CN105110745B

CN105110745B - 一种灌注用糯米三合土及其制备方法

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Publication number: CN105110745B
Application number: CN201510443562.8A
Authority: CN
Inventors: 张秉坚
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2035-07-24
Also published as: CN105110745A

Abstract

本发明公开了一种灌注用糯米三合土，该糯米三合土以重量份计，原料组成为：氢氧化钙粉末100份；偏高岭土5～20份；预糊化糯米粉2～10份；减水剂0.5～1.5份；黄砂200～400份；黏土10～100份；水50～140份；或者，原料中的黏土10～100份改为砖粉10～250份；又或者，原料中的黏土10～100份改为黏土10～75份和砖粉10～200份。本发明灌注用糯米三合土解决了传统糯米三合土制备工艺复杂、固化慢、收缩大和强度偏低的问题，为三合土建筑的保护和维修提供了一种灌浆加固材料新产品。

Description

一种灌注用糯米三合土及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料和文物保护技术领域，尤其涉及一种灌注用糯米三合土及其制备方法。

背景技术

三合土是中国古代应用十分广泛的建筑材料，具有耐久性好、自身强度和粘接强度高、韧性强、防渗性好等优点，尤其是掺合了糯米浆的糯米三合土，其各项性能更优。从现存建筑遗迹和考古结果看，三合土在古代主要用于建筑地基、地面、葬墓、水利工程和炮台等重要设施。

遗留至今的大量古代三合土建筑遗址是珍贵的文物实物，具有重要的历史价值，但是在目前古建筑的保护修复实践中，人们习惯性地使用水泥基砂浆或水硬性石灰等作为补强修复材料。对于文物建筑而言，水泥强度过大、孔隙度过低、与古建筑等文物本体材料不兼容、使用中会引入可溶性盐等问题已逐渐被文物保护工作者所认识。近年来，“尽可能使用原来的材料和工艺”已成为文化遗产保护的一条基本原则。

公布号为CN103570286A的专利申请公开了一种用于古建筑修复的混凝土，成分包括：水泥、石子、砂、水、矿粉、粉煤灰、硅灰、偏高岭土、硫酸钠、聚羒酸减水剂、混凝土膨胀剂、格雷斯纤维、碳纤维、糯米三合土、泵送剂、环氧树脂和固化剂，按一定的质量比例混合，混凝土成型后，其凝结时间短，凝结后的强度高、防渗等级高、塌落度特性好以及和易性和可塑性效果好。该专利在混凝土中加入了糯米三合土，使该类混凝土具有糯米三合土的优点，很大程度上提高了其韧性、防渗性。但是，上述混凝土仍然存在与古建筑等文物本体材料不兼容、使用中会引入可溶性盐等问题。所以，为了能够更好地保存和修复古建筑，还是应该使用单纯的糯米三合土，不应加入水泥基砂浆或水硬性石灰等材料。

然而，目前传统的糯米三合土仍存在缺陷，有待改善。传统糯米三合土的制备和使用方法是在粉状或膏状陈化石灰(氢氧化钙)中加入糯米汁，混入黄砂和黏土后搅拌均匀；或者直接将生石灰粉(氧化钙)、黄砂和黏土搅拌均匀，浇水堆放熟化。虽然石灰中的氧化钙随着陈化或熟化时间的延长，生成的氢氧化钙颗粒在尺度上趋于纳米化、在微观形貌上趋于板状，使活性大大提高。但是，石灰陈化至少需要三个月才能使用；三合土的堆放熟化也至少需要数日或数十日时间。所以，在修复保护工程中直接使用陈化石灰或者堆放熟化非常繁琐和费时。由于石灰基材料的抗压强度和粘接强度依赖于氢氧化钙的碳化度，而且在拌制三合土时加入的大量液态水以及空气中的二氧化碳都不利于三合土由表及里的固化。另外，由于石灰和黏土本身存在收缩性较大、硬化过程中容易出现裂纹、早期强度较低等问题，使得按传统工艺制备的糯米三合土仍存在上述问题。

