糯米灰漿研究現(xiàn)狀及替代品探討

張琪 敬登虎

摘 要：磚砌體的粘結(jié)材料在我國(guó)已有近2000多年的發(fā)展歷史。在石灰漿中摻入糯米漿液形成的糯米灰漿具有良好的粘結(jié)性能，其在中國(guó)修建的城墻當(dāng)中得到了大量的應(yīng)用。文章針對(duì)糯米灰漿的相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，解析了糯米灰漿的工作機(jī)理、性能、配制以及添加劑的改性特點(diǎn)。除此之外，文章建議可采用有機(jī)高分子聚合物取代糯米漿液拌制改性石灰漿，初步的試驗(yàn)結(jié)果表明：有機(jī)高分子聚合物改性石灰漿具有優(yōu)良的粘結(jié)性能與耐水性。

關(guān)鍵詞：石灰漿；糯米灰漿；添加劑；高分子聚合物

在土建工程中，能夠?qū)⑺缮⒌膲K體或砂石粘結(jié)成整體的拌合物被統(tǒng)稱(chēng)為粘結(jié)材料。粘結(jié)材料根據(jù)其化學(xué)成分的不同可分為兩大類(lèi)，即無(wú)機(jī)粘結(jié)材料和有機(jī)粘結(jié)材料。其中，無(wú)機(jī)粘結(jié)材料按其硬化機(jī)理又可以分為兩大類(lèi)，即通常所說(shuō)的水硬性粘結(jié)材料和氣硬性粘結(jié)材料。水硬性粘結(jié)材料除了能在空氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行凝結(jié)硬化外，也能在潮濕環(huán)境甚至水中進(jìn)行凝結(jié)硬化，因此它既適用于一般的室內(nèi)環(huán)境，也能適用于潮濕環(huán)境甚至水中，如各種類(lèi)型的水泥。但是，氣硬性粘結(jié)材料卻只能在空氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行凝結(jié)硬化，所以其只適用于一般室內(nèi)環(huán)境，不能用于相對(duì)潮濕的環(huán)境，否則硬化反應(yīng)會(huì)終止或者已硬化產(chǎn)物遇水會(huì)發(fā)生溶解現(xiàn)象，如石灰、建筑石膏和水玻璃等。有機(jī)粘結(jié)材料一般是指以人工合成或以天然的高分子化合物為主要成分的材料，如瀝青和各種天然或人造樹(shù)脂[1]。

我國(guó)使用黏土磚進(jìn)行砌墻已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，但其早期的2000多年，粘結(jié)材料主要是采用黃泥漿。大約從宋朝起，在一些特別重要的建筑物中，所用的粘結(jié)材料會(huì)摻入少量石灰構(gòu)成的石灰漿、石灰黏土漿、石糯米灰漿[2]。尤其在明代的城墻修建過(guò)程中，糯米灰漿得到了廣泛的應(yīng)用。毫無(wú)疑問(wèn)，黃泥漿的強(qiáng)度與耐水性都比較差，這也是我國(guó)古建筑中磚石墻體絕大多數(shù)僅作為建筑物的圍護(hù)墻體而非承重墻體的主要原因。文獻(xiàn)[3]的試驗(yàn)結(jié)果表明：明代所采用的糯米灰漿目前實(shí)測(cè)的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到砌筑砂漿M2.5～M5.0強(qiáng)度等級(jí)。

文獻(xiàn)[4]概述了古代石灰基（氣硬性）粘結(jié)材料的發(fā)展歷程，通過(guò)大量史料考證了糯米灰漿三合土（簡(jiǎn)稱(chēng)糯米灰漿）在中國(guó)古代建筑史上的重要作用和歷史地位，證明在無(wú)機(jī)材料中添加有機(jī)材料是中國(guó)古代建筑粘結(jié)材料有重要進(jìn)展的鮮明特點(diǎn)。由于糯米灰漿在粘結(jié)強(qiáng)度、韌性和防滲性等方面的優(yōu)良性能，以糯米灰漿為代表的傳統(tǒng)灰漿是當(dāng)時(shí)世界的一項(xiàng)重要技術(shù)成果。

水硬性石灰屬于硅酸鹽建筑材料中的一種，國(guó)外于20世紀(jì)70年代開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行了大量的研究工作，并將其廣泛應(yīng)用于文物建筑工程的修繕。我國(guó)目前對(duì)于水硬性石灰的研究與應(yīng)用工作則明顯滯后與國(guó)外，但是此類(lèi)材料在我國(guó)也不應(yīng)屬于新鮮事物，早在幾千年前已經(jīng)出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)主要用于寺院之類(lèi)的重要建筑物修建[5]。但需要特別強(qiáng)調(diào)的是，國(guó)外和我國(guó)所提的水硬性石灰在制造工藝上存在明顯的差異。在國(guó)外，燒制石灰的原材料中自然帶有水硬性和氣硬性組分。在我國(guó)水硬性石灰一般特指仰韶水泥，其屬于人工配制合成的。

