本發(fā)明涉及一種天然水硬性石灰砂漿及其制備方法，尤其涉及一種巖土建筑加固修復(fù)用高性能耐久性天然水硬性石灰砂漿及其制備方法。屬于建筑材料與文物保護(hù)材料改性研發(fā)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水硬性砂漿的使用有著悠久的歷史。在18世紀(jì)隨著水硬性粘合材料的發(fā)現(xiàn)，氣硬性石灰逐漸被水硬性石灰替代。在20世紀(jì)初，波特蘭水泥由于其具有硬化速度快、力學(xué)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)而成為最主要的建筑材料，這使得水硬性石灰的應(yīng)用有所縮減。近年來由于水硬性石灰強(qiáng)度特性可滿足某些建筑結(jié)構(gòu)較低強(qiáng)度的要求及其在文物修復(fù)領(lǐng)域的優(yōu)越性，其應(yīng)用得到復(fù)蘇。天然水硬性石灰能與被加固巖土建筑很好地相容，近年來，天然水硬性石灰被廣泛應(yīng)用于古建筑特別是巖土建筑的加固修復(fù)中并取得了很好的加固效果。

近年來，隨著水泥、水硬性石灰等膠凝材料的需求量不斷增加，生產(chǎn)加工這些膠凝材料造成的能源、資源與環(huán)境問題日益嚴(yán)重。采用火山灰組分替代部分膠凝材料是增加膠凝材料可持續(xù)性的有效措施之一。硅灰是金屬硅與硅鐵合金生產(chǎn)過程的副產(chǎn)物，是一種火山灰礦物，硅灰可以大幅度改善水泥漿與骨料間的界面連接性能，提高混凝土的早期強(qiáng)度與耐久性能，它在混凝土工業(yè)中的應(yīng)用正逐漸增加。

眾所周知，巖土類古建筑遺址大多處于露天環(huán)境中，其建筑材料易受到酸雨、來自地下水酸性物質(zhì)的侵蝕，常常由于長久地暴露在腐蝕性酸環(huán)境中而造成建筑結(jié)構(gòu)的破壞與不完整，嚴(yán)重影響建筑物的穩(wěn)定性，自然風(fēng)化作用如凍融循環(huán)、返潮及鹽結(jié)晶作用也是影響建筑物壽命的重要因素。所以當(dāng)水硬性砂漿應(yīng)用于古建筑遺址加固修復(fù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)被考慮這些與腐蝕環(huán)境相關(guān)的問題。上述提到的風(fēng)化破壞均需水作為媒介，可見水是多孔建筑材料風(fēng)化降解的重要因素，在設(shè)計(jì)砂漿時(shí)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高其防水性能。

此外，建筑材料一直在向輕質(zhì)方向發(fā)展，在建筑物的內(nèi)外墻體、層面、露面、立柱等建筑結(jié)構(gòu)中采用輕質(zhì)砂漿，可以有效地降低建筑結(jié)構(gòu)的自重，提高構(gòu)建的承載能力，增強(qiáng)建筑物的抗震能力。目前，未見關(guān)于采用低密度硅灰替代部分天然水硬性石灰改性砂漿的報(bào)道，亦未見采用硅烷類物質(zhì)提高天然水硬性石灰砂漿耐久性的報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是改善天然水硬性石灰砂漿作為巖土建筑加固修復(fù)材料的使用性能與耐久性能，并在一定程度上減輕由于大量生產(chǎn)天然水硬性石灰所帶來的資源與環(huán)境問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，一種巖土建筑加固修復(fù)用高性能耐久性天然水硬性石灰砂漿,其原料組成包括膠結(jié)材料、骨料、添加劑和水，膠結(jié)材料為天然水硬性石灰(nhl2)和硅灰混合物；骨料為待加固修復(fù)巖土建筑本體；添加劑為異丁基三乙氧基硅烷。

其中優(yōu)選硅灰在膠結(jié)材料中的質(zhì)量百分含量為10-30％，進(jìn)一步優(yōu)選20％，膠結(jié)料與骨料的質(zhì)量比優(yōu)選為1:(1-3)，進(jìn)一步優(yōu)選1:2；水膠比優(yōu)選為1-2.0，進(jìn)一步優(yōu)選1.2。

