đá thiên nhiên

Chương 3. Đá thiên nhiên
3-
1

Chương 3
ĐÁ THIÊN NHIÊN
3.1 Khái niệm chung
Vật liệu đá thiên nhiên là vật liệu đựoc sản xuất bằng cách gia công cơ học (nổ mìn,
đập, nghiền, cưa, đục, chạm, mài, đánh bóng...) các loại đá thiên nhiên. Do chỉ sử dụng
các hình thức gia công cơ học nên vật liệu đá thiên nhiên hầu như vẫn giữ nguyên các
tính chất cơ lý cuả đá gốc. Bởi vậy muốn nghiên cứu vật liệu đá thiên nhiên, cần hiểu biế
t
về đá và trước hết là khoáng vật – cơ sở kiến tạo đá thiên nhiên.
Khoáng vật là những chất hoá học được tạo thành do kết quả của quá trình hoá lí tự
nhiên khác nhau xảy ra trong vỏ quả đất. Mỗi khoáng vật là một vật thể đồng nhất về
thành phần hoá học, cấu trúc và tính chất vật lý.
Đá thiên nhiên là những khối vô cơ bao gồm một hay nhiều khoáng vật khác nhau.
Những loại đ
á tạo ra từ 1 loại khoáng vật được gọi là đá đơn khoáng như đá vôi, đá thạch
cao... còn những loại đá tạo thành từ hai loại khoáng vật trở lên được gọi là đá đa khoáng.
Vật liệu đá thiên nhiên được sử dụng rất rộng rãi vì chúng có nhiều ưu điểm như
cường độc chịu nén và độ cứng cao, bền vững trong môi trường sử dụng, khả nă
ng trang
trí tốt, giá thành hạ. ở nước ta, đá thiên nhiên phân bố ở hầu hết khắp các tỉnh và nó đã
trở thành loại vật liệu chủ yếu cung cấp cho nhu cầu xây dựng cơ bản.
3.2 Đá thiên nhiên
Dựa vào điều kiện tạo thành và nguồn gốc đá thiên nhiên đựoc chia làm 3 nhóm đá
macma, đá trầm tích và đá biến chất.
* Đá mácma
Đặc tính chung: Trái đất có cấu tạo đới đồng tâm và bao gồm có lõi, l
ớp vỏ trung

gian và lớp vỏ ngoài. Lớp vỏ ngoài bao gồm 3 lớp: lớp dưới là badan, lớp trên là granit
và trên cùng là lớp trầm tích.
Đá mácma là do khối silicat nóng chảy từ lòng đất xâm nhập lên phần trên của vỏ
hoặc phun ra ngoài mặt đất, nguội đi tạo thành. Do vị trí và điều kiện nguội của khối
macma nên cấu tạo và tính chất của chúng cũng khác nhau. Đá macma được phân ra làm
2 loại: xâm nhập và phún xuất.
Đá xâm nhập ở sâu h
ơn trong vỏ trái đất, chịu áp lực lớn hơn của các lớp bên trên
và nguội dần đi mà thành. Do đó nó có cấu trúc tinh thể lớn. Đá đặc chắc, cường độ cao,
ít hút nước. Đá xâm nhập chủ yếu sử dụng trong xây dựng là đá granit, điôrit, gabrô...
Đá phún xuất được tạo do macma phun lên trên mặt đất. Do nguội nhanh trong điều
kiện nhiệt độ và áp suất thấp các khoáng không kịp kết tinh, hoặc chỉ k
ết tinh được một
bộ phận với kích thước tinh thể bé, chưa hoàn chỉnh, còn đại bộ phận tồn tại ở dạng vô
định hình. Mặc khác, các chất khí và hơi nước không kịp thoát ra, để lại nhiều lỗ rỗng,
làm cho đá nhẹ, có loại nổi trên mặt nước.
Căn cứ vào hàm lượng oxit silic đá macma còn đựơc chia ra làm các loại: macma
axit (Si
2
O >65%), macma trung tính (Si
2
O: 65-55%), macma bazơ (Si
2
O:55-45%) và
macma siêu bazơ (SiO
2
< 45%)
* Đá trầm tích
Chương 3. Đá thiên nhiên
3-

