CN101643350B - 古代土构建筑修补加固用无机硅铝质聚合物材料 - Google Patents

Abstract

古代土构建筑修补加固用无机硅铝质聚合物材料是一种用于夯土、生土、红烧土、三合土、胶泥、砖瓦砌块等建造的古代土构建筑修补加固的无机聚合物材料，各组分及其质量百分比为：粘土类矿物4.3～47.0％，碱金属硅酸盐溶液8.9～16.5％％，矿渣4.2～16.4％，粉煤灰4.2～16.4％，水20.1～74.4％。本发明制备的无机聚合物材料具有原材料来源广泛、制备方便、成本低廉、环境友好的优点，同时其粘结性能好、渗透性强、力学性能发展快、强度高、耐久性优良、收缩率低、耐高温、耐腐蚀；另外该材料主要组成结构与古代土构建筑材料相似。

Description

古代土构建筑修补加固用无机硅铝质聚合物材料

技术领域

本发明涉及的是一种古代土构建筑修补加固用无机硅铝质聚合物材料，具体的讲，用于夯土、生土、红烧土、三合土、胶泥、砖瓦砌块等修建的古代建筑遗址的修补加固，目的是增强古代土构建筑抵抗自然风化侵蚀的能力、保持古建筑的整体性，并做到修旧如旧。为我固古代土构建筑遗址保护提供新材料与新技术。

背景技术

中国古代建筑在世界建筑体系中具有独立起源，在世界建筑发展史上自成一家体系，历经7000余年的发展，它在建筑材料、结构形式和建筑审美等诸多方面都与世界上其它建筑体系迥然不同，具有中国独特的风韵。我国古代建筑特别是史前至先秦，皆为土木材料，时至今日，大多土毁木朽，遗留下来的多为土构建筑，如新疆吐鲁番地区的交河古城、高昌古城，河西走廊的汉、明长城及敦煌附近的玉门关、阳关，西安近郊的半坡遗址和秦始皇兵马俑坑以及甘肃秦安县的大地湾等，且数量稀少，显得异常珍贵。这些古代建筑遗址对于探究当时建筑特色及与之密切相关的人类生产生活环境、政治文化发展状况的研究具有宝贵的价值。

我国古代土构建筑经历了千百年的风吹日晒雨淋等自然环境的风化作用，以及近年来旅游开发的人为破坏(游人攀登拍照和游览以及垦荒、修路等)，对土构建筑遗址造成了严重破坏，目前大多已千疮百孔、墙面凹凸不平、龟裂剥离，开裂坍塌的残墙断壁随处可见，迫切需要维修加固。目前，现代建筑通常所使用的修补加固材料主要有两大类，一类是硅酸盐水泥等无机材料，另一类是现代高分子有机聚合物。但是在古建筑维修加固过程中，这两类材料的缺陷不断地暴露出来：高分子有机聚合物的容易老化、易燃耐火差、颜色不一致、与古建筑材料组成不匹配等问题；硅酸盐水泥粘结性能差、渗透性低、收缩大、易开裂，色差明显等问题。造成修补加固后的古建筑往往出现了加速破坏的现象和趋势，而且也做不到修旧如旧的维修原则。

因此，在继承和借鉴古代土构建筑材料核心技术的基础上，研发出低成本、高性能并适于现代材料和施工技术的古建筑修补用无机聚合物材料，具有重要的现实意义和实际应用价值。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种古代土构建筑修补加固用无机硅铝质聚合物材料，本发明的无机硅铝聚合物固封材料的原材料来源广泛、可就地取材、合成勿需高温，常温放置即可固结，因此施工方面、操作简单、便于推广。

技术方案：本发明针对现有技术中存在的不足和缺陷，以粘土类矿物和碱金属硅酸盐溶液为主剂，并引入两种来源丰富、价格低廉的工业废渣-矿渣(高钙硅铝质材料)和粉煤灰(低钙硅铝质材料)，在常温条件下，通过碱金属硅酸盐溶液的碱性激发作用，高钙组分(矿渣)快速生成具有良好力学强度的C-S-H凝胶；低钙组分(粘土、粉煤灰)在碱性激发剂作用下，一方面生成具有良好粘结性能的空间三维网状无机硅铝聚合产物，另一方面粉煤灰的球形颗粒可以明显提高无机胶体的流动性能，便于渗入到裂缝中。

