CN101462855B - 一种土建筑遗址加固保护材料及其制备方法 - Google Patents

一种土建筑遗址加固保护材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种土建筑遗址加固保护材料及其制备方法，制得的该土建筑遗址加固保护材料由下列原料及其重量百分比组成：工业硅酸钾：1～30％，甲基硅醇盐：40～80％，无定形二氧化硅：1～30％，余量为水，上述原料的百分比之和为100％。其制备方法是首先将水注入反应釜，加热至60～95℃，压力1atm，保持温度基本不变，将无定形二氧化硅加入反应釜，并不断搅拌5～30min。然后将工业硅酸钾，甲基硅醇钾分别加入反应釜，搅拌10～60min，静置10～60min，冷却滤得上层清液即得。具有渗透性好，经该材料加固后的土建筑遗址不结壳，有较好的耐风蚀、耐水蚀、耐盐蚀和抗老化能力。

Description

一种土建筑遗址加固保护材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及土建筑遗址加固保护领域使用的有机无机复合材料及其制备方法，特别是一种土建筑遗址加固保护材料及其制备方法。
背景技术
土建筑遗址是人类宝贵的历史文化遗产，具有极高的历史价值、艺术价值、科学价值以及无法估量的社会价值，因此对土建筑遗址的保护显得尤为重要。
土建筑遗址加固材料选取的原则：
文物有其特殊性，学术界一致认为土遗址保护材料应当具备以下几方面的特征：
(1)加固保护材料(裂缝灌浆材料、表面封护材料、防风化保护材料)宜无色、无炫光，加固固化后不应改变土遗址的原貌。
(2)材料的渗透性好、收缩性小、结合力适中。
(3)材料本身不憎水，但固化后耐水性要好，这就要求材料结构中含有一定的憎水基。
(4)土遗址被加固后，增强材料与土遗址能形成一个有机的整体，其力学强度(抗折抗压强度)能有所改善，并有很好的抗风蚀能力。
(5)材料固化后有较好的透气性及防尘吸附性。
(6)材料有防腐、防虫害、防植被及微生物生长的性能。
(7)材料应无毒、无污染。
(8)材料最好能在室温下固化，固化期适中，便于施工。
(9)材料的耐候性(耐CO2、耐光照、耐温度湿度变化、耐紫外线、耐热、耐酸碱、抗冻融及抗崩解能力等)较好。材料老化后的产物对土遗址本身没有影响，而且遗址还可以重新加固，具有再处理性。
(10)材料价格低廉，施工工艺简单。
近些年来，国内外的文物保护工作者在土遗址的加固与保护方面取得了很大成就，但存在的问题依旧很多。研制出的部分材料已推广到实际工程应用中，结果表明，这些材料都或多或少地存在着问题，如加固材料的渗透深度不够、固结体结壳、加固后的遗址耐水蚀、耐盐蚀能力没有明显提高等缺陷较为显著。因此，对理想土遗址加固保护材料的渴求显得尤为迫切。
发明内容
根据加固保护材料的要求，及当前保护材料存在的缺陷，在“保持原貌、修旧如旧”原则下，本发明的目的在于，针对西北干旱半干旱地区土建筑遗址的保护，提供一种用于土建筑遗址加固的保护材料，该材料的特点是渗透性好，经该材料加固后的土建筑遗址不结壳，有较好的耐风蚀、耐水蚀、耐盐蚀和抗老化能力。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种土建筑遗址加固保护材料，其特征在于制得的该土建筑遗址加固保护材料由下列原料及其重量百分比组成：工业硅酸钾：1～30％，甲基硅醇盐：40～80％，无定形二氧化硅：1～30％，余量为水，上述原料的百分比之和为100％。
其进一步优化的组方原料及其重量百分比组成为：工业硅酸钾：5～15％，甲基硅醇盐：60～80％，无定形二氧化硅：5～15％，余量为水，上述原料的百分比之和为100％。
上述土建筑遗址加固保护材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，首先将水注入反应釜，加热至60℃～95℃，压力为1atm，保持温度基本不变，将配方量的无定形二氧化硅加入反应釜，并不断搅拌5min～30min；
步骤二，然后将配方量的工业硅酸钾、甲基硅醇盐分别加入反应釜中，搅拌10min～60min，静置10min～60min，冷却滤得上层清液即得。
由于本发明将甲基硅醇盐(甲基硅醇钠(CH3Si(ONa)3)或甲基硅醇(CH3Si(OH)3))、工业硅酸钾、无定形二氧化硅、水放入反应釜中混合，其中，硅酸钾及甲基硅醇盐将发生一系列复杂的水解与电离反应，降低了无定形二氧化硅混合体系的粘度，能够提高材料的流动性和稳定性。另外材料主要成分-甲基硅醇是小分子有机化合物，材料分子间作用力弱，分子势能高，又由于其甲基官能团可以自由旋转，增加了材料对土建筑遗址的浸润性，克服了大分子有机物难渗入遗址的缺陷。材料中的其它成分如工业硅酸钾，二氧化硅都是无机物，这些因素都有助于改善土建筑遗址加固保护材料对土遗址的渗透性，增加其渗透深度。当土建筑遗址加固保护材料渗入土体后，部分土建筑遗址加固保护材料填充于土颗粒间的缝隙中，还有部分附着在遗址表面。随着干燥过程进行，材料中的水分不断蒸发，土建筑遗址加固保护材料固化体遗留在土遗址内部及表面。填充于土颗粒缝隙中的固化体，一方面增加了土颗粒间的胶结强度，增加了土骨架的结构强度；另一方面固化体的填充作用提高了土体的密实度，提高土体的耐冲击性。附着于遗址表面的固化体包含甲基憎水层，可以很好的防止液态水的进入，进而防止由水蚀、盐蚀引起对土遗址的破坏。老化分解后的主要成分是二氧化硅，因为二氧化硅是土遗址的主要矿物成分，所以它化后的产物对土遗址本身没有影响，而且遗址还可以重新加固，具有再处理性。
此外，本发明的制备方法简单易行，材料无毒、无味、无腐蚀、系非易燃易爆品、且不易变质，对加固后的土遗址材料进行耐盐蚀等测试其结果表明，采用本发明制备的土建筑遗址加固保护材料加固后的土遗址的耐水蚀、耐盐蚀及抗破坏强度均有不同程度的提高。
