CN111675525B - 一种改性壳灰砂浆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种改性壳灰砂浆及其制备方法，涉及建筑材料。改性壳灰砂浆按质量份数计，壳灰膏0.6～0.8份、矿粉0.15～0.35份、硅灰0.05份、砂子2.5份，自来水0.2～0.3份。制备方法：将牡蛎壳灰倒入大号塑料桶中，加入3～4倍的水熟化，搅拌均匀、沉淀，陈伏后成为壳灰膏待用；将陈伏后的壳灰膏捞出，测定并调节壳灰膏的稠度值在120mm±5mm范围；按照质量比称取原料；依次将砂子、矿粉和硅灰投入砂浆搅拌机干拌均匀至少1min，然后加入壳灰膏和水共同搅拌至少3min，混合均匀即得。凝结硬化快，强度与粘结力、弹性模量高，具有良好耐候性，收缩变形小，体积稳定；与砖石历史建筑砌体相容性好、匹配性佳。

Description

一种改性壳灰砂浆及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料，特别是涉及用于文物建筑和历史风貌建筑加固修复以及新建传统风貌建筑的一种改性壳灰砂浆及其制备方法。
背景技术
石灰是人类最早使用的无机胶凝材料之一，与历史建筑砖石砌体材料兼容，不会对历史建筑造成二次破坏，在历史建筑修复领域具有其他材料不可取代的优势。石灰砂浆与砖石砌体能够很好的匹配，不仅避免了使用高分子灌浆料及注浆料、聚合物砂浆等有机修复材料容易老化、使用寿命短的问题，同时也避免了使用水泥基砂浆修复时造成的色差明显、强度过高的问题，且两类砂浆与砖石砌体的匹配性较差。我国内陆地区通常采用石灰石来烧制石灰，而在东南沿海地区,人们采用随处可见的牡蛎壳来烧制石灰(简称壳灰)。牡蛎壳的主要成分由无机质和有机质两部分组成。碳酸钙是无机质部分的主要成分，占牡蛎壳质量的90％以上，其中钙元素占40％左右。将牡蛎壳经800℃以上高温窑烧并碾碎成粉末，再掺合砂子、黄泥及红糖、蒸熟的糯米等配制壳灰砂浆，用来砌筑墙体，建造房屋，这一做法在东南沿海十分普遍。本着“原材料、原工艺、最小干预”的保护原则，在修复众多百年历史文物建筑和风貌建筑时采用壳灰砂浆不失为一种明智的选择。
然而，采用传统壳灰砂浆修复历史风貌砖石砌体建筑存在以下三个问题：第一，壳灰是一种气硬性胶凝材料，通过在空气中逐渐结晶和碳化而硬化，强度发展缓慢，导致壳灰砂浆凝结硬化慢，硬化后的强度低，特别是早期强度低。即使加入糯米、蛋清、红糖等传统材料改性的壳灰砂浆，其强度依然很低(不到1MPa)，特别是其与砌体之间的粘结强度很低，抗震性能差，无法满足砖石砌体补强加固要求；第二，壳灰砂浆的耐水性差，在潮湿环境或水中易分解溃散，在沿海地区砌体结构修复中的使用效果并不理想；第三，壳灰在干燥硬化过程中会失去大量游离水形成多孔结构，为水分及一些可溶性离子进入浆体内部提供通道，对砂浆的抗侵蚀性和抗渗性等耐久性能造成不利影响。综上所述，传统壳灰砂浆的物理力学性能和耐久性能存在缺陷，无法满足文物建筑和历史风貌建筑砖石砌体修缮、加固要求，需要采取科学方法来改善其性能缺陷。
国内外围绕石灰基修复砂浆开展了广泛的研究，在石灰基砂浆的组成、结构与性能等方面有了较为系统的认识。对于传统石灰(由石灰石煅烧而成)砂浆的改性研究主要侧重于加入传统材料(如糯米、蛋清、红糖等)，但是改性后的石灰砂浆强度依然很低(不到1MPa)[1]-[2]。近年来，一些研究者开展了天然水硬性石灰砂浆的制备研究，其中包括对砂浆的改性研究。常用的改性方法包括添加外加剂如减水剂、添加火山灰成分如硅灰、添加増韧材料如纤维[3]-[7]。天然水硬性石灰砂浆虽然适用性强，但在我国以及许多国家并不常见，需要进口，使用有限。