本发明的无机聚合物材料是一种主要化学组成(硅和铝)与古代土构建筑材料相似的新型硅铝质聚合物材料，分子构成单元主要为类似于粘土矿物和陶瓷的无机SiO₄和AlO₄四面体，主体分子结构为类似于有机高分子聚合物的三维网状结构。因此，无机硅铝聚合物兼有有机高聚物、陶瓷和粘土特性，具有优异的物理、力学及耐久性能；另外，该无机聚合物材料可以就地取材，选取当地粘土，将其与碱金属硅酸盐溶液混合均匀，然后掺加少量矿渣和粉煤灰即可应用，施工时可以喷涂、灌浆，也可以手工填缝，操作方便，在古建筑修补加固领域具有广阔的应用前景。

本发明综合采用高钙组分生成C-S-H凝胶的良好的力学强度与固结性能，和低钙组分生成无机硅铝聚合产物良好的粘结性能与渗透行为相结合的途径实现古代土构建筑的修补加固。该无机硅铝质聚合物固封材料由五大组分组成，其质量比例为：

粘土类矿物              4.3～47.0％

碱金属硅酸盐溶液        8.9～16.5％

矿渣                    4.2～16.4％

粉煤灰                  4.2～16.4％

水                      20.1～74.4％。

所述粘土类矿物是天然粘土或煅烧粘土。

所述碱金属硅酸盐溶液中包括的阳离子是Na⁺或K⁺碱金属离子，阴离子是SiO₄ ^4-、Si₂O₇ ^6-或Si₃O₁₀ ^8-的碱性激发剂。

1、粘土类矿物：以粘土或煅烧粘土(煅烧温度为600-900℃)为主要成分的无机材料，主要控制其SiO₂和Al₂O₃含量以及细度。具体控制指标见表1。

组份1的控制指标    表1

2、碱金属硅酸盐溶液：市售的水玻璃，如钠水玻璃、钾水玻璃及其混合物，要求水玻璃的SiO₂：M₂O≥3.0(M代表Li、或Na、或K)，固含量≥3％。

3、矿渣：炼铁厂工业副产品。要求所用材料的比表面积≥300m²/kg。

4、粉煤灰：火力发电厂工业副产品。要求所用材料的CaO含量≤15％，Al₂O₃含量≥20％，烧失量≤10％，比表面积≥300m²/kg。

有益效果：与国内外同类技术相比，该项成果具有以下特色：以粘土类矿物和碱金属硅酸盐溶液为主剂，并引入高钙和低钙类两种硅铝废渣-矿渣和粉煤灰，在常温条件下，在碱金属硅酸盐溶液的碱性激发作用，高钙组分(矿渣)快速生成具有良好力学强度的C-S-H凝胶；低钙组分(粘土、粉煤灰)在碱性激发剂作用下，一方面生成具有良好粘结性能的空间三维网状无机硅铝聚合产物，另一方面粉煤灰的球形颗粒明显提高无机胶体的流动性能。另外，本发明的无机硅铝聚合物固封材料的合成勿需高温，常温放置即可固化，因此操作方便、工艺简单。

综合运用上述技术制备出适于现代材料和施工技术的古建筑修补用无机聚合物材料。国内外尚无此类产品。

具体实施方式

结合本发明内容提供以下实施例：

无机硅铝聚合物固封材料是由粘土类矿物、碱金属硅酸盐溶液、矿渣、粉煤灰和水按一定比例混合均匀而成，根据应用需要，通过调整发明配方，可以获得所需要的性能。

本发明的制备方法是：(1)按配方比例称取所需的粘土类矿物、矿渣、粉煤灰等干状物质，干搅1分钟，使它们均匀地混合在一起；(2)然后按配方比例称取水玻璃和水，将其在容器中混合均匀，静置直至碱性溶液达到室温；(3)将配制好的碱性溶液缓慢加入到混合均匀的粉料，在搅拌机中慢搅3分钟，之后采用高剪切模式高速搅拌1分钟，形成流动性良好的无机聚合物浆体；(4)迅速将无机聚合物浆体加入到施工设备(如喷雾器、灌浆机等)中，进行施工。

实施例1：

粘土类矿物            8.3％

碱金属硅酸盐溶液      8.9％

矿渣                  4.2％

粉煤灰                4.2％

水                    74.4％

为避免取样对古代土构建筑遗址造成破坏和样品的不均一性带来的误差，加固试验所用试样为重塑样：以明城墙墙基粘土为重塑夯土试样的原材料，使用万能材料试验机，按0.5mm/min的应变速度加荷达到设计干密度为1.60g·cm^-3，制成100mm×100mm×100mm的立方体，每组3个试件。制备无机硅铝聚合物材料所用原材料如下：粘土类矿物选自明城墙的墙基，碱金属硅酸盐溶液为市售固含量37％、模数3.3的钠水玻璃，矿渣为比表面积4000cm²/g的S95型矿渣粉，粉煤灰为比表面积3800cm²/g的I级粉煤灰，水为自来水。上述组分按前述工艺制备得到无机硅铝聚合物材料，用喷雾器直接喷涂在重塑试样的6个表面，每隔3天喷涂1次，共喷涂3次，自然凉干。测得其性能如下：

