1、常用之建築石材種類及特性分析- 1 -天然石材是最古老的建築材料，其渾然天成的紋路及瑰麗色彩變化，素為人類所鍾愛，與人類日常生活密切相關。古代世界重要的建築，諸如埃及金字塔、希臘神殿、羅馬教堂、中國長城、俄羅斯冬宮等，都以石材作為主要構材。現今的建築多以鋼骨及鋼筋混泥土為主要構材，石材則成為扮演著裝飾建築外觀的角色。目前石材的種類繁多，不一定都能應用於建築業。一般而言，作為建築材料的基本要求必須符合下列幾個特性，方能為消費者所喜愛及使用一、顏色、花紋須美觀一致，其內部應不含熱膨脹係數大的成分( 以避免石材內部應力集中)，不宜有導熱及導電率過高之成分潛藏其中，造成危險。此外，一些有害石材表面強度
2、的物質如硫化鐵、氧化鐵、炭質.等亦不宜太多。二、硬度、強度適中，有利加工成型並具良好之耐風化- 2 -性未來分子結構穩定者。三、產量豐富，可大量持續供應，以達成市場基本經濟規模者。四、解理及裂縫少，加工後成材率高且可供大塊採取者，以達成市場的經濟性原則。目前國內原石總供應量 83%依賴進口；其中大理石約 27%，花崗石 100%仰賴進口。自國外進口的原石其內部組成十分複雜，微觀之礦物構造皆亦因其在地表之生成過程不同而有極大差異，因此石材表面出現瑕疵，在所難免。此外，國內建築設計者因缺乏石材相關的資訊及正規訓練，故對石材種類及性能未有完整之認識與了解，因而面對種類繁多的石材，經常做出不當之選擇。
3、不當的使用觀念及設計，不僅無法發揮石材天然的美觀，更造成日後石材外觀易受污染，維護成本增加的困擾。因此，要了解如何使用及設計石材，首先必須要了解石- 3 -材的物理及化學物性，才可能做好正確的應用及設計。以下即針對石材的基本性質，分節詳述。- 4 -第一節建築石材之認識與分類建築石材的定義，可由 CNS11318/A1041 建築用天然石材辭彙一般名詞中的解釋來了解，其解說如下：建築用天然石經挑選、剪裁或切鋸成特定或規定之形狀尺寸，且該建築石材之表面或多面可用機器磨光修飾，亦可全無表面修飾。 。除上述之定義外，建築石材仍須具備足夠之強度及可加工性，方可廣泛應用在建築工業上。建築用天然石為構成地
4、球表面地殼的岩石，經開採後切割加工而成。從微觀及物質的基本面而言，岩石為- 5 -礦物之集合體，天然石材之礦物組成與岩理可決定其物理化學性質。而所謂之岩理係指組成岩石礦物顆粒的大小、形狀和排列方式而言，這其中當然也包括它們膠結組成的情形。由此，我們可藉由礦物組成與岩理來判斷石材之種類，一般而言，岩石依其生成的方式來定義，可概分為火成岩、沈積岩及變質岩等三大類，其主要特徵及常見之石材種類如表一1 所示- 7 -表一、1 岩石分類表岩石分類特徵 火成岩 沈積岩 變質岩岩石構造缺少層理，成塊狀不規則火成岩體。一次次的熔岩流也可造成層狀構造，當熔岩流流動時，已結晶出的礦物平行排列成流紋構造。多具層理及
5、含交錯層波痕、底痕、泥裂痕等沈積構造。原岩為沈積岩，經低度變質作用，尚可殘留有層理；經高度變質作用，層理受破壞，由礦物平行排列而有葉理、摺皺等構造。- 8 -岩石組織礦物組成以角閃石、輝石、雲母等深色鐵鎂礦物及長石、石英等非鐵構成主體的顆粒藉由膠結物填充其孔隙，常含有完整之化石。長形或片狀，礦物顆粒平行排列。表一、1 岩石分類表(續)岩石分類特徵 火成岩 沈積岩 變質岩岩石組織鎂礦物為主。礦物結晶顆粒彼此緊密鑲崁。- 9 -常見石材種類印度紅、南非黑、藍珍珠、菊花崗等砂岩、木紋石、新米黃、金鋒石等和平白、蒙地卡羅、板岩、蛇紋岩等- 11 -建築石材種類依生成方式分類，主要概分為火成岩類的花崗岩
