CN105084848A - 一种风化清水砖修补材料 - Google Patents

Abstract

一种风化清水砖修补材料，其原料按质量分数计如下：生石灰10％-40％；烧结页岩粉50％-80％；糯米淀粉4％-8％；石膏4％-6％；氢氧化钙2％-8％；制备过程如下：先将糯米淀粉掺入一定量水在75℃-85℃条件下蒸煮2h-2.5h获得改性糯米淀粉浆体；然后将烧结页岩粉、生石灰、石膏以及氢氧化钙均匀混合；加入制备好的改性糯米淀粉浆体以及剩余水搅拌1min-2min获得修补材料；其中水料比0.45-0.56。选用烧结页岩粉作为风化砖体的修复材料，得到的烧结页岩粉与原有砖体颜色最为接近，且将烧结后的页岩粉进行快速冷却，能够使部分SiO₂处于高能量活性状态，从而有利于后期的反应进行。

Description

一种风化清水砖修补材料

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种风化清水砖修补材料。

背景技术

我国是一个拥有悠久历史和浓厚文化底蕴的国家，因而也就成就了我国现存的大量种类繁多，数量巨大的古建筑群体。这些祖先所留下的瑰宝在经过了数百年甚至上千年的岁月洗礼后，由于受到了自然风化(气候变化、阳光照射、风雨侵蚀等)的持续作用，同时工业革命的快速发展、城市化快速扩张和旅游业兴起都对现存古建筑造成了极大的破坏，各种细微损害逐渐积累最终极易造成建筑的整体损毁。例如作为世界上最伟大工程的长城，在自然风化和人为因素的影响下，城砖受到了严重侵蚀，使得刻在砖体的文字越来越模糊，甚至产生剥落现象。而处于一般保护状态下的古建筑住宅，在外界条件的作用下更是显得破落不堪。为了延续中华民族的悠久历史文化传统，造福子孙后代，对现存古建筑的保护修缮就显得尤为重要。而在我国存在的数量巨大的古建筑体系中，清水砖墙体作为主要的承重墙体材料，风化作用不但影响建筑的整体外观质量，还直接对建筑的使用寿命造成威胁。因此，对风化清水砖体的修复也就直接影响到了古建筑的存在发展。

为了深入的研究古建筑破坏机理，国内学者通过各种测试手段，并对我国现存古代建筑的材料进行大量考证，对其组成、基本性能以及作用机理进行深入的研究。其中，李博等人针对我国传统灰土灰浆材料长时间才能形成水化硅酸钙和水化铝酸钙的缺点，在不引进新组分的情况下，提出了利用现代手段进行材料改性，先进行灰土材料焙烧，然后粉磨，以及添加外加剂，从而迅速的提高灰浆的性能，如抗压强度、抗老化能力等；杨富巍等人通过考证我国古代糯米灰浆，针对该材料产生的优良的粘结强度、抗渗性等性质产生的原因深入的研究，发现灰浆中的糯米浆具有类似于生物矿化的作用，利用无机材料与有机材料的相互填充、协同，以及改变碳酸钙结晶体的大小和分布，从而提高浆体硬化后的抗渗性、抗压强度等性能；赵鹏等人利用超声测试、X射线扫描和SEM扫描等手段，测定了桐油–石灰传统灰浆的基本性能与作用机理，发现桐油对浆体的早期结构形成起到了促进的作用，同时对碳化反应起到调控，限制碳酸钙晶体生长，促使晶体结构更加紧密。