自從1842年波特蘭水泥的問(wèn)世，無(wú)論在中國(guó)或者歐洲，都逐漸采用水泥基砂漿取代石灰基砂漿砌筑和修補(bǔ)砌體結(jié)構(gòu)。隨之也帶來(lái)一個(gè)很大的問(wèn)題，水硬性水泥基砂漿在修復(fù)文物建筑時(shí)與早期的石灰基砂漿存在很大的不相容性[6][7]。這類(lèi)缺陷主要表現(xiàn)為水泥基砂漿的強(qiáng)度和彈性模量大、水蒸氣滲透性不足以及存在堿金屬氫氧化物。堿金屬氫氧化物可與鹽溶液反應(yīng)，并通過(guò)毛細(xì)吸收滲透，從而產(chǎn)生可溶性鹽。由此可能進(jìn)一步破壞既有的文物建筑，縮短其使用壽命。

由此，在文物建筑的修繕過(guò)程中，多數(shù)專(zhuān)家、學(xué)者均強(qiáng)烈反對(duì)濫用水泥，建議在條件允許的情況下盡量使用一些傳統(tǒng)的粘結(jié)材料，如灰泥類(lèi)粘結(jié)材料。在傳統(tǒng)的灰泥類(lèi)粘結(jié)材料中，應(yīng)用廣泛且強(qiáng)度較高的應(yīng)當(dāng)屬于石灰基類(lèi)粘結(jié)材料，其中最具代表性之一的就是糯米灰漿。

1 相關(guān)研究現(xiàn)狀

楊富巍等人采用現(xiàn)代科技手段對(duì)西安明代城墻的灰漿樣品進(jìn)行分析和試驗(yàn)[8]。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：明代城墻砌筑所采用泥灰類(lèi)粘結(jié)材料的主要無(wú)機(jī)成份是方解石晶型的碳酸鈣（占75%左右），有機(jī)成份主要是沒(méi)有降解的糯米成份（占5%左右），也就是說(shuō)該泥灰類(lèi)粘結(jié)材料為傳統(tǒng)的糯米灰漿。此外，試驗(yàn)結(jié)果還表明：糯米漿液可以有效地改善石灰漿的密實(shí)性、粘結(jié)性能、抗壓強(qiáng)度和耐水浸泡性等。

魏國(guó)鋒等人對(duì)不同種類(lèi)石灰制備（傳統(tǒng)）糯米灰漿的表面硬度、抗壓強(qiáng)度、耐凍融性等性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究工作[9]。石灰種類(lèi)包括分析純氫氧化鈣、分析純氧化鈣、工業(yè)灰鈣粉（氫氧化鈣含量≥90%）和工業(yè)氧化鈣，糯米漿的濃度為5%。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用分析純氧化鈣和工業(yè)氧化鈣制備的糯米灰漿的綜合性能，皆優(yōu)于采用分析純氫氧化鈣和工業(yè)灰鈣粉制備的糯米灰漿。其中，分析純氧化鈣制備的糯米灰漿的抗壓強(qiáng)度等性能好于其他的，分析純氧化鈣配置的糯米灰漿抗壓強(qiáng)度可達(dá)到0.76MPa。

為了改善石灰的收縮性、易開(kāi)裂和早期強(qiáng)度低等問(wèn)題，魏國(guó)峰等人通過(guò)SEM（掃描電鏡）和XRD（X射線衍射）等技術(shù)手段，研究了多種外加劑對(duì)糯米灰漿性能的影響[10]。在該試驗(yàn)研究中，糯米漿的濃度取為5%；石灰采用工業(yè)灰鈣粉，灰漿的水灰比為0.8。試驗(yàn)結(jié)果表明：紙筋能夠有效地提高糯米灰漿的抗壓強(qiáng)度、耐凍融性和收縮性；硫酸鋁改善糯米灰漿的干燥收縮性效果最好；二水石膏對(duì)糯米灰漿抗壓強(qiáng)度和表面硬度均有一定的提高?；谠擁?xiàng)研究工作，筆者建議在古建筑的修復(fù)實(shí)踐中，采用6%的硫酸鋁或3%的紙筋作為糯米灰漿的添加劑。

李祖光等人采用掃描電鏡和X射線衍射等分析技術(shù)，探討了硫酸鋁、明礬和工業(yè)石膏對(duì)糯米灰漿性能的影響及作用機(jī)理[11]。其中，石灰采用工業(yè)灰鈣粉。研究結(jié)果表明：硫酸鋁和明礬可以提高糯米灰漿的早期抗壓強(qiáng)度，且隨著其含量的增加而增加；硫酸鋁、明礬和工業(yè)石膏對(duì)糯米灰漿的收縮率均有降低作用，但是明礬會(huì)明顯地降低糯米灰漿的抗凍融性和耐水性。

趙鵬等人通過(guò)現(xiàn)代科技技術(shù)研究了桐油—石灰傳統(tǒng)灰漿的硬化機(jī)理、產(chǎn)物種類(lèi)與組織形貌[12]。研究結(jié)果表明：熟桐油（屬于有機(jī)物）作為外加劑的摻入可提高石灰漿的硬化速度，同時(shí)還可以使得反應(yīng)物更加密實(shí)。