6、、玄武岩、安山岩，沈積岩類的石灰岩、白雲岩、砂岩，變質岩類的大理石、蛇紋石等。而目前建築石材則一般區分為花崗石、大理石及砂岩、板岩等，其分類並不同於地質上的定義。商業上有另一套分類法則，其幾乎都將所有的火成岩如玄武岩、輝綠岩、閃長岩等稱為花崗石，由火成岩變質的變質岩亦稱為花崗石(如蒙地卡羅) ，而商品名則依產地或花色特徵加以命名，因此，可說五花八門，消費者常被搞混而無法了解其命名背後真正所含的具體義意。因此，以下即針對商用花崗石及大理石等石材逐一詳述。花崗石就在礦物組成而言，以石英、長石、雲母、角閃石等鋁矽酸鹽類礦物為主，磁鐵礦、石榴子石、磷灰石等為輔。一般而言，長石的含量會較石英多，紋路及色
7、彩因集中於長石的部份而變得極為豐富，硬度大且- 12 -較抗風化，長久以來即被作為主要建材，在台灣地區目前的石材裝修工程運用的最多，台灣本地並不產花崗石，目前所有花崗石礦均仰賴進口，較常見的石種有印度紅、印度黑、福建 603、巴西帝紅等。大理石為變質岩，未變質前主要係石灰石及白雲石，就地質上而言稱之為再結晶石灰岩 ，指的就是碳酸鹽類礦物經壓力及熱力變質所引發的再結晶作用後的結果，而其主要的組成礦物為方解石、白雲石等，結晶顆粒通常呈互崁狀組織。事實上，在礦物組成上大理石與石灰石都含有相同的碳酸鹽類礦物，但其組織結構有極大差異，不過目前商業上仍將大理石與石灰石全歸納為大理石。另外，蛇紋石在組成上雖
8、屬鋁矽酸鹽類礦物，但由於許多物理性質與大理石十分接近，在建築的應用上，業者將其與大理石歸為同類，市面上可見之顏色呈中綠、黃綠或接近黑的深綠色，因此在習慣上也將蛇紋石稱為- 13 -綠色大理石 。台灣東部所產的大理石及蛇紋石已有數十年的開採及加工歷史，品質優良，尤其是蛇紋石，廣受世界各地的喜愛，常見的國產大理石有和平白、新米黃、蛇紋石等。砂岩，主要是由石英、長石等碎屑組織構成，由氧化矽、黏土、方解石、氧化鐵等礦物膠結體填充而成，適合塊狀堆砌使用。依所含填隙物質及膠結物質之不同而分為矽質砂岩(以二氧化矽為主要膠結物質者) 、鈣質砂岩( 以碳酸鈣為主要膠結物質或為砂岩中之副成分礦物或以上兩者皆有者)
9、、泥質砂岩 (黏土礦物為主要膠結物質)及鐵質砂岩( 氧化鐵或氫氧化鐵為填充物質或膠結物質)。板岩，凡具有良好的劈裂性及一定強度的板狀構造，沿解理面可剝成片，且經過輕微之變質作用的淺變質岩，- 14 -統稱為板岩。其組成多由黏土、粉砂、鈣質或中、酸性火山灰組成，在生成過程中，原岩因脫水導致硬度增加，但硬度並非因結晶現象發達所致，其礦物成分基本上沒有重結晶或只有部份重結晶，外表呈緻密隱晶質，礦物顆粒很細，肉眼難以辨別，有時在解理面上有少量絹雲母及綠泥石等新生礦物，並使板岩略顯絲絹光澤。目前，常見的板岩有矽質板岩、黏土質板岩、雲母質板岩等。- 15 -第二節 建築石材的礦物組成礦物是組成各種岩石(建
10、築石材)的最基本單元，不同的岩石由不同比例、不同種類及不同化學成分的組構礦物所組合而成，這些礦物的聚合行為表現出石材的外觀及基本物化性質，表 1.2 列舉數種常見的建築石材與其岩石名稱及其礦物組成。表一2 常見的建築石材與其岩石名稱、礦物組成石材名稱 岩石分類 岩石名稱 組成礦物南非淺黑 二長岩 正長石斜長石辛巴威黑火成岩閃長岩 斜長石角閃石 輝石 黑雲母- 16 -藍珍珠 斜長岩 拉長石豐鎮黑 輝長岩 角閃石輝石斜長石表一2 常見的建築石材與其岩石名稱、礦物組成(續)石材名稱 岩石分類 岩石名稱 組成礦物德州紅 花崗岩 正長石石英雲母老鷹紅 花崗岩 正長石石英雲母輝石芭拉大花火成岩花崗閃長岩
