用過程中，能抵抗環境的破壞作用，並保持原有性質不變、不破壞的一項綜合性質。由於環境作用因素複雜，耐久性也難以用一個參數來衡量。工程上通常用材料抵抗使用環境中主要影響因素的能力來評價耐久性，如抗滲性、抗凍性、抗老化和抗碳化等性質。環境對材料的破壞作用，可分為物理作用、化學作用和生物作用，不同材料受到的環境作用及程度也不相同。影響材料耐久性的內在因素很多，除了材料本身的組成結構、強度等因素外，材料的緻密程度、表面狀態和孔隙特徵對耐久性影響很大。一般來說，材料的內在結構密實、強度高、孔隙率小、連通孔隙少、表面緻密，則抵抗環境破壞能力強，材料的耐久性好。工程上常用提高密實度、改善表面狀態和孔隙結構的方法來提高耐久性。土木工程中材料的耐久性與破壞因素的關係如表1-4所示。材料的耐久性表1-4材料的耐久性與破壞因素的關係注：＊表示可參考強度變化率、開裂情況、變形情況等進行評定。破壞原因破壞作用破壞因素評定指標常用材料滲透物理壓力水滲透係數、抗滲等級混凝土、砂漿凍融物理水、凍融作用抗凍等級混凝土、磚磨損物理機械力、流水、泥砂磨蝕率混凝土、石材熱環境物理、化學冷熱交替、晶型轉變＊耐火磚燃燒物理、化學高溫、火焰＊防火板碳化化學CO2、H2O碳化深度混凝土化學侵蝕化學酸、堿、鹽＊混凝土、老化化學陽光、空氣、水、溫度＊塑膠、瀝青銹蝕物理、化學H2O、O2、Cl－電位銹蝕率鋼材腐朽生物H2O、O2、菌類＊木材、棉、毛蟲蛀生物昆蟲＊木材、棉、毛堿－骨料反應物理、化學R2O、H2O、SiO2膨脹率混凝土材料的耐久性材料的組成、結構、構造與性質一、材料的組成材料的組成指組成材料的化學成分或礦物成分。它是決定材料性質的本質因素。

1.化學組成化學組成即化學成分，是構成材料的化學元素及化合物的種類和數量。無機非金屬材料常用組成其的各氧化物的含量來表示；金屬材料常用組成其的各化學元素的含量來表示；有機材料則常用組成其的各化合物含量來表示。化學組成是決定材料化學性質、物理性質、力學性質的主要因素。2.礦物組成礦物是具有一定化學成分和結構特徵的穩定單質或化合物。無機非金屬材料是由各種礦物組成的。材料的化學組成不同，其礦物組成不同；相同的化學組成，可組成多種不同的礦物。礦物組成不同的材料，其性質也不同。如矽酸鹽水泥中，CaO和SiO2是其主要的化學成分，它們組成的主要礦物是矽酸三鈣(C3S)和矽酸二鈣(C2S)，這二者的性質相差很大，其組成比例是決定水泥性質的主要因素。材料的組成、結構、構造與性質二、材料的結構1.微觀結構指材料物質的原子級或分子級的結構，需要用電子顯微鏡、Ｘ射線衍射等技術手段來觀察研究，包括材料物質的種類、形態、大小及其分佈特徵。土木工程材料的使用狀態一般為固體，固體的微觀結構可分為晶體和非晶體兩大類。1)晶體晶體是質點(原子、離子、分子)按一定規律在空間重複排列的固體，具有特定的幾何外形和固定的熔點。由於質點在各方向上的排列的規律和數量不同，單晶體具有各向異性的性質；但實際應用的材料，是由細小的晶粒雜亂排列組成的，其宏觀性質常表現為各向同性。無機非金屬材料的晶體，其鍵的構成不是單一的，往往是由共價鍵、離子鍵等共同聯結，其性質差異較大。材料的微觀結構形式與主要特徵如表1-5所示。材料的組成、結構、構造與性質表1-5材料的微觀結構形式與主要特徵微觀結構常見材料主要特徵晶體原子、離子、分子按一定規律排列原子晶體(共價鍵)金剛石、石英強度、硬度、熔點高，密度較小離子晶體(離子鍵)氯化鈉、石膏、石灰巖強度、硬度、熔點較高，但波動大。部分可溶，密度中等分子晶體(分子鍵)蠟、斜方硫、萘強度、硬度、熔點較低，大部分可溶，密度小金屬晶體(庫侖引力)鐵、鋼、銅、鋁及合金強度、硬度變化大，密度大非晶體(玻璃體)原子、離子、分子以共價鍵、離子鍵或分子鍵結合，但為無序排列玻璃、礦渣、火山灰、粉煤灰無固定的熔點和幾何形狀，與同組成的晶體相比，強度、化學穩定性、導熱性、導電性較差，各向同性2)非晶體非晶體是相對晶體而言的，又稱玻璃體、無定形體，是熔融物在急速冷卻時，質點來不及按特定規律排列所形成的質點無序排列的固體或固態液體。非晶體沒有固定的熔點和幾何外形，各向同性，其強度、導熱性和導電性等低於晶體。非晶體的質點無排列規律，即質點未到達能量最低的穩定位置，保留了高溫下的高能量狀態，內部還有大量的化學能未能釋放出來，而以內能的形式儲存起來。故玻璃體具有化學活性，穩定性較差，易與其他物質反應或自行緩慢向晶體轉變。如粒化高爐礦渣、火山灰、粉煤灰等混合材料，都是經過高溫急冷得到，含大量玻璃體，工程上利用它們活性高的特點，用於水泥和混凝土的生產，以改善水泥和混凝土的性質。矽酸鹽水泥水化後的主要產物水化矽酸鈣凝膠體，也是非晶體。水化矽酸鈣凝膠體的尺寸只有幾十至幾百微米，內表面積巨大，具有很高的膠凝性，硬化後具有很高的強度。2.亞微觀結構指用光學顯微鏡和一般掃描透射所能觀察到的結構，其尺度介於微觀和宏觀之間，範圍在10―3m～10―9m。亞微觀結構主要研究材料內部的晶粒、顆粒等的大小和形態、晶界或介面的形態、孔隙與微裂紋的大小形狀及分佈，如水泥石的孔隙結構、金屬的金相組織、木材的纖維和管胞組織等。材料的組成、結構、構造與性質