由研究表明，经过不同的程度风化后的砖体主要矿物为SiO₂，若风化的程度的程度较小，则有可能存在一定量的SiS₂和硅铝酸钙物质。而粘土砖所含矿物石英、莫来石、长石等。两者相比较，说明经过风化的砖体表面的硅铝酸钙物质发生了明显的减少，矿物成分也变得相应的简单了。风化砖体表面凹凸不平，且呈现出层状，而此时砖体的构架也面临着坍塌。与新烧成的粘土砖体的孔洞对比，几乎不存在着松散结构。对风化清水砖的修补要考虑以下原则：首先是古建筑墙体的修复“修旧如旧”的原则，要最大限度的保持住建筑体原有的民族和地域特色。其次修复材料需要具有良好的粘结强度，较高抗压强度、低吸水率、优良耐久性等性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有与风化清水砖有良好相容性的修补材料，不仅对古建筑的保护有积极效果，更对我国悠久历史文化传承有着很大的意义。

一种风化清水砖修补材料，其原料按质量分数计如下：

生石灰10％-40％；

烧结页岩粉50％-80％；

糯米淀粉4％-8％；

石膏4％-6％；

氢氧化钙2％-8％；

制备过程如下：先将糯米淀粉掺入一定量水在75℃-85℃条件下蒸煮2h-2.5h获得改性糯米淀粉浆体；然后将烧结页岩粉、生石灰、石膏以及氢氧化钙均匀混合；加入制备好的改性糯米淀粉浆体以及剩余水搅拌1min-2min获得修补材料；其中水料比0.45-0.56。

按上述方案，所述的原料按质量分数计如下：

生石灰20％-30％；

烧结页岩粉60％-70％；

糯米淀粉5％-7％；

石膏4％-6％；

氢氧化钙4％-6％；

其中水料比为0.45-0.5。

按上述方案，所述的原料按质量分数计如下：

42％生石灰、40％烧结页岩粉、5％糯米淀粉、5％石膏、8％氢氧化钙；其中，水料比分别为0.45。

考虑到修复材料需要与原有的风化砖体具有很好的相容性，符合古建筑的“修旧如旧”的原则，对古建筑的外观形貌很小。因此，选用烧结页岩粉作为风化砖体的修复材料，在烧成温度为900℃-950℃、烧结保温时间为3h-5h的温度制度下，得到的烧结页岩粉与原有砖体颜色最为接近，且将烧结后的页岩粉进行快速冷却，能够使部分SiO₂处于高能量活性状态，从而有利于后期的反应进行。

在胶凝材料的选择方面，石灰+改性糯米淀粉浆的无机-有机混合系统，其不但能满足材料的工作性能要求且还保持着一定的民族特色。其中加入石灰能够提供强度要求，主要来源于三个方面：一是石灰水化后生成的Ca(OH)₂结晶，由于水分的消耗，引起浆体中出现Ca(OH)₂出现了过饱和现象，从而析出Ca(OH)₂晶体，同时，空隙间自由水的减少，毛细管获得压力，促使粒子更紧密结合；二是CaCO₃的生成，浆体与空气中的CO₂反应生成CaCO₃，生成的CaCO₃为不溶于水的晶体，且在这反应过程中，使得固相体积稍微增大，从而使固体颗粒间更紧密；三是由于石灰的水化过程中释放出OH^-离子，形成了一个强碱环境，在饱和石灰溶液中,烧结页岩粉的表面上吸附Ca²⁺、OH^-离子，在碱激发的条件下某些仍具活性的SiO₂参与生成水化硅酸钙，反应如下所示：

