一种古建筑修复用块状生石灰掺杂粉化石灰灰浆及制备方法
阅读说明：本技术 一种古建筑修复用块状生石灰掺杂粉化石灰灰浆及制备方法 (Blocky quicklime doped pulverized lime mortar for historic building restoration and preparation method thereof ) 是由 张典 王辉 尚国华 王菊琳 陈绍华 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：一种古建筑修复用块状生石灰掺杂粉化石灰灰浆及制备方法,属于古建筑修补材料研究技术领域。其原材料组成包括胶结材料和水,其中胶结材料为块状生石灰和粉化石灰；块状生石灰为使用前呈块状存在的部分,粉化石灰为块状生石灰在空气中变质而形成的粉化部分。块状生石灰在胶结材料中质量百分比含量为50-70％,优选60％；优选出粉化石灰在胶结材料中质量百分比含量为30-50％,优选40％。本发明最大限度使用粉化变质石灰,同时使所制灰浆具有良好的力学性能、耐水性及耐冻融性。(A blocky quicklime doped pulverized lime mortar for historic building restoration and a preparation method thereof belong to the technical field of the research of historic building restoration materials. The raw material composition comprises a cementing material and water, wherein the cementing material is massive quicklime and powdered lime; the blocky quicklime is a blocky part before use, and the powdered lime is a powdered part formed by the metamorphic change of the blocky quicklime in the air. The mass percentage content of the massive quicklime in the cementing material is 50-70%, preferably 60%; preferably, the content of powdered lime in the cementitious material is 30-50% by mass, preferably 40%. The invention uses the pulverized deteriorated lime to the maximum extent, and simultaneously, the prepared mortar has good mechanical property, water resistance and freeze-thaw resistance.)
技术领域
本发明涉及一种古建筑修复用块状生石灰掺杂粉化石灰灰浆的最佳配比及 制备方法，属于古建筑修补材料研究技术领域。
背景技术
传统石灰的使用具有悠久的历史，目前已有的考古学论证，最早在史前时期 我国就有石灰的烧制及使用，目前存留的绝大多数古建筑均以传统石灰作为结构 粘接剂，仅明清时期遗留的古建筑就多达数千座，是我国优秀的建筑遗产。然而， 以传统灰浆为粘接剂的古建筑城墙等文物，历经千百年风吹雨淋日晒和人为破坏 后，大多破坏严重，有的濒临毁灭，迫切需要合理的修复与加固。上世纪人们普 遍用硬化速度快、力学强度高的水泥砂浆修补古建筑，水泥引入的较大机械应力 使相邻结构快速破坏，这在古建筑修复中逐渐被认识，且破坏性修复在古建筑修 复中是不被允许的，为避免上述情况，目前国内古建筑修补材料广泛使用适配性 较好的传统石灰。
传统石灰石烧制完成后为块状生石灰，在使用之前需用水进行泼灰使块灰分 散成粉状，待充分熟化后再作为建筑胶凝材料使用。熟化的石灰与水成浆后，浆 体在空气中逐渐碳酸化，进而从可塑性浆体发展成为强度较高的石状体，其强度 满足建筑胶凝材料的性能需求。
