CN113024206A - 一种砖石古建筑修复用砂浆复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑用材料技术领域，尤其涉及一种砖石古建筑修复用砂浆复合材料及其制备方法。将环氧树脂与天然水硬性石灰结合，一方面，利用环氧树脂的高韧性作用使制备出的砂浆抵抗脆性断裂的能力提高；另一方面，以天然水硬性石灰的高耐久性弥补环氧树脂耐久性差的特点，而以环氧树脂高粘接性弥补天然水硬性石灰粘接性不足的问题，从而使得双方优势互补，既提高了砂浆的粘接性和韧性，又使得砂浆在经过高温、水浸泡以及长时间的光照作用后，界面的粘接强度仍然高于1.5MPa；并且，通过添加改性胺类固化剂，使得有机材料(环氧树脂)与无机材料(天然水硬性石灰)更好的相容，解决了界面分层的问题，从而提高砂浆复合材料的整体性能。

Description

一种砖石古建筑修复用砂浆复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑用材料技术领域，尤其涉及一种砖石古建筑修复用砂浆复合材料及其制备方法。

背景技术

在我国古代建筑物的修建过程中，通常以灰浆作为胶结的原材料，而灰浆种类繁多，有“九浆十八灰”之说。但现如今，由于灰浆的调配比例不清晰以及传统工艺费工费时等问题，灰浆的使用已经逐渐被天然水硬性石灰所代替。天然水硬性石灰是用粘土含量较高或是二氧化硅含量较高的石灰石烧制而成的，具备适中的抗折、抗压强度，防水性和自我修复性，在古建筑的修复工作中起到了至关重要的作用。原有的天然水硬性石灰比较脆，韧性差，修复后的建筑对于抵抗脆性断裂的能力较弱；同时，在古建筑的修复过程中天然水硬性石灰不能满足更高强度的建筑。

发明内容

本发明提供了一种砖石古建筑修复用砂浆复合材料及其制备方法，用于解决现有的天然水硬性石灰比较脆，韧性差，修复后的建筑对于抵抗脆性断裂的能力较弱；同时，在古建筑的修复过程中天然水硬性石灰不能满足更高强度的建筑的问题；另外还解决有机材料与无机材料混合产生界面分层的问题。

根据本发明的一方面，提供一种砖石古建筑修复用砂浆复合材料，包括：无机胶凝材料组合物和环氧树脂组合物；其中，所述无机胶凝材料组合物包括天然水硬性石灰，所述环氧树脂组合物包括改性胺类固化剂，且所述环氧树脂组合物的质量为所述无机胶凝材料组合物质量的5％～30％。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，所述改性胺类固化剂为改性芳香胺或改性脂肪胺。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，所述无机胶凝材料组合物还包括矿粉，所述矿粉质量为所述无机胶凝材料组合物质量的25％～50％。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，所述矿粉的粒径为300目-500目，所述矿粉的等级至少为S95级。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，所述环氧树脂组合物还包括环氧树脂单体、稀释剂和增韧剂，且相对100质量份的所述环氧树脂单体，所述稀释剂为10～20质量份，所述改性胺类固化剂为20～50质量份，所述增韧剂为5～15质量份。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，所述环氧树脂单体包括E51型环氧树脂单体和E44型环氧树脂单体，所述E51型环氧树脂单体和所述E44型环氧树脂单体的质量比为2:1。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，还包括河砂，所述河砂作为骨料，且所述无机胶凝材料组合物与所述河砂的质量比为2:1。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，所述河砂的粒径小于0.25mm。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，还包括水，所述无机胶凝材料组合物与所述水的质量比为2:1。