材料的亞微觀結構對材料的性質影響很大。通常，材料內部的晶粒越細小、分佈越均勻，其受力越均勻、強度越高、脆性越小、耐久性越好；晶粒或不同材料組成之間的介面粘結越好，則其強度和耐久性越好。從亞微觀結構層次上改善材料的性能，相對比較容易，具有十分重要的意義。尺度範圍在10―7m～10―9m的結構為納米結構，一般要用掃描透射電子顯微鏡觀察。由於納米級微粒具有獨特的小尺寸效應和表面介面效應等基本特性。由納米微粒組成的納米材料具有許多奇特的物理和化學性質，自20世紀80年代以來，研究進展迅速，應用前景廣闊。3.宏觀結構(構造)

指用肉眼或放大鏡即可觀察到的毫米級以上的組織。宏觀結構主要研究和分析材料的組合與複合方式、組成材料的分佈情況、材料中的孔隙構造、材料的構造缺陷等。材料按其組成可分為單一材料和複合材料兩大類，常見的結構形式有密實結構、多孔結構、纖維結構、聚集結構、疊合(層狀)結構、散粒結構和紋理結構。材料宏觀結構及主要特徵如表1-6所示。材料的組成、結構、構造與性質表1-6材料宏觀結構及主要特徵材料的組成、結構、構造與性質宏觀結構常用材料主要特徵密實結構鋼材、玻璃、瀝青、塑膠高強、不透水、耐腐蝕多孔結構泡沫塑料、泡沫玻璃質輕、保溫、絕熱、吸聲纖維結構木、竹、石棉、玻璃纖維抗拉強度高、質輕、保溫、吸聲聚集結構陶瓷、磚、天然巖石強度高散粒結構砂、石子、陶粒、膨脹珍珠巖混凝土集料、輕集料、保溫絕熱材料紋理結構木材、大理石裝飾性強粒狀聚集結構混凝土、砂漿綜合性能好、價格低纖維聚集結構石棉水泥製品、巖棉板、纖維板、纖維增強塑膠抗拉強度高、質輕、保溫、吸聲多孔結構加氣混凝土、泡沫混凝土質輕、保溫疊合結構紙面石膏板、膠合板、夾芯板綜合性能好紋理結構人造石材、複合地板裝飾性強