mCaO+SiO₂+nH₂O＝mCaO.nSiO₂.H₂O

随着时间的延长，生成的水化硅酸钙也越来越多，抗压强度不断的提高。

改性糯米淀粉浆的加入一方面能够满足材料体系的稠度要求，修补材料要求具有一定的粘结稠度以满足施工要求。糯米淀粉在经过高温加热过程达到糊化状态后，淀粉分子链能够形成网络结构，从而具有很大的粘性，当加入到修补原材料体系中，能够对石灰和烧结页岩粉颗粒起到较好的包裹作用，从而使得固体颗粒间的粘结力更大，从而为整个原材料系统提供了一个网络结构，增大了浆体的稠度。对不同温度下糯米淀粉浆粘度变化测试，当加热温度为80℃左右，保温时间2h左右时，糯米淀粉浆的粘度达到最大，支链在水中的糊化膨胀程度最大。另一方面糯米淀粉浆还能为修补材料提供强度，糯米淀粉浆对碳酸钙方解石结晶体的大小和形貌有明显的调控作用,在一定浓度范围内,糯米淀粉浆浓度越大,生成的方解石结晶度越低,颗粒越小,结构也越致密，同时糯米淀粉浆能够很好地粘结碳酸钙颗粒并填充其微孔隙，提高修补材料的强度。同时受糯米淀粉浆包裹的一部分未及时参与水化的石灰还可抑制细菌的滋生,使糯米淀粉成分长期不腐。这些都奠定了该修补材料具有强度大、韧性好、防渗性优越等良好力学性能的原料基础。

引入外加剂有石膏和Ca(OH)₂，Ca(OH)₂的作用一方面是提高修补材料的稠度，降低石灰水化放热量，提高粘结强度；另一方面加入Ca(OH)₂还能起到诱导作用，从而更易形成较多的水化硅酸钙产物，对28d抗压强度的提高也有显著影响。加入石膏的作用一方面能显著提高后期强度，石膏作为电解质，能提高浆体内部的凝聚结构强度。这是由于在石灰浆体凝胶中，作为反离子扩散层的是一价的OH^-离子，它和胶粒表面的作用力较弱，使扩散层具有较厚的结构。当在石灰浆体中加入一部分生石膏后，石膏生成的SO₄ ^2-更易被Ca²⁺吸收，从而取代了OH^-离子，使扩散层压缩，破坏了原有的范德华分子力和契入力之间的平衡，使得范德华分子力增大，石灰粒子间更紧密。另一方面由于石灰水化会产生一定的体积膨胀，从而造成制品密实度降低，强度降低，加入石膏能够抑制石灰水化体积膨胀，这是由于石膏的掺入可以延缓石灰水化速率，从而使石灰水化速率与水化产物转移速率相适应，且由于石膏的存在，压缩了石灰水化时吸附水扩散层的厚度，从而减少了孔隙体积增量。

水料比的控制对微观结构的变化有着很重要的影响。这是由于石灰在水化过程中生成大量胶体物质，比表面积增大，据资料证实，比表面积为0.2-0.4m²/g的生石灰在消化后增大到10-30m²/g，随着水料比的增大，石灰的水化反应越快越激烈，导致浆体体积膨胀越快。此外，水料比的增大造成了自由水增多，石灰粒子的周围的水分子数量加大，粒子的扩散层变厚，凝聚结构变得松散，所以加水量增加将导致密实度的下降。通过评判加水量对密度、孔隙率等宏观性质的影响，以及对施工性能的考虑，水料比应保持在0.45-0.56之间。

本发明的有益效果：

选用烧结页岩粉作为风化砖体的修复材料，在烧成温度为900℃-950℃、烧结保温时间为3h-5h的温度制度下，得到的烧结页岩粉与原有砖体颜色最为接近，且将烧结后的页岩粉进行快速冷却，能够使部分SiO₂处于高能量活性状态，从而有利于后期的反应进行。

石灰+改性糯米淀粉浆的无机-有机混合系统，其不但能满足材料的工作性能要求且还保持着一定的民族特色。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

本发明风化清水砖修补材料，其原料按质量分数计如下：

生石灰10％-40％；烧结页岩粉50％-80％；糯米淀粉4％-8％；石膏4％-6％；氢氧化钙2％-8％；

制备过程如下：先将糯米淀粉掺入一定量水在75℃-85℃条件下蒸煮2h-2.5h获得改性糯米淀粉浆体；然后将烧结页岩粉、生石灰、石膏以及氢氧化钙均匀混合；加入制备好的改性糯米淀粉浆体以及剩余水搅拌1min-2min获得修补材料；其中水料比0.45-0.56。