2

Đặc điểm chung: đá trầm tích được hình thành từ nhiệt động học của vỏ trái đất
thay đổi. Các loại đất đá khác nhau do sự tác động của các yếu tố nhiệt độ, nước và các
tác dụng hoá học bị phong hoá, vỡ vụn mà thành. Sau đó chúng được gió và nước cuốn đi
rồi lắng đọng lại thành từng lớp. Dưới áp lực và trải qua các thời kỳ địa chất chúng đựoc
gắn kết lại bằng các chất keo thiên nhiên tạo thành đá trầm tích.
Do điều kiện tạo thành như vậy nên đá trầm tích có đặc tính chung là: có tính phân
lớp rõ rệt, chiều dày, màu sắc, thành phần, độ lớn của hạt, độ cứng của các lớp cũng khác
nhau. Cường độ chịu nén theo phương vuông góc với các lớp luôn luôn cao hơn cường
độ chịu nén theo phương song song với thớ.
Đá trầm tích không đặc chắc bằ
ng đá macma (do các chất keo thiên nhiên không
chèn đầy giữa các hạt hoặc do bản thân các chất keo kết co lại). Vì thế cường độ của nó
thấp hơn, độ hút nước cao hơn. Một số loại đá trầm tích khi bị hút nước cường độ giảm đi
rõ rệt, có khi bị tan rã trong nước.
Đá trầm tích rất phổ biến, dễ gia công, nên được sử dụng khá rộng rãi. Căn cứ vào
điều kiện tạ
o thành, đá trầm tích được chia ra làm 3 loại
Đá trầm tích cơ học là sản phẩm phong hoá của nhiều loại đá, thành phần khoáng
vật rất phức tạp. Có loại hạt rời phân tán như cát sỏi, đất sét, có loại các hạt rời bị gắn với
nhau bằng chất gắn kết thiên nhiên như sa thạch, cuội kết.
Đá trầm tích hoá học được tạo thành do các chất hoà tan trong nước lắng đọng
xuố
ng, rồi gắn kết lại. Đặc điểm là hạt rất nhỏ, thành phần khoáng vật tương đối đơn giản
và đều hơn đá trầm tích cơ học. Loại này phổ biến nhất là đôlômit, manhêzit, túp đá vôi,
thạch cao, anhiđrit và muối mỏ.
Đá trầm tích hữu cơ được tạo thành do sự tích tự xác vô cơ của các loại động vật và
thực vật sống trong nứ
oc biển, nước ngọt. Đó là những loại đá cacbônat và silic khác

nhau như đá vôi, đá vôi vỏ sò, đá phấn, đá điatômit và trepen.
* Đá biến chất
Được hình thành từ sự biến tính của đá macma, đá trầm tích, thậm chí cả từ đá biến
chất trẻ, do sự tác động của áp lực, áp suất cao và các chất có hoạt tính hoá học.
Các chất có hoạt tính hoá học thường gặp nhất là nước và axit cacbonit th
ường
xuyên có ở trong các loại đất đá. Tính chất của đá biến chất do tình trạng biến chất và
thành phần của đá trước khi biến chất quyết định. Dưới sự tác động của các nhân tố biến
chất, các thành phần của đá có thể tái kết tinh ở trạng thái rắn và xắp xếp lại. Tác dụng
biến chất không những có thể cải biến cấu trúc của đ
á mà còn làm thay đổi thành phần
khoáng vật của nó.
Trong quá trình biến chất do tác động của áp lực và sự tái kết tinh nên đá biến chất
thường rắn chắc hơn đá trầm tích; nhưng đá biến chất từ đá macma thì do cấu tạo dạng
phiến nên tính chất chất cơ học của nó kém đá macma. đặc điểm nổi bạt của phần lớn đá
biến chất (trừ
đá hoa và đá quătzit) là quá nửa khoáng vật của nó có cấu tạo dạng lớp
song song nhau, dễ tách thành những phiến mỏng.
Các khoáng vật tạo đá biến chất chủ yếu là những khoáng vật nằm trong đá macma,
đá trầm tích và cũng có thể là các khoáng vật đặc biệt chỉ có ở trong các loại đá biến chất
dưới sâu.
Đá biến chất có các loại thường gặp như sau trong xây dựng:
Chương 3. Đá thiên nhiên
3-
3

Đá gơnai (đá phiến ma) là do đá granit tái kết tinh và biến chất dưới tác dụng của áp
lực cao. Đó là đá biến chất khu vực, tinh thể hạt thô, cấu tạo dạng phân lớp – trong đó có
những khoáng vật như thạch anh màu nhạt, fenspat và các khoáng vật màu sẫm, mica xếp
lớp xen kẽ nhau trông rất đẹp. Do cấu tạo dạng phân lớp nên cường độ theo các phương