因此，按照传统工艺制备的三合土材料在当前文物保护领域的应用受到了严重制约，迫切需要解决其“工艺复杂、耗时、固化慢、收缩大、强度偏低”的问题。

发明内容

本发明提供了一种灌注用糯米三合土及其制备方法，该糯米三合土产品解决了传统糯米三合土制备工艺复杂、固化慢、收缩大和强度偏低、难以适应现代文物保护工程施工的问题。

本发明的具体实施方案如下：

一种灌注用糯米三合土，以重量份计，原料组成为：

或者，

糯米三合土中，黏土或砖粉与氢氧化钙粉末的用量比例较为严格，若施加不恰当地用量比例，极易造成最终产品的收缩性增大、抗压强度降低；即便添加偏高岭土、减水剂，也难以得到明显改善。

本发明中，将黏土或砖粉的用量控制在较小范围内，再配合适宜用量的偏高岭土、减水剂和预糊化糯米粉，实现了最终产品收缩性降低、抗压强度增大的目的。

适宜的氢氧化钙粉末的纯度、表观密度和比表面积可改善黏土强度低的问题，提高灌注用糯米三合土的强度。作为优选，所述的氢氧化钙粉末的纯度≥95％，表观密度＜0.75g/cm³，比表面积≥10.5m²/g。

作为优选，所述的偏高岭土具有火山灰活性，由陶泥在750～850℃条件下煅烧1～2个小时后粉磨获得。

所述火山灰活性是指高岭石矿物在煅烧时伴随着脱羟基和结构无序化过程的一种特性，活性二氧化硅、活性氧化铝等活性组分与氢氧化钙反应，形成类沸石结构的硅铝酸钙网状结构。

黏土或砖粉中同样含有大量二氧化硅等活性成分，可与偏高岭土配合，一同与氢氧化钙反应，形成更加稳定的硅铝酸钙网状结构。

所述的预糊化糯米粉由糯米粉加水沸煮2小时后冷却，再经干燥后粉磨获得。所述干燥为真空干燥或喷雾干燥。作为优选，所述预糊化糯米粉中支链淀粉含量≥90％，表观密度小于0.18g/cm³。以预糊化糯米粉代替传统的糯米汁，简化传统工艺，避免糯米汁需提前熬煮的繁杂问题。糯米淀粉在三合土中主要起有机模版的作用，能够控制碳酸钙和硅铝酸钙晶体的生长，使形成的胶结物更加致密有序。

所述的减水剂为聚羧酸盐型减水剂，如法国艾森C-SP、德国巴斯夫F10等。所述减水剂的减水率为25％。

由于黄砂的强度和硬度均较高，使用时掺入一定比例的黄砂骨科有助于降低糯米三合土的收缩率，同时明显提高其强度和硬度。其中，黄砂的粒径对糯米三合土的收缩率和抗压强度有影响。作为优选，所述黄砂的粒径为0.1～1mm，峰值粒径和中位粒径介于0.2～0.5mm之间。需要注意的是所用黄砂(尤其是海砂)需要经过水洗，以清除黄砂中的可溶盐分。

所述的黏土可选用三合土遗址当地的生黏土，即刨去富含有机质的表层泥土，取未翻动过的原始沉积黄泥，晒干、敲碎、过100目筛(粒径≤150μm)，该黏土与原三合土遗址土体性质相近、兼容性好、外观相近，不会改变原貌。

所述的砖粉为红砖或青砖粉碎后过100目筛(粒径≤150μm)的粉末。实际上，砖粉是煅烧过的黏土，砖粉表面的二氧化硅更容易与氢氧化钙作用，形成硅酸钙，因此，砖粉的活性比黏土高，同时砖粉的收缩性比黏土小，所以，相对于黏土，砖粉的用量越高三合土的强度越高收缩率越小。

