一種舊建筑表皮保護修復的新復合材料制備及應用效果

劉曉潔 劉玥頔 鄭鑫

摘 要：為保護和更新舊工業建筑，試驗以糯米石灰漿為基礎，并加入偏高嶺土、纖維素纖維，制備一種建筑灰漿表皮材料，并對其性能進行研究。結果表明，質量分數5%糯米灰漿的摻入，可以明顯增強材料的強度性能、耐水性和耐硫酸鹽腐蝕性能，試驗確定最佳舊工業建筑灰漿配比為質量分數5%糯米灰漿、20%偏高嶺土、2%纖維素纖維；養護28、90 d抗壓強度分別達到2.1、7.0 MPa，養護28、180 d抗折強度分別達到0.79、1.87 MPa；材料在去離子水環境和硫酸鹽環境下的軟化系數分別為0.86、0.82，抗硫酸鹽凍融循環次數為26次。

關鍵詞：偏高嶺土；纖維；軟化系數；力學性能；耐久性

中圖分類號：TQ352.4;TU761

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0061-04

Preparation and Application Effects of a new composite material for protection and restoration of old building skin

LIU Xiaojie1，LIU Yuedi1 ，ZHENG Xin2

（1.Eurasia University，Xian 710000，China；

2.Henan City Construction College，Pingdingshan 467000，Henan China

）

Abstract：In order to protect and renew the old industrial building，a kind of building mortar skin material was prepared by adding metakaolin and cellulose fibers on the basis of glutinous rice lime paste，and its performance is studied.The experimental results showed that the addition of 5% glutinous rice mortar couldsignificantly enhance the strength，water resistance，and sulfate corrosion resistance of the material; In this test，the best mortar ratio of old industrial buildings was determined as follows：5% concentration glutinous rice mortar，20% metakaolin soil，and 2% cellulose fiber.At this time，the compressive strength after 28 d and 90 d of curing reached 2.1 MPa and 7.0 MPa respectively，and the flexural strength after 28 d and 180 d of curingreached 0.79 MPa and 1.87 MPa respectively.The softening coefficient of materials indeionized water environment and sulfate environment was 0.86 and 0.82，and the number of sulfate resistance freeze-thaw cycles is 26.

Key words：metakaolin;fiber;softening coefficient;mechanical properties;durability

受到環境侵蝕等影響，舊工業建筑材料結構被破壞，性能降低，因此，為保護舊工業建筑，增強建筑安全性，針對舊工業建筑保護和更新材料的研究成為一個科學熱點。對此，許多學者進行了研究，如針對九江二橋工業建筑的坑槽病害等修復工作，制備了RDF快速凝固型樹脂材料與RB-Chip黏結層材料［1］；以不同纖維為主，制備了混凝土建筑裂縫修補材料，并對其性能進行研究［2］；利用偏高嶺土和水晶廢渣這2種礦用摻合料，制備了建筑修補材料，并對其性能進行研究［3］。以上學者都為混凝土舊工業建筑的修補提供了參考，但在性能、成本等方面依然有優化空間。基于此，實驗以舊工業建筑中的糯米石灰漿為基礎，并加入適量的偏高嶺土以及纖維素纖維，制備一種建筑灰漿表皮材料，并分析其應用效果。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：糯米粉（沈陽市于洪區東燕永合食品）；偏高嶺土（靈壽縣豐平礦產）；纖維素纖維（山東森泓纖維）；石灰（山東鳴威化工）。

主要設備：RD1020型電子天平（深圳市榮達儀器）；JJ-20型攪拌機（河北中恒永晟儀器）；HZJ-1型振動臺（河北三壽試驗儀器）；JWS-7555型場發射掃描電鏡（新啟航半導體）；M143898型混凝土凍融試驗機（北京中西華大科技）；JITAI-S10KN型電子多功能試驗機（北京吉泰科儀檢測設備）。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料配合比設計

為制備舊工業建筑更新中的表皮材料灰漿，試驗水膠比設計為0.8，選用質量分數5%的糯米灰漿，并以不同摻量的偏高嶺土代替普通石灰，再加入不同摻量的纖維素纖維，具體灰漿配合比設計見表1［4-5］。

1.2.2 糯米漿的制備

（1）稱量適量的糯米粉以及去離子水，為制備5%濃度的糯米漿做準備;

