微米碳酸钙——灰岩矿矿石的高附加值利用方案

湖南省湖湘砂石研究院有限公司 湖南省砂石协会

方萍

灰岩矿是自然界广泛存在的矿石。它的主要化学成份是碳酸钙（CaCO₃），除了用于制作混凝土砂石骨料之外，还可用于生产生石灰、高活性石灰和二氧化碳产品，以及微米碳酸钙和纳米碳酸钙。下面结合作者在加拿大多伦多大学的研究工作，着重简要介绍高附加值的微米碳酸钙及其在土木工程材料中的应用。

将碳酸钙含量不少于50%的灰岩矿石生产砂石骨料过程中所产生的矿粉加工成微米碳酸钙，或者是将这种灰岩矿石直接破碎加工成微米碳酸钙用于水泥混凝土中，能颠覆性改变混凝土性能，这种混凝土具有很好的施工性能、令人满意的强度，同时具有很小的变形和极好的耐久性，可用在目前普通水泥混凝土不能应用的环境中，如海水工程中和极寒地区的工程中；而且，这种混凝土独特的矿物组成和内部结构使它还具备高电阻率、低导热性和分子筛的特性，可以尝试应用在海水净化和汽车尾气的环保治理中。

一、微米碳酸钙高流变性混凝土

微米碳酸钙（价格超过2000元/吨）是一种矿物塑化剂，它可以明显改善低水胶比混凝土的粘性，增加混凝土的和易性。图1是笔者在多伦多大学试验室用微米碳酸钙配制的水胶比仅0.18的超高性能混凝土（UHPC）的流变性。

微米碳酸钙的这种塑化性，使它能很好的用于UHPC、3D打印混凝土、喷射混凝土和瓷砖粘结剂中（图2）。

图1 微米碳酸钙UHPC的流动性（水胶比 0.18）

（a）3D打印混凝土 （b）喷射混凝土 （c）瓷砖粘结剂

图2微米碳酸钙高流变性混凝土

二、微米碳酸钙超高性能混凝土

超高性能混凝土（UHPC）是现在应用得越来越广泛的土木工程材料，图3为UHPC桥梁。微米碳酸钙用在UHPC中可以减小混凝土的变形性能，以及大幅度地降低混凝土的水化热（其水化热不到 UHPC 的 1/3,亦低于普通混凝土），从而降低混凝土的变形钢筋用量，大大减少了混凝土成本。

图3 UHPC桥梁

UHPC 突出的特点是其优异的耐久性,而微米碳酸钙UHPC 的耐久性更优于 UHPC。按美国材料试验标准 ASTM 检测微米碳酸钙UHPC 耐久性数据，其抗硫酸盐腐蚀值是 0.0081%, 远小于 ASTM 0.1%的要求。这说明微米碳酸钙UHPC 可以用在有硫酸盐溶液腐蚀的工程中,如在地下水含硫酸盐的地区的地下工程,或有硫酸盐溶液通过的工业排污管道。微米碳酸钙UHPC 28 天氯离子渗透系数为 84 C,只有美国联邦公路局检测的美国市场上6个商业品牌UHPC中抗氯离子渗透系数最小的一家302 C的1/4。氯离子渗透系数是表征混凝土中的钢筋在混凝土处于有氯离子的溶液中(如海水、地下水或含氯离子的工业污水)发生锈蚀的可能性和快慢程度。氯离子渗透系数越小，发生钢筋锈蚀破坏的可能性越低。

综合以上抗硫酸盐腐蚀和抗氯离子渗透的优秀性能, 微米碳酸钙UHPC是一种很好的海洋工程材料。微米碳酸钙UHPC 20个循环的冻融剥离试验只有0.01 g/m2, 可以忽略不计, 说明它在反复盐冻地区仍有很好的耐久性。

三、其它潜在的应用

微米碳酸钙UHPC具有极低的孔隙率，90%以上的内部孔隙都在10纳米以下，综合考虑它的超低电阻率和超高耐久性，可以考虑将它应用于其它附加值更高的材料中。

四、结论

灰岩矿矿石可加工成多种产品，其中包括用途广泛、附加值高的微米碳酸钙。微米碳酸钙除了上面介绍的用途外，还可用于塑料、橡胶、涂料、医用等领域。