複合材料是兩種或兩種以上的材料結合構成的新材料。它集中了組成材料的優點，避免了單一材料的缺陷，性能更優越，功能更強大，是材料發展的主要方向之一。具有相同組成和微觀結構的材料，可以製成宏觀構造不同的材料，其性質和用途隨宏觀構造的不同差別很大，如玻璃與泡沫玻璃、塑膠與泡沫塑料、混凝土與加氣混凝土；而宏觀構造相似的材料，即便其組成和微觀結構不同，也具有某些相同或相似的性能和用途，如泡沫玻璃、泡沫塑料、加氣混凝土，都具有保溫隔熱的功能。工程上常用改變材料的密實度、孔隙結構，應用複合材料等方法，來改善材料的性能，以滿足不同的需要。三、材料內部孔隙與性質

1.內部孔隙的來源與產生無論是天然材料，還是人造材料，在宏觀和亞微觀層次上都含有一定數量和一定大小的孔隙，所以說孔隙是材料的組成部分之一，僅少數緻密材料(如玻璃、金屬)可近似看成是絕對密實的(如圖1.1所示)。材料的組成、結構、構造與性質

天然材料的內部孔隙是在其形成過程中產生的。如天然植物的生長需要養分的輸送，其內部形成了一定數量的孔管結構，形成孔隙；天然石材由於在造巖運動中內部夾入部分空氣，形成孔隙。人造材料的內部孔隙是在生產過程中，受生產條件所限，混入氣體，而又去除不完全形成；或是為改變其性質，在材料設計和製造中，有意形成的孔隙。如鋼在冶煉過程中，須將生鐵熔融進行氧化，其中的碳被氧化成一氧化碳氣體而逸出，使碳含量達到一定範圍，但去氧不完全時，就會形成內部氣泡；混凝土是由水泥膠結散粒材料形成的，材料在混合中有一定量的氣體引入，為保證施工成型用水量也大大超過水泥水化的需要，多餘水分蒸發後，又形成一定量的孔隙；保溫絕熱材料，則需要其內部有大量密閉空氣，以降低導熱係數。2.孔隙的分類按內部孔隙的大小，可將孔隙分為微細孔、毛細孔、較粗大孔和粗大孔等。無機非金屬材料中，孔徑小於20nm的微細孔，水或有害氣體難以侵入，可視為無害孔隙。按孔隙的形狀可分為球狀孔隙、片狀孔隙(裂紋)、管狀孔隙、墨水瓶狀孔隙、尖角孔隙等。按常壓下水能否進入，可分為開口孔隙(連通孔隙)和閉口孔隙(如圖1.1所示)。閉口孔隙常壓下水不能進入，但當水壓力高於孔壁阻力時，水也會進入其中。球狀孔隙是閉口孔隙，其他形狀的孔隙為開口孔隙。開口孔隙對材料性質的影響較大，可使材料的大多數性質降低。材料的組成、結構、構造與性質3.孔隙對材料性質的影響同一種材料其孔隙率越高，密實度越低，則材料的表觀密度、體積密度、堆積密度越小；強度、彈性模量越低；耐磨性、耐水性、抗滲性、抗凍性、耐腐蝕性及其他耐久性越差；而吸水性、吸濕性、保溫性、吸聲性越強。孔隙是開口還是閉口，對性質的影響也有差異。水和侵蝕介質容易進入開口孔隙，開口孔隙多的材料，其強度、耐磨性、耐水性、抗滲性、抗凍性、耐腐蝕性等性質下降更多，而其吸聲性、吸濕性和吸水性更好，孔隙的尺寸越大，其影響也越大。適當增加材料中密閉孔隙的比例，可阻斷連通孔隙，部分抵消冰凍的體積膨脹，在一定範圍內提高其抗滲性、抗凍性。由此可見，改變材料內部孔隙，是改善材料性能的重要手段。材料的組成、結構、構造與性質1.材料的孔隙和體積形式有哪幾種？材料各密度與孔隙之間有什麼關係？2.有某濕材料206kg，已知其含水率為3％，其乾燥品質是多少？3.什麼是材料的耐水性，用什麼表示？在材料選用時有什麼要求？4.材料的孔隙率及孔隙特徵與抗滲性、抗凍性等性質有什麼關係？5.什麼是材料的導熱性？用什麼表示？一般如何利用孔隙提高材料的保溫性能？6.什麼是材料的強度，強度等級？強度等級與極限強度是什麼關係？7.什麼是材料的耐久性？通常用哪些性質來反映？8.材料的宏觀結構(構造)對其性質有什麼影響？9.某工地有砂50噸，密度為2.65g/cm3，堆積密度為1450kg/m3；石子100噸，密度為2.70g/cm3，堆積密度為1500kg/m3。試計算砂石的空隙率，若平均堆積高度為1.2m；各需要多大面積存放？10.一巖石試件破碎、磨細、過篩，烘乾，稱取60克，用李氏瓶法測得其體積為22.64cm3；一卵石試樣，稱取1000克，用廣口瓶法測得其體積為370cm3。試計算二試樣的密度，並說明各是什麼密度。11.一標準混凝土試體，尺寸為150mm×150mm×150mm，測得其28天抗壓破壞荷載為531kN，試計算其強度。12.綠色材料的含義是什麼？材料綠色化有什麼意義？思考題第2章