（2）在糯米粉中加入少量的去離子水，攪拌混合，然后先將剩下的去離子水加熱，并將已預攪拌處理的糯米粉慢慢倒入鍋中，在倒入的同時不停攪拌;

（3）以文火繼續熬制糯米漿4 h，期間根據糯米漿的濃稠程度繼續加入去離子水，保證糯米漿不起疙瘩塊、不黏糊，同時注意保持5%濃度不變;

（4）熬制結束后，自然冷卻備用，糯米漿保證當天制備當天使用。

1.2.3 建筑灰漿試件制備

（1）根據表1中的材料配合比設計，稱取適量的去離子水、質量分數5%糯米漿、偏高嶺土和纖維素纖維，放入攪拌機中，并在攪拌功率3 200 W的條件下，攪拌處理3 min，獲得建筑灰漿；

（2）在試件成型模具中抹上一層脫模劑，然后將攪拌完成的建筑灰漿倒入模具中，在振動臺上振動處理2 min，排出灰漿內部多余的氣泡，然后用抹灰刀抹平試件表面多余的漿料，使表面平整；

（3）將試件在室溫環境下放置2 d后脫模，然后在養護室內養護一定時間，最后貯存備用。

1.3 性能測試

1.3.1 抗壓試驗

通過試驗機對試件進行抗壓試驗，分析其抗壓強度，其中，立方體試件參數為50 mm×50 mm×50 mm。

1.3.2 抗折試驗

通過試驗機對試件進行抗折試驗，分析材料抗折強度，其中，長方體試件參數為50 mm×50 mm×150 mm。

1.3.3 耐水性試驗

分別在去離子水環境和質量分數3%Na2SO4硫酸鹽環境下對試件進行耐水性試驗，分析材料軟化系數。

1.3.4 硫酸鹽凍融循環試驗

本試驗在質量分數3%Na2SO4硫酸鹽環境下對試件進行凍融循環試驗，分析材料耐久性。

1.3.5 微觀形貌分析

通過掃描電鏡對建筑灰漿試件進行SEM分析，觀察其微觀形貌。

2 結果與分析

2.1 抗壓強度分析

抗壓強度試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，對于養護7、28 d的試件，各抗壓強度均較低，且增長速度較慢，試件前期抗壓強度變化不大；對于養護90 d的試件，摻入纖維素纖維的試件抗壓強度出現大幅度提高。這表明，纖維素纖維的摻入，可以有效增強灰漿試件抗壓強度。

對于未摻入糯米灰漿的空白試件A0，其抗壓強度在不同養護時間下均較低，這表明，摻入質量分數5%的糯米灰漿，可以增加材料抗壓強度。

當養護時間為7 d時，試件抗壓強度與偏高嶺土摻量基本上呈現反比的趨勢，而在28 d養護時間的建筑灰漿試件中，摻入20%偏高嶺土、2%纖維素纖維的A9試件抗壓強度最高，為2.1 MPa，與養護相同時間的A0試件相比，增幅為320%；當養護時間為90 d時，A9和A10試件的抗壓強度分別達到7.0、7.2 MPa，對比養護同時間的A0試件分別提高了6.1、6.3 MPa。

這些現象表明，在建筑灰漿中加入20%偏高嶺土、2%纖維素纖維最優，此時，材料抗壓強度較好。

2.2 抗折強度分析

抗折強度試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，對于沒有摻入質量分數5%糯米灰漿的空白試件A0，其抗折強度最低，養護28 d和180 d時的抗折強度分別為0.18、0.43 MPa；對于摻入質量分數5%糯米灰漿的其他試件，抗折強度明顯提升。在養護2 8、180 d時，摻入20%偏高嶺土、2%纖維素纖維的A9試件抗折強度均最佳，分別達到0.79、1.87 MPa，對比養護相同試件的空白A0試件分別增加了0.61、1.44 MPa。在建筑灰漿中加入20%偏高嶺土、2%纖維素纖維最優，此時，材料抗折強度較好。

2.3 耐水性分析

耐水性試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，在去離子水環境下，各建筑灰漿試件的軟化系數均比硫酸鹽環境下高，當未摻入質量分數6%糯米灰漿時，空白對比試件A0在去離子水環境和硫酸鹽環境下的軟化系數分別是0.55、0.43，耐水性很差；對于摻入質量分數6%糯米灰漿的其他試件，軟化系數均達到0.6及以上，這表明，糯米灰漿的摻入，可以增加材料耐水性。

