石灰岩矿工程利用方向研究

2022-06-28黄可原肖嘉庆黄海容王永冬航4

现代矿业 2022年5期

黄可原肖嘉庆黄海容王永冬胡航4

（1.重庆交通大学土木工程学院；2.成都兴西华工程咨询有限公司；3.四川正达检测技术有限责任公司；4.成都交通投资集团有限公司）

随着人们对自然的不断探索研究，越来越多的天然石材被纳入工程材料的加工中，使工程材料能够更加经济，具有更好的性能，满足人们的更多功能需求。其中，石灰岩具有硬度不大、不溶于水、易与酸产生反应等特征，并且具有良好的加工性、磨光性和胶结性能。目前，石灰岩被大量应用到公路工程、铁路工程等基础建设中，在装饰工程、烧制石灰及水泥制造业等都有广泛的应用［1］，但是仍存在对石灰岩矿工程利用方向未系统性整理，控制性指标研究缺乏等问题。因此，本文对石灰岩在工程中各个方向的使用进行梳理，并总结分析各方向的控制性（如力学、物理、化学等）指标。

1 石灰岩基本性质

石灰岩常被称作“灰岩”或“青石”，是沉积岩的一种，其形成主要是海洋生物尸体的沉降累积，加上来自陆地的动植物腐物残渣与泥沙一起在河床或海床上沉积压实后经地质变化形成［2-3］。石灰岩是地壳中分布最广的矿产之一，我国石灰岩矿产资源十分丰富。

石灰岩主要由方解石（CaCO3）组成，常混有石英、白云石和黏土等杂质。因含有不同的杂质，颜色有灰白色、灰色、灰黑色、浅黄色，褐色或浅红色等［4-5］。由于碳酸钙固体不溶于水且二氧化硅（SiO2）含量较低，石灰岩碎石属碱性石料，遇稀醋酸、稀盐酸、稀硝酸时会发生泡沸并溶解［4］。石灰岩的表观密度为2 000～2 900 kg/m3，单轴抗压强度在20～160 MPa，一般低于常见的花岗岩、玄武岩等，吸水（吸水率2%～10%）饱和后强度明显下降［6］。

2 石灰岩矿工程利用方向

2.1 公路工程

混凝土是最广泛应用的建筑材料，而集料约占水泥混凝土质量的80%，占沥青混凝土的90%以上［2］。石灰岩在公路工程中常被加工成细（如砂）、粗集料，在水泥、沥青混凝土中均起到骨架和填充的作用。

2.1.1 机制砂

混凝土配制用砂分为天然砂和机制砂（又称人工砂）。自20 世纪60 年代，机制砂已经出现在混凝土的细集料中，并开始应用到实际工程中［2］。

2. 1. 1. 1 石灰岩机制砂在公路水泥混凝土路面中的应用

我国的西部地区天然砂资源相对稀缺且盛产石灰岩，因此石灰岩较早地在西部地区被作为机制砂的母岩进行实际生产研究。目前，机制砂行业选用石灰石作为母岩的至少占30%以上［2］。

机制砂的质量与母岩自身的性能、机械设备和加工工艺等因素密切相关［6］，其中后两者对机制砂的级配、颗粒形状、石粉含量等影响很大，而母岩的自身性能则主要影响机制砂的抗压碎能力（强度）、磨耗性、坚固性和有害物质含量等。我国现行规范《建设用砂》（GB/T 14684—2011）［7］《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50—2011）［8］《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG/T F30—2014）［9］和《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）［10］中虽未限定建筑工程必须使用的机制砂母岩种类，但都提出了使用机制砂需满足的技术要求。这些技术要求主要分为①物理常数涉及密度、孔隙率、级配、颗粒形状、粗细、流动性等；②力学性能主要指抗压碎能力和磨耗性，作为表面层还常涉及磨光值和磨耗值等；③坚固性（也称安定性）；④有害物质包括云母、氯化物、硫化物及硫酸盐含量等。

大量实践表明，石灰岩机制砂应用在公路水泥混凝土路面工程上的主要控制指标是力学性能。《建设用砂》［7］《公路桥涵施工技术规范》［8］《公路水泥混凝土路面施工技术细则》［9］等都提出了一致的机制砂压碎指标（III 级机制砂≤30%），《公路水泥混凝土路面施工技术细则》［9］中还增加了对于机制砂母岩抗压强度和磨光值的规定。石灰岩机制砂的单级压碎值常常在12～40，石灰岩的磨光值常常在30～70（平均值为43），单轴抗压强度在20～160 MPa［6，11-13］。因此，石灰岩机制砂在公路水泥混凝土路面中的具体使用应主要考虑是否满足规范中对压碎指标、母岩磨光值和抗压强度的要求。

