天然水硬性石灰的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合改性研究

宗 翔 張全政

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

0 前 言

磚石文物建筑因長期遭受周圍環(huán)境侵蝕和人為破壞，會出現(xiàn)不同程度的損傷、開裂、缺失，甚至倒塌[1-2]。因此，找到性能良好的建筑膠凝材料對文物建筑修復(fù)至關(guān)重要。

天然水硬性石灰具有強(qiáng)度適中、兼容性好等優(yōu)點，逐漸受到文物建筑修復(fù)者的關(guān)注與青睞[3-4]。天然水硬性石灰克服了水泥的不可逆性及低塑性等缺點，同時克服了傳統(tǒng)灰漿早期強(qiáng)度低、收縮大、易開裂等不足[5-7]。但天然水硬性石灰存在耐久性差、成本過高等問題[8]。文獻(xiàn)[9]中，采用硅藻土替代部分天然水硬性石灰，不僅能降低成本，還能提高砂漿的耐久性。文獻(xiàn)[10]中，以重鈣粉、偏高嶺土、木質(zhì)纖維、膨脹劑為影響因素進(jìn)行正交實驗，研究表明，木質(zhì)纖維的摻入使天然水硬性石灰的抗壓、抗折強(qiáng)度提高，但流動性變差。文獻(xiàn)[11]中，采用異丁基三乙氧基硅烷對天然水硬性石灰進(jìn)行了改性研究，結(jié)果表明，改性后天然水硬性石灰的抗折強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度均提高，但其抗壓強(qiáng)度降低，砂漿的耐凍融循環(huán)變差。

本次研究以有機(jī)改性劑糯米漿、無機(jī)改性劑硅灰和紙筋纖維為原料，對天然水硬性石灰進(jìn)行有機(jī)/無機(jī)復(fù)合改性研究。通過正交實驗確定各因素對其性能的影響，利用電鏡掃描對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，進(jìn)一步分析復(fù)合砂漿的作用機(jī)理，最終得到最優(yōu)配比。

1 天然水硬性石灰改性實驗

1.1 實驗材料與儀器

主要實驗材料：天然水硬性石灰(NHL2)由德國Hessler Kalkwerke GmbH公司生產(chǎn)；硅灰(SF)由河南鉑潤鑄造材料有限公司生產(chǎn)；標(biāo)準(zhǔn)砂(SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%)由廈門艾思?xì)W有限公司生產(chǎn)；衛(wèi)生紙為清風(fēng)牌；糯米為鳳王牌。其中，NHL2與SF的化學(xué)組成如表1所示。

表1 NHL2與SF的化學(xué)組成

主要實驗儀器：水泥膠砂攪拌機(jī)；流動度測試儀；STDKZ-5000型水泥電動抗折機(jī)；DYE-300型數(shù)字式壓力試驗機(jī)；TEST-1000高低溫試驗箱；電熱鼓風(fēng)干燥箱；FlexSEM1000型電子顯微鏡等。

1.2 實驗方案設(shè)計

實驗包括硅灰(SF)替代部分NHL2、糯米漿(GR)和紙筋纖維(PT)等3個影響因素，采用正交實驗的方法來確定其最優(yōu)配比。針對這3個因素，每個因素分別設(shè)置4個水平，正交實驗各因素和水平如表2所示。根據(jù)實驗因素水平，共設(shè)計16組實驗，每組3個試塊。實驗試塊由40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂試模澆筑而成，將其在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)72 h后脫模，將脫模后的試塊繼續(xù)放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后取出備用。

表2 實驗因素水平表

1.3 材料預(yù)處理

材料的預(yù)處理包括：

(1) 糯米漿的熬制。配置質(zhì)量濃度為4%的糯米漿，將其放置于溫度為100 ℃的電飯鍋中，期間定時加水，使糯米漿的質(zhì)量濃度保持不變，熬制 90 min，將冷卻后的糯米漿分別稀釋至質(zhì)量濃度為4%、3%、2%、1%，備用。

(2) 衛(wèi)生紙的處理。將衛(wèi)生紙撕碎放在熱水中浸泡，當(dāng)其充分分散溶解后，去除多余水分，備用。

1.4 實驗方法

使用流動度測試儀對各組砂漿初始流動度進(jìn)行測試?？拐?、抗壓強(qiáng)度按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671 — 1999)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測試。各組試件的吸水率和收縮率參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70 — 2009)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測試。凍融循環(huán)參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082 — 2009)中慢凍法的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行氣凍氣融，具體方法為：將試件放在(20±2)℃水中浸泡，達(dá)到飽和狀態(tài)后取出，擦除試件表面水分，將其先后放入高低溫實驗箱進(jìn)行4 h的冷凍(-15 ℃)和4 h的融化(15 ℃)，循環(huán)20次后測試其強(qiáng)度損失率。