天然石材

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巖石的形成與分類石材的技術性質石材在土木工程中的應用建築石材的選用思考題本章內容

凡由天然巖石開採的，經加工或未加工的石材，統稱為天然石材。人類對天然石材的使用有著悠久的歷史，古埃及的金字塔、太陽神神廟，中國隋唐時代的石窟、石塔，趙州永濟橋，明、清故宮宮殿的漢白玉、大理石基座、欄桿，都是具有歷史代表性的石材建築。在現代建築中，北京人民英雄紀念碑、毛主席紀念堂、人民大會堂、北京火車站等，都是使用石材的典範，石材被公認為是一種優良的土木工程材料，被廣泛應用於土木工程中。天然石材具有以下的優點。

(1)蘊藏量豐富、分佈廣，便於就地取材。

(2)石材結構緻密，抗壓強度高，大部分石材的抗壓強度可達到100MPa以上。

(3)耐久性好，使用年限一般可達到百年以上。

(4)裝飾性好。石材具有紋理自然、質感穩重、肅穆和雄偉的藝術效果。

(5)耐水性好。

(6)耐磨性好。但石材也有自身不易克服的缺點，主要缺點是自重大，質地堅硬，加工困難，開採和運輸不方便。

石材由巖石加工而成。巖石由造巖礦物組成，不同的造巖礦物在不同的地質條件下，形成不同性能的巖石。而造巖礦物是具有一定化學成分和一定結構特徵的天然固態化合物或單質體。各種造巖礦物各具不同顏色和特徵，如雲母、角閃石、石英、方解石、黃鐵礦等。目前，已發現的礦物有3300多種，絕大多數是固態無機物，主要造巖礦物有30多種。天然巖石按礦物組成不同可分為單礦巖和多礦巖(或複礦巖)。凡是由單一的礦物組成的巖石叫單礦巖，如石灰巖就是由95%以上的方解石組成的單礦巖。凡是由兩種或兩種以上的礦物組成的巖石叫多礦巖(複礦巖)。如主要由長石、石英、雲母組成的花崗巖。天然巖石按形成的原因不同可分為巖漿巖、沉積巖、變質巖等三大類。1.巖漿巖巖漿巖又稱火成巖，是由地殼內部熔融巖漿上升過程中在地下或噴出地面後冷凝結晶而成的巖石，它是組成地殼的主要巖石，占地殼總品質的89%。根據巖漿冷凝情況的不同，巖漿巖又分為以下三種。巖石的形成與分類1)深成巖深成巖是地殼深處的巖漿在受上部覆蓋層壓力的作用下，經緩慢冷凝而形成的巖石。深成巖結晶完整、晶粒粗大、結構緻密而沒有層理，具有抗壓強度高、孔隙率及吸水率小、表觀密度大、抗凍性好等特點。工程上常用的深成巖有花崗巖、正長巖、橄欖巖、閃長巖等。

2)噴出巖噴出巖是巖漿衝破覆蓋層噴出地表時，在壓力驟減和迅速冷卻的條件下而形成的巖石。由於其大部分巖漿噴出後還來不及完全結晶即凝固，因而常呈隱晶質(細小的結晶)或玻璃質結構。當噴出的巖漿形成較厚的巖層時，其巖石的結構和性質與深成巖相似；當形成較薄的巖層時，由於冷卻速度快及氣壓作用而易形成多孔結構的巖石，其性質近似於火山巖。工程上常用噴出巖有玄武巖、輝綠巖和安山巖等。