渗透深度4.2cm，抗压强度提高了186％，抗折强度提高了226％。

实施例2：

粘土类矿物              4.3％

碱金属硅酸盐溶液        16.5％

矿渣                    4.3％

粉煤灰                  4.3％

水                      70.5％

为避免取样对古代土构建筑遗址造成破坏和样品的不均一性带来的误差，加固试验所用试样为重塑样：以明城墙墙基粘土为重塑夯土试样的原材料，使用万能材料试验机，按0.5mm/min的应变速度加荷达到设计干密度为1.35g·cm^-3，制成100mm×100mm×100mm的立方体，每组3个试件。制备无机硅铝聚合物材料所用原材料如下：粘土类矿物选自明城墙的墙基，碱金属硅酸盐溶液为市售固含量37％、模数3.3的钠水玻璃，矿渣为比表面积4000cm²/g的S95型矿渣粉，粉煤灰为比表面积3800cm²/g的I级粉煤灰，水为自来水。上述组分按前述工艺制备得到无机硅铝聚合物材料，用喷雾器直接喷涂在重塑试样的6个表面，每隔3天喷涂1次，共喷涂2次，自然凉干。测得其性能如下：

渗透深度3.5cm，抗压强度提高了123％，抗折强度提高了167％。

实施例3：

粘土类矿物              32.8％

碱金属硅酸盐溶液        9.8％

矿渣                    16.4％

粉煤灰                  16.4％

水                      24.6％

为避免取样对古代土构建筑遗址造成破坏和样品的不均一性带来的误差，加固试验所用试样为重塑样：以明城墙墙基粘土为重塑夯土试样的原材料，使用万能材料试验机，按0.5mm/min的应变速度加荷达到设计干密度为1.35g·cm^-3，制成100mm×100mm×100mm的立方体，每组3个试件；然后，施加压荷载直至产生开裂。制备无机硅铝聚合物材料所用原材料如下：粘土类矿物选自明城墙的墙基，碱金属硅酸盐溶液为市售固含量37％、模数3.15的钾水玻璃，矿渣为比表面积4000cm²/g的S95型矿渣粉，粉煤灰为比表面积3800cm²/g的I级粉煤灰，水为自来水。上述组分按前述工艺制备得到无机硅铝聚合物材料，用滴灌方式将无聚合物充满开裂试件的所有裂缝，自然凉干。测得其性能如下：

抗压强度提高了68％，抗折强度提高了89％。

实施例4：

粘土类矿物            47.0％

碱金属硅酸盐溶液      12.6％

矿渣                  10.2％

粉煤灰                10.2％

水                    20.1％

为避免取样对古代土构建筑遗址造成破坏和样品的不均一性带来的误差，加固试验所用试样为重塑样：以明城墙墙基粘土为重塑夯土试样的原材料，使用万能材料试验机，按0.5mm/min的应变速度加荷达到设计干密度为1.35g·cm^-3，制成100mm×100mm×100mm的立方体，每组3个试件；然后，施加压荷载直至抗压实验结束。制备无机硅铝聚合物材料所用原材料如下：粘土类矿物选自明城墙的墙基，对其进行600-900℃高温煅烧；碱金属硅酸盐溶液为市售固含量37％、模数3.3的钠水玻璃；矿渣为比表面积4000cm²/g的S95型矿渣粉；粉煤灰为比表面积3800cm²/g的I级粉煤灰；水为自来水。上述组分按前述工艺制备得到无机硅铝聚合物材料，用手工填充方式将无聚合物充满开裂试件的所有裂缝，自然凉干。测得其性能如下：

抗压强度提高了45％，抗折强度提高了67％。

Claims (1)

1.一种古代土构建筑修补加固用无机硅铝质聚合物材料，其特征在于该材料各组分的质量百分比为：

所述碱金属硅酸盐溶液中包括的阳离子是Na⁺或K⁺碱金属离子，阴离子是SiO₄ ^4-、Si₂O₇ ^6-或Si₃O₁₀ ^8-的碱性激发剂。