随着我国沿海地区牡蛎养殖规模和生产加工能力的大幅提高，大量残留的牡蛎壳的资源化利用受到重视。目前，国内外有关研究多集中在生物、医药、化工原料及土壤改良剂、饲料添加剂等方面[8]-[14]。关于制备建筑材料方面，仅有少数学者开展了牡蛎壳作为混凝土和砂浆的细骨料、水泥的掺合料方面的研究[15]-[17]，然而至今未见关于壳灰砂浆和改性壳灰砂浆的相关研究与报道。
因此，因地制宜，就地取材，研究开发一种能够克服传统壳灰砂浆性能缺陷的新型改性壳灰砂浆，提升壳灰砂浆在文物建筑和历史风貌建筑砌体修复加固工程以及新建传统砌体建筑工程中的利用价值，对于壳灰砂浆的科学利用和文物与历史建筑保护具有重要意义。
参考文献：
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发明内容
本发明的目的在于针对传统壳灰砂浆存在的凝结硬化慢、硬化强度低、收缩变形大及耐候性差等性能缺陷，提供外观与传统壳灰砂浆一致，色差小，加固修复效果好，满足文物建筑和历史建筑“修旧如旧”要求的一种改性壳灰砂浆及其制备方法。
所述改性壳灰砂浆按质量份数计，由如下组份组成：壳灰膏0.6～0.8份、矿粉0.15～0.35份、硅灰0.05份、砂子2.5份，自来水0.2～0.3份。
所述壳灰膏的稠度值可在(120±5)mm；所述壳灰膏可由牡蛎壳灰加入3～4倍的水提前熟化并陈伏7天以上制得；
所述矿粉可采用S95矿粉，矿粉的比表面积≥400m2/kg，其余指标应符合现行国家标准GB/T 18736《用于水泥和混凝土的粒化高炉矿渣粉》的规定；
所述硅灰可采用比表面积≥15000m2/kg，SiO2含量≥85％，硅灰其余指标符合GB/T27690《砂浆和混凝土用硅灰》的规定
所述砂子可采用机制砂或河砂，优选机制砂；砂子要求颗粒级配良好，细度模数在1.6～3.0范围，细砂或中砂均可，其余指标符合GB/T 14684《建设用砂》的规定。
所述矿粉、硅灰、砂子均可采用市售产品。
所述改性壳灰砂浆的制备方法，包括以下步骤：
1)将牡蛎壳灰倒入大号塑料桶中，加入3～4倍的水使之熟化，不断搅拌均匀、沉淀，陈伏后成为壳灰膏待用。陈伏期内始终保持壳灰膏上面有一层水分，使其与空气隔绝；
2)将陈伏后的壳灰膏捞出，测定并调节壳灰膏的稠度值在120mm±5mm范围；
3)按照质量比称取壳灰膏、矿粉、硅灰、砂子与水；
4)依次将砂子、矿粉和硅灰投入砂浆搅拌机干拌均匀至少1min，然后加入壳灰膏和水共同搅拌至少3min，混合均匀即得改性壳灰砂浆。
在步骤1)中，所述牡蛎壳灰系由牡蛎壳经800℃～1000℃煅烧后，通过分级筛选得到的白色粉末状材料。要求牡蛎壳灰的细度指标0.2mm方孔筛筛余百分数≤2％，纯度指标(CaO+MgO)含量≥85％；所述陈伏期的时间不得少于7天，陈伏期内始终保持壳灰膏上面有一层水分，使壳灰膏与空气隔绝。
本发明在壳灰砂浆中引入矿粉与硅灰两种改性材料，将气硬性壳灰转变为同时兼具水硬性和气硬性的改性壳灰，从而显著提高了壳灰砂浆的强度和粘结力，特别是早期强度，明显改善了壳灰砂浆的耐久性，且弹性模量有所提高，收缩变形减小，抗变形能力增强。
