CN110627437A - 一种修缮文物建筑的混凝土配方体系及其使用方法 - Google Patents

一种修缮文物建筑的混凝土配方体系及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种修缮文物建筑的混凝土配方体系及其使用方法，包括：获取文物建筑混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值并与所述混凝土配方体系的数据库中的第一指标值、第二指标值、第三指标值进行对照，获取文物混凝土原制作配方的原材料成分、含量，配制修缮混凝土样品；检测修缮混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值并与文物建筑混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值进行对比；若结果为第一指标值相差不大于20％、第二指标值相差不大于60％、第三指标值相差不大于60％，则采用修缮混凝土样品进行文物修缮；本发明实现文物建筑混凝土材料配方的还原，达到按“原材料、原工艺”修缮及保持“文化重要性”的目的。

Description

一种修缮文物建筑的混凝土配方体系及其使用方法
技术领域
本发明涉及文物修复技术领域，尤其涉及一种修缮文物建筑的混凝土配方体系及其使用方法。
背景技术
文物建筑的修缮一般要求按“原材料、原工艺”修缮以及保持“文化重要性”，尽可能采用文物建筑原来的老旧材料。文物建筑的混凝土材料，是一种多配方、多原材料经过混合、煅烧、化合而成的建筑材料，一般包含砂浆或灰泥，很难找到老旧材料，因此对于混凝土材料类的文物建筑，在修缮时应尽可能采用与老旧材料的和易性、耐久性、力学性能、化学性能等较接近的修缮材料，以还原老旧材料的配方。现有技术中，混凝土材料类的修缮材料在配制时，一般会考虑修缮材料的抗压强度、凝结时间及抗干缩性的问题，但对于混凝土材料的老旧材料还原程度较低，难以达到按“原材料、原工艺”修缮以及保持“文化重要性”的目的。
申请号为201810267192.0，名称为：一种用于修复近代文物建筑装饰的泥灰，公开了包括水、粉煤灰、生石灰、水洗中砂、活性二氧化硅、活性而氧化钙、硅酸、碳酸氢钙和氧化钛的泥灰配方，该配方主要针对含水洗中砂量较多的一类泥灰，而对于含粉煤灰量较多或生石灰量较多的泥灰，则无法进行配制，从而限制该配方的使用。
另一方面，现有技术中对于老旧材料的还原程度较低，一般只是通过一些光谱检测分析或化学分析方法测定出老旧材料中各个化合物成分的含量，采用现有材料进行混合配制，然而，随着时间的推移，同样种类或名称的原材料与现有材料区别较大，例如，以前的水泥熟料与现有的水泥熟料，由于制作工艺不同，导致生产出来的水泥熟料物理性质、化学性质存在一定区别，从而采用现有材料中的水泥熟料无法正真还原为老旧材料中的水泥熟料，因此，仅仅测出老旧材料中各个化合物成分的含量，无法做到老旧材料的还原，从而无法达到按“原材料、原工艺”修缮以及保持“文化重要性”的文物保护目的。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种修缮文物建筑的混凝土配方体系及其使用方法，解决现有技术，无法配制含硅酸盐较多或碳酸盐较多或氢氧化物较多或粉煤灰量较多或生石灰量较多的泥灰(或混凝土) 的问题；同时解决无法还原老旧材料的原材料配方，导致无法达到“原材料、原工艺”修复以及保持“文化重要性”的文物保护目的的问题。
