3.1 天然石材
天然石材是指从天然岩体中开采出来，并经过加工成为块状或板状材料的总称。岩石是由各种地质作用所产生的天然固体，是矿物的集合体，组成岩石的矿物称为造岩矿物。大多数岩石由多种造岩矿物组成，不同的造岩矿物在不同的地质条件下，形成不同性质的岩石，岩石没有确定的化学组成和物理性质。同种岩石，产地不同，其各种矿物的含量、颗粒结构均有差异，因而颜色、强度、耐久性等也有差别。由单一矿物组成的岩石称为单矿岩。由两种以上的矿物组成的岩石称为复（多）矿岩，花岗岩主要由长石、石英、云母组成。常用岩石的主要造岩矿物的颜色和特性见表3-1。
表3-1 主要造岩矿物的颜色和特性
3.1.1 天然石材的特点
天然石材的优点如下：蕴藏丰富，分布很广，便于就地取材；石材结构致密，抗压强度高，大部分石材的抗压强度可达100MPa以上；耐水性好；耐磨性好；装饰性好，石材具有纹理自然、质感稳重、庄严雄伟的艺术效果；耐久性很好，使用年限可达百年以上。
缺点：天然石材一般质地坚硬，加工困难，自重大，开采和运输不方便；极个别石材可能具有放射性，用在建筑物中会对人身体造成伤害，使用前应该进行必要的检测。
3.1.2 岩石的形成及分类
岩石按地质形成条件分为火成岩、沉积岩、变质岩三大类，它们具有显著不同的结构、构造与性质。
（1）火成岩
火成岩又称岩浆岩。它是因地壳变动，熔融的岩浆由地壳内部上升后冷却而成的岩石。火成岩是组成地壳的主要岩石，占地壳总质量的89%。火成岩按照岩浆冷却条件的不同，又分为深成岩、喷出岩和火山岩三种。
① 深成岩。深成岩是岩浆在地壳深处，在很大的覆盖压力下缓慢冷却而成的岩石。其特性是构造致密，表观密度大，抗压强度高，吸水率小，抗冻性好，耐磨性好，如花岗岩、正长岩、辉长岩、闪长岩等。
② 喷出岩。喷出岩是熔融岩浆喷出地表后，在压力降低、迅速冷却的条件下形成的岩石。当岩浆形成较厚的岩层时，其结构致密，性能接近于深成岩。但因冷却迅速多呈隐晶质或玻璃质，如建筑上常用的玄武岩、安山岩等。若喷出的岩浆层较薄时，常呈多孔构造。
③ 火山岩。火山岩又称火山碎屑岩。火山岩是火山爆发时，岩浆被喷到空中，急速冷却后落下而形成的碎屑岩石，如火山灰、浮石等。
应用：火山岩都是轻质多孔结构的材料。其中火山灰被大量用作水泥的混合材料；浮石可用作轻质集料，配制轻集料混凝土用作墙体材料。
（2）沉积岩
沉积岩又称水成岩。它是地表的多种岩石在外力地质作用下，经风化、搬运、沉积和再造等作用（压固、胶结、重结晶等），在地表或离地表不太深处形成的岩石。沉积岩大都呈层状构造，各层岩石的成分、构造、颜色、性能等均不相同，且为各向异性。与深成岩相比，沉积岩的表观密度小，结构致密性较差，孔隙率和吸水率较大，强度和耐久性较低。
沉积岩虽仅占地壳总质量的5%，但在地球上分布很广，约占地壳表面积的75%，加之藏于离地表不太深处，故易于开采。沉积岩用途广泛，其中最重要的是石灰岩。
应用：石灰岩是烧制石灰和水泥的主要原料，更是配制普通混凝土的重要组成材料。
（3）变质岩
变质岩是由原生的火成岩或沉积岩，经过地壳内部高温、高压等变化作用使它们的矿物成分、结构、构造乃至化学组成都发生改变后而形成的岩石。其中沉积岩变质后，性能变好，结构变得致密，坚实耐久，如石灰岩变质为大理岩；而火成岩经变质后，性质反而变差，如花岗岩变质成的片麻岩，易产生分层剥落，使耐久性变差。