3)火山巖火山巖又稱火山碎屑巖，是火山爆發時，巖漿被噴到空中而急速冷卻後形成的巖石。呈多孔結構，且表觀密度小。工程上常用的火山巖有火山灰、浮石、火山凝灰巖等。巖石的形成與分類2.沉積巖沉積巖又稱為水成巖。它是由露出地表的各種巖石經自然界的風化、搬運、沉積並重新成巖而形成的巖石，主要存在於地表及不太深的地下。沉積巖為層狀結構，各層的成分、結構、顏色和層厚均不相同，與巖漿巖相比，其特點是結構緻密性較差，表觀密度小，孔隙率和吸水率大，強度較低，耐久性相對較差，但分佈較廣，約占地表面積的75%，且藏地不深，開採、加工容易，在工程上應用較廣。根據沉積巖生成條件，可分為以下三種：1)機械沉積巖它是由自然風化逐漸破碎鬆散的巖石及砂等，經風、雨、冰川和沉積等機械力的作用而重新壓實或膠結而成的巖石，如砂巖和葉巖等。2)化學沉積巖由溶解於水中的礦物質經聚積、沉積、重結晶和化學反應等過程而形成的巖石，如石膏、白雲石等。3)有機沉積巖由各種有機體的殘骸沉積而成的巖石，如石灰巖和矽藻土等。3.變質巖變質巖是地殼中原有巖漿巖或沉積巖在地層的壓力或溫度作用下，在固體狀態下發生再結晶作用，使其礦物成分、結構構造乃至化學成分發生部分或全部改變而形成的新巖石。其性質決定於變質前的巖石成份和變質過程。沉積巖形成變質巖後，其建築性能有所提高，如石灰巖和白雲巖變質後得到的大理巖，比原來的巖石堅固耐久。而巖漿巖經變質後產生片狀構造，性能反而下降，如花崗巖變質後成為片麻巖則易於是分層剝落、耐久性差。巖石的形成與分類

天然石材的技術性質可分為物理性質、力學性質和工藝性質。天然石材因生成條件不同，常含有不同種類的雜質，礦物成分也會有所變化，所以，即使是同一類巖石，他們的有可能有很大差別，因此在使用前都必順進行檢驗和鑒定，以保證工程品質。一、物理性質

1.表觀密度

巖石的表觀密度由其礦物質組成及緻密所決定。表觀密度的大小常間接的反映石材的緻密和孔隙多少，一般情況下，同種石材表觀密度愈大，則抗壓強度愈高，吸水率愈小，耐久性、導熱性越好。天然巖石按表觀密度大小可分為輕質石材(表觀密度<1800kg/m3)和重質石材(表觀密度>1800kg/m3)，重石可用於建築的基礎、貼面、地面、不採暖房屋外牆、橋樑及水工構築物等；輕石主要用於保溫房屋外牆。

2.吸水性

天然石材的吸水率一般較小，但由於形成條件，密實程度與膠結情況的不同，石材的吸水率波動也較大，如花崗巖和緻密的石灰巖，吸水率通常小於是1%，而多孔的石灰巖，吸水率可達15%。石材吸水後強度降低，抗凍性、耐久性下降。石材根據吸水就率的大小分為低吸水性巖石(吸水率<1.5%)，中吸水性巖石(吸水率為1.5%～3.%)和高吸水性巖石(吸水率>3%)。石材的技術性質3.耐水性石材的耐水性用軟化係數表示。當石材含有較多的粘土或易溶物質時，軟化係數較小，其耐水性較差。根據各種石材軟化係數大小，可將石材分為高耐水性石材(軟化係數小於0.90)，中耐水性石材(軟化係數為0.75～0.90)和低耐水性石材(軟化係數為0.60～0.75)。當石材軟化係數<0.6時，則不允許用於重要建築物中。4.抗凍性抗凍性是指石材抵抗凍融破壞的能力，可用在水飽和狀態下能經受的凍融迴圈次數(強度降低值不超過25%、品質損失不超過5%，無貫穿裂縫)來表示。抗凍性是衡量石材耐久性的一個重要指標，能經受的凍融次數越多，則抗凍性越好。石材抗凍性與吸水性有著密切的關係，吸水性大的石材其抗凍性也差。根據經驗，吸水率<0.5%的石材，則認為是抗凍的，可不進行抗凍試驗。5.耐熱性石材的耐熱性與其化學成分及礦物組成有關。石材經高溫後，由於熱脹冷縮，體積變化而產生內應力或因組成礦物發生分解和變異等導致結構破壞。如含有石膏的石材，在100℃以上開始破壞；含有碳酸鎂的石材，溫度高於是725℃會發生破壞；含有碳酸鈣的石材，溫度達827℃時開始破壞。由石英與其他礦物所組成的結晶石材如花崗巖等，當溫度達到700℃以上時，由於石英受熱發生膨脹，強度會迅速下降。6.導熱性主要與其緻密程度有關，重質石材的熱導率可達2.91W/(m?K)～3.49W/(m?K)，而輕質石材的熱導率則在0.23W/(m?K)～0.7W/(m?K)之間，具有封閉孔隙的石材，熱導率更低。

