文：小张
编辑：小张
天然建筑石材中的水分膨胀，被认为是影响其风化和劣化的最重要因素之一，在确定的相对湿度(湿膨胀)和水饱和条件(氢膨胀)下膨胀的过程，通常归因于可膨胀粘土矿物的存在，与这种假设相反，水分膨胀也发生在几乎不含粘土矿物的火山凝灰岩建筑石材中。
为了更深入地了解这一过程，对来自墨西哥、德国和匈牙利的14种不同年代、不同成分和不同风化阶段的重要建筑石料进行了膨胀和变质分析。
进行的调查岩石结构，显示了宽范围的有效孔隙率、微孔率、毛细吸水率、水分膨胀和CEC值，高水分膨胀似乎不仅仅取决于粘土矿物含量。
今天小张就给大家讲一下，火山凝灰岩的水分膨胀，在岩石风化行为中起着哪些重要作用。
水分膨胀
如果粘土矿物存在对膨胀没有显著影响，但仅在较大孔隙的外壳上形成薄涂层。此外，确定了微孔率，平均孔径和水分膨胀之间的相关性。
水分膨胀不能仅归因于膨胀性粘土矿物，并表明微孔的存在和积累，及其平均半径和分布，对非粘土相关的膨胀强度起着重要作用，这最可能归因于分离压力。
自古以来，火山岩就是一种重要的天然建筑材料，它们的用途各不相同，从古代文化中的纪念雕塑，到世界各地的现代建筑。这些岩石作为天然建筑石材，如此受欢迎的原因，主要有三个方面：
首先，因为其中一些岩石，尤其是凝灰岩，相对较软容易加工；其次，它们在世界各地都有，因为凝灰岩在许多地方和所有地质时代都存在；第三，凝灰岩有各种各样的颜色、成分、粒度、分类和纹理，这使得这些岩石对建筑和艺术品非常有吸引力。
凝灰岩是基质粒度，从细粘土矿物到淤泥大小的物质(基质通常以灰的形式存在)不等的火山岩，其中嵌入了沙子、晶体或岩石碎片、砾石和块状碎屑和岩屑(也称为火山块和火山弹)。
这些凝灰岩成分和岩性本身之间的排列，打开了一个非常宽的孔隙度范围，非常不同的组构和基质中通常大量的粘土矿物，与此同时这些特性导致凝灰岩不易变质，尤其是当它们暴露在潮湿环境中时。
建筑物的退化通常集中在受暂时水分渗透影响的区域，并导致不同的损坏现象，水分膨胀被明确认为是导致建筑岩石风化和劣化的最重要因素之一，这主要与粘土矿物的膨胀和收缩有关。
水分膨胀的强度因石材类型而异。一般来说，火山石，主要是凝灰岩，具有广泛的水分膨胀，在这项研究中测量，可以达到高达6毫米/米的膨胀。
尽管粘土矿物的膨胀性在建筑岩石的风化中起着决定性作用，但引起这种现象的不同过程，以及在观察到的膨胀过程中，哪个是主要的过程仍在不确定。
原则上有两种机制，可以在粘土矿物内部和之间起作用，内晶(晶体内)或渗透(晶体间)膨胀，为了理解这些机制，测量存在的粘土矿物的数量和类型是非常重要的。
因为1:1和2:1层状粘土矿物，可以通过它们的阳离子交换能力，和由引起渗透膨胀的水中电解质浓度，引起的水吸收来调节这种效应。
还有一种称为分离压力的“非粘土相关”膨胀类型，类似于渗透膨胀，与溶液的电解质浓度有关。这种膨胀类型更多地，取决于岩石中微孔的大小和数量，以及砂岩中岩屑的存在。
分离压力(πd)来自两个平的平行表面之间的相互作用，分离压力的值，可以计算为每单位面积的相互作用，这种能量也称为自由能，用于测量在恒定温度和压力下，从热力学系统获得的过程启动功。
当它们之间的距离，小于自由表面上吸附水分厚度的两倍时，分离压力将受到影响，其中保持强制距离所需的力，由所谓的“分离压力”确定。
无论水分膨胀的原因是什么，水分吸收和分布到岩石中是允许水(水分和湿度)与存在的粘土矿物相互作用的主要机制，只有通过孔隙度才能实现。因此，孔隙度是必须知道和确定的最重要的参数之一。
微孔率不仅对分离压力起着重要作用，还因为当达到5微米的临界孔径时，孔隙水被截留，无法从石头中排出。
微孔中的孔隙水有助于基质中某些矿物的溶解，或加速粘土矿物的膨胀，一旦岩石受到内部风化的影响，有效孔隙度比率就会增加，从而使所有变体中的主要水循环进入岩石。
所有其他类型的孔隙度也会出现这种现象，它们在岩石中的大小和分布，对石头的耐久性也有类似的决定性作用。
粘土矿物含量和孔隙度，是凝灰岩中非常重要的两个参数，因为它们可以以多种数量和形式出现。同样，凝灰岩的成分也非常多样，这也影响了它们的耐久性和抗风化和变质能力。
凝灰岩岩石
凝灰岩岩石年龄从二叠纪到最近，化学成分从玄武岩到英安岩凝灰岩到流纹质凝灰岩不等，我们分别使用X射线衍射和阳离子交换容量(CEC)，分析了大块粘土部分的矿物组成。
布兰卡帕丘卡凝灰岩是一种浅灰色至白色的火山碎屑岩，具有明显的酸性成分(流纹质凝灰岩)。其特征在于几乎完全没有大晶体，并且具有精细的瓷样外观，整体上仅观察到少量板状下反角长石斑晶和一些稀少的自形石英晶体。