本发明在壳灰砂浆中复掺矿粉与硅灰两种改性材料的作用机理在于三个方面：一是通过两种改性材料中的活性二氧化硅、活性三氧化二铝等活性成分，与壳灰膏中的氢氧化钙发生二次水化反应(火山灰反应)，生成类似于水泥的水化产物C-S-H凝胶和水化铝酸钙晶体，从而将气硬性壳灰转变为水硬性壳灰，使其具有与天然水硬性石灰相近的水硬性和气硬性；二是微米级矿粉颗粒与含有纳米级颗粒的微硅粉复合使用，优化了粉体颗粒的粒度分布，降低了孔隙率，有效改善了砂浆的微观结构；三是矿粉的火山灰效应、胶凝效应(潜在水硬性)及微集料效应与硅灰的火山灰效应、形态效应及微集料效应的综合叠加，达到1+1＞2的显著改性效果。
本发明所制备的改性壳灰砂浆就地取材，可替代价格昂贵的进口天然水硬石灰制备石灰基砂浆，满足文物建筑和历史建筑砖石砌体修复加固的迫切需求，还为高水平利用牡蛎壳和矿粉、硅灰等固体废渣提供了一条有效的技术途径，具有文物保护和生态环境保护双重意义。
本发明提出的改性壳灰砂浆采用壳灰膏与矿粉、硅灰两种改性材料作为复合胶凝组分，用机制砂或河砂作为细骨料，与砖石砌体具有良好的相容性。与传统壳灰砂浆相比，凝结硬化快，强度与粘结力、弹性模量明显提高，特别是早期强度增长较快，同时具有良好的耐候性，收缩变形小，体积稳定；与水泥砂浆和高分子修复材料相比，其强度发展适中，与砖石历史建筑砌体的相容性好、匹配性佳，且大量利用了固体废弃物。因此，本发明具有显著的技术效益和社会效益，便于在砖石文物建筑和历史风貌建筑砌体修复加固工程、新建传统砖石砌体建筑工程中推广应用。
使用本发明制备的改性壳灰砂浆修复文物建筑与历史风貌建筑，修复速度快，与既有砂浆的色差小，修复效果好，特别适用于潮湿多雨的南方海洋环境。
相对于传统壳灰砂浆、水泥基砂浆及高分子修复材料，本发明具有如下优势：
(1)通过改性技术，成功地将气硬性壳灰转变为同时兼具水硬性与气硬性的胶凝材料，从本质上解决了传统壳灰砂浆凝结硬化慢、硬化强度低、不耐水、收缩变形大等性能缺陷。所研制的改性壳灰砂浆具有凝结硬化快，较高的强度与粘结力及弹性模量，特别是早期强度增长较快，良好的耐候性与体积稳定性等技术优势；
(2)改性壳灰砂浆属于无机类石灰基修复加固材料，制备方法简单，与砖石砌体能够很好的匹配、相容，色差小，有利于文物建筑和历史建筑的修缮保护。既避免了使用高分子修复材料易老化、使用寿命短、与砖石砌体相容性差的问题，也避免了使用水泥砂浆修复时色差明显、强度过高、与砖石砌体不匹配的问题；
(3)改性壳灰砂浆大量利用了牡蛎壳、矿粉、硅灰等固体废弃物和机制砂，有利于生态环境保护和文物保护，具有显著的技术效益和社会效益。
附图说明
图1为对比例1制备的传统壳灰砂浆硬化前后外观对比图。其中a)为硬化前，b)为硬化后。
图2为对比例2制备的水泥砂浆硬化前后外观对比图。其中a)为硬化前，b)为硬化后。
图3为本发明实施例1制备的改性壳灰砂浆硬化前后外观对比图。其中a)为硬化前，b)为硬化后。
图4为本发明实施例1制备的改性壳灰砂浆砌筑的九砖砌体双剪试件及其受力情况。在图4中,标记1为改性壳灰砂浆。
图5为本发明实施例1制备的改性壳灰砂浆在某历史建筑砖砌体置换前后砂浆抗压强度对比图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例及对比例所用原材料及性能如下：
壳灰：市售纯度(CaO+MgO)含量≥85％，细度0.2mm方孔筛筛余百分数≤2％的壳灰粉。
硅灰：比表面积为15000m2/kg的微硅粉。
矿粉：比表面积为453m2/kg的S95级粒化高炉矿渣粉。
水泥：42.5级普通硅酸盐水泥。
细骨料：颗粒级配良好，细度模数为2.2的机制细砂。
水：自来水。
实施例1～3：