11、 鈉長石石英黑雲蒙地卡羅 花崗片麻岩 微斜長石石英鐵鎂礦物黑雲母帕達迪索(宮廷石)粒變岩 奧長石微斜長石石英 鐵鎂礦物 黑雲母虎皮石變質岩片麻岩 斜長石石英鐵鎂礦物在變質岩中，礦物的組構、成分及種類會因為外在的溫壓條件、熱水溶液及氣體分壓作用影響下，由原來岩石中的礦物逐漸換質變質- 17 -(Metamorphism/Metasomatism)，再結晶而形成不同的礦物群，而礦物群的種類、晶粒大小與組成結構取決於原岩與圍岩種類、變質相程度、化學與熱水溶液等條件，再加以變質作用的壓力因素，常導致礦物具有優勢方向(Preferred Orientation)，具排列特性或是礦物分層，分帶現象，甚至導
12、致具褶皺(Folding)流動性構造。一般而言，變質程度愈高，再結晶現象愈完全，礦物愈趨於高溫型礦物，顆粒晶形愈大愈完整。整體而言，每一種礦物都具有一定的結晶構造(晶系、習性、解理、雙晶特性)、化學組成、物理性質( 硬度、韌度、比重、比熱膨脹率、光電磁效應、光澤、顏色)及其他性質，因此在同一批相同的石材中，可以發現礦物的表現特徵相似(可能擁有相同粒度，分布、形狀、顏色，或者同時具有相同的瑕疵( 裂痕、不光亮、色差 )等)。但另一方面，有時也會因為礦物形成條件不同、機制不同，- 18 -或其他外來元素、物質的影響而導致礦物表徵些許的差異。因此，相同礦物在不同石材中，其外觀不盡相同。綜合言之，由上
13、述可瞭解結晶構成石材的礦物特性及特質，石材可呈現出石種本身的普遍性特質，但另一方面石材受到外在其他因素之作用而可能出現普遍性中特殊的變化性(自然性) 。以下即基於礦物對石材品質的重要性，分別針對花崗石最常見的礦物：各種長石，石英及雲母等，簡述其基本性質。 長石類礦物 (Feldspar)以鉀鈉為主的長石可統稱為鹼性長石，以鈉鈣系列為主的長石稱做斜長石系列，除鉀長石與部分高溫的透長石為單斜晶系(Monoclinic System)外，其餘皆為三斜晶系(Triclinic System)，以下就顏色、解理、微節理、風化作用等 方面逐一說明。 ；- 19 -一、顏色(Color)長石類顏色變化很大，
14、一般而言含濃度鉀高的長石( 鉀長石，呈紅色系表徵)，因此，花崗石較易呈現各種深淡不同美麗鮮豔的紅色，如印度紅、貴妃紅、將軍紅等；而含鈉鈣量高的斜長石為主的花崗石則為灰白系列，其表徵使石材呈現深淺不同的灰白色、灰色。但值得注意的是部分長石含有其他雜元素，則會改變其基本色調，如微斜長石中含少量銣，會呈現天藍色等。因此在評量石材顏色時，應要特別注意長石顏色變化，甚至周圍長石顏色的變化狀況(因為成分些許變化，則導致顏色變化)。另外值得一提的是，拉長石在花崗石石材中的作用。拉長石屬斜長石系列，是一種鈣鈉長石，主要產於基性岩中。當轉動含有拉長石的石材時，拉長石晶體在其特定方- 20 -向上會呈現藍、綠、紫
15、、金黃等不同的多彩顏色，故礦物學上將拉長石又稱之為月光石，如巴西藍、芬蘭藍、藍珍珠等，為名貴裝飾石材之一。二、解理(Cleavage)長石是解理發達的礦物，解理愈發達，顯示長石受風化( 熱脹冷縮)程度愈大，或是受外力( 大地應力) 作用愈強。解理發達的結果會導致長石發生片狀剝離、脫落或光澤度下降，且容易遭受水溶液浸染( 鐵銹、高嶺土化、顏色色差)，嚴重影響建築石材品質。另外，解理極發達的石材，它代表著石材風化的程度並嚴重降低機械性質(抗壓，撓曲強度)；另一方面，若石板切割剖面平行於長石解理面，則可能出現絹絲霧狀光澤性，在石材表面會呈現出不均質的光澤現象，造成另一種瑕疵。- 21 -二、微節理(