生石灰具有极强的吸水性，块状生石灰在储存过程中无法杜绝与空气接触， 部分接触空气的块状生石灰会吸收空气中的水分发生熟化反应变成粉状，部分粉 状石灰进一步与空气中的水及二氧化碳反应，逐渐碳化，完全碳化后的粉状石灰 所制灰浆，不会随着时间的推移，不断吸收空气中二氧化碳持续硬化而发展强度， 不符合胶凝材料的特征。由于实际工程中预先购买大量石灰备用，大量块状生石 灰即使封闭堆垛，粉化速度依旧很快，其中不乏大量已经碳化而不符合胶凝材料 特征的粉状石灰。若依然按照块状生石灰的方法使用，这种粉化石灰用于古建筑， 将产生安全隐患。而大量粉状石灰中存在着性能良好的熟石灰粉，形成过程类似 于泼灰制备。若全部弃用会造成严重浪费。因此，本申请从该因素出发，发明一 种块状生石灰掺杂粉化石灰的使用方法，以最大限度使用粉化变质石灰，同时使 所制灰浆具有良好的力学性能、耐水性及耐冻融性。
发明内容
本发明目的是解决块状生石灰部分粉化后用作古建筑修复材料造成的安全 隐患问题，以及杜绝资源浪费问题，研发一种块状生石灰掺杂部分粉化石灰的最 佳配比及制备方法，在不降低性能的同时解决资源浪费问题。目前古建筑大规模 修复只选用传统原材料，避免对结构造成进一步危害，大量石灰在现场放置时候 会粉化变质，直接用会有性能下降的风险，完全弃用会特别浪费。
为实现上述目的，得到一种性能优良的用粉化石灰掺杂的灰浆，其原材料组 成包括胶结材料和水，其中胶结材料为块状生石灰和粉化石灰；块状生石灰为使 用前呈块状存在的部分，粉化石灰为块状生石灰在空气中变质而形成的粉化部分， 在配料前两者混合在一起。
优选出块状生石灰所制泼灰在胶结材料中质量百分比含量为50-70％，进一 步优选60％；优选出粉化石灰在胶结材料中质量百分比含量为30-50％，进一步 优选40％。
其中采用的块状生石灰为使用前外观形态呈现块状的石灰或氧化钙含量不 低于98％，粉化石灰为外观形态呈现粉状且放置于空气中不多于3个月的石灰或 碳酸钙含量不高于18％；
方法包括以下步骤：
(1)过筛(优选网眼<0.3cm2)，分离块状生石灰及粉化石灰，然后将块状生石 灰少量多次喷洒去离子水将其熟化成干粉，过筛(网眼<0.3cm2)得到泼灰；
(2)按照胶结材料质量百分比分别称取泼灰及粉化石灰放入容器中混合，按照 闷灰的水胶比向容器中加水，混合至石灰达到完全湿粉的状态后封闭放置进行闷 灰至少7天；
(3)闷灰完成后，称取闷好后的熟石灰湿粉，放入砂浆搅拌机容器中，按照制 样过程水胶比再向容器中加水，启动搅拌机，慢搅(140转/分)一分钟，快搅(285 转/分)半分钟，循环三次，得到搅拌均匀的新制白灰浆。
灰浆入模后在室内常温常湿条件下养护72小时后脱模，脱模后的试样放置 于室内常温常湿条件下继续养护60天。
步骤(2)闷灰过程水胶比优选为0.5-1，进一步优选0.6；步骤(3)制样过 程水胶比优选为0.02-0.1，进一步优选0.05。
其中块状生石灰泼灰过程中一定要少量多次喷洒保证其为干粉状态(非干粉 状态难以控制水灰比)，一定要过筛(网眼<0.3cm2)，闷灰严格按照所述的水灰 比加水，加水后混合均匀保证石灰全部湿透，封闭保存避免接触空气和避免水分 蒸发，封闭保存时间不少于7天。闷灰过程对熟石灰粉能否用于古建筑修缮取决 定性作用。传统方法将块状生石灰喷洒过量水，泼成月白色湿粉状态后堆放，堆 放半月以上半年以下可用于施工。本发明通过控制闷灰水量，过量水封闭闷灰加 快熟化，7天后可制样。
评估闷灰方法合理性的指标为制样养护后试样宏观形貌变化。
将传统方法闷灰不同时间阶段所制试样与本发明闷灰7天试样养护完成后 进行对比，通过宏观形貌分析方法合理性，试样养护后宏观形貌可反应实际施工 后试样的状态，可辨别材料能否用于实际修缮。
评估养护后试样性能的指标及方法主要有以下几种：
(1)表观相对密度、吸水率及开放孔隙率
密度、吸水率、孔隙率对材料的耐冻融、耐水性及强度等都会产生一定程度 的影响，间接影响试样的性能，是试样最重要的参数之一。
具体测试根据密度、吸水率、孔隙率基于阿基米德排水法的原理，通过密度 天平测量。
(2)力学性能
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分析，可以很好衡量试样在用于古建筑时抗外部环境破 坏的能力。