優(yōu)選添加劑異丁基三乙氧基硅烷占膠結(jié)材料質(zhì)量百分含量的5-10％，優(yōu)選8.33％。

其中采用的硅灰中火山灰活性成分所占質(zhì)量百分含量比例不少于25％；骨料粒徑不大于2mm，其主要成分包括：石英、綠泥石、透閃石、鈉長石、碳酸鈣及白云石。

方法包括以下步驟：采用水泥砂漿攪拌機(jī)制備砂漿，稱取天然水硬性石灰(nhl2)和硅灰，將二者均勻混合后按水膠比向其中加入水；稱取骨料放入水泥砂漿攪拌機(jī)漏槽中，啟動(dòng)攪拌機(jī)，把攪拌機(jī)調(diào)到自動(dòng)檔，慢攪(140轉(zhuǎn)/分)一分鐘并在慢攪過程中逐漸添加異丁基三乙氧基硅烷，快攪一分鐘，停止一分鐘，再快攪(285轉(zhuǎn)/分)一分鐘，即得到攪拌好的新制砂漿。砂漿成型試樣在20℃及90％濕度條件下養(yǎng)護(hù)72小時(shí)后脫模；脫模后的試樣放置于20℃及70％相對(duì)濕度的恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)。

本發(fā)明的有益效果是：硅灰與異丁基三乙氧基硅烷相比于nhl2具有低的比重，制備的改性天然水硬性石灰砂漿具有輕質(zhì)的特點(diǎn)，減輕了非承重建筑體的重量和提高了安全性能，同時(shí)使得制備相同體積的砂漿所需的原料總量特別是天然水硬性石灰的用量減少，在一定程度上減輕了環(huán)境資源問題。改性砂漿吸水率、體積收縮率均減小，砂漿使用性能提高。采用此種制備方法加快了砂漿硬化與強(qiáng)度發(fā)展速度，改善并細(xì)化了砂漿的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高了砂漿強(qiáng)度，可以應(yīng)用于更高強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的建筑修復(fù)中，并且大幅度提高了砂漿的耐凍融性、耐酸腐蝕性與耐鹽膨脹性能，使得砂漿能更好地發(fā)揮修復(fù)作用。

附圖說明

圖1砂漿試樣養(yǎng)護(hù)28天孔隙分布。a：孔徑分布；b：累計(jì)進(jìn)汞量；c：孔徑分布百分比。

圖2砂漿試樣的力學(xué)強(qiáng)度

圖3砂漿凍融前后外觀形態(tài)與強(qiáng)度變化

圖4砂漿酸腐蝕前后外觀形態(tài)與強(qiáng)度變化

圖5砂漿鹽溶液侵蝕前后外觀形態(tài)。

具體實(shí)施方案

以下結(jié)合砂漿具體制備過程與相關(guān)性能測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步解釋，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。

表1制備砂漿所用材料配比。

表2砂漿試樣28天密度與吸水率。

為了研究硅灰(sf)、異丁基三乙氧基硅烷(so)單獨(dú)及聯(lián)合使用對(duì)天然水硬性石灰砂漿的改性效果，設(shè)計(jì)了表1中不同實(shí)驗(yàn)配比，試樣依次命名為blank、sf、so與sf-so。各砂漿制備過程基本相同，下面以sf-so改性天然水硬性石灰砂漿制備為例。采用水泥砂漿攪拌機(jī)制備砂漿，稱取480g天然水硬性石灰(nhl2)，120g硅灰，將二者均勻混合后按照1.2的水膠比向其中加入720g水，稱取1200g巖土建筑骨料放入漏槽中，啟動(dòng)攪拌機(jī)，把攪拌機(jī)調(diào)到自動(dòng)檔，慢攪(如140轉(zhuǎn)/分)一分鐘并在慢攪過程中逐漸添加50g異丁基三乙氧基硅烷，快攪一分鐘，停止一分鐘，再快攪(如285轉(zhuǎn)/分)一分鐘，即得到攪拌好的新制砂漿。采用40×40×160mm的試模振動(dòng)成型，成型試樣在20℃及90％濕度條件下養(yǎng)護(hù)72小時(shí)后脫模。脫模后的試樣放置于20℃及70％相對(duì)濕度的恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)，待到特定養(yǎng)護(hù)齡期進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。

表1制備砂漿所用材料配比(g)

