黃可原 肖嘉慶 黃海容 王永冬 胡 航4

（1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院；2.成都興西華工程咨詢有限公司；3.四川正達(dá)檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司；4.成都交通投資集團(tuán)有限公司）

隨著人們對(duì)自然的不斷探索研究，越來越多的天然石材被納入工程材料的加工中，使工程材料能夠更加經(jīng)濟(jì)，具有更好的性能，滿足人們的更多功能需求。其中，石灰?guī)r具有硬度不大、不溶于水、易與酸產(chǎn)生反應(yīng)等特征，并且具有良好的加工性、磨光性和膠結(jié)性能。目前，石灰?guī)r被大量應(yīng)用到公路工程、鐵路工程等基礎(chǔ)建設(shè)中，在裝飾工程、燒制石灰及水泥制造業(yè)等都有廣泛的應(yīng)用［1］，但是仍存在對(duì)石灰?guī)r礦工程利用方向未系統(tǒng)性整理，控制性指標(biāo)研究缺乏等問題。因此，本文對(duì)石灰?guī)r在工程中各個(gè)方向的使用進(jìn)行梳理，并總結(jié)分析各方向的控制性（如力學(xué)、物理、化學(xué)等）指標(biāo)。

1 石灰?guī)r基本性質(zhì)

石灰?guī)r常被稱作“灰?guī)r”或“青石”，是沉積巖的一種，其形成主要是海洋生物尸體的沉降累積，加上來自陸地的動(dòng)植物腐物殘?jiān)c泥沙一起在河床或海床上沉積壓實(shí)后經(jīng)地質(zhì)變化形成［2-3］。石灰?guī)r是地殼中分布最廣的礦產(chǎn)之一，我國石灰?guī)r礦產(chǎn)資源十分豐富。

石灰?guī)r主要由方解石（CaCO3）組成，常混有石英、白云石和黏土等雜質(zhì)。因含有不同的雜質(zhì)，顏色有灰白色、灰色、灰黑色、淺黃色，褐色或淺紅色等［4-5］。由于碳酸鈣固體不溶于水且二氧化硅（SiO2）含量較低，石灰?guī)r碎石屬堿性石料，遇稀醋酸、稀鹽酸、稀硝酸時(shí)會(huì)發(fā)生泡沸并溶解［4］。石灰?guī)r的表觀密度為2 000～2 900 kg/m3，單軸抗壓強(qiáng)度在20～160 MPa，一般低于常見的花崗巖、玄武巖等，吸水（吸水率2%～10%）飽和后強(qiáng)度明顯下降［6］。

2 石灰?guī)r礦工程利用方向

2.1 公路工程

混凝土是最廣泛應(yīng)用的建筑材料，而集料約占水泥混凝土質(zhì)量的80%，占瀝青混凝土的90%以上［2］。石灰?guī)r在公路工程中常被加工成細(xì)（如砂）、粗集料，在水泥、瀝青混凝土中均起到骨架和填充的作用。

2.1.1 機(jī)制砂

混凝土配制用砂分為天然砂和機(jī)制砂（又稱人工砂）。自20 世紀(jì)60 年代，機(jī)制砂已經(jīng)出現(xiàn)在混凝土的細(xì)集料中，并開始應(yīng)用到實(shí)際工程中［2］。

2. 1. 1. 1 石灰?guī)r機(jī)制砂在公路水泥混凝土路面中的應(yīng)用

我國的西部地區(qū)天然砂資源相對(duì)稀缺且盛產(chǎn)石灰?guī)r，因此石灰?guī)r較早地在西部地區(qū)被作為機(jī)制砂的母巖進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)研究。目前，機(jī)制砂行業(yè)選用石灰石作為母巖的至少占30%以上［2］。