khác nhau cũng khác nhau, dễ bị phong hoá và tách lớp. Đá gơ
nai dùng chủ yếu làm tấm
ốp lòng bờ kênh, lát vỉa hè.
Đá hoa do tái kết tinh đá vôi và đá đôlômít dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất
cao mà thành. Đá hoa bao gồm những tinh thể lớn hay nhỏ của canxit, thỉnh thoảng có
xen các hạt đôlômit liên kết với nhau rất chặt tạo nên.
Đá hoa có nhiều màu sắc như trắng, vàng hồng, đỏ, đen... xen lẫn những mảnh nhỏ
và vân hoa. Cường độ chịu nén 1200kG/cm
2
(đôi khi đến 3000kG/cm
2
), dễ gia công cơ
học, dễ mài nhẵn và đánh bóng. Đá hoa đựoc dùng làm đá tấm ốp trang trí mặt chính, làm
bậc cầu thang, lát sàn nhà, làm cốt liệu cho bê tông, granitô.
Đá quăczit: do sa thạch tái kết tinh tạo thành. Đá màu trắng hay đỏ tím, chịu phong
hoá tốt, cường độ chịu nén khá cao (4000kG/cm
2
), độ cứng lớn, thường được sử dụng
xây dựng cầu, chế tạo tấm ốp, làm đá dăm, đá hộc cho cầu đường, làm nguyên liệu sản
xuất vật liệu chịu lửa.
Diệp thạch sét: có cấu tạo dạng phiến, tạo thành từ sự biến chất của đất sét dưới áp
lực cao. Đá màu xám sẫm, ổn định đối với không khí, không bị n
ước phá hoại và dễ tách
thành lớp mỏng. Diệp thạch sét dùng làm vật liệu lợp rất đẹp.
3.3 Vật liệu đá thiên nhiên
Các dạng vật liệu đá thiên nhiên thường dùng trong xây dựng gồm:
* Đá dạng khối
Đá hộc là những viên đá chưa được gia công đẽo gọt nên không có hình dạng hình
học nhất định, kích thước cả ba chiều của nó trong khoảng 150-450mm, khối lượng mỗi
viên từ 20-40kG. Đá hộ

c thường được sản xuất từ các loại đá đặc như đá vôi, đá đôlônit,
đá sa thạch, đá granit.
Đá hộc được sản xuất bằng phương pháp khoan, phương pháp nổ mìn. Đá gốc để
sản xuất đá hộc (trừ các loại đá trầm tích) phải có cường độ chịu nén giới hạn không nhỏ
hơn10MPa và hệ số mềm lớn hơn 0,75. Tuỳ theo hình d
ạng và mác của đá, nó sẽ được
dùng để xây móng, mố trụ cầu, tường chắn, làm nền đường ô tô và xe lửa, xây dựng công
trình thuỷ lợi và làm cốt liệu cho bê tông đá hộc.
* Đá khối
Đá khối là những tảng được gia công thành hình dạng hình học nhất định mà thông
thường có dạng hình hộp chữ nhật với kích thước phổ biến 150x200x300mm. Đá khối
thường được chia thành 2 loại: đá khối
đẽo thô và đá khối đẽo kĩ. Đá khối đẽo thô thường
được sản xuất từ các loại đá mềm và rỗng như tup núi lửa, đá vôi vỏ sò... có khối lượng
thể tích không quá 1800kG/m
3
, hệ số mềm không bé hơn 0,6, đặc biệt là không có yêu
cầu cao về độ chính xác kích thước cũng như độ phẳng bề mặt (chỉ yêu cầu độ lồi lõm bề
mặt không lớn hơn 10mm). Đá khối đẽo thô thường được dùng để xây dựng tường nhà
dân dụng. Đá khối đẽo kỹ được sản xuất từ đá đặc có cường độ chịu nén không nhỏ hơn
10MPa và h
ệ số mềm không bé hơn 0,75. Sau khi qua gia công, đá khối đẽo kỹ phải
vuông thành sắc cạnh và bề mặt phải phẳng. Đá khối đẽo kỹ được dùng để xây tường
Chương 3. Đá thiên nhiên
3-
4

chịu lực, vòm cuốn và một số bộ phận khác của công trình. Khối xây không cần phải có
lớp trát mặt.
* Tấm ốp lát trang trí

Có bề mặt chính hình vuông hay hình chữ nhật. Các tấm ốp trang trí thường được
xẻ từ các khối đá đặc chắc và có màu sắc đẹp, đánh bóng bề mặt rồi cắt thành tấm theo
kích thước quy định. Tấm ốp dùng để ốp và lát các công trình xây dựng. Ngoài chức
năng trang trí nó còn có tác dụng b
ảo vệ khối xây hay bảo vệ kết cấu.
Kích thước cơ bản của các tấm đá được tiêu chuẩn TCVN 4732: 1998 quy định
trong 5 nhóm sau (Bảng 3-1):
Bảng 3-1. Kích thước tiêu chuẩn của các tấm đá

