一种古建筑用红灰浆及制备方法

技术领域

本发明涉及一种古建筑红灰最佳配比及制备方法。属于建筑材料与文物保护材料研究技术领域。

背景技术

中国现存大量而珍贵的古建筑，被称为世界五大宫之一的世界文化遗产北京故宫，其古建筑的修缮及保护意义重大。历史悠久的传统灰浆在古建筑修复领域具有独特的优势。古建筑红灰是石灰中加入天然矿物红土，凝固后呈现一定程度的红色且具有粘结、加固、防水等功能的一类材料。根据用途的不同，古建筑红灰可以分为墙面抹灰和屋顶夹垄灰。其中屋顶夹垄灰的主要用途是给筒瓦夹垄、合瓦夹腮。传统建筑营造中，用灰在瓦垄的筒瓦、板瓦相接的位置勾抹，这项工序叫“捉节”，捉节夹垄的灰浆颜色因琉璃的颜色而异，在黄色琉璃瓦上使用时掺红土形成红色夹垄灰。

众所周知，古建筑处于露天环境中，其建筑材料容易受到雨水的入侵，由于夹垄灰处于屋顶结构的上层，其质量的好坏影响到屋顶是否漏雨。灰浆是一种多孔建筑材料，因此冻融循环作用可能会破坏其孔隙结构从而影响材料寿命。当红灰灰浆用于古建筑屋顶捉节夹垄时应当考虑这些因素，上述提到的破坏作用均与水有关，可见水是屋顶夹垄灰功效的重要影响因素，在筛选最佳配比时应当着重考虑提高防水性能。

此外，还应考虑到灰浆的强度。传统灰浆碳化速度慢、早期强度低，这会限制它的应用。初始干燥过程中，早期强度的提升只能通过碳化来实现。针对灰浆的长期强度发展，除碳化外，提高致密性也是改善力学性能的一个重要因素。当内部结构致密化后，提升力学强度的同时还增加了外界水分子向内部输送的难度，利于灰浆的长期保存。

因此，本发明从优化力学性能和防水性能的角度出发，发明一种红灰灰浆的最佳配比及制备方法，使所制灰浆具有良好的防水性和力学性能。发明内容

本发明的目的是获得古建筑红灰中生石灰和红土的最佳配比，从而使制备的红灰具有最好的综合性能，最大程度地改善其应用效果和使用寿命。

为实现上述目的，得到综合性能最优的古建筑屋顶捉节夹垄用红灰灰浆，其原料组成包括胶结材料、红土和水。

其中红土与胶结材料质量比优选1:(0.67～2.33)，进一步优选1:1。

其中胶结材料为生石灰，采用的生石灰氧化钙含量不低于98％。

红土为天然红土矿物过筛(30目)所得粉状物质。红土主要成分包括以下四种成分：高岭土、赤铁矿、沸石及石英，其氧化物组成及含量如下所示：

表1红土中氧化物组成及含量

上述所述的古建筑用红灰的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取红土，按水/红土质量比向其中加入水，搅拌均匀制成红土浆；

(2)采用水泥砂浆搅拌机制备试样，称取生石灰和红土浆放入搅拌机容器中，按水胶比向其中加入水，待其结束放热且温度趋于平稳后搅拌均匀；启动搅拌机，把搅拌机调到自动挡，慢搅一分钟并在搅拌过程中将红土浆逐渐倒入容器中，快搅半分钟，再停止一分钟，为一个循环，循环三次，得到搅拌均匀的红灰浆；

上述步骤(1)中水/红土质量比优选0.4～0.6，进一步优选0.5。

上述步骤(2)水灰比优选1.3～1.4，进一步优选1.3，步骤(2)水灰比中的水不包括步骤(1)中的水。

慢搅为130-150转/分优选140转/分，快搅为260-300转/分优选285转/分。

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标准养护箱内(T＝20±2℃，RH＝65±5％)继续养护90天。

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。

基于阿基米德排水法的原理，通过密度天平测量并计算密度、吸水率、孔隙率。

(2)力学性能

试样力学性能主要用抗压强度表征，抗压强度指施加外压力时材料抵抗外力的强度极限，利用抗压强度分析，可以很好地衡量试样在用于古建筑时对抗外部环境破坏的能力。

抗压抗强度通过微机伺服抗压试验机测量。

(3)防水性

水滴在试样表面的渗透时间关系到材料抵抗与水相关破坏作用能力的大小。若水滴在比较短的时间内就完全渗入试样内，表明此时试样的亲水性是较强的，试样容易吸水而受到水引起的相关作用如冻融循环破坏。若水滴渗入试样需要较长时间，则在降雨的条件下，水滴落到试样表面后，随着后续雨滴的冲洗作用，可能会发生雨滴还未渗入试样内部即被冲走的现象，从而使试样吸收的水量减少进而减缓由于水的作用对材料产生的破坏。