機(jī)制砂的質(zhì)量與母巖自身的性能、機(jī)械設(shè)備和加工工藝等因素密切相關(guān)［6］，其中后兩者對(duì)機(jī)制砂的級(jí)配、顆粒形狀、石粉含量等影響很大，而母巖的自身性能則主要影響機(jī)制砂的抗壓碎能力（強(qiáng)度）、磨耗性、堅(jiān)固性和有害物質(zhì)含量等。我國現(xiàn)行規(guī)范《建設(shè)用砂》（GB/T 14684—2011）［7］《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50—2011）［8］《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F30—2014）［9］和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）［10］中雖未限定建筑工程必須使用的機(jī)制砂母巖種類，但都提出了使用機(jī)制砂需滿足的技術(shù)要求。這些技術(shù)要求主要分為①物理常數(shù)涉及密度、孔隙率、級(jí)配、顆粒形狀、粗細(xì)、流動(dòng)性等；②力學(xué)性能主要指抗壓碎能力和磨耗性，作為表面層還常涉及磨光值和磨耗值等；③堅(jiān)固性（也稱安定性）；④有害物質(zhì)包括云母、氯化物、硫化物及硫酸鹽含量等。

大量實(shí)踐表明，石灰?guī)r機(jī)制砂應(yīng)用在公路水泥混凝土路面工程上的主要控制指標(biāo)是力學(xué)性能?！督ㄔO(shè)用砂》［7］《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》［8］《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》［9］等都提出了一致的機(jī)制砂壓碎指標(biāo)（III 級(jí)機(jī)制砂≤30%），《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》［9］中還增加了對(duì)于機(jī)制砂母巖抗壓強(qiáng)度和磨光值的規(guī)定。石灰?guī)r機(jī)制砂的單級(jí)壓碎值常常在12～40，石灰?guī)r的磨光值常常在30～70（平均值為43），單軸抗壓強(qiáng)度在20～160 MPa［6，11-13］。因此，石灰?guī)r機(jī)制砂在公路水泥混凝土路面中的具體使用應(yīng)主要考慮是否滿足規(guī)范中對(duì)壓碎指標(biāo)、母巖磨光值和抗壓強(qiáng)度的要求。

2. 1. 1. 2 石灰?guī)r機(jī)制砂在公路瀝青混凝土路面中的應(yīng)用

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》［10］中明確指出機(jī)制砂粗糙、潔凈、棱角性好，應(yīng)推廣使用。該規(guī)范主要規(guī)定了細(xì)集料的密度、流動(dòng)性、堅(jiān)固性和有害物質(zhì)含量等，但未對(duì)瀝青混合料用細(xì)集料的力學(xué)指標(biāo)提出明確要求。因堿性巖石與瀝青黏附性較好，所以強(qiáng)度不大的石灰?guī)r機(jī)制砂在公路瀝青混凝土中的應(yīng)用研究很多［12］。此外，該規(guī)范中許多規(guī)定都涉及了對(duì)石灰?guī)r或石灰等的推薦使用，例如：①瀝青混合料的礦粉必須采用石灰?guī)r或巖漿巖中的強(qiáng)基性巖石等憎水性石料經(jīng)磨細(xì)得到的礦粉；②高速公路瀝青路面的表面層往往選用非堿性石料（包括玄武巖）作粗集料，此時(shí)應(yīng)采用石灰?guī)r的石屑；③當(dāng)瀝青混合料使用不符要求的粗集料時(shí)，為使瀝青混合料的水穩(wěn)定性達(dá)到要求，除加入抗剝落劑或使用改性瀝青外，也可加消石灰、飽和石灰水［10］。因此，以石灰?guī)r為母巖的機(jī)制砂、填料（礦粉）、石屑以及利用石灰?guī)r制成的消石灰和飽和石灰水等在公路瀝青混凝土路面中有著非常廣泛的應(yīng)用。