优化的实施方案中，原料按质量分数计如下：生石灰20％-30％；烧结页岩粉60％-70％；糯米淀粉5％-7％；石膏4％-6％；氢氧化钙4％-6％；其中水料比为0.45-0.5。

进一步优化的实施方案中，原料按质量分数计如下：

42％生石灰、40％烧结页岩粉、5％糯米淀粉、5％石膏、8％氢氧化钙；其中，水料比分别为0.45。

实施例1：

本发明涉及一种与风化清水砖有良好相容性的修补材料，其原材料重量百分比组成为：15％生石灰、70％烧结页岩粉、4％糯米淀粉、4％石膏、7％氢氧化钙；其中，水料比分别为0.5。先将糯米淀粉掺入一定量水在75℃条件下蒸煮2h获得改性糯米淀粉浆，然后将定好配比的烧结页岩粉、生石灰、石膏以及氢氧化钙均匀混合，加入制备好的改性糯米淀粉浆体以及剩余水搅拌2min获得修补材料，并按照《建筑砂浆基本性能试验方法》和快速修补材料的使用方法进行测定。

修补材料的性能为：初凝和终凝时间为38min和72min；28d后抗压强度为4MPa；抗水性有了一定的提高，28d浸泡水后，质量损失率为1.4％，抗压强度损失率为10％；14d粘结强度为0.24MPa。

实施例2：

本发明涉及一种与风化清水砖有良好相容性的修补材料，其原材料重量百分比组成为：30％生石灰、55％烧结页岩粉、4％糯米淀粉、5％石膏、6％氢氧化钙；其中，水料比分别为0.5。先将糯米淀粉掺入一定量水在80℃条件下蒸煮2h获得改性糯米淀粉浆，然后将定好配比的烧结页岩粉、生石灰、石膏以及氢氧化钙均匀混合，加入制备好的改性糯米淀粉浆体以及剩余水搅拌2min获得修补材料，并按照《建筑砂浆基本性能试验方法》和快速修补材料的使用方法进行测定。

修补材料的性能为：初凝和终凝时间为32min和60min；28d后抗压强度为8MPa；抗水性提高了，28d浸泡水后，质量损失率为1％，抗压强度损失率为6％；14d粘结强度为0.25MPa。

实施例3：

本发明涉及一种与风化清水砖有良好相容性的修补材料，其原材料重量百分比组成为：48％生石灰、40％烧结页岩粉、4％糯米淀粉、4％石膏、4％氢氧化钙；其中，水料比分别为0.5。先将糯米淀粉掺入一定量水在80℃条件下蒸煮2h获得改性糯米淀粉浆，然后将定好配比的烧结页岩粉、生石灰、石膏以及氢氧化钙均匀混合，加入制备好的改性糯米淀粉浆体以及剩余水搅拌1.5min获得修补材料，并按照《建筑砂浆基本性能试验方法》和快速修补材料的使用方法进行测定。

修补材料的性能为：初凝和终凝时间为26min和54min；28d后抗压强度为10MPa；抗水性达到了较高水平，28d浸泡水后，质量损失率为0.8％，抗压强度损失率为5％；14d粘结强度为0.34MPa。

实施例4：

本发明涉及一种与风化清水砖有良好相容性的修补材料，其原材料重量百分比组成为：42％生石灰、40％烧结页岩粉、8％糯米淀粉、6％石膏、4％氢氧化钙；其中，水料比分别为0.45。先将糯米淀粉掺入一定量水在75℃条件下蒸煮2h获得改性糯米淀粉浆，然后将定好配比的烧结页岩粉、生石灰、石膏以及氢氧化钙均匀混合，加入制备好的改性糯米淀粉浆体以及剩余水搅拌2min获得修补材料，并按照《建筑砂浆基本性能试验方法》和快速修补材料的使用方法进行测定。

修补材料的性能为：初凝和终凝时间为24min和56min；28d后抗压强度为12MPa；抗水性达到了较高水平，28d浸泡水后，质量损失率为0.3％，抗压强度损失率为4％；14d粘结强度为0.3MPa。