作为三合土建筑遗址的修复材料，黏土和砖粉都具有调色作用。其中，黏土的调色作用更好，与原遗址颜色更接近；而砖粉的反应活性和强度性能更好。

配方中，黏土和砖粉可以单独使用，也可以混合使用；如果黏土用量减少，将使三合土的外观与原三合土遗址土体的外观偏离，形成色差；砖粉的添加在一定范围内有增强作用和早强作用，但是用量过大也容易形成裂纹，使灌注体发脆；另外灌注用糯米三合土的强度过高也容易与原三合土遗址土体形成应力差而发生界面分离和开裂。故，黏土和砖粉的用量都需要根据三合土遗址维修的需要适当调整，以适应文物本体材料。

更优选，所述的灌注用糯米三合土，以重量份计，原料组成为：

或者，

本发明还提供了一种灌注用糯米三合土的制备方法，即：按比例将氢氧化钙粉末、偏高岭土、预糊化糯米粉和减水剂以干粉形式混合均匀后，再加入黏土和/或砖粉以及黄砂、水，搅拌均匀获得浆液。

以干粉形式进行混合，可提高混合的均匀度，实现产品性能均匀的效果；可将上述干粉混合后进行密封包装，待需要使用时，将混合物与黏土或砖粉以及黄砂、水进行混合；采用密封包装可避免氢氧化钙受潮和提前碳化，防止黏结性能降低，有利于产品储存。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用特定用量比例的氢氧化钙粉末、黄砂以及黏土或砖粉，并配合预糊化糯米粉和减水剂，解决了黏土收缩性大、抗压强度低的问题，获得了收缩性小、抗压强度高的灌注用糯米三合土。

(2)本发明以具有特定表观密度和比表面积的氢氧化钙粉末代替传统糯米三合土中的陈化石灰膏或生石灰粉，以预糊化糯米粉代替传统糯米汁，避免了传统糯米三合土制备过程中生石灰陈化或堆放熟化耗时长的问题，也避免了糯米汁需提前熬煮的问题，简化了糯米三合土的制备工艺，缩短了制备时间。

(3)本发明糯米三合土不仅掺入了适量的高效减水剂，减少了浆液的需水量，降低了糯米三合土的收缩率，解决了传统灌注用糯米三合土液态水含量较高，收缩较大，固块开裂，易与被灌建筑体分离等问题；同时，还提高了固结体的强度。

(4)本发明在传统三合土的基础上掺入砖粉，可以起到早强作用，有效提高三合土的强度，减小收缩率。

(5)本发明先将氢氧化钙粉末、偏高岭土、预糊化糯米粉和减水剂以干粉形式混合、密封包装保存，待到使用时再加入黄砂、黏土或砖粉、水混合，解决了传统糯米三合土制备过程中现场使用配制麻烦的问题，可以“预先制备”、“开袋即用”，为三合土类文物建筑的保护和维修提供了一种基于传统工艺的灌浆加固新产品。

具体实施方式

实施例1

一、糯米三合土的制备

称取100份纯度为95％、表观密度为0.72g/cm³、比表面积为10.68m²/g的氢氧化钙，10份具火山灰活性的偏高岭土，5份支链淀粉含量为92％、表观密度为0.17g/cm³的预糊化糯米粉和1份法国艾森C-SP聚羧酸减水剂，将以上原料以干粉混合，以500rpm的速度搅拌5min，塑料袋密封包装储存；

将上述基料116份，加入300份粒径为0.1～1mm的黄砂、33份过100目筛的黏土，先以500rpm的搅拌速度混合干料5min，再加入75份水后，以1500rpm的速度搅拌8min，直至浆液拌和均匀，得到灌注用糯米三合土浆液。