附图说明
图1为加固前、后土体试样，其中，图1a为加固前土体试样，图1b为经本发明的土建筑遗址加固保护材料加固后土体试样；
图2为加固前、后土遗址的显微结构照片，其中，图2a为加固前土遗址的显微结构照片；图2b为经本发明的土建筑遗址加固保护材料加固后土遗址的显微结构照片。
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
按照本发明的技术方案，一种土建筑遗址加固保护材料，制得的该土建筑遗址加固保护材料由下列原料及其重量百分比组成：工业硅酸钾：1～30％，甲基硅醇盐：40～80％，无定形二氧化硅：1～30％，余量为水，上述原料的百分比之和为100％。
土建筑遗址加固保护材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，首先将水注入反应釜，加热至60℃～95℃，压力1atm(1标准大气压)，保持温度基本不变，将配方量的无定形二氧化硅加入反应釜，并不断搅拌5min～30min；
步骤二，然后将配方量的工业硅酸钾、甲基硅醇盐分别加入反应釜中，搅拌10min～60min，静置10min～60min，冷却滤得上层清液即得。
参见图1，图图1a为加固前土体试样，图1b为经本发明的土建筑遗址加固保护材料加固后土体试样。本发明的原理是：利用甲基硅醇盐、工业硅酸钾水解电离增强硅溶胶的流动性和稳定性，结合甲基硅醇的分子量小，浸润性好的特点来增加土建筑遗址加固保护材料的渗透深度；利用工业硅酸钾，无定形二氧化硅固结后形成凝胶的填充作用和胶结作用提高土遗址的强度。再利用甲基硅醇脱水缩合成网状结构憎水层的特点阻止土遗址因水蚀或盐蚀而被破坏。其化学反应方程式为：
Figure G2009100208189D00051
如图2a、2b所示，对比可以发现：经土建筑遗址加固保护材料加固后的土遗址胶体颗粒数量及密实度显著增加，结构性得到改善。
以下是发明人给出的具体实施例，需要说明的是，在以下实施例中，所述的土建筑遗址加固保护材料被命名为MS-1(The first generation ofmodified silicone materials第一代改性有机硅材料)土建筑遗址加固保护材料，本发明不限于这些实施例。
实施例1：
本实施例制备的MS-1土建筑遗址保护材料，其原料及其重量百分比组成为：工业硅酸钾(K2O·SiO2)：5％，75％甲基硅醇钠(CH3Si(ONa)3)：75％，10％无定形二氧化硅(SiO2)：10％，加水(H2O)至补足至100％。
上述MS-1土建筑遗址加固保护材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步，首先将配方量的水注入反应釜，加热至80℃，压力1atm(1标准大气压)，保持温度基本不变，将无定形二氧化硅加入反应釜，并不断搅拌15min。
第二步，然后将工业硅酸钾，甲基硅醇钠分别加入反应釜，搅拌10min，静置20min，冷却滤得上层清液即得。
实施例2：
本实施例与实施例1所不同的是，配方中的甲基硅醇钠由甲基硅醇(CH3Si(OH)3)替代，其余均同实施例1。
实施例3：
本实施例与实施例1所不同的是配方的组分不同，其配方为：工业硅酸钾(K2O·SiO2)：25％，甲基硅醇(CH3Si(OH)3)：60％，无定形二氧化硅(SiO2)：10％，加水(H2O)至补足至100％。其余均同实施例1。
实施例4：
本实施例与实施例1所不同的是配方的组分不同，其配方为：工业硅酸钾(K2O·SiO2)：25％，甲基硅醇(CH3Si(OH)3)：50％，无定形二氧化硅(SiO2)：10％，加水(H2O)至补足至100％。其余均同实施例1。
实施例5：
本实施例与实施例1所不同的是配方的组分不同，其配方为：工业硅酸钾(K2O·SiO2)：2％，甲基硅醇(CH3Si(OH)3)：70％，无定形二氧化硅(SiO2)：5％，加水(H2O)至补足至100％。其余均同实施例1。
实施例6：
本实施例与实施例1所不同的是配方的组分不同，其配方为：工业硅酸钾(K2O·SiO2)：20％，甲基硅醇(CH3Si(OH)3)：45％，无定形二氧化硅(SiO2)：30％，加水(H2O)至补足至100％。其余均同实施例1。
实施例7：
本实施例与实施例1所不同的是第一步的加热温度为90℃，压力1atm(1标准大气压)，保持温度基本不变，将无定形二氧化硅加入反应釜，并不断搅拌30min；第二步中的工业硅酸钾、甲基硅醇盐分别加入反应釜，搅拌60min，静置40min，其余均同实施例1。
上述实施例还可以穷尽例举，只要在本发明给出的配方范围，均可制得复合规定的MS-1土建筑遗址加固保护材料。
上述实施例所制得的MS-1土建筑遗址加固保护材料，申请人经强度测试、耐水崩解测试、耐盐蚀测试和耐老化测试表明：
强度测试结果是：
土体试样粘聚力由加固前的74.6kpa提高到加固后的120.13kpa；
耐水崩解测试结果是：
土体试样的崩解速率由加固前的12.17323g/min到加固后的0.0425g/min；
采用3％浓度硫酸钠试样30小时后和4％浓度硫酸钠试样30小时后的耐盐蚀测试，结果表明：
土体试样的吸盐速率由加固前的1.19g/d降低到加固后的0.078g/d。
原状试样出现裂纹，而采用MS-1土建筑遗址加固保护材料所加固过的试样并无改变，说明采用MS-1土建筑遗址加固保护材料所加固的试样抗盐蚀能力较好。
耐老化测试采用紫外线照射模拟实验，结果表明：MS-1土建筑遗址加固保护材料所加固后的土遗址试样在实验前后，无明显区别，基本无变化。说明MS-1土建筑遗址加固保护材料所加固的试样抗老化能力较好，耐侯性较强。

