CN104045294A - 一种用于砖石质文物加固的无机胶凝材料的制备方法 - Google Patents

一种用于砖石质文物加固的无机胶凝材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于砖石质文物加固的无机胶凝材料及其制备方法，其步骤是：a.将石灰石、红粘土、黄粘土和粉煤灰按质量百分比60%、15%、15%和10%混合；b.在高温焙烧炉1100℃焙烧3小时；c.自然冷却至室温后在球磨机中研磨，过180目筛备用；d将研细的胶凝材料与过180目筛的石英砂拌和均匀，石英砂与胶凝材料粉末质量比为1︰1，再将这种混和好的粉状物以0.50～0.80水灰比搅拌15分钟后备用。本发明烧制胶凝材料其孔隙率达47%，平均抗压强度不低于12.00MPa，浸泡300天后仍基本完好，经冻融循环后抗压强度为8.11MPa。解决了砖石质文物加固后的强度及耐久性问题，为保护砖石古建筑做出贡献。

Description

一种用于砖石质文物加固的无机胶凝材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种烧制建筑材料的方法，具体说是一种加固砖石质文物的无机胶凝材料的制备方法。
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、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。
但是，受自然环境诸多因素的影响，长城、石雕、摩崖造像等的砖石产生严重风化、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，为了挽救砖石古建筑灭逝，亟待寻求一种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，即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，即耐环境诸因素，如水、温湿度变化、冻融、风蚀、雨蚀等对其稳定性的影响，具有水硬和气硬特性的无机胶凝材料。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的在于提供一种用于砖石质文物加固的无机胶凝材料制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于砖石质文物加固的无机胶凝材料制备方法，其步骤是：
a.将石灰石（含99.9%CaCO3）、红粘土（其中含~53.90%SiO2、~13.48% Al2O3 、~8.40%Fe2O3）、黄粘土（其中含~62.32%SiO2、~12.09% Al2O3 、~4.02%Fe2O3）和粉煤灰（含～48.61%SiO2、~36.28% Al2O3 、~3.94%Fe2O3）按质量百分比60%、15%、15%和10%混合；
b.将上述混合物在1100℃的焙烧炉中焙烧2～3小时，生成含～38.5%生石灰（CaO）、～44.1%β-硅酸钙（β-CaSiO3）和～17.2%铝硅酸钙（Ca2Al2Si2O7）的胶凝材料，后自然冷却；
其反应式如下：
（1）混合物的焙烧：
石灰石（CaCO3）+红粘土+黄粘土+粉煤灰                                                2CaO·SiO2(C2S) +2CaO·Al2O3·SiO2(C2AS) +CaO+ CO2↑
c. 将b步骤焙烧后的胶凝材料在球磨机中研磨，过180目筛后得无机胶凝材料的粉末，备用；
d. 在搅拌器内分别将c步骤过筛的无机胶凝材料的粉末与石英砂拌和均匀，石英砂与无机胶凝材料的质量比为1︰1，再将这种混和好的粉状物以0.50～0.80水灰比搅拌15分钟后，备用；
其反应式如下：
（2）水硬过程：
β-CaO·SiO2(β-CS)＋nH2O→β-CaO·SiO2·nH2O(β-CSHn)
2CaO·Al2O3·SiO2(C2AS)＋nH2O→2CaO·Al2O3·SiO2·nH2O(C2ASHn)
（3）气硬过程：
CaO＋H2O → Ca(OH)2＋Q [放热]
Ca(OH)2＋CO2→ CaCO3＋H2O。
本发明的优点和产生的有益效果是：
1、石灰石、红粘土及粉煤灰资源丰富；
石灰石的主要成分是CaCO3，它以方解石和文石两种矿物存在于自然界，矿藏丰富。红粘土、黄粘土为碳酸盐岩系出露的岩石经红土化作用形成的棕红、褐黄等色的高塑性粘土。粉煤灰的主要组分是以空心球状二氧化硅组成的硅线石，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物，易得，为本发明提供材料来源。
2、这种混合材料经高温焙烧后，生成的CaO是一种气硬性胶凝材料，β-CaSiO3和Ca2Al2Si2O7是一种水硬性胶凝材料。将上述混合物经烧制后制成的无机胶凝材料制成180目粉状物，与过180筛的石英砂拌和均匀，石英砂︰无机胶凝材料粉末质量比为1︰1,再将这种混和好的粉土以0.50～0.80水灰比拌和。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Ca2Al2Si2O7（C2AS）快速水化产生的β-CSHn和C2ASHn。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-CSHn和C2ASHn胶凝体强度互补，不但能完全满足文物修复的强度要求，同时，使修复胶凝体与被修复加固的转石质文物本体很好兼容，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。
