古建水硬性石灰材料的制備與耐久性能

張?jiān)粕?王曉輝， 肖建強(qiáng)， 楊 林(.東南大學(xué) 江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 289；2.東南大學(xué) 城市與建筑遺產(chǎn)保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 289)

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展和歷史保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，城市中的古城墻正日益受到人們的重視，古城墻修繕工作得以廣泛開展[1-2].截至2016年5月4日，國(guó)務(wù)院已將129座城市列為國(guó)家歷史文化名城，并對(duì)這些城市的文化遺跡進(jìn)行了重點(diǎn)保護(hù).古建筑的修補(bǔ)與維修是世界公認(rèn)的難題，英國(guó)文物建筑與歷史地段保護(hù)協(xié)會(huì)主席Feilden[3]提出在文物建筑維修工作中，古城墻修繕上須遵循古法進(jìn)行，以減少新舊材料的差異性，避免造成結(jié)構(gòu)行為的改變而破壞原有建筑物的安全.中國(guó)大多數(shù)古城墻在建造時(shí)均使用石灰作為膠凝材料，經(jīng)歷史實(shí)踐證明其性能是極為優(yōu)異的[4-5].因此，在古城墻的修繕中仍優(yōu)先推選石灰質(zhì)修補(bǔ)材料.然而，氣硬性石灰質(zhì)材料的早期強(qiáng)度低，凝結(jié)硬化慢，硬化時(shí)體積變形大和耐水性差，在潮濕或水下環(huán)境下易分解潰散[6]，使用效果不理想.而水硬性石灰兼有水泥與氣硬性石灰的多種特性，在古建筑修復(fù)中是水泥和氣硬性石灰無(wú)法替代的修補(bǔ)材料，并且在未來(lái)的古建筑修復(fù)中將發(fā)揮重大的作用.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文在前期研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制備了古建修復(fù)用水硬性石灰質(zhì)材料，系統(tǒng)研究了其碳化性能、抗凍性能、抗硫酸鹽侵蝕等耐久性能，以期為古建修復(fù)用水硬性石灰材料的設(shè)計(jì)、制備、應(yīng)用提供理論指導(dǎo).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

白色硅酸鹽水泥(白水泥)P·W 32.5，其化學(xué)組成1)如表1所示；市售熟石灰，Ca(OH)2含量≥95%，粒徑0.076mm；重鈣微粉，CaCO3含量≥38%，粒徑0.040mm；活性微粉為礦渣，白度≥80；普通河砂，細(xì)度模數(shù)2.6；無(wú)水硫酸鋁，分析純；聚丙烯纖維、石絨，兩者的物理力學(xué)性能如表2所示.

1)本文所涉及的組成、含量和水膠比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.

表1 水泥的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition(by mass) of cement %

表2 2種纖維的物理力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of two kinds of fiber

1.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中水硬性石灰砂漿的水膠比為0.55，膠砂比為1∶3，其配合比如表3所示；對(duì)比砂漿的配合比及力學(xué)性能如表4所示，其中CM為水泥砂漿，LM為傳統(tǒng)石灰砂漿.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1制備工藝

按照表3，4所示配合比稱取原材料，先將熟石灰、水泥、重鈣微粉、活性微粉等粉體混合攪拌2～3min；加水及外加劑攪拌均勻后加入細(xì)集料、纖維/石絨并再次攪拌均勻；采用振動(dòng)成型，砂漿試件尺寸為40mm× 40mm×160mm.將試件帶模置于室內(nèi)養(yǎng)護(hù)3d 后脫模，然后分別將試件自然養(yǎng)護(hù)((20±3) ℃，相對(duì)濕度60%～70%)和加速碳化養(yǎng)護(hù)((20±3) ℃，CO2濃度(3±1)%，相對(duì)濕度(70±5)%).

表3 水硬性石灰砂漿試驗(yàn)配合比Table 3 Mix proportion(by mass) of hydraulic lime mortar %

表4 對(duì)比砂漿的配合比及力學(xué)性能Table 4 Mix proportion and mechanical properties of cement mortar

1.3.2微觀分析

采用D8-Discover型X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析，(XRD)Cu靶，工作電壓40kV，電流40mA，測(cè)量的2θ角度掃描范圍選取5°～80°，步寬0.02°(2θ).微觀形貌分析采用Sirion場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，電流0.8mA，電壓130kV.