根据本发明的另一方面，提供一种根据本发明的砖石古建筑修复用砂浆复合材料的制备方法，包括：

将含有天然水硬性石灰的无机胶凝材料组合物和含有改性胺类固化剂的环氧树脂组合物混合，以制备出所述砖石古建筑修复用砂浆复合材料。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的一种砖石古建筑修复用砂浆复合材料及其制备方法，通过在具有天然水硬性石灰的无机胶凝材料组合物中添加环氧树脂组合物，环氧树脂作为建筑用有机材料，在古建筑的修复工作中具备很多优良特性，如高粘接性和高韧性；本发明将有机材料与无机材料结合，一方面，利用环氧树脂的高韧性作用使得制备出的砂浆抵抗脆性断裂的能力提高；另一方面，以天然水硬性石灰的高耐久性弥补环氧树脂耐久性差的特点，而以环氧树脂高粘接性弥补天然水硬性石灰粘接性不足的问题，从而使得天然水硬性石灰和环氧树脂优势互补，既提高了砂浆的粘接性和韧性，又使得砂浆在经过高温、水浸泡以及长时间的光照作用后，界面的粘接强度仍然高于1.5MPa；并且，通过添加改性胺类固化剂，使得有机材料(环氧树脂)与无机材料(天然水硬性石灰)更好的相容，解决了界面分层的问题，从而提高砂浆复合材料的整体性能。因此本发明提供的砖石古建筑修复用砂浆复合材料提高了砂浆的韧性、粘接性、耐久性，以及解决了有机无机材料混合时界面分层的问题，使得修复后的古建筑得以加固，不宜破坏，对于古建筑的修复工作具有重要意义。

附图说明

图1为传统树脂改性砂浆复合材料的CT测试平面图；

图2为本发明实施例添加改性胺类固化剂的砂浆复合材料的CT测试平面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的一方面，提供一种砖石古建筑修复用砂浆复合材料，包括：无机胶凝材料组合物和环氧树脂组合物；其中，所述无机胶凝材料组合物包括天然水硬性石灰，所述环氧树脂组合物包括改性胺类固化剂，且所述环氧树脂组合物的质量为所述无机胶凝材料组合物质量的5％～30％。

本发明提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料，通过在具有天然水硬性石灰的无机胶凝材料组合物中添加环氧树脂组合物，环氧树脂作为建筑用有机材料，在古建筑的修复工作中具备很多优良特性，如高粘接性和高韧性；本发明将有机材料与无机材料结合，一方面，利用环氧树脂的高韧性作用使得制备出的砂浆抵抗脆性断裂的能力提高；另一方面，以天然水硬性石灰的高耐久性弥补环氧树脂耐久性差的特点，而以环氧树脂高粘接性弥补天然水硬性石灰粘接性不足的问题，从而使得天然水硬性石灰和环氧树脂优势互补，既提高了砂浆的粘接性和韧性，又使得砂浆在经过高温、水浸泡以及长时间的光照作用后，界面的粘接强度仍然高于1.5MPa；并且，通过添加改性胺类固化剂，使得有机材料(环氧树脂)与无机材料(天然水硬性石灰)更好的相容，解决了界面分层的问题，从而提高砂浆复合材料的整体性能。因此本发明提供的砖石古建筑修复用砂浆复合材料提高了砂浆的韧性、粘接性、耐久性，以及解决了有机无机材料混合时界面分层的问题，使得修复后的古建筑得以加固，不宜破坏，对于古建筑的修复工作具有重要意义。

在可能的实施方式中，为了使得有机材料(环氧树脂)与无机材料(天然水硬性石灰)更好的相容而不发生界面分层的问题，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，改性胺类固化剂优选为改性芳香胺或改性脂肪胺，改性芳香胺如北京可耐可特新材料有限公司研发的CNCT-1(本发明采用的材料)，该CNCT-1的活泼氢当量为305，在25℃时，粘度为320cps，密度为1.06g/cm³。

在古建筑的修复过程中，单一的天然水硬性石灰不能满足更高强度的古建筑修复，它的生产需要耗费大量的能源、资源，并且在生产过程中则会产生二氧化碳温室气体，从而污染环境。因此，在可能的实施方式中，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，无机胶凝材料组合物还包括：矿粉，矿粉质量为无机胶凝材料组合物质量的25％～50％。

矿粉一般是指将开采出来的矿石进行粉碎加工后所得到的料粉。矿粉中含有较多的活性SiO₂、活性Al₂O₃，能与Ca(OH)₂在常温下发生化学反应生成稳定的水化硅酸钙和水化铝酸钙。以矿粉组分代替部分天然水硬性石灰，既可以减少资源消耗，又可以提高砂浆的强度和耐久性。另外，以矿粉代替部分天然水硬性石灰，可以减少天然水硬性石灰的用量，减少天然水硬性石灰资源匮乏的问题，以及减少天然水硬性石灰在生产过程中则会产生二氧化碳温室气体，从而减轻全球变暖、环境污染的问题，使得制备的砂浆复合材料具有干缩性小、抗裂性好、强度高、耐久性好的特点。

具体地，矿粉质量可以为无机胶凝材料组合物质量的25％、30％、35％、40％、45％、50％等介于25％～50％的任意值。

在可能的实施方式中，为了能够发挥矿粉的最佳效果，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，矿粉的粒径为300目-500目，矿粉的等级至少为S95级。

