CN102674723B - 用土黄色泥灰岩制作的修复砖石质文物的胶凝材料 - Google Patents

Abstract

用土黄色泥灰岩制作的修复砖石质文物的胶凝材料按下述步骤制备：将含CaCO₃70%（质量百分比）和黄粘土30%的泥灰岩入粉碎机中粉碎，筛选成粒径为1cm～5cm碎粒泥灰岩；黄粘土30%中的主要成分占泥灰岩的重量比为：19%SiO₂、5%Al₂O₃ 、2.5%Fe₂O₃；将碎粒泥灰岩在1000℃～1400℃焙烧炉中焙烧2～4小时，出炉后自然冷却至环境温度得烧碎粒灰岩；将烧碎粒灰岩在球磨机中研磨，过100～180目筛得烧灰岩粉；按照石英砂：烧灰岩粉为1：1质量比例入搅拌器内混和均匀得胶凝材料。它修复缺损砖石文物孔隙率达46%，28天的平均抗压强度不低于12.00MPa，浸泡300天基本完好，冻融循环后抗压强度仍达8.11MPa。解决了砖石质文物加固后的强度、耐久性及耐候性问题，提供了一种与砖石结合牢固，具有水硬、气硬双重特性的材料。

Description

用土黄色泥灰岩制作的修复砖石质文物的胶凝材料

技术领域

本发明涉及一种修复砖石文物的材料，具体说是一种用土黄色泥灰岩制作的修复砖石质文物的胶凝材料。

背景技术

我国的砖石质文物分布广泛，种类丰富，如长城、墓葬、石窟、岩画、石雕、砖等。作为极其脆弱的一类文物实体，承载着大量珍贵的历史信息，蕴藏着我国历代政治、经济、艺术、建筑、科技诸方面极为重要的形象资料，是我国古代文明的实物标本，是民族文化传承的物质载体，具有民族团结和文化认同的感召力和凝聚力，也是我国优质国有资产和当代极其珍贵的文化旅游资源。

受自然环境诸多因素的影响，长城、石窟、石雕、摩崖造像等砖石产生严重风化、疏松、片状剥落等病害，对文物造成很大的破坏，有些甚至是毁灭性的。为了挽救砖石文物灭逝，亟待寻求适宜的保护材料对砖石质文物进行保护加固。用于砖石质文物的保护加固材料必须与文物本体有相近的物理力学性质，这样才能有良好的兼容性，使保护加固材料与文物本体很好的结合。同时，保护加固材料结石体必须具备良好的耐候性，即耐环境因素，如水、温湿度变化、冻融、风蚀、雨蚀等对其稳定性的影响，因而，寻找砖石质文物的修复材料一直是各国文物保护工作者研究的课题。发明人数十年来致力于砖石文物修复材料的研究，制作出一种用土黄色泥灰岩制作的修复砖石质文物的胶凝材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种与砖石结合牢固、耐候性好、透水、透气好的用土黄色泥灰岩制作的修复砖石质文物的胶凝材料。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：

一种用土黄色泥灰岩制作的修复砖石质文物的胶凝材料，其特征在于按下述步骤制备：

a. 将含CaCO₃70%（质量百分比，以下同）和黄粘土30%的泥灰岩入粉碎机粉碎，筛选成粒径为1cm～5cm碎粒泥灰岩；黄粘土30%中的主要成分占泥灰岩的重量比为：SiO₂ 19%、Al₂O_3  5%、Fe₂O₃  2.5%；即泥灰岩主要矿物成份为：CaCO₃  70%、SiO₂  19%、Al₂O₃   5%和Fe₂O₃  2.5%；

b. 将碎粒泥灰岩在1000℃～1400℃焙烧炉中焙烧2～4小时，出炉后自然冷却至环境温度得烧碎粒泥灰岩；

烧碎粒泥灰岩的矿物成份包括：生石灰（CaO）42%、β-硅酸钙（β-CaSiO₃）28%和铝硅酸钙（Ca₂Al₂Si₂O₈）19%；CaO是一种气硬性胶凝材料，β-CaSiO₃和β-CaSiO₃是一种水硬性胶凝材料；

