Transcript 第二章

第二章 岩石材料
土木與水資源工程學系
劉玉雯
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Ch2 岩石材料
2-1 岩石的種類
2-2 岩石的組成與岩石礦物
2-3 石材的物理及工程性質
2-4 石材的採取與加工
NCYU Yu-Wen Liu
2
Ch2 岩石材料

岩石材料
優點：高強度、 耐久性、 磨損抵抗
缺點：脆化性質
 作用：難以為構造主體，大多作為鋪裝，基
礎材等副材料或混凝土之骨材
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Ch2 岩石材料

岩石為地殼的重要成分，儲量豐富，採
石工作容易
 但應慎重考慮產地至工地之運輸條件
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2-1 岩石的種類
2-1-1 火成岩
2-1-2 水成岩
2-1-3 變質岩
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2-1 岩石的種類


岩石是礦物的集成物
地質學上分成
 火成岩
 沉積岩
 變質岩

依產出成型
 塊狀岩
 成層岩
 剝狀岩
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2-1岩石的種類

依化學成分：
 矽酸質岩
 礬土質岩
 石灰質岩

黏土質岩依組織不同分
 結晶質岩
 碎屑質岩
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2-1-1 火成岩(Igneous Rock)

火成岩→由地球內部熔融狀態的岩漿冷
卻固化而成
 通常存在於地殼的某依深處
 也可能火山爆發而露出地表面

深成岩→楚於地面下深處，在高壓下徐
徐冷卻者，大都為大小均勻的結晶集合
體
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2-1-1火成岩(Igneous Rock)




噴出岩→岩漿噴出地表面固化經極速冷卻而成
玻璃質及微細結晶之集合物
侵入岩→介於深成岩與噴出岩之間者，組織亦
介於兩者之間
依SiO2(矽酸)多少可將火成岩分：



酸性岩66%以上
中性岩66~52%
鹼性岩52%以下
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2-1-2水成岩(sedimentary Rock)

水成岩(沉積岩)
 由覆蓋地表的岩石，受風、水、冰河等(物
理)作用成碎屑
 被搬遷又經機械與化學沉澱作用堆積而成
 碎屑石與化學沉積岩


水成岩→堆積於水中而生成者
風成岩→於陸上由風力作用堆積者
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2-1-3變質岩(Metamorphic Rock)

變質岩：沉積岩、火成岩
 由地殼變動or造山作用
 液體or氣體之化學作用
 地熱or火成岩的侵入之高熱作用逐漸改變其

結構與性質而行成的岩石稱為變質岩
通常變質岩較粗、較緊密且空隙較少
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2-2 岩石的組成與岩石礦物
2-2-1組織
2-2-2造岩礦物
2-2-3岩石構造
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2-2-1 組織




原子是所有物質的基本構成單位
結晶體：有序排列的原子形成一個集合
體，稱之為結晶體
結晶物質：由許多結晶體可構成一特定
的組成物稱之為結晶物質
非結晶物質：物質的原子成不規則排列
or部具有規則的幾何排列
 Ex：玻璃、聚合物、瀝青
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2-2-2 造岩礦物

礦物大都為自然的無機物具有特定
物理性質的結晶物質
化學性質的結晶物質

礦物先形成基本的構造單位，再從而組
成岩石
(任一特定礦物其組成元素的原子排列都相同)
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2-2-2 造岩礦物

主要的造岩礦物(p.26表2-2)
 石英
 角閃石、輝石
 長石
 橄欖石


正長石
斜長石
 雲母


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白雲母
黑雲母
 方解石
 蛇紋石
 白雲石
 石膏
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2-2-3 岩石構造

裂目：岩石中常見之有規則的天然裂痕
稱之為裂目
 岩石生成初期已存在者



岩石生成後才產生者
節理：岩石特有的天然斷裂(規則、不規
則)
層理：平行狀節理
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2-2-3岩石構造




片裡：方向不規則、具有使葉片狀岩石
裂成薄片之性質
石理：為岩石組織中的裂痕
立理：含有劈開面而容易發生斷裂，其
斷裂面稱立理
解理：於一定方向容易發生開裂，此性
質稱為解理
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2-2-3 岩石構造

結晶度
完全結晶者~顯結晶~微結晶
非結晶者
半結晶者

粒狀組織及班狀組織
粒狀組織：結晶粒大約相等者
班狀組織：結晶粒大約分佈者

線狀構造：同一種礦物成分向一定方向
作線狀發展
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2-3 石材的物理及工程性質






比重
孔隙率
耐久性
線脹係數
吸水率
冰凍抵抗性
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耐酸性
耐火性
強度
硬度
磨損抵抗性
彈性模數
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2-3-1比重(Specific Gravity)
漲比重
W1 ( g )

V (g)
W1：試體之絕對乾燥重量
V ：體積
V  W3  W2
W2=浸入水中重量
W3=浸入水中48小時後之容中重量(g)
大致上約2.5~2.8
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2-3-2孔隙率

孔隙率=

公式：
孔隙體積
其容積體積
r
P (%)  (1  )  100
D
V U
P (%) 
 100
V
r:單位容積重量
(kg )
l
D :真比重
V :容積體積
U :石材實體積 (W1  W2 )

解：
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r
Dr
) 100 
100
D
D
(
)
D  100  Vhole

V
Vvolume
P(%)  (1 
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2-3-3耐久性

