CN115557767A - 一种石灰基砂浆、其制备方法及应用 - Google Patents

一种石灰基砂浆、其制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种石灰基砂浆及其制备方法，本发明的砂浆包括天然水硬性石灰、骨料、外加剂和水，其中所述外加剂包括纤维素醚、可再分散性乳胶粉、保水剂、有机硅憎水剂和减水剂。本发明的砂浆具有良好的力学性能、耐久性和兼容性，适用于古建筑修复工作。

Description

一种石灰基砂浆、其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及建筑材料与文物保护材料技术领域，具体涉及一种用于古建筑修复的天然水硬性石灰基砂浆、其制备方法及应用。
背景技术
古建筑遗址是人类历史文化遗产的重要组成部分，也是研究古代历史、科技及文化发展的重要依据。目前，中国保有大量如石窟寺、古城墙、古陵墓、古壁画等砖石及岩土质遗址。这些承载着大量历史信息的遗址是一类极其脆弱的文物实体，由于自然风化侵蚀和不可避免的人为损坏，加之缺乏有效的保护，导致大多数砖石及岩土质文物出现风化、空鼓、块状剥落甚至倒塌现象。
目前砖石及岩土质古建筑修缮所用的修补粘结材料分为无机材料和有机材料。无机材料包括水泥、石灰、水玻璃等，有机材料包括有机硅树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂等合成高分子材料。文物修复要求“不改变文物原状、最小干预、可逆性”，然而大量的科学研究和工程实例证明，使用水泥基等无机材料修复古建筑，会在短时间内造成显著的破坏；而现代的高分子材料与原有的砖石/岩土类建筑材料兼容性极差。采用上述任一种材料修复古建筑都是一种“破坏式”修复。
因此，发展适宜的古建筑修复材料对古建筑修护工作具有重要意义。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题之一，本发明结合砖石/岩土质文物保护材料现状，以修复加固文物为目标，提供一种天然水硬性石灰基砂浆及其制备方法。本发明的石灰基砂浆具有适中的力学性能、良好的耐久性和兼容性，可作为砖石及岩土质古建筑修缮所用的修补粘结材料。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种石灰基砂浆，包括天然水硬性石灰、骨料、外加剂和水，其中所述外加剂包括纤维素醚、可再分散性乳胶粉、保水剂、憎水剂和减水剂。
本发明中，所述天然水硬性石灰是一种兼具水硬性和气硬性的无机胶凝材料，其矿物组成主要为硅酸二钙和氢氧化钙，还含有少量的碳酸钙。其硬化机质为：硅酸二钙与水反应生成水化硅酸钙凝胶，增加硬化体强度；氢氧化钙碳化，形成碳酸钙晶体，进一步提高硬化体的长期强度，使得天然水硬性石灰基砂浆具有良好的抗压强度、柔韧性以及自我修复性，且与砖石/岩土质文物兼容性极好，是一种极佳的古建筑修复材料。
本发明中所述天然水硬性石灰包括但不限于NHL5。本发明对所述NHL5不做特殊限定，其性能满足BSEN459-1—2015中对NHL5性能的要求即可。
根据本发明的一些实施方式，所述外加剂中，纤维素醚与可再分散性乳胶粉的重量比为(0.5～3)：(0.5～5)，优选(0.8～2.5)：(1～4)，更优选(1～2)：(1～3)。
根据本发明的一些实施方式，所述外加剂中，纤维素醚与可再分散性乳胶粉的重量比为1：(0.1～10)，例如1：0.2、1：0.4、1：0.8、1：1、1：1.5、1：2、1：3、1：3.5、1：4、1：4.5、1：5、1：6、1：7、1：8、1：9或1：10，优选1：(0.4～5)。
根据本发明的一些实施方式，所述外加剂中，保水剂与憎水剂的重量比为(0.2～1.5)：(0.1～1)；优选(0.3～1.2)：(0.3～0.8)，更优选(0.3～1)：(0.3～0.7)。
根据本发明的一些实施方式，所述外加剂中，保水剂与憎水剂的重量比为1：(0.05～5)，例如1：0.08、1：0.1、1：0.25、1：0.5、1：0.8、1：1、1：1.5、1：2、1：2.5、1：3、1：3.5、1：4、1：4.5或1：5，优选1：(0.25～3)。
根据本发明的一些实施方式，所述砂浆中，天然水硬性石灰与所述纤维素醚的重量比为(150～300)：(0.5～3)，优选(200～300)：(0.8～2.5)，更优选(220～280)：(1～2)。