2.1.2 粗集料

粗集料在混凝土中起著骨架作用，是整個(gè)混凝土體積中占用最多的成分。我國現(xiàn)行規(guī)范中《建設(shè)用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）［14］《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》［8］《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》［9］《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》［10］和《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）［15］等都對(duì)粗集料的技術(shù)要求做了規(guī)定，與對(duì)細(xì)集料的規(guī)定類似，上述規(guī)范主要針對(duì)粗集料的物理常數(shù)（如針片狀顆粒含量等）、力學(xué)性能（如強(qiáng)度）、堅(jiān)固性、有害物質(zhì)含量等幾方面提出了技術(shù)要求。

石灰?guī)r粗集料應(yīng)用在建筑工程上的主要控制指標(biāo)仍然是力學(xué)性能指標(biāo)，其中包含強(qiáng)度、壓碎指標(biāo)、用于面層時(shí)的磨耗值和磨光值等?！豆窐蚝┕ぜ夹g(shù)細(xì)則》［15］《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》［8］中還對(duì)巖石的（水）飽和抗壓強(qiáng)度（30 MPa）和抗壓強(qiáng)度（60 MPa）分別作了限定，排除了較軟質(zhì)石灰?guī)r的應(yīng)用。另外，《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》［15］也對(duì)在公路路面基層、底基層材料中使用的粗集料壓碎值根據(jù)不同道路級(jí)別和交通荷載做了相關(guān)規(guī)定。

大量工程實(shí)踐已證明，不同質(zhì)量的石灰?guī)r碎石是可以應(yīng)用在高速公路和一級(jí)公路上的各個(gè)層位的，甚至極硬的石灰?guī)r碎石可以應(yīng)用在公路的表面層。《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》［10］中指出，如果采用當(dāng)?shù)厥a(chǎn)的石灰?guī)r鋪筑面層，上面只加鋪1 層8～10 mm 的微表層或厚度僅20 mm 的超薄磨耗層，所需的硬質(zhì)石料（如玄武巖）便可以減少1/3至1/2，便可使成本大為降低。因此，不同質(zhì)量的石灰?guī)r碎石在水泥混凝土和瀝青混凝土路面的各個(gè)層位都可以根據(jù)規(guī)范要求廣泛應(yīng)用。

2.2 鐵路工程

鐵路碎石道砟一般鋪設(shè)在軌枕下及軌枕周圍，將來自軌枕的壓力傳遞到下部的結(jié)構(gòu)層且利于排水。現(xiàn)行規(guī)范《鐵路碎石道砟》（TB/T 2140—2008）［16］中對(duì)鐵路碎石的級(jí)配、密度和容重、抗大氣腐蝕性能（類似公路工程中要求的堅(jiān)固性）、滲水性能、抗磨耗、抗沖擊性能、抗壓碎性能等提出了具體要求。該規(guī)范提出的特級(jí)和一級(jí)道砟碎石的力學(xué)指標(biāo)較細(xì)且高（壓碎試驗(yàn)采用了與公路中不同的試驗(yàn)方法），因此石灰?guī)r因硬度和強(qiáng)度不足很難被用于新建鐵路用碎石道砟。

底碴位于鐵路碎石道床道碴層和路基基床表層之間，起著傳遞分布列車荷載，隔離開面碴和路基基床表層顆粒，防凍保溫等作用?，F(xiàn)行規(guī)范《鐵路碎石道床底碴》（TB/T 2897—1998）［17］中涉及力學(xué)指標(biāo)的主要規(guī)定是粒徑大于1.7 mm 集料的洛杉磯磨耗率不大于50%，而對(duì)其他力學(xué)指標(biāo)沒有具體要求。因此，石灰?guī)r材料經(jīng)鐵道部指定單位檢驗(yàn)并由鐵道部主管部門審批，頒發(fā)底碴開采資格證后，便可在開采加工基地大量生產(chǎn)底碴材料。