巖石的形成與分類二、力學性質

1.抗壓強度石材的抗壓強度是以3個邊長為70mm的立方體試塊的抗壓破壞強度的平均值表示，砌體所用石材根據抗壓強度分成9個強度等級：MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20、MU15、MU10。抗壓試件邊長可採用表2-1所列各種邊長尺寸的立方體，但應對其測定結果乘以相應的換算係數。表2-1石材強度等級的換算係數石材的抗壓強度與其礦物組成、結構與構造特徵等有密切的關係。如：組成花崗巖的主要礦物成分中石英是很堅強的礦物，其含量越多，則花崗巖的強度也越高，而雲母為片狀礦物，易於分裂成柔軟薄片。因此，若雲母含量越多，則其強度越低。另外，結晶質石材的強度較玻璃質的高，等粒狀結構的強度較斑狀結構的高，構造緻密的強度較疏鬆多孔的高。巖石的形成與分類立方體邊長(mm)2001501007050換算係數1.431.281.1410.862.衝擊韌性石材的衝擊韌性決定於巖石的礦物組成與構造。石英巖、矽質砂巖脆性較大，含暗色礦物較多的輝長巖、輝綠巖等具有較高的韌性。一般來說，晶體結構的巖石較非晶體結構的巖石具有較高的韌性。3.硬度石材的硬度取決於石材的礦物組成與構造，凡由緻密、堅硬礦物組成的石材，其硬度就高。巖石的硬度以莫氏礦度表示。4.耐磨性耐磨性是石材抵抗摩擦、邊緣剪切以及撞擊等複雜作用的能力。石材的耐磨性包括耐磨損(石材受摩擦作用)和耐磨耗性以單位摩擦品質所產生的品質損失的大小來表示。石材的耐磨性質與石材內部組成礦物的硬度、結構和構造有關。石材的組成礦物越堅硬，構造越緻密以及其抗壓強度和衝擊韌性越高，則石材的耐磨性越好。巖石的形成與分類三、工藝性質石材的工藝性質，主要指其開採和加工過程的難易程度及可能性，包括以下幾個方面。1.加工性石材的加工性，是指對巖石開採、據解、切割、鑿琢、磨光和拋光等加工工藝的難易程度。凡強度、硬度、韌性較高的石材，不易加工；質脆而粗糙，有顆粒交錯，含有層狀或片粒結構以及已風化的巖石，都難以滿足加工要求。2.磨光性磨光性指石材能否磨成平整光滑表面的性質。緻密、均勻、細粒的巖石，一般都有良好的磨光性，可以磨成光滑亮潔的表面；疏鬆多孔有鱗片狀構造的巖石，磨光性不好。3.易鑽性抗鑽性指石材鑽孔難易程度的性質。影響抗鑽性的因素很複雜，一般與巖石的強度、硬度等性質有關。當石材的強度越高，硬度越大時，越不易鑽孔。巖石的形成與分類