1.3.3抗凍試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行慢凍試驗(yàn).

1.3.4抗硫酸鹽試驗(yàn)

(1)全浸泡試驗(yàn)：參照GB/T 50082—2009，將試件置于80℃烘箱中烘至恒重，記錄初始質(zhì)量M0，超聲波速V0，再將試件浸泡于5%的Na2SO4溶液之中，10d后再放入烘箱中烘至恒重，再次測(cè)試其質(zhì)量和超聲波速.(2)干濕循環(huán)、硫酸鹽雙因素耦合試驗(yàn)：依據(jù)GB/T 50082—2009進(jìn)行，即將試件置于5%的Na2SO4溶液中浸泡15h，然后在80℃下烘干6h，冷卻3h，如此為1個(gè)循環(huán).

1.3.5相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率的表征

依據(jù)GB/T 50082—2009，對(duì)試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率進(jìn)行檢測(cè)表征.

2 結(jié)果與討論

2.1 水化產(chǎn)物與微觀形貌

2.1.1X射線衍射(XRD)分析

對(duì)自然養(yǎng)護(hù)28d的試件CM，LM，L1，L1A1進(jìn)行XRD分析，其圖譜如圖1所示.由圖1可見(jiàn)，試件CM的水化產(chǎn)物主要有鈣礬石，CH，未反應(yīng)C3S顆粒以及C-S-H，C-A-H凝膠；試件LM的水化產(chǎn)物主要是CH及少量CaCO3；試件L1的水化產(chǎn)物有CH，未反應(yīng)的C3S顆粒，C-S-H，C-A-H凝膠，沒(méi)有鈣礬石衍射峰，說(shuō)明L1中的水泥在強(qiáng)堿環(huán)境下水化受阻，主要依靠活性微粉與CH反應(yīng)生成凝膠，即活性微粉的摻入能夠提高水硬性石灰強(qiáng)度.與試件L1相比，L1A1的鈣礬石衍射峰表明鋁制外加劑與CH反應(yīng)生成了高活性的次生石膏，促進(jìn)了鈣礬石生成，既加速其早期硬化，又能補(bǔ)償其早期干燥收縮.

圖1 自然養(yǎng)護(hù)28d條件下試件CM，LM，L1，L1A1 的水化產(chǎn)物XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of hydrate of sample CM， LM， L1， L1A1 under 28d natural curing

在加速碳化條件下，試件L1，LM和L1A的水化產(chǎn)物XRD圖譜如圖2所示.由圖2可見(jiàn)，試件LM中的CH衍射峰減弱，出現(xiàn)了大量CaCO3衍射峰；試件L1中CH衍射峰消失，C3S衍射峰減弱，同時(shí)CaCO3，C-S-H，C-A-H凝膠的衍射峰增強(qiáng)；試件L1A1中鈣礬石、CH的衍射峰消失，CaCO3，C-S-H，C-A-H凝膠的衍射峰增強(qiáng).這表明碳化能夠?qū)⒃嚰﨤M中的CH轉(zhuǎn)化為CaCO3，顆粒之間形成密實(shí)結(jié)構(gòu)；對(duì)于試件L1和L1A1，碳化能夠促進(jìn)其中的未水化水泥顆粒水化，從而提高其強(qiáng)度.