具体地，矿粉的粒径可以为300目、350目、400目、450目、500目等介于300目-500目的任意值。具体地，矿粉的平均粒径为0.0374mm。

在可能的实施方式中，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，天然水硬性石灰可以为天然水硬性石灰NHL5。

在可能的实施方式中，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，环氧树脂组合物还包括环氧树脂单体、稀释剂和增韧剂，且相对100质量份的环氧树脂单体，稀释剂为10～20质量份，改性胺类固化剂为20～50质量份，增韧剂为5～15质量份。

环氧树脂是一类具有良好粘接、耐腐蚀、绝缘、高强度等性能的热固性高分子合成材料，在可能的实施方式中，为了提高砂浆复合材料的粘接性、耐腐蚀性等性能，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，环氧树脂单体包括E51型环氧树脂单体和E44型环氧树脂单体，E51型环氧树脂单体和E44型环氧树脂单体的质量比为2:1。

具体的，稀释剂的质量可以为10、15、20等介于10～20质量份中的任意值。且优选地，相对100质量份的环氧树脂单体，选择质量份为15的稀释剂，以便增强砂浆复合材料的强度。在具体选择上述稀释剂时，优选选择丙酮作为稀释剂。在具体实施过程中，除了丙酮稀释剂外，还可以选择环氧丙烷丁基醚、酒精等作为稀释剂。

具体的，改性胺类固化剂的质量可以为20、30、40、50等介于20～50质量份中的任意值。

具体的，增韧剂的质量可以为5、10、15等介于5～15质量份中的任意值。且优选地，相对100质量份的环氧树脂单体，选择质量份为10的增韧剂，以便增强砂浆复合材料的韧性。在具体选择上述增韧剂时，可以选择增韧剂QS-BE作为增韧剂。

具体地，环氧树脂作为建筑用有机材料，在古建筑的修复工作中具备很多优良特性，但环氧树脂的粘接加固是化学加固，具有不可逆性，而且耐久性较差，在光照、水、温度的作用下发生氧化反应，强度降低。传统有机材料和无机材料不相容产生界面分层，在水泥基材料中产生圆珠颗粒从而造成水泥基材料整体不均匀性，从而降低材料强度。因此本发明采用改性胺类固化剂(CNCT-1)和增韧剂QS-BE配合使用，采用改性胺类固化剂能够使环氧在水泥基材料中产生交联结构，能够提高材料整体强度和韧性性能。如图1和图2所示，图1为采用普通固化剂(三乙烯四胺)砂浆复合材料的CT测试平面图，图2为本发明实施例添加改性胺类固化剂的砂浆复合材料的CT测试平面图，需要说明的是，图1和图2中只有固化剂种类不同，制备图1中的砂浆复合材料的其余材料和含量均与本发明图2的材料和含量相同，且图1和图2中对应的固化剂的掺量均占环氧树脂组合物质量的25％，图1和图2中白色介质为掺入石灰树脂，因此可以看出，本发明添加的改性胺类固化剂材料在石灰硬化产物中分布更为均匀，形成交联网状的结构，并结合试验中与混凝土界面粘接强度(后续给出)明显提高的数据结果，可以说明改性胺类固化剂可明显改善有机材料在无机材料中的分层问题，进而提高材料结构的整体性和强度。

具体地，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，还包括河砂，河砂作为骨料，起骨架作用，可以降低成本、提高强度等，且无机胶凝材料组合物与河砂的质量比为2:1。例如，当无机胶凝材料组合物质量为1000g时，河砂的质量可以为500g等。

具体地，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，为了进一步提高砂浆复合材料的强度，河砂的粒径小于0.25mm。

具体地，在本发明实施例提供的上述砖石古建筑修复用砂浆复合材料中，还包括水，无机胶凝材料组合物与水的质量比为2:1。例如，当无机胶凝材料组合物质量为1000g时，水的质量可以为500g。