由於天然石材具有抗壓強度高、耐久性、耐磨性及裝飾性好等優點，因此，目前在建築工程的使用仍然相當普遍。工程中所使用的石材，按加工後的外形分為塊狀石材、板狀石材、散粒石材和各種石製品等。1.花崗巖1)花崗巖的組成和特性花崗巖為典型的深成巖，是巖漿巖中分布最廣的一種巖石。主要由長石、石英和少量暗色礦物及雲母(或角閃石等)組成，其中長石含量為40%～60%，石英含量為20%～40%。花崗巖表觀密度為2600kg/m3～2800kg/m3，孔隙率小(0.04%～2.8%)，吸水率極低(0.11%～0.7%)，抗壓強度高達120MPa～250MPa，材質堅硬，肖氏硬度80～100，具有優異的耐磨性，對酸具有高度的抗腐性，對堿類侵蝕也有較強的抵抗力，耐久性很高，一般使用年限達75～200年，細粒花崗巖的使用年限甚至可達到500年～1000年之久。但花崗巖的耐火性較差，當溫度達800℃以上，花崗巖中的二氧化矽晶體產生晶形轉化，使體積膨脹，故發生火災時，花崗巖會發生嚴重開裂而破壞。花崗巖為全晶質結構的巖石，按結晶顆粒的大小，通常分為細粒、中粒和斑粒等幾種。顏色一般為灰白、微黃、淡紅和薔薇等色，以深青花崗巖比較名貴，國際市場上以純黑、紅色及綠色最受歡迎。石材在土木工程中的應用2)花崗巖的應用花崗巖是公認的高級建築結構材料和裝飾材料。花崗巖石材常製作成塊狀石材和板狀飾面石材，塊狀石材用於重要的大型建築物的基礎、勒腳、柱子、欄桿、踏步等部位以及橋樑、堤壩等工程中，是建造永久性工程，紀念性建築的良好材料。如毛主席紀念堂的臺基為紅色花崗巖，象徵著紅色江山堅如磐石。板材石材質感堅實，華麗莊重，是室內外高級裝飾裝修板材。根據在建築物中使用部位的不同，對其表面的加工要求也就不同，通常可分為以下四種。剁斧板：表面粗糙，呈規則的條紋斧狀。機刨板：用刨石機刨成較為平整的表面，呈相互平行的刨紋。粗磨板：表面經過粗磨，光滑而無光澤。磨光板：經過打磨後表面光亮，色澤鮮明，晶體裸露。再經拋光處理後，即成為鏡面花崗巖板材。剁斧板多用於室外地面、臺階、基座等處；機刨板一般用於地面、臺階、基座、踏步、簷口等處；粗磨板常用於牆面、柱面、臺階、基座、紀念碑、墓碑、銘牌等處；磨光板因具有色彩絢麗的花紋和光澤，故多用於室內外牆面、地面、柱面的裝飾，以及用作旱冰場地面、紀念碑、奠基碑、銘牌等處。石材在土木工程中的應用

天然花崗巖板材可分為普通型板材(即正方形或長方形的板材，代號N)、異形板材(其他形狀的板材，代號S)。按其表面加工程度分為細面板材(RB)、鏡面板材(PL)、粗面板材(RU)；按其尺寸、平面度、角度偏差、外觀品質等分為優等品(A)、一等品(B)、合格品(C)三個等級。板材正面的外觀缺陷應符合(JG205—92)的規定，如表2-2所示。表2-2天然花崗巖板材的外觀品質要求值得指出的是，花崗巖的化學成分隨產地不同而有所區別，某些花崗巖含有放射性元素，對這類花崗巖應避免應用於室內。名

稱規定內容優等品一等品合格品缺棱長度不超過10mm(長度小於5mm不計)，周邊每米長(個)不允許12缺角面積不超過5mm×2mm(面積小於2mm×2mm不計)，每塊板(個)裂紋長度不超過兩端順延至板邊總長度的1/10(長度小於20mm的不計)每塊板(條)色斑面積不超過20mm×30mm(面積小於15mm×15mm不計)，每塊板(個)色線長度不超過兩端順延至板邊總長度的1/10(長度小於40mm的不計)，每塊板(條)23坑窩粗面板材的正面出現坑窩不明顯出現，但不影響使用石材在土木工程中的應用2.大理石1)大理石的組成和特性大理石因最早產於雲南大理而得名，全世界的同類石材均以“大理”來命名。建築上所說的大理石是指具有裝飾功能，並可磨光、拋光的各種沉積巖和變質巖。大理巖、石英巖、蛇紋巖、石炭巖、砂巖、白雲巖等均可加工成大理石。大理石表觀密度為2600kg/m3～2700kg/m3，抗壓強度為100MPa～150Mpa，但硬度不大(肖氏硬度約50左右)，較易進行鋸解，雕琢和磨光等加工。吸水率一般不超過1%，耐久性好，一般使用年限為40年～100年。裝飾性好，因通常含多種礦物而呈多姿多彩的花紋。但其抗風化性能差，大多數大理石的主要化學成分是碳酸鹽類，易被酸侵蝕。2)大理石的應用大理石因一般均含多種礦物質，常呈多種色彩組成的花紋。拋光後的大理石光潔細膩，如脂似玉，色彩絢麗，紋理自然，十分誘人。例如毛主席紀念堂內的十四種大理石花盆，每個花盆正面圖案都具有深刻的含義，畫面中有韶山、井岡山、婁山關、赤水河、金沙江、大渡河、雪山、草地和延安等，它們或是紅軍長征經過的地方，或是毛主席工作、生活過的場所，或是毛主席詩詞中歌頌過的壯麗景色。純淨的大理石為白色，稱漢白玉，純白或純黑的大理石屬名貴品種。石材在土木工程中的應用