在去離子水環境中，摻入40%偏高嶺土、2%纖維素纖維的A10試件軟化系數最高，為1.21，材料耐水性極好，而摻入20%偏高嶺土、2%纖維素纖維的A9試件的軟化系數達到0.86，耐水性良好，符合耐水材料標準；而在硫酸鹽環境中，A9試件的軟化系數最高，為0.82，A10試件軟化系數為0.8，耐水性均較好。當在建筑灰漿中摻入6%濃度的糯米灰漿、20%偏高嶺土和2%纖維素纖維時，材料在去離子水環境以及硫酸鹽環境下的耐水性良好。

2.4 凍融循環試驗分析

凍融循環試驗結果如圖4所示。

由圖4可知，對于未摻入質量分數6%糯米灰漿的空白試件A0，在硫酸鹽環境中凍融循環4次就出現裂紋、裂縫，而摻入質量分數6%糯米灰漿的試件在硫酸鹽環境下的凍融循環次數明顯增加，這表明，糯米灰漿的摻入可以增強建筑灰漿試件耐久性。

將摻入和未摻入偏高嶺土的建筑灰漿試件進行對比可知，摻入偏高嶺土試件的凍融循環次數增加；同時，隨著建筑灰漿試件中偏高嶺土摻量增多，建筑灰漿試件在質量分數3%Na2SO4環境下的抗凍融循環次數，基本上呈現上升的現象。

對比摻入和未摻入纖維素纖維的試件可知，摻入纖維的試件抗凍融循環次數增加；其中，當試件中摻入2%纖維素纖維時，試件在3%Na2SO4環境下的凍融循環次數最高。

在各試件中，當摻入40%偏高嶺土、2%纖維素纖維的A10試件凍融循環次數最高，為29次；其次為摻入20%偏高嶺土、2%纖維素纖維的A9試件，凍融循環次數為26次，A10試件和A9試件在質量分數3%Na2SO4環境下的耐久性均較好。在建筑灰漿中摻入40%偏高嶺土、2%纖維素纖維，材料耐久性良好，符合實際應用環境要求。

2.5 SEM分析

凍融循環后SEM分析結果如圖5所示。

從圖5（a）可知，材料中存在片狀的氫氧化鈣，這表明材料中的氫氧化鈣沒有反應完全，主要與試件中加入的偏高嶺土有關。除此之外，還有呈現針狀的鈣礬石晶體、大小不一的碳酸鈣石晶體、水化硅酸鈣等水化產物；除去未參與反應的氫氧化鈣，其余部分的材料結構比較緊密。

從圖5（b）可知，材料中的纖維素纖維對基體各部分起到較好的連結作用，水化硅酸鈣等膠凝材料填補了材料內部的孔隙等缺陷，也使晶體間的膠結作用增強，在建筑灰漿中摻入質量分數6%糯米灰漿、20%偏高嶺土、2%纖維素纖維時，材料結構較好，密實度高，材料性能良好。

3 結語

（1）質量分數6%糯米灰漿的摻入，可以增強材料的強度性能、耐水性以及耐硫酸鹽腐蝕性能;

（2）當加入20%偏高嶺土、2%纖維素纖維時，養護28、90 d抗壓強度分別達到2.1、7.0 MPa；而28 d抗折強度為0.79 MPa，180 d抗折強度為1.87 MPa。材料在去離子水環境和硫酸鹽環境下的軟化系數分別為0.86、0.82，材料強度、耐水性較好;

（3）當摻入40%偏高嶺土、2%纖維素纖維時，材料硫酸鹽凍融循環次數最高，為29次，材料耐久性良好;

（4）試驗確定最佳舊工業建筑灰漿配比為質量分數6%糯米灰漿、20%偏高嶺土、2%纖維素纖維，此時，材料綜合性能良好，符合實際應用要求。

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收稿日期：2023-06-06；修回日期：2023-10-09

作者簡介：劉曉潔（1991-），女，碩士，講師，研究方向：城市更新與改造；E-mail：liuxiaojie301@163.com。

基金項目：2022陜西省教育廳科研專項計劃項目（項目編號：22JK0135）;

2022年度西安歐亞學院技術服務專項項目（項目編號：OYKF2022002）；

2022年度西安歐亞校級科研基金項目（項目編號：2022XJSK16）。