本发明的技术方案如下：一种修缮文物建筑的混凝土配方体系及其使用方法，所述混凝土配方体系的组成为：固相、水相，所述固相与所述水相按照质量百分数比为1:0.5～2混合；所述固相组成为：凝胶基质和添加物，凝胶基质0.1％～99.9％、添加物：99.9％～0.1％，所述凝胶基质为：水泥、火山灰、粉煤灰、石膏、硅灰、高岭土、偏高岭土、硅藻土、矿渣粉、硅质渣粉、烧粘土中的至少一种；所述添加物包括：石灰、骨料、活性二氧化硅、活性氧化钙、活性氧化镁、碳酸氢钙、硅酸、氧化钛中的至少一种；所述使用方法包括以下步骤：
S1：获取文物建筑的混凝土样品。
S2：获取文物建筑混凝土样品的第一指标值，所述第一指标值为采用光谱分析仪检测分析出混凝土中硅酸盐和/或氢氧化物和/或碳酸盐和/或硫酸盐和/或铁铝酸盐和/或铝酸盐和/或硫铝酸盐和/或氯化物/的质量百分数值。
S3：获取文物建筑混凝土样品的第二指标值，所述第二指标值为采用化学分析法检测分析出混凝土的氯离子迁移度系数和/或平均碳化程度值和/或氧化物的质量百分数值。
S4：获取文物建筑混凝土样品的第三指标值，所述第三指标值为采用力学分析法检测分析出混凝土的强度值和/或早期强度值和/或孔隙率和/或弹性值和/或徐变值和/或体积变化值和/或抗冻性值和/或平均渗水高度值。
S5：将文物建筑混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值与所述混凝土配方体系的数据库中的第一指标值、第二指标值、第三指标值数据进行对照，获得第一指标值、第二指标值、第三指标值分别与文物建筑混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值相差不超过20％的文物混凝土的原材料成分、含量。
S6：根据步骤S5中获得的文物混凝土的原材料成分、含量，应用所述混凝土配方体系的材料，配制出修缮混凝土样品。
S7：分别采用光谱分析仪、化学分析法、力学分析法检测分析修缮混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值，并与步骤S2-S4检测分析得出的文物建筑混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值进行对比分析。
S8：若对比分析结果为所述修缮混凝土样品与文物建筑混凝土样品的第一指标值相差大于20％和/或第二指标值相差大于60％和/或第三指标值相差大于60％，则根据所述混凝土配方体系，调整所述修缮混凝土样品中的材料成分及其质量百分数，配制出调整了材料成分、含量的修缮混凝土样品，并重复步骤S7。
S9：若对比分析结果为所述修缮混凝土样品与文物建筑混凝土样品的第一指标值相差不大于20％、第二指标值相差不大于60％、第三指标值相差不大于60％，则采用所述修缮混凝土样品进行文物修缮。
所述光谱分析仪、化学分析法、力学分析法的标准操作步骤可参照《水泥化学分析方法》、《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》标准操作。
进一步地，所述固相的组成为：凝胶基质0.1％～99.9％、石灰0.01 wt％～85wt％、骨料0.01wt％～70wt％、活性二氧化硅0.01wt％～40wt％、活性氧化钙0.01wt％～30wt％、活性氧化镁0.01wt％～5wt％、碳酸氢钙 0.01wt％～20wt％、硅酸0.01wt％～10wt％、氧化钛0.01wt％～10wt％。制作所述混凝土配方体系的数据库，所述数据库包括：第一指标值、第二指标值、第三指标值；所述第一指标值为采用光谱分析仪检测分析出混凝土中硅酸盐和/或氢氧化物和/或碳酸盐和/或硫酸盐和/或铁铝酸盐和/或铝酸盐和/或硫铝酸盐和/或氯化物的质量百分数值；所述第二指标值为采用化学分析法检测分析出混凝土的氯离子迁移度系数和/或平均碳化程度值和/或氧化物的质量百分数值；所述第三指标值为采用力学分析法检测分析出混凝土的强度值和/或早期强度值和/或孔隙率和/或弹性值和/或徐变值和/或体积变化值和/或抗冻性值和/或平均渗水高度值。