3、浆料修复加固砖石古建筑有很好保护效果。这种无机胶凝材料和砖石有很好的兼容性，与砖石结合非常牢固，并且有很好的耐候性。
附图说明
图1为本发明工艺方框图。
图2为单面涂抹粘结材料试块间粘结的方式。
图3为双面涂抹粘结材料试块间粘结的方式。
具体实施方式
下面结合附图，通过下述实施例再对本发明再作进一步的描述：
（1）涉及的设备、仪器
粉碎机、球磨机、分析天平、分析筛、搅拌器、三联模具（5cm×5cm×5cm）等。
（2）浆料：
由过180目筛的无机胶凝材料与过180目筛的石英砂构成。
（3）无机胶凝材料的制备步骤：
1）将石灰石（含99.9%CaCO3）、红粘土（其中含~53.90%SiO2、~13.48% Al2O3 、~8.40%Fe2O3）、黄粘土（其中含~62.32%SiO2、~12.09% Al2O3 、~4.02%Fe2O3）和粉煤灰（含～48.61%SiO2、~36.28% Al2O3 、~3.94%Fe2O3）按质量百分比60%、15%、15%和10%混合；
2）将上述混合物在1100℃的焙烧炉中焙烧3小时，后自然冷却；
3）将焙烧后的混合物碎粒在球磨机中研磨，过180目筛后备用；
4）在搅拌器内分别将c步骤过筛的无机胶凝材料粉末与过180目筛的石英砂拌和均匀，石英砂与无机胶凝材料粉末质量比为1︰1，再将这种混和好的粉状物以0.50水灰比，即为每1000克粉状物中加入500克水，搅拌15分钟后备用；
5）将制备好的胶凝材料在三联模具（4cm×4cm×16cm）中成型，28天龄期后测试其物理力学性能（见表1～表5）。
表1 孔隙率
强度测试 孔隙率（%）
浆料 47
表2 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3耐水性试验
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4 耐温湿度试验
强度测试 抗折强度（MPa） 抗压强度（MPa）
浆料结石体 0.75 6.83
表5 抗冻融试验
强度测试 抗折强度（MPa） 抗压强度（MPa）
浆料结石体 0.81 8.11
从表1～表5可以看出：经过测试这种胶凝材料，其孔隙率达47%，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为8.11MPa。并且透水、气性好，耐冻融性强，温度反复变化、湿度反复变化对其强度的影响非常小，有很好的耐候性。外观、色泽及结构与砖石质文物协调。
试验例：
将采集的遗址岩石切割后，制作成50mm×50mm×20mm的试块，采用上述浆料配比，进行粘结试验，粘结采用试块单面涂抹粘结材料和双面涂抹粘结材料试块间粘结的方式，如图2-3所示。图中单面涂抹粘结材料中，两侧的铁片1相间粘结浆液3和岩石2；双面涂抹粘结材料中，两侧的铁片1与岩石2相间粘结浆液3，粘结后的样品在恒温恒湿条件下养护，测试28龄期的粘结强度（表6）。
                 单面粘结                              双面粘结
表6 岩石样品的粘结强度测试结果
样品编号 粘结方式 粘结强度（MPa） 破坏状况
1-1 单面粘结 0.12 非粘结面
1-2 单面粘结 0.09 粘结面
1-3 单面粘结 0.08 粘结面
2-1 试块间粘结 0.06 粘结面
2-2 试块间粘结 0.11 粘结面
2-3 试块间粘结 0.01 粘结面
由表6可以看出，浆液粘结强度在0.01～0.12MPa之间，岩石样品上述浆料加固后单位面积（每平方米）的拉力达到10～120kN，完全可以满足加固岩石的要求。且随着碳化过程，浆液结石体的强度会逐渐增大，粘结强度同样也随之增大，其对于砖石的加固、修复古建筑产生很好的效果。

Claims (1)

1.一种用于土质文物加固的无机胶凝材料的制备方法，其步骤是：
a. 将石灰石（含99.9%CaCO3）、红粘土（其中含~53.90%SiO2、~13.48% Al2O3 、~8.40%Fe2O3）、黄粘土（其中含~62.32%SiO2、~12.09% Al2O3 、~4.02%Fe2O3）和粉煤灰（含～48.61%SiO2、~36.28% Al2O3 、~3.94%Fe2O3）按质量百分比60%、15%、15%和10%混合；
b.取a步骤混合物在1100℃的焙烧炉中焙烧2～3小时，生成含～38.5%生石灰（CaO）、～44.1%β-硅酸钙（β-CaSiO3）和～17.2%铝硅酸钙（Ca2Al2Si2O7）的胶凝材料，后自然冷却；
c. 将b步骤焙烧后的混合物碎粒在球磨机中研磨，过180目筛后备用；
d. 在搅拌器内分别将c步骤过筛的无机胶凝材料的粉末与石英砂拌和均匀，石英砂与无机胶凝材料的质量比为1︰1，再将这种混和好的粉状物以0.50～0.80水灰比搅拌15分钟后，备用。
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