Claims (4)

1.一种土建筑遗址加固保护材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
土建筑遗址加固保护材料由下列原料及其重量百分比组成：工业硅酸钾：1～30％，甲基硅醇盐：40～80％，无定形二氧化硅：1～30％，余量为水，上述原料的百分比之和为100％；
步骤一，首先将水注入反应釜，加热至60℃～95℃，压力1atm，保持温度基本不变，将配方量的无定形二氧化硅加入反应釜，并不断搅拌5min～30min；
步骤二，然后将配方量的工业硅酸钾、甲基硅醇盐分别加入反应釜中，搅拌10min～60min，静置10min～60min，冷却滤得上层清液即得。
2.如权利要求1所述的土建筑遗址加固保护材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中的加热温度为70℃～90℃，压力1atm，保持温度基本不变，将无定形二氧化硅加入反应釜，并不断搅拌10～20min；
所述步骤二中的工业硅酸钾、甲基硅醇盐分别加入反应釜，搅拌10～30min，静置10～30min，冷却滤得上层清液即得。
3.如权利要求1所述的土建筑遗址加固保护材料的制备方法，其特征在于，所述的原料及其重量百分比组成：工业硅酸钾：5～15％，甲基硅醇盐：60～80％，无定形二氧化硅：5～15％，余量为水，上述原料的百分比之和为100％。
4.如权利要求1或2所述的土建筑遗址加固保护材料的制备方法，其特征在于，所述的甲基硅醇盐是甲基硅醇钠。
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