抗压抗折强度通过微机伺服抗压抗折试验机测量。
(3)耐水性
降雨较多时，古建筑灰浆内部孔隙中会充满水分，耐水性可表征灰浆在长期 水侵蚀下的结构稳定性。水对于材料性能的破坏体现在不同方面，最明显的表现 是使材料的力学性能降低，由于材料吸水后，其内部质点之间的结合力被削弱， 导致材料强度均有不同程度的下降，故用抗压强度变化表示试样的耐水性。
具体测试方法为：将试样在去离子水中浸泡90天，再置于60℃的烘箱中干 燥至恒重，通过微机伺服抗压抗折试验机测量其浸水后的抗压强度，并与未浸水 前试样抗压强度进行对比。
(4)耐冻融性
耐冻融性用于表征材料在水和温度双重作用下试样的结构稳定性。样品孔隙 中存留的水在低温下结冰体积膨胀，破坏孔隙附近结构，温度升高后，冰融化留 下更大的孔隙，如此循环试样最终表现为宏观结构被破坏，产生裂缝、脱落等现 象，试样失去其应有的能力，耐冻融性对研究建筑在温度交替及雨水侵蚀下的稳 定性具有重要意义。
具体测试方法为：先将试样用室温去离子水浸泡使其饱和，然后在冷冻期间 将试样放入-20℃的冷冻器中不小于4小时，在融化阶段将其放入室温的水中不 小于4小时，如此为一个循环，记录实验过程中灰浆宏观被破坏时的循环次数。
(5)碳化速度
灰浆用于建筑时，熟石灰在空气中逐渐碳化，强度伴随碳化过程逐渐增加， 故碳化程度越快越有利于灰浆更快获得高强度。石灰主要成分Ca(OH)2呈碱性， 碳化后CaCO3无碱性，利用酚酞遇碱变红的特性可表征试样的碳化速度。
具体测试方法为：将试样沿横截面方向折断，用滴管向表面滴加1％酚酞酒 精溶液，断面显色区域为未碳化区，白色未显色区域为已碳化区，记录每个表面 碳化深度的平均值及总碳化深度的平均值。
本发明的有益效果是：改进了传统泼灰、闷灰等生石灰块使用前处理方法， 缩短熟石灰准备周期，避免变质浪费，避免开裂造成安全隐患。将块状生石灰掺 杂粉化石灰使用，在难以避免块状石灰粉化的情况下，最大限度地利用粉化石灰， 未造成试样性能下降且部分性能有所提升，避免了资源严重浪费的问题。探究得 出了块状石灰掺杂粉化石灰灰浆最佳块粉配比为60:40，与纯块状生石灰所制灰 浆性能相比，仅小幅降低表观密度、增大吸水率和开放孔隙率，而在耐冻融性能 上持平，耐水性能上略有提升，力学强度、碳化速度有明显提升。
附图说明
：图1不同闷灰方法制样养护后试样宏观形貌。a)CT-7；b)CT-15；c)CT-28； d)CT-56；e)GJ-7。
图2灰浆试样的力学强度
图3灰浆试样浸水前后的抗压强度
图4灰浆试样冻融前后形态与冻融循环次数。a)灰浆试样冻融循环前；b)试 样BH-1冻融循环7次；c)试样BH-2冻融循环7次；d)试样BH-3冻融循环5次； e)试样BH-4冻融循环3次；f)试样BH-5冻融循环3次；
图5灰浆截面滴酚酞溶液后示意图。
具体实施方式
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。
实施例1
为了研究不同闷灰方法的合理性，本发明首先采用两种闷灰方法所制熟石灰 进行试样宏观形貌对比，两种方法水灰比难以统一，为使结果更具说服性，制样 新鲜砂浆采取统一流动度，试样详细信息如表1。
表1试样详细信息
图1不同闷灰方法制样养护后试样宏观形貌。图中可以看出，CT-7、CT-15、 CT-28出现了较为严重的开裂，说明传统方法石灰堆放28天后仍有较多慢性灰， 制样后仍会继续反应导致膨胀开裂，放置56天后这种开裂现象消失，施工中显 然会延缓工期，为缩短工期提前使用会造成安全隐患；同时泼灰后湿粉中存在水 分，水为碳化提供条件，敞口堆放过长时间会变质严重，这就导致了生石灰不能 熟化完全，熟化石灰变质加剧两方面不利结果，时间节点很难把控。本发明所用 方法泼灰成干粉，加过量水闷灰加快熟化，7天后制样，试样不出现开裂现象， 说明慢性灰剩余量小，闷灰效果好，若能杜绝与空气接触，则可避免变质发生。 此外，本方法还具有易控制水灰比、干粉过筛容易从而避免浪费、减缓碳化变质等优点。
实施例2
表2闷灰时原料详细配比；
表3制样时原料详细配比；
表4灰浆试样60天密度、开放孔隙率及吸水率；