另外，可以根据古建筑修复的实际使用场景确定各原材料的用量，例如在实验室中进行实验和在工业的实际应用中，可以分别使用不同的用量。

根据本发明的另一方面，提供了一种根据本发明的砖石古建筑修复用砂浆复合材料的制备方法，包括：

将含有天然水硬性石灰的无机胶凝材料组合物和含有改性胺类固化剂的环氧树脂组合物混合，以制备出砖石古建筑修复用砂浆复合材料。

本发明中古建筑修复用砂浆复合材料的制备过程中共涉及3个变量：环氧树脂组合物掺量、矿粉的质量分数、改性胺类固化剂的掺量，按照变量取值将本发明的实施方案分成3组。3组方案中分别以占无机胶凝材料组合物总质量5％、17.5％、30％的环氧树脂组合物作为掺量，改变其他变量，改性胺类固化剂取20份、35份、50份，矿粉占无机胶凝材料组合物总质量分数的25％、40％、50％。

以其中一组配比为例说明根据本发明的砖石古建筑修复用砂浆复合材料的制备方法：假设无机胶凝材料组合物总质量为1000g，称取500g砂子放入搅拌机漏槽中，再称取天然水硬性石灰(NHL5)500g、矿粉500g混合搅拌均匀；按照0.5的水胶比加入500g水，并搅拌均匀成砂浆；称取环氧树脂单体(质量比E51：E44＝2：1)100份、稀释剂15份、增韧剂10份混合均匀然后加入改性胺类固化剂20份快速搅拌均匀形成环氧树脂组合物；启动搅拌机，把搅拌机调到手动挡，按照500转/min慢速搅拌2min，在砂浆中加入占无机胶凝材料总质量5％的环氧树脂组合物，即50g环氧树脂组合物，按照2000转/min快速搅拌2min，最终得到修复用砖石古建筑修复用砂浆复合材料。

为了方便理解本发明实施例提供的砖石古建筑修复用砂浆复合材料，下面结合具体的实施例对其相对现的砂浆的有益效果进行详细的说明。

具体地，测试时，采用40×40×160mm的试模震动成型，成型试样在20℃及90％湿度条件下养护24h后脱模，脱模后的试样放置于碳化箱中养护，养护28d后测试试件的伸长率、界面粘结强度、紫外光照7d后的界面粘结强度。

表1不同改性胺类固化剂(CNCT-1)掺量的环氧树脂组合物配比

需要说明的是，上述“质量份”表示添加混合比例，具体用量取决于环氧树脂单体的掺量。

对比组：

表2砂浆配比及实验指标

实施例1：

环氧树脂组合物掺量(占无机胶凝材料组合物总质量的比例)：5％

表3砂浆复合材料配比及实验指标

需要说明的是，上述环氧树脂组合物一栏中的序号1)、2)、3)表示“不同改性胺类固化剂掺量的环氧树脂组合物配比”表1中的不同配比的环氧树脂组合物，需按照环氧树脂单体掺量取值。

实施例2：

环氧树脂组合物掺量(占无机胶凝材料总质量的比例)：17.5％

表4砂浆复合材料配比及实验指标

需要说明的是，上述环氧树脂组合物一栏中的序号1)、2)、3)表示“不同固化剂掺量的环氧树脂组合物配比”表1中的不同配比的环氧树脂组合物，需按照环氧树脂单体掺量取值。

实施例3：

树脂掺量(占无机胶结材料总质量)：30％

表5砂浆复合材料配比及实验指标

需要说明的是，上述环氧树脂组合物一栏中的序号1)、2)、3)表示“不同改性胺类固化剂掺量的环氧树脂组合物配比”表1中的不同配比的环氧树脂组合物，序号4)、5)、6)表示“不同普通固化剂掺量的环氧树脂组合物配比”表1中的不同配比的环氧树脂组合物，需按照环氧树脂单体掺量取值。

由上述表2和表3、表4、表5的实验结果对比可以看出，添加了高韧性环氧树脂的天然水硬性石灰，在伸长率的实验数据上与空白对照组相比明显加强，说明改良后的砂浆在延性上得到了明显提高，很好的解决了修复后的古建筑易发生脆性断裂的问题。并且复合材料在界面粘接强度上也有明显提高，说明改良后的砂浆具有更好的粘接性；紫外光照7d后的界面粘接强度与原界面粘接强度相比，没有明显下降，说明改良后的砂浆耐久性得到优化。

由上述表3、表4、表5的实验结果对比可以看出，添加普通固化剂到环氧树脂与天然水硬性石灰中的界面粘接强度明显小于添加改性胺类固化剂添到环氧树脂与天然水硬性石灰中的界面粘接强度，因此本发明将改性胺类固化剂添加到环氧树脂与天然水硬性石灰中，解决了有机材料与无机材料不相容，从而导致界面分层并影响结构整体性差的问题。

