一种古建筑修复用耐湿防水灰浆制备方法

1.本发明涉及一种古建筑修复用耐湿防水灰浆制备方法，属于建筑材料与文物保护材料改性研究技术领域。


背景技术：

2.我国古建筑承载了中华文明史，是我国优秀的建筑遗产。然而，以石灰基灰浆为主要胶凝材料的古建筑等不可移动文物，经历千百年自然环境及人为因素的破坏，结构损坏严重，亟需修缮。修缮工作不仅是对建筑的保护，也是一种文化的传承。
3.传统气硬性石灰灰浆与古建筑兼容性高且成本低，目前是古建筑修缮的最主要胶凝材料，但其在古建筑修缮中直接使用存在诸多问题。传统灰浆通过失水干燥固结作用及碳酸化反应而发展强度，强度只能在较低湿度的环境下获得，在高湿度下，灰浆失水较慢，干燥固结作用微弱，灰浆不能快速吸收co2，碳化非常微弱导致强度发展非常缓慢。由于传统气硬性石灰的强度发展特性，北方的古建筑修缮施工只能在空气湿度较低的春季施工，夏季虽然温度适宜，但多雨且持续的高湿度条件，使得灰浆不仅强度发展缓慢且有遭受雨水冲刷的风险，给施工造成极大的局限性。当施工后的古建筑传统灰浆处于阴凉区域、地面返潮区域等水分散发较差的环境时，会因为长期较大的湿度，使本就强度发展缓慢的传统灰浆极易遭受破坏，产生酥粉、碎裂现象，从而影响结构稳定性。
4.本技术从该因素出发，发明一种耐湿灰浆，使灰浆应用于湿润环境下时不仅具有良好的力学性能，兼具小的体积收缩性能、良好的防水性能等优点。


