含铁物质对石材的影响

    石材是岩石经加工后所产生的制品，岩石是由矿物组成的，其中含铁矿物是石材中铁质的来源。铁元素在自然界中分布甚广，但大多以化合物之方式出现，由于铁元素属中等活泼性的金属，在高温下易和氧、硫、氯等元素发生强烈反应，并易溶于无机稀酸和浓盐酸的溶液中，同时浓碱溶液也易侵蚀铁。因此铁只有以化合物（含铁矿物）的形态出现，才得以在自然界中保存下来。
    
    铁的化合物有氧化物、硫化物、硅酸铁、碳酸铁、硼酸铁、钨酸铁、硫酸铁等数百种，但以下列四种化合物为主要类别：
    一、氧化铁：含铁氧化物的矿物有磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、钛铁矿等。

    二、硫化铁：含铁硫化物的矿物有黄铁矿、白铁矿、黄铜砂、黄锡矿等。

    三、含铁硅酸盐矿物：有橄榄石、黑榴石、十字石、黑柱石、普通辉石等。四、含铁碳酸盐矿物：有菱铁矿及铁白云石等。

    由于石材本身含有赤铁矿或硫铁矿等上述的含铁矿物，此类铁矿物本身极易氧化而锈蚀，造成石材表面变色、变黄以及锈斑等缺陷，严重者甚至因铁质锈蚀后膨胀而产生结晶颗粒爆裂与孔洞。兹就含铁矿物对各石材的影响逐项说明：
    
    含铁矿物对花岗石石材的影响
    除了含铁硫酸盐矿物外，大部份的含铁矿物都有可能存在花岗石中，属硅酸铁矿物的数量及分布最广，其次是氧化铁或硫化铁矿物。一般含铁矿物的颜色深暗，对花岗石的装饰美观价值有关键性的影响。花岗石中暗色矿物集中者，石材常呈黑色、绿色系，如摩卡绿（含FeO+Fe2O3：6.43%）、印度黑（含FeO+Fe2O3：13.2%）、南非深黑（含FeO+Fe2O3：20.5%），辛巴威黑（含FeO+Fe2O3：11.5%）等。黄铁矿、白铁矿等含铁矿物嵌入辉长岩中，因而形成了闪烁金光的黑金石材，印度黑金即为最显著的例子。含铁矿物在石材中的排列组合，丰富并美化了石材的装饰美观效果，使天然石材色彩变化绚丽，如孔雀绿（含FeO+Fe2O3：6.21%）、森林绿（含FeO+Fe2O3：5.31%）、豹皮花（含FeO+Fe2O3：3.40%）等。
    
    硫化铁是花岗石遭受锈黄污染的主要原因之一，它在常温常压下易风化水解，生成氧化铁，再进一步水化成褐铁矿。硫化铁分解后，有时会留下立方体黄铁矿假象，有的溶蚀成许多孔洞。若氧化铁溶液沿着节理裂隙面渗透侵染，从而形成铁质薄膜，使石材遭受污染，形成色差，降低石材装饰效果。花岗石中遭受破坏的第二主因为黑云母，片状组织极容易沿此面剥离且易风化，风化层脱落后在石材表面形成小坑。另外，黑云母（K（Mg,Fe3(Alsi3O10)(OH)2）常遭水溶液作用而产生释放Fe3+作用，而锈染其他矿物，产生严重锈斑。含铁榴石即绿泥石类矿物是花岗石遭受破坏的第三主因，它们风化后易形成土状物，经风吹水冲后，造成石材表面产生孔洞和凹坑。
    
    ■含铁矿物对大理石石材的影响
    大理石中含铁矿物有碳酸铁、硫化铁、氧化铁及含铁硅酸盐矿物等。存在于大理石中的含铁矿物，因成分不同，对大理石的作用差别很大。铁白云石能使大理石变成灰色、菱铁矿变成褐色、角闪石类矿物则呈现绿色—墨绿色—黑色，呈点状、线状分布时，形成一定的图案，产生自有的丰富色彩变化；另外，绿泥石、石榴石会使大理石呈绿色或黄绿色。

    大理石石材遭受表面锈黄的主因为黄铁矿，其次是磁黄铁矿、镍黄铁矿等硫化铁矿物，其污染原因与花岗石相同，硫化铁分解后，有时会留下立方体黄铁矿假象，有的溶蚀成许多孔洞（如新米黄大理石板材中常见1~3mm孔径空洞）。铁铝榴石、绿泥石类矿物及含铁泥质矿物的抗风化能力较差，时间久了也会形成凹坑及空洞。
    
    ■含铁成分对石材安全的影响
    石材化学成分内，含铁成分的高低虽不完全决定石材安全性的高低，但却是石材本身发生病变（锈斑）的主要原因，对石材安全性的影响相当大。它是所有含铁矿物及附著在石材表面氧化铁含铁量的总和，一般以FeO和Fe2O3百分比（%）含量表示，因此反应不出原矿物成分中各含多少，也难以确定它抗风化的能力。前面已叙述过，不论是花岗石或大理石石材中，若内含之铁矿物以比较稳定的含铁矽酸盐矿物为主，而不是硫化铁、黑云母及铁质薄膜，石材即具备较强之抗风化性；反之，若石材中含铁矿物大多为不稳定的硫化铁、黑云母等，尽管含铁量低，石材抗风化的能力也有可能变得较差。
    
    总而言之，不管是大理石或花岗石石材，含铁矿物的稳定性决定著石材的抗风化性，众多含铁矿物中，硫化铁为最不稳定的成分，黑云母次之，再者为含铁石榴石和绿泥石类矿物。因此，在选择石材或鉴定石材病变时，应注意这些有害矿物的分布、含量及含铁矿物的耐风化性，以确保石材的安全性。