3.1.3 建筑石材的技术性质
（1）表观密度
天然石材按表观密度分为重石和轻石两类。表观密度大于1800kg/m3的为重石，用于建筑物的基础、覆面、房屋的外墙、地面、路面、桥梁以及水下建筑物等。表观密度小于1800kg/m3的为轻石，主要用作砌筑采暖房屋的墙壁。
（2）吸水性
天然石材的吸水率一般较小，但由于形成条件、密实程度等情况的不同，石材的吸水率波动也较大。吸水率低于1.5%的为低吸水性岩石，吸水率介于1.5%～3.0%的为中吸水性岩石，吸水率高于3.0%的为高吸水性岩石。
石材的吸水性对其强度与耐水性有很大影响。石材吸水后，会降低颗粒之间的黏结力，从而使强度降低。有些岩石还容易被水溶蚀，其耐水性也较差。
（3）耐水性
当石材中含有黏土或易溶于水的物质时，在吸水饱和情况下，强度会明显下降。石材的耐水性以软化系数表示。软化系数大于或等于0.9的属于高耐水性石材，软化系数为0.7～0.9的属于中耐水性石材，软化系数为0.6～0.7的属于低耐水性石材。一般软化系数小于0.8的石材不允许用于重要建筑。
（4）抗冻性
石材的抗冻性是用冻融循环次数表示的。石材在吸水饱和状态下，经反复冻融循环，若无贯穿裂缝，且质量损失不超过5%，强度损失不超过25%，则认为其抗冻性合格，其允许的冻融循环次数就是抗冻等级。石材的抗冻性主要取决于石材的矿物成分、晶粒大小和分布均匀性、天然胶结物的胶结性质、孔隙率及吸水性等性质。通常，吸水率越低，抗冻性越好。石材应根据使用条件选择相应的抗冻性指标。吸水率小于0.5%的石材，可以认为是抗冻的。
（5）耐热性
石材的耐热性主要取决于石材的化学成分和矿物组成。含有石膏的石材，温度超过100℃时结构开始破坏；含有碳酸镁的石材，温度高于625℃时结构会发生破坏；含有碳酸钙的石材，温度达到827℃时结构才开始破坏；由石英组成的石材，如花岗岩等，当温度超过700℃时，由于石英受热膨胀，强度会迅速下降。
（6）抗压强度
岩石是典型的脆性材料，它的抗压强度很大，但抗拉强度很小，这是岩石区别于钢材和木材的主要特征之一。石材的抗压强度主要取决于石材的矿物组成、结构与构造特征、胶结物质的种类与均匀性等。
天然岩石是以100mm×100mm×100mm的立方体试件，用标准试验方法测得的抗压强度值作为评定石材强度等级的标准。根据国家标准《砌体结构设计规范》（GB 50003—2011）规定，天然石材的强度等级分为MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20、MU15和MU10共9个等级。天然石材抗压强度的大小取决于石材的矿物成分、结晶粗细、胶结物质的种类及均匀性，以及荷载和解理方向等因素。
石材的抗压强度最高，抗拉强度最低，只有抗压强度的1/50～1/20。因此，石材主要用于承受压力。
（7）硬度
石材的硬度主要与其组成矿物的硬度和构造有关，其硬度多以莫氏硬度或肖氏硬度表示。抗压强度越高，其硬度越高；硬度越高，其耐磨性和抗刻划性越好，但其表面加工更困难。
（8）耐磨性
石材的耐磨性与其组成矿物的硬度、结构构造、石材的抗压强度等因素有关。石材的组成矿物越坚硬、结构越致密、抗压强度越高，其耐磨性越好。石材的耐磨性用单位面积磨耗量来表示。对于可能遭受磨损作用的场所，如地面、路面等，应采用高耐磨性的石材。