实施例5：

本发明涉及一种与风化清水砖有良好相容性的修补材料，其原材料重量百分比组成为：40％生石灰、40％烧结页岩粉、8％糯米淀粉、4％石膏、8％氢氧化钙；其中，水料比分别为0.55。先将糯米淀粉掺入一定量水在85℃条件下蒸煮2.5h获得改性糯米淀粉浆，然后将定好配比的烧结页岩粉、生石灰、石膏以及氢氧化钙均匀混合，加入制备好的改性糯米淀粉浆体以及剩余水搅拌2min获得修补材料，并按照《建筑砂浆基本性能试验方法》和快速修补材料的使用方法进行测定。

修补材料的性能为：初凝和终凝时间为26min和58min；28d后抗压强度为18MPa；抗水性达到了较高水平，28d浸泡水后，质量损失率为0.35％，抗压强度损失率为4％；14d粘结强度为0.34MPa。

实施例6：

本发明涉及一种与风化清水砖有良好相容性的修补材料，其原材料重量百分比组成为：42％生石灰、40％烧结页岩粉、5％糯米淀粉、5％石膏、8％氢氧化钙；其中，水料比分别为0.45。先将糯米淀粉掺入一定量水在85℃条件下蒸煮2.5h获得改性糯米淀粉浆，然后将定好配比的烧结页岩粉、生石灰、石膏以及氢氧化钙均匀混合，加入制备好的改性糯米淀粉浆体以及剩余水搅拌2min获得修补材料，并按照《建筑砂浆基本性能试验方法》和快速修补材料的使用方法进行测定。

修补材料的性能为：初凝和终凝时间为24min和52min；28d后抗压强度为16MPa；抗水性达到了较高水平，28d浸泡水后，质量损失率为0.4％，抗压强度损失率为4％；14d粘结强度为0.38MPa。

实施例7：

本发明涉及一种与风化清水砖有良好相容性的修补材料，其原材料重量百分比组成为：46％生石灰、40％烧结页岩粉、4％糯米淀粉、6％石膏、4％氢氧化钙；其中，水料比分别为0.55。先将糯米淀粉掺入一定量水在80℃条件下蒸煮2h获得改性糯米淀粉浆，然后将定好配比的烧结页岩粉、生石灰、石膏以及氢氧化钙均匀混合，加入制备好的改性糯米淀粉浆体以及剩余水搅拌2min获得修补材料，并按照《建筑砂浆基本性能试验方法》和快速修补材料的使用方法进行测定。

修补材料的性能为：初凝和终凝时间为26min和58min；28d后抗压强度为12MPa；抗水性达到了较高水平，28d浸泡水后，质量损失率为0.3％，抗压强度损失率为6％；14d粘结强度为0.28MPa。

Claims (3)

1.一种风化清水砖修补材料，其特征在于原料按质量分数计如下：

生石灰10％-40％；

烧结页岩粉50％-80％；

糯米淀粉4％-8％；

石膏4％-6％；

氢氧化钙2％-8％；

制备过程如下：先将糯米淀粉掺入一定量水在75℃-85℃条件下蒸煮2h-2.5h获得改性糯米淀粉浆体；然后将烧结页岩粉、生石灰、石膏以及氢氧化钙均匀混合；加入制备好的改性糯米淀粉浆体以及剩余水搅拌1min-2min获得修补材料；其中水料比0.45-0.56。

2.如权利要求1所述风化清水砖修补材料，其特征在于所述的原料按质量分数计如下：

生石灰20％-30％；

烧结页岩粉60％-70％；

糯米淀粉5％-7％；

石膏4％-6％；

氢氧化钙4％-6％；

其中水料比为0.45-0.5。

3.如权利要求1所述风化清水砖修补材料，其特征在于所述的原料按质量分数计如下：

42％生石灰、40％烧结页岩粉、5％糯米淀粉、5％石膏、8％氢氧化钙；其中，水料比分别为0.45。