大理石荒料經鋸切、研磨和拋光等加工工藝可製作大理石板材，主要用於建築物室內飾面，如牆面、地面、柱面、臺面、欄桿和踏步等。天然大理石板材可分為普通型板材(即正方形或長方形的板材，代號N)、異形板材(其他形狀的板材，代號S)。按其外觀品質、鏡面光澤度等分為優等品(A)、一等品(B)、合格品(C)三個等級。板材正面的外觀缺陷應符合(JG79—92)的規定，如表2-3所示。表2-3天然大理石板材的外觀品質要求石材在土木工程中的應用缺陷名稱優等品一等品合格品翹曲不允許不明顯有，但不影響使用裂紋砂眼凹陷色斑污點正面棱缺陷長≤8mm，寬≤3mm1處正面角缺陷長≤3mm，寬≤3mm1處

值得指出的是，大理石抗風化能力差，易受空氣中酸性氧化物(如SO2等)的侵蝕而失去光澤，變色並逐步破損，從而降低裝飾性能。因此，大理石一般不宜做室外裝修，只有漢白玉和艾葉青等少數幾種緻密、質純的品種可用於室外。用大理石邊角料加工而成的正方體、長方體、多邊體(此稱冰裂塊料)，或不加工而製作成的“碎拼大理石”牆面、地面、庭院走廊，格調優美，亂中有序，且造價低廉。用天然大理石或花崗石等殘碎料加工而成的石渣，具有多種顏色和裝飾效果，可作為人造大理石、水磨石、水刷石、斬假石、幹粘石及其他飾面的骨料之用。3.石灰巖石灰巖俗稱“青石”，是沉積巖的一種。主要化學成分為CaCO3，主要礦物成分為方解石，但常含有白雲石、菱鎂礦、石英、含鐵礦物、粘土礦等，表觀密度為2600kg/m3～2800kg/m3，抗壓強度為80MPa～160MPa，吸水率為2%～10%。若巖石中粘土含量不超過3%～4%時，也有較好的耐水性和抗凍性，但也有鬆散狀的或多孔狀的石灰巖。石灰巖來源廣，硬度低，易劈裂，便於開採，具有一定的強度和耐久性，因而廣泛用於建築工程中。其塊石可作為建築物的基礎、牆身、階石及路面等，其碎石是常用的混凝骨料。此外，它也是生產水泥和石灰的主要原料。由石灰巖加工而成的“青石板”造價不高，表面能保持劈裂後的自然形狀，加之多種色彩的搭配，作為牆面裝飾板材，具有獨特的自然風格。石材在土木工程中的應用4.砂巖砂巖屬沉積巖，它是由石英砂或石灰巖等的細小碎屑(直徑0.1mm～0.2mm)經沉積並重新膠結而形成的巖石。砂巖的主要礦物為石英、雲母及粘土等。根據膠結物的不同，砂巖可分為矽質砂巖、鈣質砂巖、鐵質砂巖、粘土質砂巖。矽質砂巖由氧化矽膠結而成，常呈淡灰色；鈣質砂巖由碳酸鈣膠結而成，呈白色；鐵質砂巖由氧化鐵膠結而成，常呈紅色；粘土質砂巖由粘土膠結而成，常呈黃灰色。各種砂巖因膠結物質和構造的不同，其抗壓強度(5MPa～200MPa)表觀密度(2200kg/m3～2500kg/m3)，孔隙率(1.6%～28.3%)，吸水率(0.2%～7.0%)，軟化係數(0.44～0.97)等性質差異很大。建築工程中，砂巖常用於基礎、牆身、人行道和踏步等，也可破碎成散粒狀用作混凝土集料。純白色砂巖俗稱白玉石，可用做雕刻及裝飾材料。5.玄武巖、輝綠巖玄武巖是噴出巖中最普通的一種，顏色較深，常呈玻璃質或隱晶質結構，有時也呈多孔狀或斑形構造。硬度高，脆性大，抗風化能力強，表觀密度為2