2 結(jié)果與分析

2.1 極差分析

天然水硬性石灰砂漿正交實驗結(jié)果如表3所示。

表3 天然水硬性石灰砂漿正交實驗結(jié)果

2.2.1 各因素對砂漿流動度的影響

SF、GR和PT的摻量對砂漿流動度的影響如圖1所示，砌筑砂漿最優(yōu)流動度范圍為15～19 cm。硅灰和紙筋纖維具有較強(qiáng)的吸水性，流動度隨著硅灰和紙筋纖維摻量的增加而降低，而糯米漿對砂漿流動度影響較小。各因素對砂漿流動度的影響程度由大到小為PT、SF、GR。

圖1 各因素對砂漿流動度的影響

2.2.2 各因素對砂漿收縮率的影響

SF、GR和PT的摻量對砂漿收縮率的影響如圖2所示。隨著硅灰摻量的增加，砂漿收縮率逐漸增大，這是由于硅灰具有較強(qiáng)的火山灰活性，可加速膠凝體系的水化進(jìn)程，使砂漿填充作用增加、孔隙減小，最終導(dǎo)致砂漿收縮率的增大[12]。隨著糯米漿摻量的增加，砂漿的收縮率逐漸增大，這是由于在糊化過程中，糯米漿中的淀粉顆粒會發(fā)生膨脹，但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，淀粉顆粒中水分的散發(fā)會使其體積收縮[13]，砂漿收縮率的增幅達(dá)到44.05%。隨著紙筋纖維摻量的增加，砂漿的收縮率逐漸減小，這主要是由于紙筋纖維的保水性和拉結(jié)效應(yīng)，砂漿降幅達(dá)到25.45%。各因素對砂漿收縮率的影響程度由大到小為GR、SF、PT，砂漿收縮率的最優(yōu)配比組合為A1B1C4。

圖2 各因素對砂漿收縮率的影響

2.2.3 各因素對砂漿吸水率的影響

硅灰、糯米漿和紙筋纖維的摻量對砂漿吸水率的影響如圖3所示。隨著硅灰摻量的增加，砂漿吸水率呈先上升后下降的趨勢。這是由于硅灰具有多孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)硅灰摻量較少時，硅灰與NHL2反應(yīng)所生成的水化產(chǎn)物不足以填充砂漿孔隙，最終導(dǎo)致吸水率上升。但當(dāng)硅灰摻量超過15%時，硅灰與NHL2反應(yīng)所生成的水化產(chǎn)物填充了砂漿孔隙，從而導(dǎo)致砂漿吸水率的下降[14]。隨著糯米漿摻量的增加，砂漿吸水率呈逐漸下降的趨勢。這是由于糯米漿糊化后具有較強(qiáng)的黏性，且糯米漿中的淀粉顆粒吸水后會發(fā)生膨脹，從而導(dǎo)致砂漿吸水率的降低。隨著紙筋纖維摻量的增加，砂漿吸水率呈逐漸上升趨勢。這是由于紙筋纖維有較強(qiáng)的吸水性。各因素對砂漿吸水率的影響程度由大到小為GR、PT、SF，砂漿吸水率的最優(yōu)配比組合為A1B4C1。

圖3 各因素對砂漿吸水率的影響

2.2.4 各因素對砂漿抗折強(qiáng)度的影響

SF、GR和PT摻量對砂漿抗折強(qiáng)度的影響如圖4所示。隨著硅灰摻量的增加，砂漿抗折強(qiáng)度整體呈上升趨勢。這是由于硅灰和NHL2中的Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成大量的水化產(chǎn)物C—S—H，使其抗折強(qiáng)度增大。但當(dāng)硅灰摻量為15%時，其抗折強(qiáng)度降低，這是由于當(dāng)硅灰摻量達(dá)到特定范圍時，添加的硅灰所提供的強(qiáng)度低于天然水硬性石灰的強(qiáng)度損失[9]。隨著糯米漿摻量的增加，砂漿抗折強(qiáng)度逐漸降低。這是由于糯米漿中含有大量有機(jī)物，可起到緩凝劑作用，抑制了NHL2中的碳化反應(yīng)，使其力學(xué)性能下降[15]。隨著紙筋纖維摻量的增加，砂漿抗折強(qiáng)度整體呈先上升后下降的趨勢，這是由于當(dāng)紙筋纖維的摻量過大時，紙筋纖維會發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，使其抗折強(qiáng)度降低[16]。各因素對砂漿抗折強(qiáng)度影響程度由大到小為SF、GR、PT，砂漿抗折強(qiáng)度的最優(yōu)配比組合為A4B1C3。