2.3 建筑裝飾工程

天然飾面石材是經(jīng)天然石灰石等材料加工而成的飾面板材、花線或?qū)嵭闹w，用作建筑物的內(nèi)外墻面、頂棚、柱面等的一種建筑裝飾材料。飾面用石灰?guī)r在我國大量使用，在建筑裝飾工程中也常把一些有各種顏色花紋用作建筑裝飾材料的石灰?guī)r稱作大理石。米黃色飾面用石灰?guī)r常稱作米黃色大理石，即石材裝飾的高檔產(chǎn)品。

現(xiàn)行規(guī)范《天然石灰石建筑板材》（GB/T 23453—2009）［18］和《干掛飾面石材》（GB/T 32834—2016）［19］中對(duì)飾面石材的技術(shù)要求主要是尺寸、加工精度、外觀質(zhì)量、光澤度、密度、吸水率等。上述2個(gè)規(guī)范雖然對(duì)石灰?guī)r的加工設(shè)備和精度等要求較高，但對(duì)力學(xué)指標(biāo)的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于公路、鐵路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。因此，在加工設(shè)備和精度滿足的條件下，無論是硬質(zhì)還是軟質(zhì)的飾面用石灰?guī)r都可以在裝飾工程中大量使用。

2.4 建筑材料

2.4.1 石 灰

石灰分為生石灰和熟石灰?，F(xiàn)行規(guī)范《建筑生石灰》（JC/T 479—2013）［20］中對(duì)生石灰的細(xì)度和化學(xué)成分均作了要求。其中，對(duì)以下成分的含量分別提出了具體要求，并按含量不同進(jìn)行了分類：①氧化鈣加氧化鎂含量；②氧化鎂；③二氧化碳；④三氧化硫。

生石灰吸潮或加水就成為熟石灰（Ca（OH）2，又稱消石灰）。熟石灰經(jīng)調(diào)配成石灰漿、石灰膏、石灰砂漿等，用作涂裝材料和磚瓦黏合劑。熟石灰和水泥也是道路工程基層施工中最常用的無機(jī)結(jié)合料，與對(duì)生石灰的規(guī)定類似，現(xiàn)行規(guī)范《建筑消石灰》（JC∕T 481—2013）［21］也對(duì)建筑消石灰的細(xì)度和化學(xué)成分作了要求。化學(xué)成分及含量主要針對(duì)氧化鈣加氧化鎂、氧化鎂（MgO）、三氧化硫（SO3）。因此，應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求（尤其是化學(xué)成分）識(shí)別、確定出采礦權(quán)范圍內(nèi)的石灰灰?guī)r礦點(diǎn)，合理進(jìn)行開發(fā)。

2.4.2 其他建筑材料

根據(jù)工程需要，生產(chǎn)出的石灰還可以在礦產(chǎn)開發(fā)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氣磚和其他新型墻體材料等。

2.4.3 水 泥

石灰石是通過“兩磨一燒”生產(chǎn)水泥的主要原料。我國規(guī)范《水泥工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50295—2016）對(duì)用于生產(chǎn)水泥的石灰質(zhì)原料化學(xué)成分有著明確規(guī)定。另外，《石灰石硅酸鹽水泥》（JCT 600—2010）［22］也規(guī)定用于生產(chǎn)石灰石硅酸鹽水泥的石灰石中CaCO3質(zhì)量占比不應(yīng)小于75%，Al2O3質(zhì)量占比不應(yīng)小于2%。目前，每年全國水泥產(chǎn)量約25 億t［13］，消耗的石灰石約15 億t，所以水泥生產(chǎn)企業(yè)對(duì)于符合指標(biāo)的石灰質(zhì)原料需求很大，但大型的水泥企業(yè)一般擁有自營的石灰?guī)r礦山。因此，對(duì)于符合規(guī)范指標(biāo)的水泥灰?guī)r礦點(diǎn)，需要與水泥企業(yè)對(duì)接合作合理開發(fā)利用礦產(chǎn)資源。