2. 1. 1. 2 石灰岩机制砂在公路沥青混凝土路面中的应用

《公路沥青路面施工技术规范》［10］中明确指出机制砂粗糙、洁净、棱角性好，应推广使用。该规范主要规定了细集料的密度、流动性、坚固性和有害物质含量等，但未对沥青混合料用细集料的力学指标提出明确要求。因碱性岩石与沥青黏附性较好，所以强度不大的石灰岩机制砂在公路沥青混凝土中的应用研究很多［12］。此外，该规范中许多规定都涉及了对石灰岩或石灰等的推荐使用，例如：①沥青混合料的矿粉必须采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉；②高速公路沥青路面的表面层往往选用非碱性石料（包括玄武岩）作粗集料，此时应采用石灰岩的石屑；③当沥青混合料使用不符要求的粗集料时，为使沥青混合料的水稳定性达到要求，除加入抗剥落剂或使用改性沥青外，也可加消石灰、饱和石灰水［10］。因此，以石灰岩为母岩的机制砂、填料（矿粉）、石屑以及利用石灰岩制成的消石灰和饱和石灰水等在公路沥青混凝土路面中有着非常广泛的应用。

2.1.2 粗集料

粗集料在混凝土中起着骨架作用，是整个混凝土体积中占用最多的成分。我国现行规范中《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）［14］《公路桥涵施工技术规范》［8］《公路水泥混凝土路面施工技术细则》［9］《公路沥青路面施工技术规范》［10］和《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）［15］等都对粗集料的技术要求做了规定，与对细集料的规定类似，上述规范主要针对粗集料的物理常数（如针片状颗粒含量等）、力学性能（如强度）、坚固性、有害物质含量等几方面提出了技术要求。

石灰岩粗集料应用在建筑工程上的主要控制指标仍然是力学性能指标，其中包含强度、压碎指标、用于面层时的磨耗值和磨光值等。《公路桥涵施工技术细则》［15］《公路水泥混凝土路面施工技术细则》［8］中还对岩石的（水）饱和抗压强度（30 MPa）和抗压强度（60 MPa）分别作了限定，排除了较软质石灰岩的应用。另外，《公路路面基层施工技术细则》［15］也对在公路路面基层、底基层材料中使用的粗集料压碎值根据不同道路级别和交通荷载做了相关规定。

大量工程实践已证明，不同质量的石灰岩碎石是可以应用在高速公路和一级公路上的各个层位的，甚至极硬的石灰岩碎石可以应用在公路的表面层。《公路沥青路面施工技术规范》［10］中指出，如果采用当地盛产的石灰岩铺筑面层，上面只加铺1 层8～10 mm 的微表层或厚度仅20 mm 的超薄磨耗层，所需的硬质石料（如玄武岩）便可以减少1/3至1/2，便可使成本大为降低。因此，不同质量的石灰岩碎石在水泥混凝土和沥青混凝土路面的各个层位都可以根据规范要求广泛应用。

2.2 铁路工程

铁路碎石道砟一般铺设在轨枕下及轨枕周围，将来自轨枕的压力传递到下部的结构层且利于排水。现行规范《铁路碎石道砟》（TB/T 2140—2008）［16］中对铁路碎石的级配、密度和容重、抗大气腐蚀性能（类似公路工程中要求的坚固性）、渗水性能、抗磨耗、抗冲击性能、抗压碎性能等提出了具体要求。该规范提出的特级和一级道砟碎石的力学指标较细且高（压碎试验采用了与公路中不同的试验方法），因此石灰岩因硬度和强度不足很难被用于新建铁路用碎石道砟。

底碴位于铁路碎石道床道碴层和路基基床表层之间，起着传递分布列车荷载，隔离开面碴和路基基床表层颗粒，防冻保温等作用。现行规范《铁路碎石道床底碴》（TB/T 2897—1998）［17］中涉及力学指标的主要规定是粒径大于1.7 mm 集料的洛杉矶磨耗率不大于50%，而对其他力学指标没有具体要求。因此，石灰岩材料经铁道部指定单位检验并由铁道部主管部门审批，颁发底碴开采资格证后，便可在开采加工基地大量生产底碴材料。

2.3 建筑装饰工程

天然饰面石材是经天然石灰石等材料加工而成的饰面板材、花线或实心柱体，用作建筑物的内外墙面、顶棚、柱面等的一种建筑装饰材料。饰面用石灰岩在我国大量使用，在建筑装饰工程中也常把一些有各种颜色花纹用作建筑装饰材料的石灰岩称作大理石。米黄色饰面用石灰岩常称作米黄色大理石，即石材装饰的高档产品。

现行规范《天然石灰石建筑板材》（GB/T 23453—2009）［18］和《干挂饰面石材》（GB/T 32834—2016）［19］中对饰面石材的技术要求主要是尺寸、加工精度、外观质量、光泽度、密度、吸水率等。上述2个规范虽然对石灰岩的加工设备和精度等要求较高，但对力学指标的要求远远低于公路、铁路相关标准。因此，在加工设备和精度满足的条件下，无论是硬质还是软质的饰面用石灰岩都可以在装饰工程中大量使用。