Kích thước (mm)
Nhóm
Chiều rộng Chiều dài Chiều dày
I Lớn hơn 600 đến 800 Từ 600 đến 1200 Từ 20 đến 100
II Lớn hơn 400 đến 600 Từ 400 đến 1200 Từ 15 đến 100
III Lớn hơn 300 đến 400 Từ 300 đến 600 Từ 10, 15, 20, 25, 30
IV Lớn hơn 200 đến 300 Từ 200 đến 400 5, 10, 15, 20
V Từ 100 đến 200 Từ 100 đến 200 5, 10, 15,20
Tấm ốp công dụng đặc biệt: những tấm ốp được sản xuất từ các loại đá đặc có khả
năng chịu axit (như granit, siênit, điôrit, quăczit, bazan, điabaz, sa thạch silic...) hay có
khả năng chịu kiềm (như đá hoa, đá vôi, đá manhêzit...). Việc gia công loại tấm ốp này
giống như gia công tấm ốp trang trí song kích thước các cạnh của tấm không vượt quá
300mm. Các tấm ốp công dụng đặc bi
ệt được sử dụng để lát nền và ốp tường cho những
nơi thường xuyên có tác dụng của axit, hay kiềm để bảo vệ kết cấu.
Tấm lợp mái được gia công từ đá diệp thạch sét bằng cách tách ra và cắt thành từng
phiến đá theo hình dạng và kích thứơc quy định. Thông thường tấm lợp có kích thước
hình chữ nhật 250x150mm và 600x300mm. Chiều dày tấm tuỳ thuộc vào chiều dày phiến
đá có sẵn (4-100mm). Đ
ây là vật liệu bền và đẹp.
Cát, sỏi thiên nhiên là loại đá trầm tích cơ học dạng hạt rời rạc thường nằm trong

lòng suối, sông hay bãi biển. Chúng được khai thác thủ công hay cơ giới. Cát, sỏi được
dùng làm cốt liệu cho bê tông. Ngoài ra cát còn dùng làm nguyên liệu để sản xuất vật liệu
xây dựng, như kính, gạch silicát.
Cát và đá dăm nhân tạo được sản xuất bằng cách xay, nghiền các loại đá gốc, rồi
sàng phân loại theo các cỡ hạt. Tuỳ theo kích thước của hạt mà chúng có các tên gọi khác
nhau: đá dăm (5-70mm), cát (0,14-5mm), bột đá ( < 0,14mm). Tính chất của vật liệu đá
dạng này phụ thuộc vào tính chất của đá gốc. Vật liệu đá dạng rời nhân tạo được dùng để
sản xuất các loại vữa, bê tông ximăng, bê tông asfalt, đá granitô. Ngoài ra, nó cũng được
dùng để làm bột màu hay chất độn cho sơn và polime.
3.4 Biện pháp bảo vệ

Sự phá hoại của vật liệu đá thiên nhiên chủ yếu là do nước, đặc biệt là các nước có
chứa CO
2
và các loại axit, và thường xảy ra đối với các loại đá cacbonat. Nếu đá có nhiều
Chương 3. Đá thiên nhiên
3-
5

thành phần khoáng vật thì đá cũng có thể bị phá hoại nhanh hơn do dãn nở nhiệt không
đều.
Các loại bụi bẩn có nguồn gốc vô cơ và hữu cơ từ các chất thải công nghiệp hoặc
đời sống tích tụ trên bề mặt hoặc trong các lỗ rỗng của đá là môi trường để cho vi khuẩn
phát triển và phá hoại đá bằng chính axit của chúng tiết ra.
Bảo vệ vật liệu đá thiên nhiên cầ
n phải ngăn cản nước và các dung dịch thấm sâu
vào đá. Biện pháp thông thường là florua hóa bề mặt đá vôi, làm tăng tính chống thấm
của đá bằng các chất kết tủa mới sinh ra.
Đối với các loại đá có lỗ rống trên bề mặt lớn hay hàm lượng khoáng CaCO3 thấp,
phải tẩm muối của axit flosilicic lên bề mặt, và dung dịch clorua Canxi rồi sấy khô, sau

đó tẩm tiếp dung dịch Cacbonat natri rồi mới clorua hóa bề
mặt đá.
Với một số loại đá rỗng có thể xử lý bằng dầu vô cơ, sơn dầu, dung dịch trong
nước, dung môi hữu cơ bay hơi để làm đặc bề mặt vật liệu đá thiên nhiên.