表2砂漿試樣28天密度與吸水率

表2為砂漿試樣養(yǎng)護(hù)28天時(shí)的表觀密度與吸水率。采用硅灰替代部分水硬性石灰與異丁基三乙氧基硅烷改性后，砂漿試樣的密度與吸水率減小，在制備相同體積的砂漿試樣時(shí)所需的原料總量，特別是水硬性石灰的用量將大幅度減小，減少了制備水硬性石灰過程中產(chǎn)生的二氧化碳與粉塵的量。同時(shí)當(dāng)輕質(zhì)砂漿應(yīng)用于建筑物的內(nèi)外墻體、露面等結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)減輕建筑物的重量，提高其承載能力與抗震能力。砂漿吸水率的降低可以有效減緩由于頻繁水活動(dòng)造成的砂漿破壞如凍融循環(huán)破壞。

圖1顯示砂漿試樣養(yǎng)護(hù)28天的孔隙分布特征。與空白試樣相比，改性砂漿試樣的最可幾孔徑向小尺寸移動(dòng)?？瞻着cso試樣的孔徑主要分布于0.1-10μm之間，sf與sf-so砂漿試樣的孔徑主要分布于0.1μm以下，添加硅灰與異丁基三乙氧基硅烷細(xì)化并改善了砂漿試樣的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。

圖2為砂漿試樣養(yǎng)護(hù)28天與90天的抗折、抗壓與粘結(jié)強(qiáng)度。添加sf對(duì)砂漿的抗壓強(qiáng)度提高效果最好，但sf與so聯(lián)合使用對(duì)砂漿的抗折強(qiáng)度與粘結(jié)強(qiáng)度改善幅度最大。與sf砂漿試樣相比，sf-so砂漿試樣28天的抗折強(qiáng)度與粘結(jié)強(qiáng)度分別提高20％與27.2％，90天的抗折強(qiáng)度提高10.79％。當(dāng)加固修復(fù)砂漿用于抹面與接縫時(shí)，其抗折強(qiáng)度與粘結(jié)強(qiáng)度往往起到更為關(guān)鍵的作用。同時(shí)，改性砂漿試樣的彈性模量提高，在相同的外力作用下發(fā)生的變形減小，有利于砂漿保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖3為各砂漿試樣經(jīng)過30個(gè)凍融循環(huán)前后的外觀形態(tài)與強(qiáng)度變化。空白試樣表面出現(xiàn)了輕微開裂，改性砂漿試樣保存狀態(tài)與凍融循環(huán)前基本一致，未發(fā)生明顯破壞?？瞻自嚇优csf改性砂漿分別經(jīng)過40個(gè)與50個(gè)凍融循環(huán)后發(fā)生碎裂破壞，sf-so改性砂漿經(jīng)過70個(gè)凍融循環(huán)后依然保存完好。sf-so改性砂漿耐凍融循環(huán)性能提高幅度最大。

圖4為各砂漿試樣經(jīng)過30天酸腐蝕前后的外觀形態(tài)與強(qiáng)度損失百分比。空白試樣發(fā)生了較明顯的腐蝕并出現(xiàn)局部脫落現(xiàn)象，改性砂漿試樣表面狀態(tài)基本未變，未發(fā)生明顯的酸腐蝕現(xiàn)象。改性試樣強(qiáng)度減小百分比較空白試樣的小，試樣耐酸腐蝕性能提高。其中sf-so改性試樣強(qiáng)度損失最小，其耐酸腐蝕性能最好。

圖5為砂漿試樣經(jīng)鹽溶液浸泡不同時(shí)間后外觀形態(tài)?？瞻自嚇咏?0天后發(fā)生了脹裂現(xiàn)象，并且在后續(xù)的浸泡過程中破壞程度逐漸加大。sf改性試樣浸泡120天后出現(xiàn)了龜裂現(xiàn)象。so改性試樣浸泡80天后邊緣出現(xiàn)輕微開裂。sf-so改性試樣浸泡120天后仍保持最初的完好狀態(tài)。改性砂漿的耐鹽腐蝕性提高，sf-so改性砂漿耐鹽腐蝕性最好。

綜上所述，改性砂漿的基本物理性能、力學(xué)性能與耐久性能均得到大幅度提高。物理性能與力學(xué)性能的提高極大地增強(qiáng)了砂漿的使用性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能，耐久性的提高極大地減小了砂漿在腐蝕性環(huán)境中的破壞，延長砂漿使用壽命。綜合砂漿的各項(xiàng)性能，硅灰與異丁基三乙氧基硅烷聯(lián)合改性砂漿的改性效果最佳。