圖2 加速碳化條件下試件L1，LM和L1Al的 水化產(chǎn)物XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of hydrate of sample L1,LM,L1A1 under carbonization curing

2.1.2掃描電鏡(SEM)分析

對(duì)自然養(yǎng)護(hù)28d和加速碳化條件下的試件LM，L1，L1Al進(jìn)行微觀形貌分析，結(jié)果如圖3，4所示.對(duì)比圖3，4可以發(fā)現(xiàn)，自然養(yǎng)護(hù)條件下，試件LM中有大量球狀CaCO3顆粒和部分板狀的Ca(OH)2晶體，形成疏松結(jié)構(gòu)；加速碳化條件下，試件LM的水化產(chǎn)物為大量緊密堆積的CaCO3顆粒.與自然養(yǎng)護(hù)條件相比，加速碳化條件下，試件L1中大量片狀的Ca(OH)2晶體被碳化成CaCO3顆粒.自然養(yǎng)護(hù)條件下，試件L1A1的水化產(chǎn)物主要是C-S-H 凝膠、大量的針棒狀鈣礬石及部分層片狀的水化鋁酸鹽，無(wú)片狀的Ca(OH)2晶體，微觀結(jié)構(gòu)比試件L1更為致密；加速碳化條件下，試件L1A1中主要是片狀的水化鋁酸鹽、C-S-H凝膠和CaCO3顆粒，它們相互搭接形成致密結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)明顯的片狀Ca(OH)2晶體和鈣礬石結(jié)構(gòu).結(jié)果表明，碳化形成的CaCO3顆粒細(xì)化了孔徑，有助于提高試件LM，L1，L1Al的強(qiáng)度.

2.2 碳化時(shí)間對(duì)水硬性石灰力學(xué)性能的影響

將試件LM，L1，L1A1，L1SP3分別置于加速碳化箱和自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，在不同碳化時(shí)間(12，24，36，72h)以及自然養(yǎng)護(hù)72h后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如表5所示.由表5可見(jiàn)，碳化72h后試件LM，L1，L1A1，L1SP3的抗壓強(qiáng)度分別是自然養(yǎng)護(hù)條件下的7.50，1.33，1.42，1.31倍.由圖3,4可知，LM，L1，L1A1這3種試件內(nèi)部的CH碳化形成了大量CaCO3， 致其結(jié)構(gòu)更加密實(shí)[7].隨著碳化時(shí)間延長(zhǎng)，試件的抗壓強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，但是增長(zhǎng)速率逐漸減小，且有如下關(guān)系：LM>L1A1>L1SP3>L1.由此可知，碳化條件下，在水硬性石灰砂漿中摻加鋁制外加劑有利于其強(qiáng)度發(fā)展.

圖3 自然養(yǎng)護(hù)28d條件下各試樣的微觀形貌Fig.3 SEM images of sample LM,L1,L1A1 under 28d natural curing

圖4 加速碳化條件下各試樣的微觀形貌Fig.4 SEM images of sample LM,L1,L1A1 under carbonization curing

表5 兩種養(yǎng)護(hù)條件下砂漿試樣的抗壓強(qiáng)度Table 5 Compressive strength of mortar in two conditions MPa

2.3 水硬性石灰砂漿的抗凍性能

在凍融環(huán)境下，測(cè)試試件LM，CM，L1，L1Al，L1PF1和L1SP3的質(zhì)量損失率及相對(duì)動(dòng)彈性模量(Er)，結(jié)果如圖5，6所示.由圖5(a)，圖6(a)可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件LM的質(zhì)量增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量增加，經(jīng)歷70次凍融循環(huán)后其質(zhì)量達(dá)到最大，但在經(jīng)歷50次凍融循環(huán)后其相對(duì)動(dòng)彈性模量急劇減少，說(shuō)明試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞速率急劇增大；試件L1在經(jīng)歷113次凍融循環(huán)后質(zhì)量減小，相對(duì)動(dòng)彈性模量急劇減小，試件LM和L1分別在經(jīng)歷113，125次凍融循環(huán)后失效.經(jīng)歷115次凍融循環(huán)后，試件CM的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量只有微小的變化，無(wú)明顯凍融破壞.這是由于石灰砂漿中孔隙較為粗大，冰融化時(shí)滲入水分增加，當(dāng)其再次受凍結(jié)冰時(shí)會(huì)增加孔壓，多次凍融循環(huán)的累積結(jié)果導(dǎo)致石灰結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞.由自然養(yǎng)護(hù)條件下試件水化產(chǎn)物的XRD圖譜(見(jiàn)圖1)可知，試件LM的硬化主要依靠其表面CH碳化形成CaCO3，在表面與CH形成交織的結(jié)晶網(wǎng)，而試件CM的硬化主要依靠C3S，C2S，C3A和C4AF水化形成更致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此試件CM的抗凍性能要明顯高于試件LM.試件L1兼具上述兩者的反應(yīng)機(jī)制，既能降低新舊材料間的差異性，又具有較為優(yōu)異的抗凍性能.