圖4 各因素對砂漿抗折強(qiáng)度的影響

2.2.5 各因素對砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

SF、GR和PT摻量對砂漿抗壓強(qiáng)度的影響如圖5所示。硅灰對砂漿的抗壓強(qiáng)度影響最大，隨著硅灰摻量的增加，砂漿抗壓強(qiáng)度逐漸增大。隨著糯米漿摻量的增大，砂漿抗壓強(qiáng)度逐漸降低。紙筋纖維摻量對抗壓強(qiáng)度影響不大。各因素對砂漿抗壓強(qiáng)度影響程度由大到小為SF、GR、PT，砂漿抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)配比組合為A4B1C4。

圖5 各因素對砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

2.2.6 各因素對砂漿抗折強(qiáng)度損失率的影響

SF、GR和PT摻量對砂漿抗折強(qiáng)度損失率的影響如圖6所示。隨著硅灰摻量的增加，砂漿抗折強(qiáng)度損失率總體呈上升趨勢。這是由于摻入硅灰后，試件的吸水率增大，使其更容易發(fā)生凍融損傷，從而導(dǎo)致試件的抗折強(qiáng)度損失率增加。隨著糯米漿摻量的增加，砂漿抗折強(qiáng)度損失率逐漸下降。這是由于糯米漿的摻入會使砂漿的吸水率降低，從而有效減緩了凍融循環(huán)造成的破壞。隨著紙筋纖維摻量的增加，砂漿抗壓強(qiáng)度損失率先降低后增加，這是由于紙筋纖維內(nèi)有空腔結(jié)構(gòu)能夠保存部分水分，起到“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”的作用，從而提高了砂漿的碳化程度，使砂漿結(jié)構(gòu)更緊密[16]。各因素對砂漿抗折強(qiáng)度損失率的影響程度由大到小為SF、GR、PT，凍融循環(huán)后砂漿抗折強(qiáng)度損失率的最優(yōu)配比組合為A1B4C3。

圖6 各因素對砂漿抗折強(qiáng)度損失率的影響

2.2.7 各因素對砂漿抗壓強(qiáng)度損失率的影響

SF、GR和PT摻量對砂漿抗壓強(qiáng)度損失率的影響如圖7所示。隨著硅灰摻量的增加，砂漿抗壓強(qiáng)度損失率呈先下降后上升的趨勢。這是由于硅灰發(fā)生火山灰反應(yīng)時生成大量C—S—H,使砂漿抗壓強(qiáng)度損失率下降，但當(dāng)硅灰摻量過多時，火山灰反應(yīng)不充分，使砂漿抗壓強(qiáng)度損失率不斷增加。隨著糯米漿摻量的增加，砂漿抗壓強(qiáng)度損失率整體呈上升趨勢，這主要是由于糯米漿的緩凝作用。隨著紙筋纖維摻量的增加，砂漿抗壓強(qiáng)度損失率整體呈下降趨勢。各因素對砂漿抗壓損失率的影響程度由大到小為SF、GR、PT，凍融循環(huán)后砂漿抗壓強(qiáng)度損失率的最優(yōu)配比組合為A2B1C4。

圖7 各因素對砂漿抗壓強(qiáng)度損失率的影響

本次研究通過正交實驗所確定的最優(yōu)配比組合為A4B1C3，即硅灰對NHL2的替代率為20%，糯米漿體積摻量為1.0%，紙筋纖維體積摻量為1.5%。此時，天然水硬性石灰砂漿具有適中的流動度，較低的收縮率和吸水率，較高的抗折、抗壓強(qiáng)度，以及較好的耐久性。

3 結(jié) 語

硅灰的摻入能提高天然水硬性石灰砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度，但同時會造成砂漿收縮率、吸水率的上升；糯米漿能夠有效降低砂漿的吸水率，具有良好的防水效果，但其會對砂漿力學(xué)強(qiáng)度造成不利的影響；紙筋纖維能夠使砂漿的收縮率明顯下降，使砂漿的抗折強(qiáng)度增大，且對砂漿的抗凍性能有良好的效果。

通過正交實驗確定的最優(yōu)配比組合為A4B1C3，即硅灰對NHL2的替代率為20%，糯米漿摻量為1%，紙筋纖維摻量為1.5%，有機(jī)/無機(jī)復(fù)合改性砂漿具有低成本、較高的強(qiáng)度、良好的工作性能和耐久性能等優(yōu)點，可為文物建筑修復(fù)提供性能優(yōu)異的材料和數(shù)據(jù)支撐。