技术实现要素：

5.本发明研发一种高性能灰浆，在湿润条件下养护可使力学性能发展良好，兼具小的体积收缩性能、良好的防水性能，目的是解决传统灰浆用作北方气候条件下的古建筑修复材料时，自身性质导致的局限性问题。
6.为实现上述目的，经研究得到一种古建筑修复用耐湿防水灰浆，其原料组成包括胶结材料、添加剂和水，胶结材料为传统石灰(cl 90)和偏高岭土的混合物，添加剂为铝酸酯偶联剂dl-411乳液。
7.优选出偏高岭土在胶结材料中的质量百分比为10-40％，进一步优选15％；其中采用的偏高岭土中al2o3及sio2总含量不少于95％，微观形貌下可观察到明显的层状结构。
8.优选出石灰在胶结材料中质量百分比为60-90％，进一步优选85％。
9.铝酸酯偶联剂dl-411乳液是由铝酸酯偶联剂、表面活性剂吐温20、水构成；其中优选铝酸酯偶联剂占胶结材料质量百分含量的0.5-3％，优选1％；优选表面活性剂吐温20占铝酸酯偶联剂质量百分含量的20-30％，优选25％；水为铝酸酯偶联剂质量的7-10倍，优选为8倍。
10.上述一种古建筑修复用耐湿防水灰浆的制备方法，其特征在于，方法包括以下步骤：
11.(1)称取所需质量的铝酸酯偶联剂及表面活性剂吐温20；将表面活性剂加入盛有去离子水的容器中，进行加热搅拌，搅拌速度优选为200r/min，温度升至80℃后恒温并加入铝酸酯偶联剂，继续搅拌15min，得到所需的铝酸酯偶联剂乳液。
12.(2)按照胶结材料质量百分比分别称取石灰及偏高岭土放入容器中混合搅拌均匀，按照熟化过程的水胶比向容器中加水，盖住容器并留通气孔，减小水分散发及通空气，熟化20分钟；
13.(3)熟化完成后的胶凝材料放入砂浆搅拌机容器中，按照制样过程的水胶比向容器中加水，启动搅拌机，慢搅(优选140转/分)一分钟，快搅(优选285转/分)半分钟，快搅过程中逐渐加入步骤(1)所得铝酸酯偶联剂乳液，然后继续搅拌，优选进行慢搅快搅循环三次，得到搅拌均匀的新制灰浆。
14.熟化过程水胶比优选为0.4-0.7，进一步优选0.5；制样过程水胶比优选为0.9-1.1，进一步优选1.0。
15.灰浆试样在20℃及85％湿度条件下养护72小时后脱模，脱模后的试样置于此条件下继续养护。
16.评估养护后试样性能的指标及方法主要有以下几种：
17.(1)体积收缩率
18.试样养护过程的体积收缩现象，会使灰浆与相邻结构之间产生应力集中，给结构带来安全隐患，体积收缩率大小直接影响灰浆的实用性能。体积收缩率用游标卡尺测试，测量样品三条棱长之后结算得出。
19.(2)力学性能
20.试样力学性能主要用抗压强度和抗折强度表征，抗压强度指施加外压力时材料抵抗外力的强度极限；抗折强度是指材料单位面积承受弯矩时的极限折断应力。利用抗压强度和抗折强度指标，可以很好地评价试样在用于古建筑时抵抗外部环境破坏的能力。抗压强度、抗折强度用微机伺服抗压抗折试验机测试。
21.(3)防水性
22.灰浆吸水后，其内部质点之间的结合力被减弱，强度会有不同程度的下降。防水性好的灰浆可以有效减缓水分渗入样品内部，削弱水的破坏作用，从而有助于灰浆的耐湿性及保持强度。防水性能采用试样表面水滴接触角进行表征，用动态静态接触角仪测试。
23.本发明的有益效果是:利用偏高岭土及铝酸酯偶联剂复合改性后的灰浆，具有良好的耐高湿度环境(湿度rh＝85％)的能力。改性灰浆能大幅减小体积收缩率，高湿度环境下能使抗压强度、抗折强度得到良好发展，灰浆防水性能得到了大幅度提升。改性灰浆极大程度地改善了传统灰浆的施工条件和使用条件的局限性，为高湿度环境下的古建筑修复提供了一种可能。
附图说明：
24.图1为灰浆试样养护90天过程中不同阶段的体积收缩率变化。
25.图2为灰浆试样养护14、28、56、90天的抗压强度及抗折强度发展情况。
26.图3为灰浆试样养护90天的表面水滴接触角情况。
27.图4为灰浆试样养护56天的表面sem形貌。
具体实施方式
28.以下结合灰浆具体制备过程与相关性能测试数据对本发明进行进一步解释，但本发明并不限于以下实施例。
29.表1为制备灰浆所用材料配比；
30.为了研究偏高岭土(mk)、铝酸酯偶联剂(aca)乳液单独及复合使用对传统灰浆的改性效果，设计了表1中不同实验配比，试样依次命名为l、l-a、l-mk、l-mk-a，编号l代表传统石灰、mk代表偏高岭土、a代表铝酸酯偶联剂乳液，材料配比见表1。各灰浆制备过程基本相同，下面以l-mk-a灰浆制备为例。