根据本发明的一些实施方式，所述砂浆中，天然水硬性石灰与所述纤维素醚的重量比为1：(0.001～0.02)，例如1：0.002、1：0.005、1：0.008、1：0.01、1：0.012、1：0.015、1：0.018或1：0.02，优选1：(0.002～0.015)。
根据本发明的一些实施方式，所述砂浆中，天然水硬性石灰与所述可再分散性乳胶粉的重量比为(150～300)：(0.5～5)，优选(200～300)：(1～4)，更优选(220～280)：(1～3)，最优选(220～280)：(1～2)。
根据本发明的一些实施方式，所述砂浆中，天然水硬性石灰与所述可再分散性乳胶粉的重量比为1：(0.001～0.035)，例如1：0.003、1：0.005、1：0.008、1：0.01、1：0.012、1：0.015、1：0.018、1：0.02、1：0.025、1：0.028、1：0.03或1：0.032，优选1：(0.003～0.02)。
根据本发明的一些实施方式，所述砂浆中，天然水硬性石灰与所述保水剂的重量比为(150～300)：(0.2～1.5)，优选(200～300)：(0.3～1.2)，更优选(220～280)：(0.3～1)。
根据本发明的一些实施方式，所述砂浆中，天然水硬性石灰与所述保水剂的重量比为1：(0.0005～0.01)，例如1：0.0008、1：0.001、1：0.002、1：0.003、1：0.004、1：0.005、1：0.006、1：0.007、1：0.008、1：0.009或1：0.01，优选1：(0.001～0.006)。
根据本发明的一些实施方式，所述砂浆中，天然水硬性石灰与所述憎水剂的重量比为(150～300)：(0.1～1)，优选(200～300)：(0.3～0.8)，更优选(220～280)：(0.3～0.7)。
根据本发明的一些实施方式，所述砂浆中，天然水硬性石灰与所述憎水剂的重量比为1：(0.0003～0.007)，例如1：0.0005、1：0.0008、1：0.001、1：0.002、1：0.003、1：0.004、1：0.005、1：0.006或1：0.007，优选1：(0.001～0.004)。
根据本发明的一些实施方式，所述砂浆中，天然水硬性石灰与所述减水剂的重量比为(150～300)：(0.5～2)，优选(200～300)：(0.8～1.8)，更优选(220～280)：(1～1.5)。
根据本发明的一些实施方式，所述砂浆中，天然水硬性石灰与所述减水剂的重量比为1：(0.001～0.015)，例如1：0.002、1：0.0025、1：0.003、1：0.004、1：0.005、1：0.006、1：0.007、1：0.008、1：0.009、1：0.01、1：0.012或1：0.015，优选1：(0.0025～0.009)。
根据本发明的一些实施方式，以重量份数计，所述砂浆包括天然水硬性石灰150～300份、骨料700～850份、纤维素醚0.5～3份、可再分散性乳胶粉0.5～5份、保水剂0.2～1.5份、憎水剂0.1～1份、减水剂0.5～2份和水75～150份。
根据本发明的优选实施方式，以重量份数计，所述砂浆包括天然水硬性石灰200～300份、骨料700～800份、纤维素醚0.8～2.5份、可再分散性乳胶粉1～4份、保水剂0.3～1.2份、憎水剂0.3～0.8份、减水剂0.8～1.8份和水100～150份。
根据本发明的更优选实施方式，以重量份数计，所述砂浆包括天然水硬性石灰220～280份、骨料720～800份、纤维素醚1～2份、可再分散性乳胶粉1～3份、保水剂0.3～1份、憎水剂0.3～0.7份、减水剂1～1.5份和水100～150份。
根据本发明的一些实施方式，所述纤维素醚的粘度≥10000Pa·s，优选所述纤维素醚的粘度≥50000Pa·s，更优选所述纤维素醚的粘度≥100000Pa·s。
根据本发明的优选实施方式，所述纤维素醚的粘度为80000～120000Pa·s，优选90000～110000Pa·s。
根据本发明的一些实施方式，所述可再分散性乳胶粉选自乙烯/醋酸乙烯酯的共聚物、醋酸乙烯/叔碳酸乙烯共聚物、丙烯酸共聚物中的一种或多种，优选地，所述可再分散性乳胶粉为醋酸乙烯酯与乙烯共聚胶粉。
根据本发明的一些实施方式，所述可再分散性乳胶粉的固含量大于98％。
根据本发明的一些实施方式，所述可再分散性乳胶粉的粒径大于400μm。