由圖5(b)，圖6(b)可知，試驗(yàn)前期L1,L1A1,L1PF1,L1SP3這4種試件的質(zhì)量均略有增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量也有增加，當(dāng)其相對(duì)動(dòng)彈性模量開始減小時(shí)，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始破壞，但表面尚無(wú)明顯破損，質(zhì)量也未減小.經(jīng)歷103次凍融循環(huán)后，試件L1，L1A1，L1SP3表面出現(xiàn)了宏觀裂紋，相對(duì)動(dòng)彈性模量急劇降低，質(zhì)量損失率急劇增加，其中試件L1A1的質(zhì)量損失率最大，這是由于鋁制外加劑能促進(jìn)鈣礬石的生成，使其抗凍性能下降.試件L1PF1在經(jīng)歷116次凍融循環(huán)后，僅在邊角處出現(xiàn)細(xì)微裂紋，且無(wú)明顯的凍融破壞，這主要是由于其中的纖維能限制并阻礙裂縫的產(chǎn)生，同時(shí)能減小砂漿孔徑，抑制水分入侵，從而提高水硬性石灰砂漿的抗凍性能[8-9].綜上所述，摻加鋁制外加劑、纖維和石絨均有助于提高水硬性石灰基準(zhǔn)砂漿的抗凍性，其中摻加0.1%纖維最優(yōu).

圖5 凍融環(huán)境下各試件的質(zhì)量損失率Fig.5 Mass loss ratio of samples under freeze-thaw cycles

圖6 凍融環(huán)境下各試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量Fig.6 Relative dynamic elastic modulus of samples under freeze-thaw cycles

2.4 水硬性石灰的抗硫酸鹽腐蝕性能

2.4.1硫酸鹽全浸泡

在硫酸鹽全浸泡環(huán)境下，測(cè)試試件LM，CM，L1，L1Al和L1SP3的質(zhì)量損失率及相對(duì)動(dòng)彈性模量，結(jié)果如圖7,8所示.由圖7(a)，圖8(a)可知，在硫酸鹽全浸泡早期，試件LM，CM，L1的質(zhì)量增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量整體呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谌莪h(huán)境中相對(duì)濕度不變，試件中硫酸鈉結(jié)晶相變應(yīng)力無(wú)物理破壞，質(zhì)量增加主要是由于硫酸鈉的填充作用.在硫酸鹽全浸泡環(huán)境下20d后，試件LM，L1的質(zhì)量損失率開始增加，但相對(duì)動(dòng)彈性模量沒(méi)有減小，說(shuō)明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)尚未破壞；在硫酸鹽全浸泡環(huán)境下50d后，試件LM，L1的質(zhì)量損失率分別為10.1%，3.9%.由微觀分析可知，自然養(yǎng)護(hù)條件下試件LM的結(jié)構(gòu)比L1疏松，因此傳統(tǒng)石灰砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能要比水硬性石灰砂漿差.

由圖7(b)，圖8(b)可知，在硫酸鹽全浸泡環(huán)境下20d內(nèi)，試件L1A1，L1SP3的質(zhì)量增長(zhǎng)率分別為0.76%，0.66%；在硫酸鹽全浸泡環(huán)境下30d內(nèi)，試件L1A1的相對(duì)動(dòng)彈性模量先增加后不變，40d后逐漸提高，而試件L1SP3的相對(duì)動(dòng)彈性模量先減小然后保持穩(wěn)定，30d后開始波動(dòng).在硫酸鹽全浸泡環(huán)境下50d時(shí)，試件L1，L1A1和L1SP3的質(zhì)量損失率分別為3.9%，2.2%，2.4%，相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為1.16，1.09，1.03.結(jié)果表明，鋁制外加劑、石絨能夠有效改善水硬性石灰砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能，其中鋁制外加劑為最優(yōu).