碎粒泥泥灰岩在焙烧炉中焙烧的化学反应式如下：

c. 将烧碎粒泥灰岩在球磨机中研磨，过100～180目筛得烧泥灰岩粉；

d．按照石英砂：烧泥灰岩粉为1：1质量比例，入搅拌器内混和均匀，得胶凝材料。

使用时，按照胶凝材料：水的质量比例为100：50的配比（即水灰比0.5）搅拌均匀制成浆材，备用；其反应式如下：

水硬过程：

β-CaO·SiO₂(β-CS)＋nH₂O→β-CaO·SiO₂·nH₂O(β-CSH_n)

2CaO·Al₂O₃·SiO₂(C₂AS)＋nH₂O→2CaO·Al₂O₃·SiO₂·nH₂O(C₂ASH_n)

气硬过程：

CaO＋H₂O → Ca(OH)₂＋Q [放热]

Ca(OH)₂＋CO₂→ CaCO₃＋H₂O      

本发明提供的胶凝材料外观、色泽及结构与砖石质文物协调。本发明主要用于修复砖石质文物。

本发明经过物理力学性能测试，孔隙率达46%，28天的平均抗压强度不低于12.00 MPa，浸泡300天后仍基本完好，冻融循环后其抗压强度还可达8.11MPa。并且透水、透气性好，耐冻融性强，温度、湿度反复变化对其强度的影响非常小，有很好的耐候性。

物理力学性能测试材料制备如下：

按照胶凝材料：水的质量比例为1：0.5的配比搅拌均匀制成浆料，将制备好的胶凝材料在三联模具（4cm×4cm×16cm）中成型，28天龄期后测试其浆料结石体的物理力学性能，结果见表1与表2；浆料结石体还进行了耐冻融实验，结果见表3。浆料结石体的孔隙率达46%，

表1 抗折、抗压强度

强度测试	抗折强度（MPa）	抗压强度（MPa）
			浆料结石体	2.21	12.41

表2 崩解性试验

耐水性测试	实验现象
		浆料结石体	浸泡300天后仍基本完好

表3 耐冻融实验

强度测试	抗折强度（MPa）	抗压强度（MPa）
			浆料结石体	0.81	8.11

泥灰岩是介于粘土岩与碳酸盐岩之间的过渡类型沉积岩。经偏光显微镜岩况鉴定，由粘土和碳酸盐微粒组成。呈微粒状或泥状结构 ，一般粒径小于0.01毫米。常分布在石灰岩与粘土岩之间的过渡地带，呈薄层状或透镜状夹于石灰岩或粘土岩层之间。甘肃省陇南地区成县和甘肃兰州榆中兴隆山地区有大量的泥灰岩，储量极其丰富，如将其开发利用，不仅提供修复缺损砖石质文物的材料，也可用于民间砖石建筑的灰浆材料，为当地经济发展提供了一个新的可利用资源，为人民致富找到一条新途径。

泥灰岩经高温焙烧后有一个很重要的特性，其中的CaO先与水作用生成Ca(OH)₂胶凝体，Ca(OH)₂再与大气中的CO₂、H₂O作用，逐渐生成孔隙率较大的CaCO₃胶凝体，这一过程称 “自修复作用”。虽然气硬性组分的整个碳化过程比较缓慢，但是，碳化过程从胶凝体的表面开始，并逐渐向里延伸。在环境相对湿度较高时，表面的水化和碳化过程还是比较快，由表及里，使整个胶凝体的强度明显增长。但是，在文物修复过程中早期所需的强度主要由水硬组分β-CaSiO₃（（β-CS）和Ca₂Al₂Si₂O₈（C₂AS）快速水化产生的β-CSH_n和C₂ASH_n所贡献。这种逐渐碳化生成孔隙率较大的CaCO₃胶凝体和快速水化产生的β-CSH_n和C₂ASH_n胶凝体强度互补，这不但能完全满足文物修复的要求，同时，使修复胶凝体与被修复加固的文物本体很好兼容，结合牢固而不会产生剥离，并具有强的耐候性，达到好的保护加固效果。