进一步地，所述骨料为水洗中砂、粗砂、石屑中的至少一种。
进一步地，所述光谱分析仪为：XRF分析仪或X射线衍射仪或激光诱导击穿光谱仪或拉曼光谱仪；所述化学分析法为：灼烧差减法或滴定法或混凝土氯离子扩散系数快速测定法、酚酞测试法；力学分析法为：剪压法或徐变试验法或渗水高度法。
进一步地，所述活性二氧化硅为纳米二氧化硅，所述活性氧化钙为纳米氧化钙。
采用上述方案，本发明提供一种修缮文物建筑的混凝土配方体系及其使用方法，通过分别采用光谱分析仪、化学分析法、力学分析法检测出文物建筑混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值，并将检测出的第一指标值、第二指标值、第三指标值的结果与混凝土配方体系数据库中的数据进行对照，获得第一指标值、第二指标值、第三指标值分别与文物建筑混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值相差不超过20％的文物混凝土的原材料成分、含量，根据获得的文物混凝土的原材料成分、含量，配制出修缮混凝土样品，在配制出修缮混凝土样品后，进一步采用光谱分析仪、化学分析法、力学分析法检测出修缮混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值，并将得到的第一指标值、第二指标值、第三指标值与文物建筑混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值进行对比分析，若对比结果为修缮混凝土样品与文物建筑混凝土样品的第一指标值大于20％和/或第二指标值大于60％和/或第三指标值相差大于 60％，则说明该修缮混凝土与文物建筑混凝土样品的成分及性质相差较大，调整所述修缮混凝土样品中原材料成分的质量百分数，配制出调整了原材料成分的修缮混凝土样品；若对比结果为修缮混凝土样品与文物建筑混凝土样品的第一指标值不大于20％、第二指标值不大于60％、第三指标值相差不大于60％时，说明配制的修缮混凝土样品符合要求，与文物建筑混凝土样品的成分及性质接近，可采用该修缮混凝土样品对文物建筑混凝土样品所对应的文物进行修缮，从而实现老旧材料的原材料配方的还原，达到按“原材料、原工艺”修缮以及保持“文化重要性”的文物保护目的；固相与水相以质量百分数比为1:0.5～2进行混合，活性二氧化硅、活性氧化钙与水之间快速生成水化硅酸钙并硬化干缩形成硬化框架，硬化框架可限制后期粉煤灰、生石灰与水生成的水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁铝酸钙、水化硫铝酸钙的干缩，由于减小了干缩，能够与文物原物形成好的匹配；活性二氧化硅、活性氧化钙加入的比例不同，水化及固化过程的速度不同，产生和易性不同的混凝土材料，同时水化产物中的含钙化合物的种类和含量不同，能形成早期强度不同的混凝土材料。根据上述混凝土配方体系的配方配制出修缮混凝土，针对检测出的文物建筑混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值，分别配制出含粉煤灰量较多或石灰量较多或石膏较多或其他含钙化合物较多或水洗中砂量较多的混凝土，通过调整混凝土配方体系配方中各个成分的比例，从而配制出不同类别的混凝土。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明提供一种修缮文物建筑的混凝土配方体系及其使用方法，所述混凝土配方体系的组成为：固相、水相；所述固相与所述水相按照质量百分数比为1:0.5～2混合；所述固相组成为：凝胶基质27wt％～95wt％、活性二氧化硅2wt％～40wt％、活性氧化钙2wt％～30wt％。