16、Microjoint)微節理是肉眼或顯微鏡下可觀察到的微小不連續面( 裂痕 (Fracture)，微節理在石材中普遍可見，而且多以群體出現，尤以花崗岩中最常見到。一般的微節理多為主要的大不連續面(例如斷層)或大地應力場的派生構造，所以通常有一定方向性，或是具有多期、多組、多產狀的特性。另外，由於岩石風化作用(熱脹冷縮循環)或解壓作用，也會導致礦物局部受壓迫而產生微裂 (微節理) 俗稱雞爪痕。微節理的形成對石材品質及石材病變的發生具有嚴重性負面影響，因為微節理影響石材表面美觀、降低光澤度、促進風化管道進行及導致色差現象等，更甚者會造成石材表面剝離作用，形成凹洞。在花崗石類的石材中，長石通常為大顆
17、粒脆性礦物，所以微節理的行為特別明顯。- 22 -四、風化作用(Weathering)長石由於受到自然界的水解作用或碳酸化作用，往往風化形成高嶺土：4AlSi3O8+6H2OAl4Si4O10(OH)8+8SiO2+4KOH4AlSi3O8+4H2O+2CO2 l4Si4O10(OH)8+8SiO2+2K2CO3風化使得原本的長石，變成土黃色、鬆散的黏土礦物，嚴重影響石材品質，如改變色澤、降低光澤度、硬度、耐用性及美觀價值等。另外，受到花崗石其他鐵鎂礦物風化氧化釋出 Fe 的作用影響，長石往往沿其解理，或節理遭受浸染銹化( 石材病變 銹斑)，大大降低原本的色澤與美觀性，所以風化行為嚴重破壞長石
18、基本的特質，降低石材品質。- 23 - 石英 (Quartz)石英普遍存在於各種石礦中，主要由 SiO2 所組成，結構為六方晶系(Hexagonal System)結構的架狀為矽酸鹽類，它具有高硬度、耐磨性及抗風化性等特性，一般為透明或乳白色，或因各種雜元素污染而呈現多色性( 灰或黑色 )。石英一般無解理性質，但由於脆性高，容易因外力作用而產生微破裂。茲針對一般石材中石英常見的瑕疵特性進行討論：一、透明度(Transparency)一般而言，石英的透明度極高，但部分石英會因為結晶缺陷(例如差排)，或含其他溶液或氣體，甚至和其他礦物(金紅石、針鐵礦等)產生共生包裹現象，而使石英的透明度下降，形成
19、乳白色或雜染物現象。另外，由於石英脆性高，極易遭受應力作用而導致微裂隙，成群的微裂隙會增- 24 -加入射光的吸收，降低反射，也就導致石英的不透明性及低光澤度。因此，石英顆粒透明度是否均勻、雜染物是否一致及石英微裂縫分布程度等對石材的顏色有相當的影響面。另外，石英透明度高，將會使石材呈現立體感，增加美觀，但另一方面卻降低光澤度。二、粒度(Grain Size)石英大都以充填方式不規則存在早期結晶礦物中，但由於早期礦物的堆積排列並非整體一致，因此會導致石英顆粒大小的變化(主要賴於間隙大小) ；另一方面，當岩漿結晶分異作用進行到最後時，與早期礦物不相溶的元素或氣體物質(H2O、CO 2)在殘留岩中
20、的濃度相對提高，使得擴散活動增加，容易造成後期結晶礦物(石英、鉀長石、雲母) 異常增大，形成斑晶團簇，或者會- 25 -因為擴散快所導致之蒸氣高壓，進一步導入圍岩(或本身) 的裂縫中，造成溫壓急速下降，形成細晶粒結晶充填脈。三、微裂隙 (Microfracture)由於大地應力作用或風化的進行(熱脹冷縮) ，將導致脆性的石英產生許多微型裂隙，微型裂隙不但降低石英的透明度並造成組織鬆散，另一方面也會增加污染物(風化的鐵銹)侵入浸染的機率，更甚者會造成石材表面剝離脫落現象，因此造成建築石材病變及施工品質安全的問題存在。另外可由原石表面觀察石英顆粒是否光亮或是產生類似玻化破碎狀，藉以評估原石風化程度