我们将本发明用于修复缺损的砖石文物，由于这种材料具有水硬、气硬双重特性，又具有孔隙率较大、透水、透气好的特点；这种材料和砖石有很好的兼容性，材料固结后与砖石结合非常牢固，有很好的耐候性；同时具有很强的耐老化性能，用于修复加固砖石文物有很好保护效果，使砖石文物保护更长久。本发明解决了砖石质文物加固后的强度、耐久性及耐候性问题，为修复缺损砖石文物提供了一种与砖石结合牢固，具有水硬、气硬双重特性的新型材料。

具体实施方式

实施例1

a. 将含CaCO₃70%和黄粘土30%的泥灰岩入粉碎机中粉碎，筛选成粒径为1cm～5cm碎粒泥灰岩；黄粘土30%中主要成分占泥灰岩的重量比为：19%SiO₂、5% Al₂O₃ 、2.5%Fe₂O₃；

b. 将碎粒泥灰岩在1000℃焙烧炉中焙烧3小时，出炉后自然冷却至环境温度得烧碎粒泥灰岩；烧碎粒泥灰岩的矿物成份是：生石灰（CaO）42%、β-硅酸钙（β-CaSiO₃）28%和铝硅酸钙（Ca₂Al₂Si₂O₈）19%； 

c. 将烧碎粒泥灰岩在球磨机中研磨，过100目筛得烧泥灰岩粉；

d．按照石英砂：烧泥灰岩粉为1：1质量比例，入搅拌器内混和均匀，得胶凝材料。

实施例2

a. 同实施例1；

b. 将碎粒泥灰岩在1400℃焙烧炉中焙烧2小时，其余同实施例1；

c. 将烧碎粒泥灰岩在球磨机中研磨，过180目筛得烧泥灰岩粉；

d．同实施例1。

实施例3

a. 同实施例1；

b. 将碎粒泥泥灰岩在1300℃焙烧炉中焙烧2.5小时，其余同实施例1；

c. 将烧碎粒泥灰岩在球磨机中研磨，过150目筛得烧泥灰岩粉；

d．同实施例1。

实施例4

a. 同实施例1；

b. 将碎粒泥泥灰岩在1050℃焙烧炉中焙烧4小时，其余同实施例1；

c. 同实施例1；

d．同实施例1。

实施例5

a. 同实施例1；

b. 将碎粒泥灰岩在1200℃焙烧炉中焙烧3小时，其余同实施例1；

c. 将烧碎粒泥灰岩在球磨机中研磨，过150目筛得烧泥灰岩粉；

d．同实施例1。

Claims (1)

1.一种用土黄色泥灰岩制作的修复砖石质文物的胶凝材料，其特征在于按下述步骤制备：

a. 将含CaCO₃70%（质量百分比）和黄粘土30%的泥灰岩入粉碎机中粉碎，筛选成粒径为1cm～5cm碎粒泥灰岩；黄粘土30%中的主要成分占泥灰岩的重量比为：SiO₂ 19%、Al₂O₃  5%、Fe₂O₃  2.5%；

b. 将碎粒泥灰岩在1000℃～1400℃焙烧炉中焙烧2～4小时，出炉后自然冷却至环境温度得烧碎粒泥灰岩；烧碎粒泥灰岩的矿物成份包括生石灰42%、β-硅酸钙28%和铝硅酸钙19%；

c. 将烧碎粒泥灰岩在球磨机中研磨，过100～180目筛得烧泥灰岩粉；

d．按照石英砂：烧泥灰岩粉为1：1质量比例，入搅拌器内混和均匀，得胶凝材料。