2.4.2硫酸鹽-干濕循環(huán)耦合

在硫酸鹽-干濕循環(huán)耦合環(huán)境下，測(cè)試試件LM，CM，L1，L1Al和L1SP3的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量，如圖9,10所示.由圖9(a)，圖10(a)可知，在前5次硫酸鹽-干濕循環(huán)中，試件CM，L1的質(zhì)量增加，而試件LM的質(zhì)量減少，但試件L1的相對(duì)動(dòng)彈性模量并未增加；隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，經(jīng)歷40次干濕循環(huán)后試件CM，L1，LM的質(zhì)量損失率分別達(dá)到8.5%，37.2%，84.6%，相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為1.16，0.72，0.80.石灰砂漿碳化后生成的碳酸鈣微溶于水，長(zhǎng)期浸泡于硫酸鹽中會(huì)導(dǎo)致顆粒間的鍵合力減弱，而由干濕交替引起的濃度梯度和濕度梯度又會(huì)加速其損傷劣化，從而使得試件LM的質(zhì)量急劇減少.由微觀分析可知，試件L1的微結(jié)構(gòu)較LM更加密實(shí)，其損傷劣化速度得到明顯改善，在經(jīng)歷40次干濕循環(huán)后的質(zhì)量損失率僅為試件LM的0.44倍.

圖7 硫酸鹽全浸泡環(huán)境下各試件的質(zhì)量損失率Fig.7 Mass loss ratio of samples under sulfate solution immersion

圖8 硫酸鹽全浸泡環(huán)境下各試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量Fig.8 Relative dynamic elastic modulus of samples under sulfate solution immersion

圖9 硫酸鹽-干濕循環(huán)耦合環(huán)境下各試件的質(zhì)量損失率Fig.9 Mass loss ratio of samples under sulfate and dry-wet cycles

圖10 硫酸鹽-干濕循環(huán)耦合環(huán)境下砂漿的相對(duì)動(dòng)彈性模量Fig.10 Relative dynamic elastic modulus of samples under sulfate and dry-wet cycles

圖9(b)，圖10(b)表明，試件L1，L1Al和L1SP3的質(zhì)量損失率在經(jīng)歷5次干濕循環(huán)后即不斷增加，到10次循環(huán)后，它們的質(zhì)量損失率增大，相對(duì)動(dòng)彈性模量急劇減小，至40次循環(huán)后，試件L1，L1Al和L1SP3 的質(zhì)量損失率分別為37.2%，24.6%和26.3%，相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為0.75，0.80和0.80.結(jié)果表明，摻加鋁制外加劑和石絨能夠明顯改善水硬性石灰砂漿在硫酸鹽-干濕循環(huán)耦合環(huán)境下的耐久性能.在干濕循環(huán)作用下，雖然試件L1A1和L1SP3的質(zhì)量損失率增大，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好，水硬性石灰砂漿的破壞主要依靠硫酸鹽對(duì)砂漿的溶解腐蝕作用.

3 結(jié)論

(1)在碳化過(guò)程中，CO2與Ca(OH)2反應(yīng)生成CaCO3，從而提高了砂漿強(qiáng)度.隨著碳化時(shí)間的延長(zhǎng)，各砂漿的抗壓強(qiáng)度不斷提高，其中傳統(tǒng)石灰砂漿的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)最快.

(2)水硬性石灰基準(zhǔn)砂漿的抗凍性較傳統(tǒng)石灰砂漿有明顯提高；摻加0.1%聚丙烯纖維能減小砂漿的孔徑，減少進(jìn)入砂漿毛細(xì)孔的水分，從而提高砂漿的抗凍性.

(3)砂漿抗硫酸鹽腐蝕性能的大小關(guān)系如下：摻加1%鋁制外加劑的水硬性石灰砂漿>摻加3%石絨的水硬性石灰砂漿>水硬性石灰基準(zhǔn)砂漿>傳統(tǒng)石灰砂漿.

(4)摻鋁制外加劑和石絨能夠改善水硬性石灰砂漿在硫酸鹽-干濕循環(huán)耦合環(huán)境下的耐久性能.

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