少量有角石英晶体，有时以细薄片形式聚集，也存在分散的黑云母和角闪石晶体。凝灰岩同样显示热液蚀变，导致绿帘石化和泥质化，基质由玻璃和大量蒙皂石和沸石组成。
Tenayocátetl凝灰岩是一种灰色至红色的火山岩，具有典型的斑状结构，凝灰岩带有一小部分lapilli碎片的焊接灰凝灰岩，细粒玻璃质基质约占岩石的60 %。
此外，它还包含约40 %的粒度约为0.25毫米的碎屑和晶体。基质显示了流动方向，并带有浅色和深色条带。
可观察到斜长石、角闪石、安山石、寡长石、拉布拉多石和普通辉石的蚀变晶体。如XRD所示，玻璃态基质可以部分重结晶，TY含有大量的蒙脱石(10-20%)。
Bufa凝灰岩是一种灰色、浅粉色/红色至橙色斑状流纹质凝灰岩，含有约10 %的石英和sanidine斑晶，以及孤立、平整的浮石。
在这种凝灰岩中，更重要的是角状到次角状、丰富的岩屑成分(占岩石的15-20%)，其直径可达15厘米，岩屑基本上是红色到暗红色。
半自形至自形石英、斜长石、黑云母薄片和分散的辉石，和橄榄石晶体存在于微晶和部分失透的玻璃基质中。
细粒基质由方解石、赤铁矿(略带粉红色的主要原因)和少量伊利石，以及不同有序类型的伊利石-蒙脱石混合层组成。
坎特拉阿马里利亚凝灰岩，是一种黄色至橙褐色斑状凝灰岩(超晶质至隐晶质结构)，碎屑大小不一。碎屑主要是扁平的浅棕色至棕红色浮石，和其他岩石碎屑(玄武岩和其他火山碎屑)，其直径可达几毫米(砂粒大小)至10厘米有时更大。
晶体
晶体实际上只有板状和板状、次自形、良好孪晶的碱性长石斑晶，以及很少圆形的改造石英和不明不透明晶体。
坎特拉阿马里利亚凝灰岩富含钾长石和斜长石，里面的方石英、鳞石英和粘土矿物是伴生矿物，蒙脱石、高岭石和埃洛石在分离的粘土部分中被鉴定。
Habichtswald凝灰岩显示碎片的粒度范围很广，从几毫米到5厘米不等，其特征为深灰色、玻璃状至微晶状基质，含有大量蒙脱石。
这种凝灰岩具有自形橄榄石-辉石晶体的次晶结构，同时还可识别斜长石、角闪石和黑云母，先前存在的基性岩碎屑也以玻璃碎片的形式存在。
希尔伯特斯多夫凝灰岩在颗粒大小和颜色上，表现出不同的品种。它可以是浅粉色到砖红色、浅紫色或暗紫色或浅绿色，并且通常显示出带有浅粉色或浅绿色斑点、斑点或条纹的特殊变化。
在凝灰岩的细粒基质(约60–70%的岩石)中，观察到lapilli包裹体，然而平均粒度从0.5毫米到(很少)粗于2毫米。而几毫米到厘米的较大孔洞，主要为杏仁状，部分被粘土矿物填充。
它由单晶和多晶石英、碱性长石，以及很少的变质岩(富含绢云母)、石英岩和片麻岩状捕虏体的岩屑颗粒组成，呈次晶至共轴结构。
罗奇利兹斑岩具有红色流纹岩基质，由石英、长石、薄黑云母晶体，和不同等级的细长扁平多孔玻璃碎片组成。
细粒至玻璃状、有时为颗粒状且多孔的红色至暗红色-褐色基质，显示出中等流动性的组构。孔隙空间大部分被高岭石填充(约50 %)，凝灰岩的红色是由基质中的赤铁矿引起的。
碎屑的尺寸在1至30毫米之间，主要是细长扁平的浮石碎片，此外还可以识别出大的斜长石和角闪石斑晶。微晶斑状组构，呈共轴至玻璃质结构，带有扁平、焊接良好的玻璃碎屑。
主要成分为自形至半自形斜长石晶体，显示出令人印象深刻的带状结构，以及斜长石、半自形石英、腐蚀角闪石和蚀变黑云母。绿土的含量相对较高，约为10重量%。
Weibern凝灰岩是一种淡黄色至浅棕色的声纹火山岩，主要由85 %的基质和15 %的碎屑组成。基质富含方沸石、白云母/伊利石、石英和方解石。
碎屑包括岩石碎片、自形至反面晶体和浮石，其粒度范围为0.5至10毫米。薄片显示岩石碎片为砂岩、页岩和玄武岩以及其他不明火山玻璃碎片。晶体主要是来自沉积岩、橄榄石、辉石和长石的改造石英，扁平浮石同样嵌入斑状-透明状基质中。
结论
与许多其他岩石类型相反，大多数火山岩是在相对较短的时间内形成的。这种发展可以分为两个主要过程：熔岩在表面冷却，或者火山灰和岩石碎片在火山爆发(凝灰岩)时沉积。
凝灰岩的基质主要由细砂至粘土大小的火山碎屑物质(主要是火山灰和浮石)组成，根据挤压类型，这些物质以非常不同的方式分布和堆积。
在喷出火成岩类型的情况下，材料冷却如此之快，以至于结晶不会发生或不完全。所得的灰粒和凝灰岩的玻璃碎片，显示出大部分不规则的锐边、有角到非常有角的颗粒和碎片形状。
这就允许形成由大孔隙和微孔限定的非常复杂的孔隙网络系统，特别是火山碎屑岩的不同成分可以显示出层状和层状结构，这导致其岩石物理、机械和水分性质的明显各向异性。