2.4 建筑材料

2.4.1 石灰

石灰分为生石灰和熟石灰。现行规范《建筑生石灰》（JC/T 479—2013）［20］中对生石灰的细度和化学成分均作了要求。其中，对以下成分的含量分别提出了具体要求，并按含量不同进行了分类：①氧化钙加氧化镁含量；②氧化镁；③二氧化碳；④三氧化硫。

生石灰吸潮或加水就成为熟石灰（Ca（OH）2，又称消石灰）。熟石灰经调配成石灰浆、石灰膏、石灰砂浆等，用作涂装材料和砖瓦黏合剂。熟石灰和水泥也是道路工程基层施工中最常用的无机结合料，与对生石灰的规定类似，现行规范《建筑消石灰》（JC∕T 481—2013）［21］也对建筑消石灰的细度和化学成分作了要求。化学成分及含量主要针对氧化钙加氧化镁、氧化镁（MgO）、三氧化硫（SO3）。因此，应根据规范要求（尤其是化学成分）识别、确定出采矿权范围内的石灰灰岩矿点，合理进行开发。

2.4.2 其他建筑材料

根据工程需要，生产出的石灰还可以在矿产开发基地就地深加工制成大量需要的建筑材料，例如石灰石混凝土加气砖和其他新型墙体材料等。

2.4.3 水泥

石灰石是通过“两磨一烧”生产水泥的主要原料。我国规范《水泥工厂设计规范》（GB 50295—2016）对用于生产水泥的石灰质原料化学成分有着明确规定。另外，《石灰石硅酸盐水泥》（JCT 600—2010）［22］也规定用于生产石灰石硅酸盐水泥的石灰石中CaCO3质量占比不应小于75%，Al2O3质量占比不应小于2%。目前，每年全国水泥产量约25 亿t［13］，消耗的石灰石约15 亿t，所以水泥生产企业对于符合指标的石灰质原料需求很大，但大型的水泥企业一般拥有自营的石灰岩矿山。因此，对于符合规范指标的水泥灰岩矿点，需要与水泥企业对接合作合理开发利用矿产资源。

3 可利用情况分类

根据对石灰岩的加工处理程度，可将以上四大工程可利用方向大致分为3类（图1）。

（1）原材料直接利用，包括石灰岩在公路工程、铁路工程上的应用，水泥生产企业的使用。

（2）简单加工后使用，包括石灰和饰面板材等的生产加工。

（3）深加工后使用，包括生产加工一些建筑材料（如加气砖等）。

图1 总结了石灰岩在各个利用方向上的控制指标，除了涉及加工工艺的指标要求（如粒度、细度、石粉含量等）外，以力学指标（如岩石压碎值）为主要控制指标的利用方向有公路工程中的机制砂和粗集料生产、铁路工程中的底碴生产、饰面石材的生产。以化学成分含量（如氧化钙CaO 含量等）为主要控制指标的利用方向有水泥企业使用的石灰石、生产石灰使用的石灰石和生产其他建筑材料使用的石灰等。

长期以来，很多矿场缺乏总体和长远的发展规划，脱离市场，仅开采石灰岩进行原材料销售。虽然前期投资小，建设周期短，但是往往经济效益低，资源浪费严重，安全、环保问题大，技术人员流失严重。即使仅生产用于建筑骨料石灰岩，也常因为专业人员不足且使用不合理的破碎设备和设备参数，致使生产出的骨料中针片状颗粒较多、石粉含量较高，不符合市场要求。

值得注意的是，虽然生产企业规模大小不一，但近来国内一些新立项的石灰岩项目开始体现统筹综合开采矿产资源的新思路。在湖南临澧县开工的伟厦新材石灰石综合利用开发新材料项目投资2.5 亿元，建成后可年产砂石骨料300 万t、100 万m2新型速成墙体材料、100 万m3石灰石混凝土加气砖和各类化工产品50 万t［23］，预计可实现销售收入5.2 亿元，年上缴各种税金5 000 万元，预期利润远超国内其他类似规模矿山。此外，还有位于重庆忠县的三一绿色智能建筑产业项目，该项目分三期建设，共投资62 亿元，将建成砂石料精深加工及配套设施、绿色建筑产业链子项目集群（混凝土工艺构件、轻质隔墙）、PC（预制混凝土）建筑技术研发中心、专业人员培训中心等。以上2 个项目的建设思路都是通过统筹综合开发不同种类的石灰岩矿产资源，根据其力学、物理、化学性质的不同，提升资源附加值，并在矿产开发中注重对高技术的运用和专业人员的培训。