根据本发明的一些实施方式，所述保水剂为丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物。
根据本发明的优选实施方式，所述保水剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵中的一种或多种。
根据本发明的一些实施方式，所述保水剂的分子量为10000～20000000。
根据本发明的一些实施方式，所述憎水剂为有机硅憎水剂，优选硅烷基粉末憎水剂。
根据本发明的一些实施方式，所述有机硅憎水剂的硅烷活性含量为20％，平均颗粒尺寸小于500μm。
根据本发明的一些实施方式，所述减水剂为聚羧酸类减水剂，例如聚酯类聚羧酸高性能减水剂、聚醚类聚羧酸高性能减水剂、酰胺/亚酰胺型聚羧酸减水剂、两性型聚羧酸减水剂(聚酰胺-聚乙烯乙二醇支链型减水剂)。优选聚醚类聚羧酸高性能减水剂。
根据本发明的一些实施方式，所述减水剂为采用巴斯夫2651高性能聚羧酸粉末减水剂。
根据本发明的一些实施方式，所述骨料为细砂，优选天然河砂，进一步优选地，所述天然河砂的细度模数为1.6～2.2。
第二方面，本发明还提供了第一方面所述的砂浆的制备方法，包括如下步骤：
将包括本发明第一方面所述天然水硬性石灰、骨料、外加剂和水的原料混合后得到所述石灰基砂浆。
根据本发明的一些实施方式，所述制备包括如下步骤：
(1)将所述天然水硬性石灰与骨料混合，得到混合物；
(2)将所述混合物与所述外加剂和水混合，得到所述石灰基砂浆。
第三方面，本发明提供了第一方面所述的砂浆或第二方面所述的制备方法得到的砂浆在古建筑修复中的应用。
本发明的有益效果是：
1.本发明以天然水硬性石灰作为胶凝材料，其具有良好的抗压强度、柔韧性以及自我修复性，与砖石/岩土质文物具有很好的兼容性；且利用天然水硬性石灰制备砂浆的生产过程中能耗低，应用于古建筑上还可吸收二氧化碳，具有绿色环保的特点。
2.可再分散性乳胶粉和羟丙基甲基纤维素的使用，增加了天然水硬性石灰砂浆的粘结强度，弥补了以往修补材料开裂以及与基材脱落的缺陷。
3.有机硅憎水剂和保水剂的使用，增加了水分在砂浆中停滞的时间，使得砂浆与基材的锚固作用更加充分。
4.减水剂的使用，可以有效提高砂浆的流动度。
具体实施方式
下面结合具体实施例和对比例，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述，所述实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施。
试剂成分或牌号：
本发明以下各实施例和对比例所用天然水硬性石灰为NHL5，其性能测试满足BSEN459-1—2015中对NHL5性能的要求；
所用细砂为天然河砂，其细度模数为2.2～1.6；
所用纤维素醚为羟丙基甲基纤维素醚，粘度为100000Pa·s；
所用可再分散性乳胶粉为：为南通金顺环保科技有限公司生产的JS-503可再分散性乳胶粉；
所用保水剂为：巩义市弘润环保科技有限公司生产的聚丙烯酰胺(PAM)系列保水剂；
所用憎水剂为有机硅憎水剂：道康宁SHP50/SHP60+；
所用减水剂为聚羧酸减水剂：巴斯夫2651高性能聚羧酸粉末减水剂。
以下实施例1-10及对比例1-10提供的天然水硬性石灰基砂浆通过以下方法制备：
首先称量各原料组分，然后将除水以外的其它组分倒入JJ-5型水泥胶砂搅拌机中，先慢搅120秒，再快搅120秒，使其混合均匀；固体组分混合均匀后加入称量好的自来水，然后立即启动搅拌机，先低速搅拌30秒，再高速搅拌60秒，然后暂停90秒，在停拌的15秒内用胶皮刮具把锅壁和叶片上的胶砂刮入锅中，最后再高速搅拌60秒。
实施例1-10以及对比例1-10提供的天然水硬性石灰基砂浆具体组成和配比(重量份数)见表1。
表1
Figure BDA0003923508500000051
Figure BDA0003923508500000061
效果测试：
根据GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》、JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》以及GB/T17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》对实施例1-10和对比例1-10制备所得到的石灰基砂浆进行流动度、凝结时间、抗压强度以及拉伸粘结强度等性能检测，结果见表2。