具体的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：现场取样，制备文物建筑混凝土样品；
步骤2：通过XRF光谱仪、拉曼光谱仪检测文物建筑混凝土样品的化学成分及含量：制作文物建筑混凝土样品的熔片和压片；采用XRF光谱仪、拉曼光谱仪进行标准操作，检测文物建筑混凝土样品的熔片和压片，检测出文物混凝土的成分中含有硅酸钙、硫酸钙；运用回归分析法得出硅酸钙 44wt％、硫酸钙34wt％。
步骤3：采用滴定法检测出化学组分氧化镁、三氧化二铝、三氧化二铁的质量百分数：制备pH1.8的样品溶液，加热至60℃；用指示剂和EDTA 标准滴定溶剂，滴定至亮黄色，记录所用滴定剂1的体积；制备pH3样品溶液并煮沸；用指示剂和EDTA标准滴定溶剂，滴定至亮黄色，记录所用滴定剂2的体积；根据滴定剂1和滴定剂2的记录数据，计算出氧化镁10wt％、三氧化二铝1wt％、三氧化二铁4wt％。
步骤4：通过渗水高度法，检测文物建筑混凝土样品的平均渗水高度值：制作文物建筑混凝土样品试件；将样品试件安装在抗渗仪上，注水加压，渗水完成后在样品试件的纵断面上画出水痕；等间距测量水痕中12个渗水点的渗水高度值，结果如表1所示，平均值渗水高度值为38.6毫米。
表1
步骤5：将测得的硅酸钙44wt％、硫酸钙34wt％、氧化镁10wt％、三氧化二铝1wt％、三氧化二铁4wt％及渗水高度平均值38.6毫米，与所述混凝土配方体系的数据库中第一指标值、第二指标值、第三指标值进行对照，对照结果为第一指标值、第二指标值、第三指标值不大于20％所对应的数据组为：硅酸钙20～40wt％、硫酸钙20～55wt％、氧化镁3～20wt％、三氧化二铝1～15wt％、渗水高度17～39毫米，文物混凝土的原材料成分、含量为硅酸盐水泥与石膏的质量百分数比为0.5～1.2：0.5～2.0。
步骤6：采用硅酸盐水泥、石膏、活性氧化钙、活性二氧化硅以质量百分数比为1：1：0.1：0.1进行混合，并加入1.5倍的水，配制出修缮混凝土样品1。
步骤7：采用XRF分析仪、拉曼光谱仪检测分析出修缮混凝土样品1 中含硅酸钙45wt％、硫酸钙39wt％；采用滴定法检测出修缮混凝土样品1 中含氧化镁9wt％、三氧化二铝0.9wt％、三氧化二铁3.6wt％；采用渗水高度法检测出修缮混凝土样品1的12个渗水点的渗水高度值，如表2所示，渗水高度平均值为35.3毫米。
表2
步骤8：硅酸钙45wt％、硫酸钙39wt％与硅酸钙44wt％、硫酸钙34wt％对比，相差不大于20％；氧化镁9wt％、三氧化二铝0.9wt％、三氧化二铁 3.6wt％与氧化镁10wt％、三氧化二铝1wt％、三氧化二铁4wt％对比，相差不大于60％；渗水高度平均值35.3毫米与渗水高度平均值38.6毫米相比，相差不大于60％。
步骤9：应用修缮混凝土样品1修缮文物建筑混凝土样品所对应的文物建筑。
实施例2
本发明提供一种修缮文物建筑的混凝土配方体系及其使用方法，具体的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：现场取样，制备文物建筑混凝土样品；
步骤2：通过XRF光谱仪、拉曼光谱仪检测文物建筑混凝土样品的化学成分及含量：制作文物建筑混凝土样品的熔片和压片；采用XRF光谱仪、拉曼光谱仪进行标准操作，检测文物建筑混凝土样品的熔片和压片，检测出文物混凝土的成分中含有硅酸钙、硫酸钙；运用回归分析法得出硅酸钙 40wt％、硫酸钙64wt％。
步骤3：采用滴定法检测出化学组分氧化镁、三氧化二铝、三氧化二铁的质量百分数：制备pH1.8的样品溶液，加热至60℃；用指示剂和EDTA 标准滴定溶剂，滴定至亮黄色，记录所用滴定剂1的体积；制备pH3样品溶液并煮沸；用指示剂和EDTA标准滴定溶剂，滴定至亮黄色，记录所用滴定剂2的体积；根据滴定剂1和滴定剂2的记录数据，计算出氧化镁7wt％、三氧化二铝1.1wt％、三氧化二铁3wt％。