所述改性壳灰砂浆以质量份计，其原材料包括如下组分：壳灰膏0.6～0.8份，矿粉0.15～0.35份，硅灰0.05份，机制砂2.5份，水0.2～0.3份。实施例1～3的具体质量配比详见表1。
上述改性壳灰砂浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)将牡蛎壳灰倒入大号塑料桶中，加入3～4倍的水使之熟化，不断搅拌均匀、沉淀，陈伏7天以上成为壳灰膏待用。陈伏期内始终保持壳灰膏上面有一层水分，使壳灰膏与空气隔绝；
(2)将陈伏后的壳灰膏捞出，测定并调节壳灰膏的稠度值在120mm±5mm范围；
(3)按照质量配合比准确称取壳灰膏、矿粉、硅灰、机制砂与水的用量；
(4)依次将砂子、矿粉、硅灰投入砂浆搅拌机干拌均匀至少1min，然后加入壳灰膏和水共同搅拌至少3min，混合均匀即得改性壳灰砂浆。要求搅拌时间不得少于4min。
对比例1～2：
为了比较改性壳灰砂浆与传统壳灰砂浆、水泥砂浆的性能差异，与实施例1～3不同的是，对比例1中未掺矿粉和硅灰，对比例2中以普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，其他原材料同实施例1～3。
将实施例1～3及对比例1～2的改性壳灰砂浆与对比砂浆的质量配合比汇总于表1。
表1改性壳灰砂浆与对比砂浆的质量配合比
壳灰膏 硅灰 矿粉 水泥 骨料 水
实施例1 0.60 0.05 0.35 0 2.5 0.28
实施例2 0.70 0.05 0.25 0 2.5 0.25
实施例3 0.80 0.05 0.15 0 2.5 0.22
对比例1 1 0 0 0 3 0.14
对比例2 0 0 0 1 6.3 1.35
对上述实施例1～3及对比例1～2制得的砂浆性能进行检测，结果如表2所示。
表2砂浆性能测试结果
Figure BDA0002588070080000071
注：1)对比例1的传统壳灰砂浆由于凝结硬化非常缓慢，需要14d才能脱模，故无法测定7d和14d抗压强度；
2)由于一折即断，无法测定对比例1的28d抗折强度。
对比例1的传统壳灰砂浆外观、对比例2的水泥砂浆外观与实施例1的改性壳灰砂浆外观如图1～3所示；实施例1的改性壳灰砂浆在九砖砌体双剪试件和某沿海历史建筑砖砌体加固工程中实际应用的效果如图4～5所示。图4中,标记1为改性壳灰砂浆。本发明实施例采用机制砂，也可以采用河砂，要求颗粒级配良好，细度模数在1.6～3.0范围，细砂或中砂均可，其余指标符合GB/T 14684《建设用砂》的规定；效果差异不大，因机制砂成本较低，可优选机制砂。
结果显示，本发明的改性壳灰砂浆外观与传统壳灰砂浆一致，色差小，加固修复效果好，完全满足文物建筑和历史建筑“修旧如旧”的要求。经过改性后的壳灰砂浆凝结硬化速度明显加快，强度与粘结力明显提高，特别是早期强度增长较快；同时具有良好的耐候性，较高的弹性模量，收缩变形小，体积稳定性好。通过改性技术，本发明从本质上解决了传统壳灰砂浆凝结硬化慢、硬化强度低、收缩变形大及耐候性差等性能缺陷。本发明所得砂浆属于无机类石灰基修复加固材料，与砖石砌体能够很好的匹配与相容，有利于文物建筑和历史建筑的修缮保护，便于在文物建筑和历史建筑砌体修复加固工程及新建传统砖石砌体工程中推广应用。
将实施例1的改性壳灰砂浆用于修复某沿海历史风貌建筑砖砌体，修复效果详见表3。
表3改性壳灰砂浆修复沿海历史风貌建筑砖砌体实际效果评估
Figure BDA0002588070080000081
注：采用砂浆贯入仪实测置换后砖缝间改性壳灰砂浆的抗压强度。