3 可利用情況分類

根據(jù)對(duì)石灰?guī)r的加工處理程度，可將以上四大工程可利用方向大致分為3類（圖1）。

（1）原材料直接利用，包括石灰?guī)r在公路工程、鐵路工程上的應(yīng)用，水泥生產(chǎn)企業(yè)的使用。

（2）簡單加工后使用，包括石灰和飾面板材等的生產(chǎn)加工。

（3）深加工后使用，包括生產(chǎn)加工一些建筑材料（如加氣磚等）。

圖1 總結(jié)了石灰?guī)r在各個(gè)利用方向上的控制指標(biāo)，除了涉及加工工藝的指標(biāo)要求（如粒度、細(xì)度、石粉含量等）外，以力學(xué)指標(biāo)（如巖石壓碎值）為主要控制指標(biāo)的利用方向有公路工程中的機(jī)制砂和粗集料生產(chǎn)、鐵路工程中的底碴生產(chǎn)、飾面石材的生產(chǎn)。以化學(xué)成分含量（如氧化鈣CaO 含量等）為主要控制指標(biāo)的利用方向有水泥企業(yè)使用的石灰石、生產(chǎn)石灰使用的石灰石和生產(chǎn)其他建筑材料使用的石灰等。

長期以來，很多礦場(chǎng)缺乏總體和長遠(yuǎn)的發(fā)展規(guī)劃，脫離市場(chǎng)，僅開采石灰?guī)r進(jìn)行原材料銷售。雖然前期投資小，建設(shè)周期短，但是往往經(jīng)濟(jì)效益低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，安全、環(huán)保問題大，技術(shù)人員流失嚴(yán)重。即使僅生產(chǎn)用于建筑骨料石灰?guī)r，也常因?yàn)閷I(yè)人員不足且使用不合理的破碎設(shè)備和設(shè)備參數(shù)，致使生產(chǎn)出的骨料中針片狀顆粒較多、石粉含量較高，不符合市場(chǎng)要求。

值得注意的是，雖然生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模大小不一，但近來國內(nèi)一些新立項(xiàng)的石灰?guī)r項(xiàng)目開始體現(xiàn)統(tǒng)籌綜合開采礦產(chǎn)資源的新思路。在湖南臨澧縣開工的偉廈新材石灰石綜合利用開發(fā)新材料項(xiàng)目投資2.5 億元，建成后可年產(chǎn)砂石骨料300 萬t、100 萬m2新型速成墻體材料、100 萬m3石灰石混凝土加氣磚和各類化工產(chǎn)品50 萬t［23］，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)銷售收入5.2 億元，年上繳各種稅金5 000 萬元，預(yù)期利潤遠(yuǎn)超國內(nèi)其他類似規(guī)模礦山。此外，還有位于重慶忠縣的三一綠色智能建筑產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目分三期建設(shè)，共投資62 億元，將建成砂石料精深加工及配套設(shè)施、綠色建筑產(chǎn)業(yè)鏈子項(xiàng)目集群（混凝土工藝構(gòu)件、輕質(zhì)隔墻）、PC（預(yù)制混凝土）建筑技術(shù)研發(fā)中心、專業(yè)人員培訓(xùn)中心等。以上2 個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)思路都是通過統(tǒng)籌綜合開發(fā)不同種類的石灰?guī)r礦產(chǎn)資源，根據(jù)其力學(xué)、物理、化學(xué)性質(zhì)的不同，提升資源附加值，并在礦產(chǎn)開發(fā)中注重對(duì)高技術(shù)的運(yùn)用和專業(yè)人員的培訓(xùn)。

4 結(jié) 論

通過總結(jié)梳理石灰?guī)r礦在工程上的四大可利用方向、三類加工方式及各大利用方向的主要控制指標(biāo)；指出應(yīng)根據(jù)力學(xué)、物理、化學(xué)性質(zhì)的不同，綜合開采利用石灰?guī)r礦并在礦產(chǎn)開發(fā)中注重對(duì)高技術(shù)的運(yùn)用和專業(yè)人員的培訓(xùn)。