具体测试方法为：制备5mm厚的圆片状试样，将试样在标准养护箱内 (T＝20±2℃，RH＝65±5％)养护14天后取出。将试样置于动态静态接触角仪的水平载物台上，将一滴水滴至试样表面，用仪器捕获水滴在试样表面的渗入过程并记录时间。

(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，试样失去其应有的功能，耐冻融性对研究建筑材料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12小时，在融化阶段将其放入室温的水中不小于12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

灰浆在建筑上使用后，熟石灰在空气中逐渐碳化，强度伴随碳化过程逐渐增加，故碳化速度越快越有利于灰浆更快获得高强度。石灰主要成分Ca(OH)

具体测试方法为：将养护90天的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。利用数字图像处理软件计算碳化区域占截面的比例，比较每个截面碳化区域的大小。

本发明的有益成果是：筛选出古建筑红灰中石灰与红土的最佳比例，采用该比例制备的红灰具备最佳的防水性能，改善了内部的孔隙结构，具有较高的力学强度，且在一定程度上提高了耐冻融性能，使得红灰可以更好地发挥作用。

附图说明：

图1红灰试样的抗压强度

图2红灰试样冻融循环试验结果

图3为红灰试样碳化面积。

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。

表2制备灰浆所用材料配比表

为研究红土对夹垄灰性能的影响，制备了一定梯度红土含量的样品，设计了表1中不同实验配比，试样依次命名为LR0(纯白灰)、LR20、LR30、LR40、 LR50、LR60，详细信息如表1。

表2制备灰浆所用材料配比表

试样编号后面的数字代表红土在红土和生石灰混合物中的质量百分含量。

表3不同红土含量试样养护90天孔隙率、吸水率、密度

表3是不同红土含量试样养护90天的孔隙率、吸水率、密度。纯白灰(LR0) 样品的密度为2.25g·cm

表4水滴在不同红土含量试样表面的渗透时间(厚度为5mm)

表4是水滴在各试样表面完全渗透所需时间，随试样中红土含量增多，水滴完全渗透所用时间先增多后减少。水滴在纯白灰试样表面完全渗透仅需15s，在 LR50试样表面渗透所需时间最长，为1450s，在实际工程中，可能雨水还未来得及渗入就已被冲刷走，这可以有效防止雨水入侵灰浆内部，对结构造成损坏。当红土含量超过50％时，水滴在试样表面渗透时间明显减少，说明防水性下降。

表5不同红土含量试样养护90天后碳化区域面积所占比例

表5是各试样截面的碳化区域面积占截面总面积的比例。随试样中红土含量增多，碳化区域面积占截面比例增大，即红土含量越高，碳化速度越快。当红土含量为40％～60％时，碳化区域的比例明显提高，即在该红土含量范围内，碳化速度明显高于其余试样。

图1是各试样养护90天的抗压强度结果。由图可知，加入红土后，试样的抗压强度均高于纯白灰试样的。且随着红土含量的增多试样的抗压强度升高，不同红土含量试样(LR20～LR60)的抗压强度比白灰试样分别提高了5.9％、18.2％、 22.7％、60.1％、62.1％。

图2是各试样冻融循环试验结果。由图可见红灰的耐冻融性能较纯白灰试样有一定的提高，随红土含量的增多，红灰可承受的冻融循环次数增多，抗冻融破坏的性能增强。LR0第一次循环结束后结构遭到破坏见图2，LR20-LR40第二次循环结束后结构遭到破坏见图2，LR50-LR60第三次循环结束后结构遭到破坏见图2。

综上所述，多组不同红土含量的红灰样品性能测试结果显示，相较于纯白灰(LR0)，水滴在LR50试样上渗透时间最长，即LR50试样具有最好的防水性，同时LR50试样具有较好的力学性能、孔隙结构和耐冻融性，且碳化速度较快，故红土50％为在生石灰中添加红土的最佳比例，即红土与胶结材料质量比为1:1。