表2
Figure BDA0003923508500000062
Figure BDA0003923508500000071
综合实施例和对比例可以得出，使用减水剂可以有效增加NHL砂浆的流动度、抗压强度和拉伸粘结强度，且并无明显的缓凝现象。此外，可再分散性乳胶粉和羟丙基甲基纤维素的使用可以进一步增加砂浆的粘结强度；而有机硅憎水剂和保水剂的使用可以增加水分在砂浆中停滞的时间，使得砂浆与基材的锚固作用更加充分。在本发明的配方范围内，NHL修复砂浆的流动度均能保证在150mm以上，初凝时间大于4h，终凝时间小于12h，28天抗压强度大于5MPa，28天拉伸粘结强度大于0.7MPa，更有利于对砖石/岩土质古建筑的修缮工作。
以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种石灰基砂浆，包括天然水硬性石灰、骨料、外加剂和水，其中所述外加剂包括纤维素醚、可再分散性乳胶粉、保水剂、憎水剂和减水剂。
2.根据权利要求1所述的砂浆，其特征在于，所述纤维素醚与可再分散性乳胶粉的重量比为(0.5～3)：(0.5～5)，优选(0.8～2.5)：(1～4)。
3.根据权利要求1或2所述的砂浆，其特征在于，所述保水剂与憎水剂的重量比为(0.2～1.5)：(0.1～1)；优选(0.3～1.2)：(0.3～0.8)。
4.根据根据权利要求1～3任一项所述的砂浆，其特征在于，所述天然水硬性石灰与所述纤维素醚的重量比为(150～300)：(0.5～3)，优选(200～300)：(0.8～2.5)；
和/或所述天然水硬性石灰与所述可再分散性乳胶粉的重量比为(150～300)：(0.5～5)，优选(200～300)：(1～4)；
和/或所述天然水硬性石灰与所述保水剂的重量比为(150～300)：(0.2～1.5)，优选(200～300)：(0.3～1.2)；
和/或所述天然水硬性石灰与所述憎水剂的重量比为(150～300)：(0.1～1)，优选(200～300)：(0.3～0.8)；
和/或所述天然水硬性石灰与所述减水剂的重量比为(150～300)：(0.5～2)，优选(200～300)：(0.8～1.8)。
5.根据权利要求1～4任一项所述的砂浆，以重量份数计，所述砂浆包括天然水硬性石灰150～300份、骨料700～850份、纤维素醚0.5～3份、可再分散性乳胶粉0.5～5份、保水剂0.2～1.5份、憎水剂0.1～1份、减水剂0.5～2份和水75～150份；
优选地，以重量份数计，所述砂浆包括天然水硬性石灰200～300份、骨料700～800份、纤维素醚0.8～2.5份、可再分散性乳胶粉1～4份、保水剂0.3～1.2份、憎水剂0.3～0.8份、减水剂0.8～1.8份和水100～150份。
6.根据权利要求1～5任一项所述的砂浆，其特征在于，所述纤维素醚的粘度≥10000Pa·s，优选地，所述纤维素醚的粘度≥50000Pa·s，更优选地，所述纤维素醚的粘度为80000～120000Pa·s；
和/或所述可再分散性乳胶粉选自乙烯/醋酸乙烯酯的共聚物、醋酸乙烯/叔碳酸乙烯共聚物、丙烯酸共聚物中的一种或多种，优选醋酸乙烯酯与乙烯共聚胶粉。
7.根据权利要求1～6任一项所述的砂浆，其特征在于，所述保水剂为丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物，优选聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵中的一种或多种；
和/或所述憎水剂为有机硅憎水剂，优选硅烷基粉末憎水剂；
和/或所述减水剂为聚羧酸类减水剂。
8.根据权利要求1～7任一项所述的砂浆，其特征在于，所述骨料包括天然河砂，优选地，所述天然河砂的细度模数为1.6～2.2。
9.权利要求1～8任一项所述的砂浆的制备方法，包括如下步骤：
将包括权利要求1～8中任一项所述天然水硬性石灰、骨料、外加剂和水的原料混合后得到所述石灰基砂浆；
优选地，所述制备包括如下步骤：
(1)将所述天然水硬性石灰与骨料混合，得到混合物；
(2)将所述混合物与所述外加剂和水混合，得到所述石灰基砂浆。
10.权利要求1～8任一项所述的砂浆或权利要求9所述的制备方法得到的砂浆在古建筑修复中的应用。
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