坚如磐石，到底有多“坚”？

中科院物理所 2022-01-07 13:03

在中国传统文化里，石头，一直都是坚硬、坚贞、坚定、坚强的象征。我们用“精诚所至，金石为开”来形容一个人强大的意志和不懈的坚持，终能克服一切困难；“君当作磐石，妾当作蒲苇“的爱情故事，千百年来感动了一代又一代的人；”珞（luò）珞如石“，则用来形容一个人的理想信念坚定，思想有主见。

那么，坚如磐石，到底有多“坚”呢？

在现代岩石力学中，科学家们针对石头的强度进行了大量研究，可以为我们解答“石头到底有多结实”这一问题。当石头，或者说岩石，在受到力的作用，如锤子砸、斧头劈、凿子凿时，就会发生变形乃至破坏。但是需要多大的力才能使岩石破坏？这就涉及到岩石的强度问题。岩石在破坏前所能承受的最大的力，就是岩石的极限强度。

图1：《宝莲灯》中，

陈香与二郎神争斗、劈山救母的故事，感动着童年的我们

不论我们是拿锤子砸，还是拿斧头劈、凿子凿，甚至是像葫芦娃一样把石头高高举起，狠狠地摔在地上，能够使石头发生破坏的，只有五种基本作用形式：压缩、拉伸、剪切、弯曲和扭转。

图2：岩石受力的五种基本形式

一般来说，岩石对拉伸、剪切、弯曲和扭转这四种作用形式的承受力，要远远低于对压缩的承受力。此外，在日常生活中，岩石也更多地承受着压力，如地下深处的岩石，受着上部岩石的压力；作为建筑地基的岩石，承载着上部建筑物的压力；大坝周围的山体，承受着水的压力……因此，我们常常选择岩石在压缩作用下的最大承受力，来作为其强度的度量。

压缩也分多种情况。在实际情况里，地下的岩石往往在多个方向被压缩，我们将其简化为空间坐标中三个互相垂直的方向（X、Y、Z方向）。在三个方向都被压缩，我们称之为三轴压缩状态；而只有一个方向被压缩，则称为单轴状态。但是在岩石的压缩试验中，真正的三轴状态很难模拟。因此，我们常常采用圆柱形岩石，在其周围充满具有一定压力的液体（一般为液压油），使其周围一圈都具有相同的压力。这样的压缩试验称为假三轴压缩试验。

在三种试验中，单轴压缩最容易操作，得出的结果也更具有代表性。因此，实际中常常用岩石的单轴压缩强度来作为岩石强度的指标。

图3：岩石压缩试验的类型^[1]

岩石作为一种天然材料，即使外表看上去很均匀致密，内部也会存在一些裂隙和缺陷，因此，往往尺寸越大，内部的裂隙和缺陷越多，测试出的强度就越低。所以在测试其强度时，需要规定测试样本的尺寸。对于圆柱形试样，其标准尺寸为：直径50mm，高度100mm~120mm。在压缩时，压缩的速度也有统一的要求。

图4：用于单轴压缩的岩石试样，从左至右依次为：

花岗岩、大理岩、砂岩^[2]

图5：岩石单轴压缩试验机^[2]

随着岩石不断被压缩，岩石的变形不断增大，其承受的力也不断增加，直到达到峰值（图中D点）。这一峰值强度，就是岩石的单轴压缩强度。继续加载，岩石就已经碎裂了，能承受的力也大幅下降。但值得一提的是，即使被压成碎块，岩石也仍能保持一定的残余强度，实在是敬业的典范。

图6：岩石单轴压缩变形全过程^[1]

不同的岩石，矿物成分不同，结构构造不同，因此具有不同的强度。同一种岩石，由于其形成条件不同，风化程度不同，岩石强度也会有较大差异。

因此，我们无法给出一种岩石的准确强度，而只能得到一个大致范围。我们一般用兆帕【1MPa=10⁶Pa，相当于在1平方米的面积上压了一头露脊鲸（100吨）】作为岩石强度的单位，以下是几种常见岩石的单轴压缩强度范围：

1. 石灰岩

石灰岩是一种分布广泛的沉积岩，也是我们工业生产、工程建造所必不可少的资源。“千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲。”它是烧制石灰、生产水泥的主要原料，也是冶金、化工等必不可少的材料。

它的单轴压缩强度范围是50MPa~200MPa^[1]。最结实的石灰岩的强度，相当于在1平方米的面积上压了一辆长达2.6千米的重载列车（重约20000吨）。

图7：石灰岩标本。

图8：石灰岩是最常见的岩石。建筑的石子，基本都是石灰岩。

图9：千姿百态的溶洞，就是发育在石灰岩地区。

这样溶洞广布的地貌，又叫做喀斯特地貌。

2. 大理岩

大理岩，是石灰岩、白云岩等碳酸盐岩经岩浆烘烤，受热变质而成的一种变质岩，主要成分为碳酸钙，因其最早盛产于云南大理而得名。白色的大理岩，又叫汉白玉，其洁白无瑕，质地细腻，宛若美玉，是一种名贵的建筑材料，深受古代皇家贵族的喜爱。

它的单轴压缩强度范围100MPa~250MPa^[1]。其最高的强度，相当于在1平方米的面积上压了一艘071型船坞登陆舰（重约25000吨）。

图10：大理岩标本

图11：汉白玉狮子

3. 花岗岩

花岗岩，是酸性岩浆在地下逐渐冷却形成的一种岩浆岩。它质地坚硬，耐磨性好，颜色从粉红、花白到青黑，颗粒由细到粗，种类繁多，十分美观，因此常常被用来制作地砖、桌面、装饰面等。

它的单轴压缩强度范围100MPa~250MPa^[1]，强度范围与大理岩相同。

图12：花岗岩标本。

图13：温馨的家居，装点着花岗岩桌面

4. 石英岩

石英岩是由富含石英矿物的岩石（如石英砂岩）经变质作用而来的一种变质岩。它的主要成分为二氧化硅（SiO₂），摩氏硬度可达7（钢铁约为6，钻石为10），是一种非常坚硬的岩石。

它的单轴压缩强度范围150MPa~350MPa^[1]。350MPa，相当于在1平方米的面积上压了一艘中型航母（约3.5万吨）。

图14：石英岩标本

（图片来自维基百科）

5. 玄武岩

玄武岩，是基性岩浆喷发出地表后冷却而成的岩浆岩。有的玄武岩十分致密，比一般岩石都重；但有的却充满气孔，十分轻盈，甚至在水中可以浮起来。在野外，常常可以看到“玄武岩柱”，这是高热熔岩在喷发出来后，急速冷却导致体积收缩所造成的。它耐磨性好，抗压性好，耐腐蚀，是一种优良的天然材料，广泛用于工业生产、工程建造中。此外，它还能被“点石成金”，熔融后拉制成玄武岩纤维，成为一种性能卓越的新型材料，应用在国防建设、航空航天、特种服装中。

它的单轴压缩强度范围150MPa~300MPa^[1]。