步骤4：通过渗水高度法，检测文物建筑混凝土样品的平均渗水高度值：制作文物建筑混凝土样品试件；将样品试件安装在抗渗仪上，注水加压，渗水完成后在样品试件的纵断面上画出水痕；等间距测量水痕中12个渗水点的渗水高度值，结果如表3所示，平均值渗水高度值为29.4毫米。
表3
步骤5：将测得的硅酸钙40wt％、硫酸钙64wt％、氧化镁7wt％、三氧化二铝1.1wt％、三氧化二铁3wt％及渗水高度平均值29.4毫米，与所述混凝土配方体系的数据库中第一指标值、第二指标值、第三指标值进行对照，对照结果为第一指标值、第二指标值、第三指标值不大于20％所对应的数据组为：硅酸钙20～40wt％、硫酸钙20～55wt％、氧化镁3～20wt％、三氧化二铝1～15wt％、渗水高度17～39毫米，文物混凝土的原材料成分、含量为硅酸盐水泥与石膏的质量百分数比为0.5～1.2：0.5～2.0。
步骤6：采用硅酸盐水泥、石膏以质量百分数比为1：1进行混合，并加入1倍的水，配制出修缮混凝土样品1。
步骤7：采用XRF分析仪、拉曼光谱仪检测分析出修缮混凝土样品1 中含硅酸钙39wt％、硫酸钙41wt％；采用滴定法检测出修缮混凝土样品1 中含氧化镁5wt％、三氧化二铝1.2wt％、三氧化二铁3.5wt％；采用渗水高度法检测出修缮混凝土样品1的12个渗水点的渗水高度值，如表4所示，渗水高度平均值为32.8毫米。
表4
步骤8：硅酸钙39wt％、硫酸钙41wt％与硅酸钙40wt％、硫酸钙64wt％，相差大于20％；氧化镁5wt％、三氧化二铝1.2wt％、三氧化二铁3.5wt％与氧化镁7wt％、三氧化二铝1.1wt％、三氧化二铁3wt％对比，相差大于60％；渗水高度平均值为32.8毫米与渗水高度平均值29.4毫米对比，相差大于 60％。
步骤9：调整所述修缮混凝土样品1中原材料成分的质量百分数，采用硅酸盐水泥、石膏、活性氧化钙、活性二氧化硅以质量百分数比为0.7： 1.8:0.3:0.3，并加入1倍的水，配制出修缮混凝土样品2。
步骤10：采用XRF分析仪、拉曼光谱仪检测出重新配制的修缮混凝土样品2中含硅酸钙36wt％、硫酸钙52wt％；采用滴定法检测出重新配制的修缮混凝土样品2中含氧化镁4wt％、三氧化二铝1.4wt％、三氧化二铁3wt％；采用渗水高度法检测出重新配制的修缮混凝土样品2的12个渗水点的渗水高度值，如表5所示，渗水高度平均值为28.5毫米。
表5
步骤11：硅酸钙36wt％、硫酸钙52wt％与硅酸钙40wt％、硫酸钙64wt％，相差不大于20％；氧化镁4wt％、三氧化二铝1.4wt％、三氧化二铁3wt％与氧化镁7wt％、三氧化二铝1.1wt％、三氧化二铁3wt％对比，相差不大于60％；渗水高度平均值为28.5毫米与渗水高度平均值29.4毫米对比，相差不大于 60％。
步骤12：应用新的修缮混凝土样品2修缮文物建筑混凝土样品所对应的文物建筑。
综上所述，当对比结果为修缮混凝土样品与文物建筑混凝土样品的第一指标值不大于20％、第二指标值不大于60％、第三指标值相差不大于60％时，说明配制的修缮混凝土样品符合要求，与文物建筑混凝土样品的成分及性质接近，可采用该修缮混凝土样品对文物建筑混凝土样品所对应的文物进行修缮，从而实现老旧材料的原材料配方的还原，达到按“原材料、原工艺”修缮以及保持“文化重要性”的文物保护目的。
以上仅为本发明的示意实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种修缮文物建筑的混凝土配方体系及其使用方法，其特征在于，所述混凝土配方体系的组成为：固相、水相，所述固相与所述水相按照质量百分数比为1:0.5～2混合；所述固相组成为：凝胶基质和添加物，凝胶基质0.1％～99.9％、添加物：99.9％～0.1％，所述凝胶基质为：水泥、火山灰、粉煤灰、石膏、硅灰、高岭土、偏高岭土、硅藻土、矿渣粉、硅质渣粉、烧粘土中的至少一种；所述添加物包括：石灰、骨料、活性二氧化硅、活性氧化钙、活性氧化镁、碳酸氢钙、硅酸、氧化钛中的至少一种；所述使用方法包括以下步骤：