影響石材耐久性的因子
 組織
 造岩石礦物
 暴露狀態
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石材之耐用年限
Julien指出：在紐約地區 建築物之石材，因褪色或分解而需做第一
次修理的年限 (只能參考)
石
材
耐用年限
石
材
耐用年限
砂岩粗粒
5~15
白雲石
30~50
砂岩細粒
20~50
大理石
60~100
硬質砂岩
100~200
花崗岩
75~200
石灰石
20~40
石英岩
75~200
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支配石材耐久的因素


組織：造岩礦物的粒狀越細微→耐久性越
佳
造岩礦物：由造岩礦物的風化難易，可判
斷石材的耐久性
容易風化者：依序者為
1.硫化物
2.含鐵礦物
3.碳酸鎂
4.碳酸鈣
不容易風化者：
1.鋁化合物
2.矽酸
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3.矽酸鹽類
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支配石材耐久的因素

暴露狀態：對於耐久性評估有多種測驗法
1.褪色 Test
2.膨脹係數 Test
3.凍結 Test
4.耐酸 Test
5.耐鹼 Test
6.耐火 Test
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2-3-4 線脹係數

延時崩壞的主要原因
 石材受溫度變化而發生伸縮，其內部將發生
極為複雜的應力
 各種石材在高溫下的線脹係數(表2-4)
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2-3-5 吸水率

石材吸水的特性可用吸水性表示之
採用重20g以上的立方體
濕
乾
W3  W1
吸水率(%) =
100
W1

吸水率大者表孔隙大→易於受凍損害
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2-3-5 吸水率
表 2-5 各種之石材比重、吸水率及冰凍重量損失百分率
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2-3-6 冰凍抵抗性


石材吸水後，弱遇0℃以下的溫度，內部水分會膨脹，產
生張力，經長期反覆作用下，可能使石材表面開列剝落而
破壞
可進行凍融試驗：1.試體2.5 cm3
反覆24次
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2.30℃乾燥秤重
3.浸入15~20℃水中
4.移入-10~15℃冰凍室內4hr
5.取出於15℃水中溶解，洗淨後乾燥重。
6.反覆24次
7.測定其重量損失百分率
※損失率越大→冰凍抵抗性愈差
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2-3-7 耐酸性

天然水中含有碳酸氣
都市污水含有各種酸鹽
接觸上述雜質的石材，經年累月後可能
被徐徐侵蝕

耐酸試驗： 1.H2CO3(碳酸) Test
2.H2SO4(硫酸) Test

碳酸試驗： 1.石材浸入CO2飽和溶液中。
2.經一定時間算出石材重量損失百
分率
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2-3-7 耐酸性

硫酸試驗： 1.石材浸入1%H2SO4溶液中
2.經一定時間算出石材重量損失
百分率
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2-3-8 耐火性


火災時，溫度可能升至1200~1300℃
石材在高溫下被破壞的原因：



石材為熱的不良導體，會因內部熱度分布不均而發
生熱應力
在火災現場常噴水滅火，造成加熱面急速冷卻而破
裂
耐火試驗：1.取邊長25~27mm
2.加熱至1200℃後
3.放入空中或水中急冷之
4.觀察期崩壞程度判斷之
※石材對500℃以下，幾乎不受損害
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2-3-9 強度

石材的強度：以抗壓強度最大
主要應用於承受壓力部位
強度：ˇ 1.抗壓強度 3.剪斷強度
2.抗拉強度 4.彎曲強度

石材的各種強度試驗方法：

P
抗壓試驗：1.取5~10cm立方體
A
2.做抗壓試驗

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P
A
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2-3-9 強度

抗彎試驗： 取5×5×30cm樑試體
1
PL
4
50
250
d
p
L
p/2
-p/2
1
PL
4
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d
1
 d 
PL
 
My  4
 2 


1 3
I
bd
12
3 PL

2 bd 2
抗彎試驗
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2-3-10 硬度

硬度是岩石強度的指標
測量岩石及石材的硬度 ，常用10種礦物的莫氏尺度
(Moh’s scale)測定之，如下表所示；及數高的岩石都能
在下一級的礦物上畫出刻痕：
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2-3-11 磨損抵抗性

石材應用於道路鋪設時：
 須具有堅硬性，以抵抗磨損作用
 並具有兼任性，以抵抗衝擊作用

常用洛杉磯磨損試驗法
CNS 490 (A3009)
ASTM C131、C535
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2-3-12 彈性模數


石材為非彈性模數
部分岩石，加載至一定應力時，應力-應
變關係常可維持線性，則彈性模數一定
ex:玄武岩、硬砂岩、緻密石灰岩

部分岩石則不依循虎克定律
隨應力之增加→E也增大
ex:花崗岩、砂岩等
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2-3-12 彈性模數

石材的ν平均為0.25與鐵￠鋼相近
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2-4 石材的採取與加工
2-4-1 石材的採取
2-4-2 石材的加工
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2-4-1 石材的採取

常見的採取法：一段式
階段式
掘下式
隧道式
混合式
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2-4-1 石材的採取

搬運費佔相當的比例，選定最便捷的採
石方法

採掘的石材： 軟石-用鋯、橇棍
硬石- 炸藥爆炸
削溝機
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2-4-2 石材的加工


採取下之石材，無法直接使用
加工-用切斷器： 1.帶鋸
2.鋼線鋸
3.圓鋸
4.金鋼鋸

建築用-石材磨平加工：
磨平器
磨耗器
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