唐曉武等人針對(duì)桐油和糯米汁改良土體的防滲性和耐久性進(jìn)行了試驗(yàn)研究[13]。其主要是利用桐油防滲性好、易于氧化成膜的特性和糯米汁粘稠度的特點(diǎn)，將桐油和糯米汁依照適當(dāng)比例添加到粉土、黏土和BS土（粉土中添加15%膨潤(rùn)土）中。試驗(yàn)結(jié)果表明：桐油和糯米汁可有效地降低土體的滲透系數(shù)，同時(shí)改善土體的耐久性。

2 有機(jī)高分子聚合物改性灰漿

基于國(guó)內(nèi)的既有研究成果，傳統(tǒng)的糯米灰漿是一種無(wú)機(jī)物與有機(jī)物相結(jié)合的粘結(jié)材料，兩者之間的巧妙搭配和協(xié)同作用使其具有良好的工作性能，并在工程實(shí)踐中經(jīng)過(guò)數(shù)百年的考驗(yàn)。在此基礎(chǔ)之上，如再加入合適的添加劑之后，可進(jìn)一步提升糯米灰漿的強(qiáng)度、抗?jié)B、耐水性等綜合性能。但是傳統(tǒng)糯米灰漿也有其一定的局限性，需要現(xiàn)場(chǎng)制作糯米漿液，當(dāng)工程量較大時(shí)，糯米漿液的制作相對(duì)比較麻煩。此外，傳統(tǒng)糯米漿液的強(qiáng)度來(lái)的慢，需要數(shù)天才能逐漸凝固，全部鈣化固結(jié)需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

2016年，位于四川省西昌市修建于明代的一段城墻采取傳統(tǒng)的工藝進(jìn)行修復(fù)，以糯米石灰漿砌筑墻體。其現(xiàn)場(chǎng)制作糯米漿液見(jiàn)圖1所示。但是，在施工的過(guò)程中，由于防排水措施不到位且養(yǎng)護(hù)不到位、運(yùn)轉(zhuǎn)堆放建筑材料等因素的影響下，所修復(fù)的墻體發(fā)生了局部倒塌。因此，在選擇傳統(tǒng)糯米灰漿修復(fù)時(shí)，施工組織非常關(guān)鍵。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)傳統(tǒng)糯米灰漿中的糯米漿液完全可以采用性能類(lèi)似的替代品，且選用的替代品最好具有上述研究中添加劑的附加作用。桐油與糯米漿液均為天然有機(jī)物，此處可考慮采用有機(jī)高分子聚合物代替。所代替的高分子聚合物同時(shí)具備成膜堅(jiān)韌、耐水性好、粘度高的特點(diǎn)。本文此處所采用的有機(jī)高分子聚合物替代品呈粉末狀（圖2），可直接與水混合成為漿液，然后與石灰或其他材料進(jìn)行直接拌制制成粘結(jié)材料。整個(gè)粘結(jié)材料的制作過(guò)程非常方便、快捷。

東南大學(xué)于2018年2月15日至5月11日對(duì)這種特制的有機(jī)高分子聚合物進(jìn)行了初步的浸泡對(duì)比試驗(yàn)。該試驗(yàn)共采用三種粘結(jié)材料，分別為純石灰、黃土+有機(jī)高分子聚合物、石灰+有機(jī)高分子聚合物。有機(jī)高分子聚合物的溶液濃度為3%，用上述三種粘結(jié)材料將兩塊磚粘接在一起，然后放入裝有水的水桶里完全浸泡（圖3）。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)浸泡96個(gè)小時(shí)后，純石灰試樣喪失粘結(jié)能力，且石灰的整體性喪失，即成碎末狀（圖4）；黃土+有機(jī)高分子聚合物試樣也喪失粘結(jié)能力，但其整體性基本完好（圖5）；石灰+有機(jī)高分子聚合物試樣粘結(jié)性尚好，此時(shí)仍能依靠其粘結(jié)能力將磚提起（圖6），其整體性基本完好。此后，針對(duì)石灰+有機(jī)高分子聚合物試樣一直進(jìn)行完全浸泡和跟蹤，且每天將其從水里拿出按照?qǐng)D6做法判斷其是否保持有一定的粘結(jié)能力。最終的結(jié)果表明：到了第47天，石灰+有機(jī)高分子聚合物試樣才喪失其粘結(jié)能力；直到了第85天，石灰+有機(jī)高分子聚合物試樣的整體性依然很好（圖7、圖8）。由此可見(jiàn)，采用3%濃度有機(jī)高分子聚合物溶液拌制的石灰漿具有優(yōu)良的粘結(jié)性能與耐水性。

3 結(jié)束語(yǔ)

糯米灰漿在中國(guó)修建的城墻中得到了大量的應(yīng)用。本文重點(diǎn)針對(duì)糯米灰漿的相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，詳細(xì)了解了糯米灰漿的工作機(jī)理、性能、配制以及添加劑的改性效果。此外，本文建議采用有機(jī)高分子聚合物取代糯米漿液拌制的石灰漿，初步的試驗(yàn)結(jié)果表明：有機(jī)高分子聚合物改性石灰漿具有優(yōu)良的粘結(jié)性能與耐水性。

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