综上，本发明克服了传统壳灰砂浆的性能缺陷，提升了壳灰砂浆在文物建筑和历史风貌建筑砌体修复加固工程以及新建传统砌体建筑工程中的利用价值，对于壳灰砂浆的科学利用和文物与历史建筑保护具有重要意义。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变更和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种改性壳灰砂浆，其特征在于按质量份数计，由如下组份组成：壳灰膏0.6～0.8份、矿粉0.15～0.35份、硅灰0.05份、砂子2.5份，自来水0.2～0.3份；所述壳灰膏系由牡蛎壳灰提前熟化而成，其稠度值为（120±5）mm；所述硅灰采用比表面积≥15000 m2/kg，SiO2含量≥85%的硅灰；所述矿粉采用S95级矿粉；所述砂子为细度模数在1.6～2.2范围的机制砂或河砂；
所述一种改性壳灰砂浆的制备方法包括以下步骤：
1）将牡蛎壳灰倒入大号塑料桶中，加入3～4倍的水使之熟化，不断搅拌均匀、沉淀，陈伏后成为壳灰膏待用；陈伏期内始终保持壳灰膏上面有一层水分，使其与空气隔绝；所述牡蛎壳灰是由牡蛎壳经800～1000℃煅烧后通过分级筛选得到，为白色粉末状材料，要求细度指标0.2mm方孔筛筛余百分数≤2%，纯度指标（CaO+ MgO）含量≥85%；
2）将陈伏后的壳灰膏捞出，测定并调节壳灰膏的稠度值在120mm±5mm范围；
3）按照质量比称取壳灰膏、矿粉、硅灰、砂子与水；
4）依次将砂子、矿粉和硅灰投入砂浆搅拌机干拌均匀至少1 min，然后加入壳灰膏和水共同搅拌至少 3min，混合均匀即得改性壳灰砂浆。
2.如权利要求1所述一种改性壳灰砂浆的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将牡蛎壳灰倒入大号塑料桶中，加入3～4倍的水使之熟化，不断搅拌均匀、沉淀，陈伏后成为壳灰膏待用；陈伏期内始终保持壳灰膏上面有一层水分，使其与空气隔绝；所述牡蛎壳灰是由牡蛎壳经800～1000℃煅烧后通过分级筛选得到，为白色粉末状材料，要求细度指标0.2mm方孔筛筛余百分数≤2%，纯度指标（CaO+ MgO）含量≥85%；
2）将陈伏后的壳灰膏捞出，测定并调节壳灰膏的稠度值在120mm±5mm范围；
3）按照质量比称取壳灰膏、矿粉、硅灰、砂子与水；
4）依次将砂子、矿粉和硅灰投入砂浆搅拌机干拌均匀至少1 min，然后加入壳灰膏和水共同搅拌至少3 min，混合均匀即得改性壳灰砂浆。
3.如权利要求2所述一种改性壳灰砂浆的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述壳灰膏的陈伏时间至少为7天。
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KR20100087893A (ko) * 2009-01-29 2010-08-06 이지윤 황토와 폐 패각을 이용한 무기보온 몰타르 및 이를 이용한 건축용 자재
CN103880303A (zh) * 2014-04-01 2014-06-25 李黎 一种修复保护石质文物的水硬性蛎灰
CN107540285A (zh) * 2017-08-24 2018-01-05 河海大学 一种使用废弃牡蛎壳制备磨细玻璃粉建筑砂浆的方法

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