S1：获取文物建筑的混凝土样品；
S2：获取文物建筑混凝土样品的第一指标值，所述第一指标值为采用光谱分析仪检测分析出混凝土中硅酸盐和/或氢氧化物和/或碳酸盐和/或硫酸盐和/或铁铝酸盐和/或铝酸盐和/或硫铝酸盐和/或氯化物的质量百分数值；
S3：获取文物建筑混凝土样品的第二指标值，所述第二指标值为采用化学分析法检测分析出混凝土的氯离子迁移度系数和/或平均碳化程度值和/或氧化物的质量百分数值；
S4：获取文物建筑混凝土样品的第三指标值，所述第三指标值为采用力学分析法检测分析出混凝土的强度值和/或早期强度值和/或孔隙率和/或弹性值和/或徐变值和/或体积变化值和/或抗冻性值和/或平均渗水高度值；
S5：将文物建筑混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值与所述混凝土配方体系的数据库中的第一指标值、第二指标值、第三指标值数据进行对照，获得第一指标值、第二指标值、第三指标值分别与文物建筑混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值相差不超过20％的文物混凝土的原材料成分、含量；
S6：根据步骤S5中获得的文物混凝土的原材料成分、含量，应用所述混凝土配方体系的材料，配制出修缮混凝土样品；
S7：分别采用光谱分析仪、化学分析法、力学分析法检测分析修缮混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值，并与步骤S2-S4检测分析得出的文物建筑混凝土样品的第一指标值、第二指标值、第三指标值进行对比分析；
S8：若对比分析结果为所述修缮混凝土样品与文物建筑混凝土样品的第一指标值相差大于20％和/或第二指标值相差大于60％和/或第三指标值相差大于60％，则根据所述混凝土配方体系，调整所述修缮混凝土样品中的材料成分及其质量百分数，配制出调整了材料成分、含量的修缮混凝土样品，并重复步骤S7；
S9：若对比分析结果为所述修缮混凝土样品与文物建筑混凝土样品的第一指标值相差不大于20％、第二指标值相差不大于60％、第三指标值相差不大于60％，则采用所述修缮混凝土样品进行文物修缮。
2.根据权利要求1所述的一种修缮文物建筑的混凝土配方体系及其使用方法，其特征在于，所述固相的组成为：凝胶基质0.1％～99.9％、石灰0.01wt％～85wt％、骨料0.01wt％～70wt％、活性二氧化硅0.01wt％～40wt％、活性氧化钙0.01wt％～30wt％、活性氧化镁0.01wt％～5wt％、碳酸氢钙0.01wt％～20wt％、硅酸0.01wt％～10wt％、氧化钛0.01wt％～10wt％。
3.根据权利要求1所述的一种修缮文物建筑的混凝土材料及修缮方法，其特征在于，所述骨料为水洗中砂、粗砂、石屑中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种修缮文物建筑的混凝土配方体系及其使用方法，其特征在于，所述光谱分析仪为：XRF分析仪或X射线衍射仪或激光诱导击穿光谱仪或拉曼光谱仪；所述化学分析法为：灼烧差减法或滴定法或混凝土氯离子扩散系数快速测定法、酚酞测试法；力学分析法为：剪压法或徐变试验法或渗水高度法。
5.根据权利要求1所述的一种修缮文物建筑的混凝土配方体系及其使用方法，其特征在于，所述活性二氧化硅为纳米二氧化硅，所述活性氧化钙为纳米氧化钙。
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