另外，有机材料与无机材料优势互补，既提高了修复砂浆的粘接性，保证了修复结构的可靠性和耐久性，并且避免了有机材料浸入古建筑而引起的二次破坏；此外，以矿粉代替部分天然水硬性石灰，使得修复砂浆具有强度高、耐久性好的特点。

综上所述，结合实验数据，本发明提供的古建筑修复用砂浆复合材料的制备方法提高了砂浆的韧性、粘接性、耐久性，使得修复后的古建筑是界面得以加固，不宜破坏，对于古建筑的修复工作具有重要意义。

需要说明的是，本发明未述及之处适用于现有技术。

需要说明的是，本发明不受上述实施例的限制，实施例中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和原则的前提下所做的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

本发明提供的一种砖石古建筑修复用砂浆复合材料及其制备方法，通过在具有天然水硬性石灰的无机胶凝材料组合物中添加环氧树脂组合物，环氧树脂作为建筑用有机材料，在古建筑的修复工作中具备很多优良特性，如高粘接性和高韧性；本发明将有机材料与无机材料结合，一方面，利用环氧树脂的高韧性作用使得制备出的砂浆抵抗脆性断裂的能力提高；另一方面，以天然水硬性石灰的高耐久性弥补环氧树脂耐久性差的特点，而以环氧树脂高粘接性弥补天然水硬性石灰粘接性不足的问题，从而使得天然水硬性石灰和环氧树脂优势互补，既提高了砂浆的粘接性和韧性，又使得砂浆在经过高温、水浸泡以及长时间的光照作用后，界面的粘接强度仍然高于1.5MPa；并且，通过添加改性胺类固化剂，使得有机材料(环氧树脂)与无机材料(天然水硬性石灰)更好的相容，解决了界面分层的问题，从而提高砂浆复合材料的整体性能。因此本发明提供的砖石古建筑修复用砂浆复合材料提高了砂浆的韧性、粘接性、耐久性，以及解决了有机无机材料混合时界面分层的问题，使得修复后的古建筑得以加固，不宜破坏，对于古建筑的修复工作具有重要意义。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种砖石古建筑修复用砂浆复合材料，其特征在于，包括：无机胶凝材料组合物和环氧树脂组合物；其中，所述无机胶凝材料组合物包括天然水硬性石灰，所述环氧树脂组合物包括改性胺类固化剂，且所述环氧树脂组合物的质量为所述无机胶凝材料组合物质量的5％～30％。

2.如权利要求1所述的砖石古建筑修复用砂浆复合材料，其特征在于，所述改性胺类固化剂为改性芳香胺或改性脂肪胺。

3.如权利要求1所述的砖石古建筑修复用砂浆复合材料，其特征在于，所述无机胶凝材料组合物还包括矿粉，所述矿粉质量为所述无机胶凝材料组合物质量的25％～50％。

4.如权利要求3所述的砖石古建筑修复用砂浆复合材料，其特征在于，所述矿粉的粒径为300目-500目，所述矿粉的等级至少为S95级。

5.如权利要求1所述的砖石古建筑修复用砂浆复合材料，其特征在于，所述环氧树脂组合物还包括环氧树脂单体、稀释剂和增韧剂，且相对100质量份的所述环氧树脂单体，所述稀释剂为10～20质量份，所述改性胺类固化剂为20～50质量份，所述增韧剂为5～15质量份。

6.如权利要求5所述的砖石古建筑修复用砂浆复合材料，其特征在于，所述环氧树脂单体包括E51型环氧树脂单体和E44型环氧树脂单体，所述E51型环氧树脂单体和所述E44型环氧树脂单体的质量比为2:1。

7.如权利要求1所述的砖石古建筑修复用砂浆复合材料，其特征在于，还包括河砂，所述河砂作为骨料，且所述无机胶凝材料组合物与所述河砂的质量比为2:1。

8.如权利要求7所述的砖石古建筑修复用砂浆复合材料，其特征在于，所述河砂的粒径小于0.25mm。

9.如权利要求1所述的砖石古建筑修复用砂浆复合材料，其特征在于，还包括水，所述无机胶凝材料组合物与所述水的质量比为2:1。

10.一种如权利要求1～9中任一所述的砖石古建筑修复用砂浆复合材料的制备方法，其特征在于，包括：

将含有天然水硬性石灰的无机胶凝材料组合物和含有改性胺类固化剂的环氧树脂组合物混合，以制备出所述砖石古建筑修复用砂浆复合材料。

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