课题二 石材、砖、瓦
早期使用的土木工程材料主要有石材、砖、瓦等，它们至今仍在土木工程材料中占有重要地位。目前在土木工程中，石材主要用作结构材料、装饰材料、混凝土集料和人造石材的原料等。
一、石材
天然石材是最古老的土木工程材料之一。天然石材具有很高的抗压强度，良好的耐磨性和耐久性，经加工后表面美观富于装饰性，资源分布广，蕴藏量丰富，便于就地取材，生产成本低等优点，是古今土木工程中修建城垣、桥梁、房屋、道路及水利工程的主要材料。天然石材经加工后具有良好的装饰性，是现代土木工程的主要装饰材料之一。
石材具有良好的耐久性，用石材建造的结构物具有永久保存的可能。古代人早就认识到这一点，因此许多重要的建筑物及纪念性结构物都是使用石材建造的。
石材的耐水性好，抗压强度高。1m2面积的石材上面能承受5000t的压力。所以在石块上叠砌石块，有可能建成大型的结构物。以石材为主的西欧建筑，威严雄浑，给人以庄重高贵的感觉。石材建筑是欧洲文化的象征。许多皇家建筑多采用石材。例如欧洲最大的皇宫——法国凡尔赛宫（1661年—1689年建造），占地面积达100多万平方米，其中建筑面积为11万平方米，宫殿中建筑物的墙体以及外部的地面全部使用石材建成，如图2-1所示。
图2-1 法国凡尔赛宫
石材的种类：
1．毛石
毛石也称片石，是采石场由爆破直接获得的形状不规则的石块。根据平整程度又将其分为乱毛石和平毛石两类。
毛石可用于砌筑基础、堤坝、挡土墙等，乱毛石也可作为毛石混凝土的骨料。
2．料石
料石是人工或机械开采出的较规则的六面体石块略经凿琢而成。根据表面加工的平整程度分为毛料石、粗料石、半细料石和细料石四种。
料石一般由致密均匀的砂岩、石灰岩、花岗岩加工而成。料石主要用于砌筑墙身、踏步、拱和纪念碑、柱等。
3．饰面石材
建筑物内外墙面、柱面、地面、栏杆、台阶等处装修用的石材称为饰面石材。饰面石材从岩石种类分主要有大理石和花岗岩两大类。饰面石材的外形有加工成平面的板材，或者加工成曲面的各种定型件。表面经不同的工艺可加工成凹凸不平的毛面，或者经过精磨抛光成光彩照人的镜面。
4．色石渣
色石渣也称色石子，是由天然大理石、白云石、方解石或花岗岩等石材经破碎筛选加工而成，作为骨料主要用于人造大理石、水磨石、水刷石、干粘石、斩假石等建筑物面层的装饰工程。
5．石子
在混凝土组成材料中，砂称为细骨料，石子称为粗骨料。石子除用作混凝土粗骨料外，也常用作路桥工程、铁道工程的路基道砟等。石子分碎石和卵石，由天然岩石或卵石经破碎、筛分而得到的粒径大于5mm的岩石颗粒，称为碎石或碎卵石；岩石在自然条件作用下形成的粒径大于5mm的颗粒，称为卵石。
二、砖
砖是一种最为常用的砌筑材料。砖、瓦的生产和使用在我国历史悠久。春秋战国时期陆续创制了方形和长形砖，秦汉时期制砖的技术、生产规模、质量和花式品种都有显著发展，史称“秦砖”。制砖的原料容易取得，生产工艺比较简单，价格低，体积小，便于组合，粘土砖还有防火、隔热、隔声、吸潮等优点，所以至今仍然广泛地用于墙体、基础、柱等砌筑工程中。但是由于生产传统粘土砖毁田取土量大、能耗高、自重大，施工生产中劳动强度高、工效低，因此有逐步改革并用新型材料取代的必要。有的城市已禁止在建筑物中使用粘土砖。
（一）砖的分类
砖按照生产工艺分为烧结砖和非烧结砖；按所用原材料分为粘土砖、页岩砖、煤矸石砖、粉煤灰砖、炉渣砖和灰砂砖等；按有无孔洞分为空心砖、多孔砖和实心砖。
（二）常用砖
1．烧结粘土砖
根据《烧结普通砖》（GB 5101—2003）的规定：烧结普通砖是以黏土、页岩、煤矸石或粉煤灰为主要原料，经制坯和焙烧而成的普通砖。