为了研究块状生石灰掺杂粉化石灰所制灰浆与纯块状石灰、粉化石灰所制灰 浆的性能差异，设计了表2、表3中5组实验配比，试样依次命名为BH-1、BH-2、 BH-3、BH-4及BH-5。灰浆的制备过程基本相同，以BH-2为例：过筛(网眼<0.5cm2) 分离块状生石灰及粉化石灰，将块状生石灰堆积，每次少量喷洒去离子水，分多 次进行，将块状生石灰喷洒成干粉状态，过筛得到泼灰。称取泼灰1200g，粉化 石灰800g(本申请实施例的粉化石灰中碳酸钙含量为18％)，放入容积足够的容 器中，向容器中加水1200g混合均匀至石灰完全达到湿粉状态(水灰比0.6)，封 闭放置；7天后称取1800g闷好的熟石灰湿粉，放入砂浆搅拌机容器中，向容器 中加水90g(水灰比0.05)，启动搅拌机，慢搅(140转/分)一分钟，快搅(285转/ 分)半分钟，循环三次，得到搅拌均匀的新制白灰浆；装入40ⅹ40ⅹ160mm的模 具后振实并抹平表面，在室内常温常湿条件下养护72小时后脱模，脱模后的试 样放置于室内常温常湿条件下继续养护，养护60天后进行性能测试。
表2闷灰时原料详细配比(g)
表3制样时原料详细配比(g)
表4灰浆试样养护60天时表观相对密度、开放孔隙率及吸水率
表4为砂浆试样养护60天时的表观相对密度、吸水率及开放孔隙率。当采 用粉化石灰代替部分块状生石灰制备灰浆时，随着粉化石灰量占比增高，试样表 观密度逐渐下降，吸水率及孔隙率逐渐增大，试样致密度降低、吸水率及孔隙率 增大均会增加灰浆在水活动频繁时的破坏风险，其中BH-2变化幅度最小，最接 近纯块状生石灰灰浆的性能，潜在破坏风险最小。
图2为灰浆试样养护60天的抗压强度及抗折强度。添加粉化石灰后，试样 的抗压强度及抗折强度均有提高，粉化石灰占比最多的试样抗压强度及抗折强度 提升幅度最大。
图3为灰浆试样浸水3个月前后的抗压强度。从图中可以看出，试样在浸水 后抗压强度均获得了一定程度提高，材料浸水及干燥过程中存在进一步的碳化过 程，抵消了水侵蚀的不利影响，这说明养护60天试样的耐水性均较好。BH-1、 BH-2、BH-3、BH-4、BH-5抗压强度分别提高了119％、121％、120％、93％、 16％，BH-1、BH-2、BH-3试样提高幅度最大，耐水性均较好；BH-5提高幅度 最小，耐水性差于其余试样，这也与其孔隙率及吸水率较大对应，内部进入更多 的水导致其遭受的水侵蚀更加强烈。综上，BH-1、BH-2、BH-3耐水性良好。
图4为灰浆试样冻融循环前后的外形变化及循环次数。其中BH-1、BH-2在 第7次循环时碎裂，BH-3在5次循环时碎裂，BH-4、BH-5在第3次循环时碎 裂，可见与纯块状石灰试样BH-1相比，BH-2抗冻融循环能力未见明显下降， 粉化石灰占比高于此占比后，灰浆试样抗冻融能力下降，尤其在粉化石灰占比达 到50％后，抗冻融能力下降了50％以上。
结合表4表观密度、孔隙率及吸水率，图4的抗冻融循环性能测试结果， BH-3、BH-4、BH-5的耐冻融循环性能及耐水性均降低，说明粉化石灰达到一定 占比后降低了灰浆对于水侵蚀的抗性，同时也体现在其较大幅度降低致密度，增 大了孔隙率及吸水率。但BH-2的耐冻融循环性能及耐水性未降低，说明一定程 度提高粉化石灰占比不会对灰浆在受到水侵蚀后的性能造成显著不利影响。
图5为灰浆试样养护60天后截面滴酚酞溶液后的示意图，白色区域为未碳 化区，显色区域为碳化区。明显看出从样品BH-1至BH-5碳化区域面积逐渐增 大，即粉化石灰占比提高有利于试样碳化速度的加快，提高碳酸化速度利于材料 更快地获得较高的强度，灰浆作为结构粘接剂时，高强度可降低结构被外力破坏 的风险。
表5为试样各表面的碳化深度及其平均值，为图5各表面为显色区深度平均 值。试样碳化深度与粉化石灰占比成正相关关系，每一组试样碳化平均深度相对 上一组试样增长率依次为100％、28.6％、13.9％、24.4％，其中BH-2相较于BH-1 碳化深度增长率最大，BH-2粉灰掺杂量提高效率最高，BH-5相较于BH-1碳化 深度最大(即碳化最快)。
表5试样碳化深度
综上所述，多组掺杂粉化石灰灰浆性能测试结果显示，相较于纯块状生石灰 灰浆，灰浆BH-2(掺杂粉化石灰占比40％)的表观密度、孔隙率及吸水率方面 有微弱降低，但未影响到其在水侵蚀作用下的耐冻融及耐水性能性能，此外其力 学性能有小幅提高、碳酸化速度加快且提高效率最大，故40％为掺杂粉化石灰时 的最佳占比，块状石灰掺杂粉化石灰灰浆最佳块粉配比为60:40。
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