31.(1)分别称取10g铝酸酯偶联剂及2.5g表面活性剂吐温20，将表面活性剂加入装有80g去离子水的烧杯中，烧杯放在磁力搅拌机上加热搅拌，磁力搅拌机转子转速为200r/min，烧杯中的溶液温度升至80℃后恒温并加入铝酸酯偶联剂，继续搅拌15min，得到所需的铝酸酯偶联剂乳液。
32.(2)分别称取石灰850g及偏高岭土150g放入容器中混合搅拌均匀，再向容器中加水500g，盖住容器并留通气孔，熟化20分钟；
33.(3)将步骤(1)中熟化完成后的胶凝材料放入砂浆搅拌机容器中，向容器中加水920g，启动搅拌机，慢搅(140转/分)一分钟，快搅(285转/分)半分钟，快搅过程中加入铝酸酯偶联剂乳液，搅拌过程循环三次，得到均匀的新制灰浆。将灰浆装入40mm
ⅹ
40mm
ⅹ
160mm的模具后振实并抹平表面，试样在20℃及85％湿度条件下养护72小时后脱模，脱模后的试样置于该条件下继续养护，养护至指定时间进行性能测试。
34.表1制备灰浆所用材料配比(g)
[0035][0036]
图1为灰浆试样养护90天过程中不同阶段的体积收缩率变化。试样的体积收缩率变化最明显的阶段是在养护开始的7天内。可见，l-a、l-mk、l-mk-a在不同养护阶段的体积收缩率均小于对照组l，其中l-mk-a的体积收缩率最小，说明铝酸酯偶联剂乳液及偏高岭土均可有效改善传统灰浆的体积收缩率，复合改性时效果最佳。
[0037]
图2为灰浆试样养护14、28、56、90天的抗压强度及抗折强度。对照组l在高湿度环境下强度增加缓慢，养护90天的抗压强度仅为0.7mpa，抗折强度仅为0.15mpa；用mk及aca复合改性的l-mk-a试样在养护90天的过程中综合性能最好，抗压强度达到1.69mpa，比对照组的提升了约141％，抗折强度发展较快且达到0.79mpa，比对照组的提升了约427％；l-a及l-mk的强度介于二者之间。灰浆的抗折强度早期在室外抹灰及砌筑中更为关键，抗折强度高的样品养护过程抗开裂、抗变形破坏能力强，有利于结构稳定。
[0038]
图3为灰浆试样养护90天的表面水滴接触角情况。结果表明，对照组l的水滴接触角仅为35.45
°
，l-mk的水滴接触角提升至72.98
°
，试样l-a、l-mk-a的水滴接触角均接近90
°
(临近疏水)，明显大于l及l-mk的，l-a及l-mk-a防水性能均为最好，因此mk及aca乳液均可改善灰浆的防水能力，其中aca乳液对灰浆防水能力的提升效果更佳。水滴接触角可反应灰
浆样品的防水能力，防水较好的灰浆可有效减缓水分渗入，减小外界水的侵蚀，利于古建筑长久保存。
[0039]
养护56天时各样品力学强度差异较大，选取此阶段的样品进行表面sem形貌观察，如图4所示。对照组l为大小不均匀的caco3颗粒夹杂大量片状ca(oh)2；l-a粒子形状为caco3小颗粒及长条状ca(oh)2相互缠绕，粒径均匀且尺寸小，与对照组形貌对比，aca乳液促进了粒子结构细化，这种细化的粒子使样品表现出良好的抗压强度；l-mk观察到超高的表面致密现象，这种致密结构也会增大抗压强度，但会严重阻碍碳化向内部进行，这可以解释56天后l-mk的抗压强度发展缓慢的原因，此外这种致密结构使样品的表面能较低，样品接触角较对照组l升高(见图3)，有良好防水性能。l-mk-a中能够观察到l-a中长条状ca(oh)2碳化后形成的长条状caco3，说明l-mk-a试样保有了aca乳液细化粒子的特点，而观察不到l-mk的超高致密性的特征，说明l-mk-a试样在细化粒子保有良好强度同时表面留有良好的空隙，不会减缓或阻止碳化向内部进行，所以其随着养护时间延长能良好发展的抗压强度和抗折强度，故l-mk-a力学性能优异且发展趋势良好。
[0040]
综上所述，经过对照组、mk或aca乳液单组分改性及mk-aca乳液复合改性后试样的性能测试结果对比可知，mk-aca乳液复合改性的试样兼具两种单组分改性试样的优势，性能最佳，其在高湿度养护环境下具有较低的体积收缩率、良好的强度发展及优异的防水性能，可作为古建筑修缮中高性能耐湿防水灰浆使用，在打破传统灰浆使用条件的局限性方面具有重要意义。