（1）烧结普通砖的技术性能指标
1）规格：烧结普通砖的外形为直角六面体，其标准尺寸是240mm×115mm×53mm。按技术指标分为优等品（A）、一等品（B）、合格品（C）3个质量等级。
2）强度等级：烧结普通砖按抗压强度分为MU30，MU25，MU20，MU15，MU10共5个强度等级。
3）抗风化性能：抗风化性能是烧结普通砖主要的耐久性之一。它是指材料在干湿变化、温度变化、冻融变化等物理因素作用下，材料不破坏并长期保持其原有性质的能力。抗风化性能越强，耐久性越好。
4）泛霜：泛霜是指砖内可溶性盐类（如硫酸钠等）随着砖内水分蒸发，逐渐于砖的表面析出一层白霜的现象。严重泛霜的出现不仅有损建筑物的外观，而且对建筑结构的破坏较大。
5）石灰爆裂：烧结砖的原料中夹有石灰质，经过焙烧，石灰质变为生石灰，生石灰吸水熟化为熟石灰，体积膨胀，使砖因产生内应力而爆裂的现象。
（2）烧结普通砖的应用
烧结普通砖是砌筑工程中的一种主要材料。它可用做墙体，亦可砌筑柱、拱、烟囱及基础等。
2．烧结多孔砖和烧结空心砖
可减轻建筑物自重，节约黏土资源，节省烧结时的燃料消耗，提高墙体施工工效，并能改善砖的隔热、隔声性能。推广使用多孔砖和空心砖是我国墙体材料改革的一项重要内容。
（1）烧结多孔砖
烧结多孔砖是以黏土、页岩或煤矸石为主要原料烧制的主要用于结构承重的多孔砖。烧结多孔砖的孔洞率一般在15％以上。在建筑中烧结多孔砖多用于砌筑六层以下的承重墙或高层框架结构填充墙。多孔砖形状见图2-2。
图2-2 烧结多孔砖
（2）烧结空心砖
烧结空心砖是以黏土、页岩或粉煤灰为主要原料烧制的空心砖。空心砖顶面有孔，孔大而少，而多孔砖孔小而多。空心砖的孔洞率一般在35％以上。空心砖形状见图2-3。
1—顶面；2—大面；3—条面；4—肋；5—凹线槽；6—外壁
L—长度；D—宽度；d—高度
图2-3 烧结空心砖
烧结空心砖自重较轻，强度较低，多用于非承重墙，如多层建筑内隔墙或框架结构的填充墙等。
三、瓦
（一）瓦的历史
瓦，一般指粘土瓦。以黏土（包括页岩、煤矸石等粉料）为主要原料，经泥料处理、成型、干燥和焙烧而制成。在中国，瓦的生产比砖早。从甲骨文字形中可以知道，3000多年前的屋脊有高耸的装饰或结构构件，但尚未有实物陶瓦的发掘发现。春秋时期出现板瓦、筒瓦、瓦当等。到了战国时代，一般人的房子都能用上瓦了。秦汉形成了独立的制陶业，并在工艺上做了许多改进，如改用瓦榫头使瓦间相接更为吻合，取代瓦钉和瓦鼻。西汉时期工艺上又取得了明显的进步，如带有圆形瓦当的筒瓦由三道工序简化成一道工序，瓦的质量也有较大提高，史称“汉瓦”。
（二）常见的瓦
粘土瓦的生产工艺与粘土砖相似，但对黏土的质量要求较高，如含杂质少、塑性高、泥料均化程度高等。中国目前生产的粘土瓦有小青瓦、脊瓦和平瓦（图2-4）。
图2-4 小青瓦及小青瓦屋顶
粘土瓦只能应用于较大坡度的屋面。由于材质脆、自重大、片小，施工效率低，且需要大量木材等缺点，在现代建筑屋面材料中的比例已逐渐下降。
瓦，原本色泽灰黑无光，然而，紫禁城的瓦表面光滑如镜，这种瓦叫琉璃瓦（如图2-5所示）。琉璃瓦是中国帝王之家的专属用品，也是中国建筑的象征。最早的琉璃瓦实物见于唐昭陵。
图2-5 琉璃瓦
一块色泽美丽的琉璃瓦，必须经过两座窑炉的煅烧方可制成。琉璃的制作工艺是采用两次烧成的方式，第一次是将制好的黑色瓦坯烧成洁白的素坯，第二次则是素坯施釉后烧成色彩缤纷的琉璃瓦。上釉的素坯需经过窑火的洗礼，火温稍有差异，出窑的琉璃瓦便呈现出不同的色彩，且具有良好的防水性和稳定性。