二、糯米三合土性能的检验

将制得的浆液倒入试模内，浇铸成型后，移至温度25±10℃、相对湿度60±20％的环境下养护。在养护的过程中，试块底部垫放塑料丝网，不与台面平整接触。初凝时间为16小时，收缩率为1.32％。

龄期为28天时，测定条状试块的抗折强度为0.92MPa；测定立方试块的抗压强度为3.21MPa；继续养护试块到3个月龄期，试块抗压强度为3.42MPa。条状试块在折断后，沿新鲜断面滴加酚酞指示剂，1个月碳化深度约为5mm，3个月的碳化深度为9mm，随着养护龄期的延长，灌注用糯米三合土持续碳化其强度继续增长。

试块外观与传统三合土相近。

实施例2

一、糯米三合土的制备

称取100份纯度为95％、表观密度为0.72g/cm³、比表面积为10.68m²/g的氢氧化钙、20份具火山灰活性的偏高岭土、10份支链淀粉含量为92％、表观密度为0.17g/cm³的预糊化糯米粉和1份法国艾森C-SP聚羧酸减水剂，将以上原料以干粉混合，以500rpm的速度搅拌5min，塑料袋密封包装储存。

将上述基料131份，加入200份粒径为0.1～1mm的黄砂、100份过100目筛的黏土，再加入90份水后，以1500rpm的速度搅拌8min，直至浆液拌和均匀，得到灌注用糯米三合土浆液。

二、糯米三合土性能的检验

将制得的浆液倒入试模内，浇铸成型后，移至温度25±10℃、相对湿度60±20％的环境下养护。在养护的过程中，试块底部垫放塑料丝网，不与台面平整接触。初凝时间为20小时，收缩率为3.12％。

28天龄期条状试块的抗折强度为0.66MPa；立方试块抗压强度为1.65MPa。继续养护，3个月龄期抗压强度为1.82MPa。

试块外观与传统三合土一致。

实施例3

将原材料中过100目筛的黏土改为50份，其他步骤与实施例1相同。

检测结果为：初凝时间为17小时，收缩率为2.08％；28天龄期抗折强度0.82MPa，抗压强度2.21MPa；继续养护，3个月龄期抗压强度为2.76MPa。试块外观与传统三合土相近。

实施例4

将原材料中的黏土改为红砖粉(红砖粉碎后过100目筛)，其他步骤与实施例1相同。

检测结果为：初凝时间为15小时，收缩率为1.31％；28天龄期抗折强度1.43MPa，抗压强度3.60MPa；继续养护，3个月龄期抗压强度为3.72MPa。试块外观粉红，带有红砖颜色。

实施例5

将原材料中过100目筛的红砖粉改为120份，其他步骤与实施例1相同。检测结果为：初凝时间为14小时，收缩率为0.84％；28天龄期抗折强度2.17MPa，抗压强度3.91MPa；继续养护，3个月龄期抗压强度为4.20MPa。试块外观有明显红砖颜色。

实施例6

将原材料中过100目筛的红砖粉改为200份，其他步骤与实施例4相同。

检测结果为：初凝时间为12小时，收缩率为2.82％；28天龄期抗折强度1.22MPa，抗压强度3.12MPa；继续养护，3个月龄期抗压强度为3.38MPa。外观与红砖颜色接近。

实施例7

将原材料中的黏土改为黏土与红砖粉的1：2的混合物，即掺入33份黏土和66份红砖粉，其他步骤与实施例1相同。

检测结果为：初凝时间为15小时，收缩率为1.47％；28天龄期抗折强度1.33MPa，抗压强度3.56MPa；继续养护，3个月龄期抗压强度为3.73MPa。试块颜色为红黄色，与传统三合土比较相近。

对比例1

一、传统糯米三合土的制备

称取100份纯度为90％的生石灰，加入300份水，消化的过程中释放大量热。密闭陈化3个月后倒去石灰膏过量的液态水，敞开待石灰膏自然干燥，得到含水率约37.5％的陈化石灰膏。

