板岩石材的强度是指石材抵抗外力作用的能力。包括抗压、抗剪、抗拉、弯曲强度。石材的强度主要取决于岩石的成因、矿物成分、样式结构构造、风化程度、含水率、微裂隙的发育程度及裂隙填充物的性质等因素,同时也与测试时的条件有关。
一、抗压强度
石材的的抗压强度是指在无侧束状态下(unconfined)所能承受的最大压力,通常以每平方公分多少公斤,或每平方英寸多少磅。换言之,它指把岩石的加压至破裂所需要的应力。
欲想了解石材的特性,和在工程上是否适用时,必须先作岩石的力学强度试验。强度试验中最主要为抗压强度的试验。
岩石的最大抗压强度的量测,通常是在固定的实验室中进行,并利用功率为十至一百吨以上的特殊水压机来把测试样本压碎。为测试岩石的抗压强度,其样品需制成立方体或圆柱体的形状,同时其尺寸还得视岩石的不同而异。对高强度的岩石而言,立方体形状的样品尺寸为5㎝×5㎝×5㎝,中等强度的岩石其样品尺寸为7㎝×7㎝×7㎝,而松软的岩石其样品尺寸为10㎝×10㎝×10㎝。对于矿物成份不均匀的岩石,其立方体形状的样品尺寸,应较矿物成份均匀的岩石为大。
为了避免获得意外的结果,应该采取同一石料的若干样品分别在干燥或潮湿的状况下进行试验。不过这种测试未必能够得到正确的数据,因为即使同一种的岩石,其抗压强度也不一定完全相同,还要看压缩方向和样品的构造等关系而定。此种具有方向的性质,以页岩特别显著。
下面介绍来自最简单的抗压强度试验,将样品压碎的力以p来表示。
样品的剖面面积为2吋×2吋即4平方吋,同时已知岩石的抗压强度为每平方吋一万磅(10,000psi),如此对样品施以10,000×4=40,000磅压力时,样品将会被破坏。其抗压强度计算公式如下:
p=p/a
式中 p为抗压强度,以每平方吋多少磅(psi)、每平方公分多少公斤为单位,p为压力,以磅、公斤为单位,a为剖面面积,以平方公分、平方吋为单位。
大致说来,火成岩、石英岩和特别坚硬的硅质砂岩,具有最大的抗压强度。例如一些未风化之玄武岩,其无侧束抗压强度可达到60,000psi。影响岩石抗压强度的因素很多,其最重要的有三种因素:组织、胶结物的性质、压力的方向等。
(1) 组织
以结晶粒子大小而言,一些细粒的岩石或隐晶质的岩石,其抗压强度往往要较粗粒为大。例如细粒的砂岩,其抗压强度便要较粗粒为大。以火成岩和变质岩而言,当中有些晶体彼此钩结得很牢固,其抗压强度自然要较一些钩结不良的为大。
(2) 胶结物的性质
在沉积岩方面其抗压强度,大多决定于胶结物的性质,特别以砂岩、砾岩和角砾岩为然。例如,假如岩石中的胶结物是黏土,则砂岩的抗压强度一定很低;假如岩石中的胶结物是石英的话,则砂岩的抗压强度一定变成最强,这些石英所胶结的岩石又称为硅化(silicified)。
(3) 压力的方向
岩石的抗压强度也决定于挤压应力作用的方向。以沉积岩而言,它们具有层面的,如果应力作用的方向和层面垂直,则岩石的抗压强度为最大。此外,某些岩石常常具有裂缝、矿脉或片理等类的构造,如果它们的方向和破裂面(plane of failure)的方向一致时,则对岩石的抗压强度自然影响很大。
下面是一些岩石的抗压强度
岩石种类 抗压强度(kg∕㎝2)
花岗岩(granite) 1,000 ~ 2,500
正长岩(syenite) 1,000 ~ 2,000
闪长岩(diorite) 1,500 ~ 2,800
辉长岩(gabbro) 1,000 ~ 2,800
辉绿岩(diabase) 2,000 ~ 3,000
玄武岩(basalt) 4,000
结晶质石灰岩(crystalline limestone) 1,000 ~ 2,000
石英砂岩(quartzose sandstone) 2,000
石英岩(quartzite) 3,000
片麻岩(gneiss) 1,000 ~ 2,000
二、石材的弯曲能力测试行业标准
【数据库】 装饰材料
【标准名称】 天然饰面石材试验方法弯曲强度试验方法
【标准类型】 中华人民共利国国家标准
【标准名称(英)】 Test methods for natural facing stones Test method
【标准号】 GB9966.2-88
1 主题内容与适用范围
本标准规定了天然饰面石材和荒料弯曲强度的试验设备、试样、试验程序、计算及试验结果。本标准适用于天然饰面石材和荒料的弯曲强度试验。
2 设备及量具
2.1 材料试验机,示值相对误差不超过±1%。试样破坏的最大负荷在材料试验机刻度的20%-90%范围内。
2.2 游标卡尺:刻度为0.02mm。
3 试样
3.1 试样尺寸长160mm、宽40±0.5mm,高20±0.5mm,受力面的平行度在 0.08mm以内,垂直和平行层理的试样各两组。没有层理的试样两组,每组5块。
3.2 试样应标出岩石层理方向。
3.3 试样两受力面用500号细砂纸抛光。不允许掉棱、掉角和有可见的裂纹。
3.4 标出两点与受力点的标记(尺寸见下图),测量试样两个支点和负荷点处的宽与高的尺寸,并取算术平均值。水平均值。
4 试验步骤
4.1 将试样放在105±2℃的烘箱内干燥24h,再放入干燥器内冷却至室温。
4.2 调节支座之间的距离为140±0.5mm,把试样放在支架上,施加负荷以每分钟两毫米的速率直至试样断裂,读出断裂时的负荷值。
5 结果计算
弯曲强度按下式计算: 3P·L Rt=─── 2b·h2式中:Rt——试样的弯曲强度,MPa(kgf/cm2); P一—试样断裂荷载,N(ksf); L一—支点间距离,cm; b一试样宽度,cm; h——试样高度,cm。
6 试验结果计算
试样不同层理的算术平均值及最大值和最小值。
附加说明:本标准由国家建筑材料工业局人工晶体研究所负责起草。
本标准主要起草人杨美菊、孟秉芬。