21、及受力作用狀況。四、風化染色(Weathering)- 26 -石英是抗風化性極強的礦物，並不會因為風化作用而分解，但由於風化因素中之物理機械性的破壞( 如冷縮熱脹所導致的擠壓應力)，常使脆性性質的石英產生成群的微裂縫，此些微裂縫提供風化污染物良好的浸染管道，進而造成石英污染，常見的即為鐵銹污染，選擇原石時必須特別留意此一現象，以免造成色差或危及石材強度。 雲母類礦物 (Mica Minerals)石材中常見的雲母礦物，大都屬於白雲母與黑雲母，所佔比例大都小於 5%，雖然含量遠低於長石與石英，但由於其獨特的礦物性質，對於石材品質關係，有重要性的影響。另外，白雲母與黑雲母對石材而言是一種有害礦物
22、，雲母含量增多，則使石材難以磨光，研磨時會因雲母解理面破裂而出現無光澤麻點，或因雲母剝落形成凹洞，降低石材表面的美觀。黃鐵礦多- 27 -賦存在黑色花崗岩中，研磨出來的光板呈閃光的金色質點，極具美觀價值；但黃鐵礦在大氣中會氧化成氧化鐵，原來的金色質點會病變成褐色斑點，若出現在白色花崗岩中，則形成難看的雀斑，失去了石材原有的價值。茲就雲母類礦物的特性逐一說明：一、順自排列(Preferred Orientation)由於雲母礦物的片狀組織，往往因外力作用或自然流動堆積(剪力)行為，或是結晶方向取好而產生順向排列現象，順向排列容易造成規則性組織，並有固定的弱面方向。一般而言，火成岩類的石材，其雲母
23、礦物由於形成時間晚，大都穿插在各早期礦物間生長，所以較缺乏順向排列現象，如綠翡翠；但若早期礦物因受迫或自然沈降因素因而產生規則性堆積時，雲母礦物則會順勢形成排列。順向排列的結果導致形成石材的方向- 28 -性，降低石材強度(排列方向)及花紋組織的變化。因此觀察石材時，應注意對排列性敏感的雲母礦物進行方向判斷，並沿方向性追蹤是否有弱面潛在的現象(線性發達狀況)。二、風化特性(Weathering)雲母礦物中的黑雲母(K(Mg，Fe) 3(AlSi3O10)(OH)2)常遭水溶液作用而產生釋 Fe+3作用，會因鐵銹污染其他礦物，產生嚴重銹斑。因此，觀察原石時，應留意細小的雲母礦物，檢查其是否有風化
24、傾向(片狀剝離嚴重)或是有銹斑出現( 黑雲母呈暗色，故常不易觀察銹斑現象)，以避免石材瑕疵。 其他鐵鎂礦物 (暗色礦物 )大部分的石材(白色、灰色、紅色系列)中含鐵鎂- 29 -礦物比例極低(小於 5%)，但在黑色系列中的石材則往往含有 50%以上的鐵鎂礦物，這些鐵鎂礦物大都為輝石系列、角閃石系列或橄欖石系列以及部份中、基性斜長石系列的礦物組成，屬於含鐵鎂的鏈狀矽酸鹽類。一般而言，角閃石與輝石大都為黑色、綠色系列為主，硬度 67(莫氏硬度) ，光澤度高，韌性強是屬於良好的石材組織礦物，但由於此類礦物通常具有二組近垂直的解理，所以與長石類似，極易產生裂痕。此外，這些礦物通常較長石或石英易風化(綠泥石化或產生鏽斑)，而產生鬆散組織或形成雜斑點，甚至凹洞。另一方面，暗色礦物群(團疤)因粒度與緻密度變化關係，而會產生似油疤現象，造成光澤度不均勻。石材中酸性斜長石越少越好，因為它們會在黑色的石材板面上產生很多的細小白點，降低石材本身的價值性，但是若淺色的斜長石相對集中，晶體有序排