称取2.5份糯米粉置于锅中，加入25份水，沸煮且不断搅拌补水至刻度，冷却后得到质量浓度为10％的糯米汁。

将陈化石灰膏与糯米汁混合后，加入100份黄砂和100份黏土，以1500rpm的速度搅拌8min，直至浆液拌和均匀，得到传统糯米三合土浆液。

二、传统糯米三合土性能的检验

将制得的浆液倒入试模内，浇铸成型后，移至温度25±10℃、相对湿度60±20％的环境下养护。养护时试块底部垫放塑料丝网，不与台面平整接触。初凝时间为42小时，收缩率为3.2％。

测定28天龄期条状试块的抗折强度为0.48MPa；立方试块的抗压强度为1.32MPa；3个月龄期试块抗压强度为1.48MPa。

对比例2

一、传统糯米三合土的制备

称取5份糯米粉置于锅中，加入100份水，沸煮且不断搅拌补水至刻度，冷却后得到质量浓度为5％的糯米汁。

称取100份纯度为90％的生石灰粉、100份黄砂和100份黏土，先搅拌均匀，缓慢加入煮好的糯米汁，并不断搅拌，待热量释放，然后压紧，密封堆放，每日翻动补水。

二、传统糯米三合土性能的检验

5天后，将制得的膏块压入试模内，敲打成型，移至温度25±10℃、相对湿度60±20％的环境下养护。在养护的过程中，移至温度25±10℃、相对湿度60±20％的环境下养护。养护时试块底部垫放塑料丝网，不与台面平整接触。

28天龄期时，测得收缩率为2.35％；条状试块的抗折强度为0.48MPa；立方试块的抗压强度为1.54MPa；3个月龄期试块抗压强度为1.68MPa。

对比例3

将原材料中过100目筛的黏土改为200份，其他步骤与实施例1相同。结果发现收缩明显，试块开裂，无法进行强度检测。

对比例4

将原材料中过100目筛的红砖粉改为300份，其他步骤与实施例1相同。结果发现试块收缩比较明显，存在许多微裂纹，边角易碎，难以进行强度检测。

Claims

1.一种灌注用糯米三合土，其特征在于，以重量份计，原料组成为：

或者，

所述砖粉的粒径≤150μm。

2.如权利要求1所述的灌注用糯米三合土，其特征在于，所述的氢氧化钙粉末的纯度≥95％，表观密度＜0.75g/cm³，比表面积≥10.5m²/g。

3.如权利要求1所述的灌注用糯米三合土，其特征在于，所述的偏高岭土具有火山灰活性，由陶泥在750～850℃条件下煅烧1～2个小时后粉磨获得。

4.如权利要求1所述的灌注用糯米三合土，其特征在于，所述的预糊化糯米粉由糯米粉加水沸煮2小时后冷却，再经干燥后粉磨获得。

5.如权利要求1所述的灌注用糯米三合土，其特征在于，所述预糊化糯米粉中支链淀粉的含量≥90％，表观密度小于0.18g/cm³。

6.如权利要求1所述的灌注用糯米三合土，其特征在于，所述的减水剂为聚羧酸盐型减水剂。

7.如权利要求1所述的灌注用糯米三合土，其特征在于，所述黄砂的粒径为0.1～1mm，峰值粒径和中位粒径介于0.2～0.5mm之间。

8.如权利要求1所述的灌注用糯米三合土，其特征在于，所述的黏土为生黏土，粒径≤150μm；所述的砖粉为红砖或青砖粉碎后的粉末。

9.一种如权利要求1～8任一项所述的灌注用糯米三合土的制备方法，其特征在于，按比例将氢氧化钙粉末、偏高岭土、预糊化糯米粉和减水剂以干粉形式混合均匀后，再加入黏土和/或砖粉以及黄砂、水，搅拌均匀获得浆液。