超细烧料礓石改性多福寺遗址土空鼓灌浆材料的性能测试及现场应用

多福寺,以其丰富的壁画和塑像而闻名,这些艺术品具有极高的艺术和历史价值.然而,长期受到自然营力如温差和湿度变化的影响,这些壁画遭遇了空鼓和裂隙病害,亟需加固处理.本研究选用超细烧料礓石与多福寺遗址土,通过土遗址的力学强度和浆料流动性试验,确定了三种不同浆液配比和水灰比;对不同养护时间下的结石体进行了力学性能和耐久性测试,同时采用FT-IR、XRD和SEM等技术对结石体的成分和显微结构进行分析;此外,研究成果在多福寺遗址进行了现场应用示范.结果表明,超细烧料礓石改性遗址土浆液在提升结石体的力学性能、减少收缩率和增强耐久性方面具有明显优势.探地雷达测试结果进一步证实灌浆材料对壁画空鼓裂隙的有效填充能力.本研究不仅为超细烧料礓石在文物保护领域的应用提供了科学依据,也为类似遗址的保护和修复提供了切实可行的技术方案.

岩土质文物加固材料烧料礓石超细粉的表征及其固化机理研究

以烧料礓石为原料,在1000℃焙烧3 h,通过气流涡旋磨机粉磨、微粉分级选粉,最后用单筒分离器分离后得到烧料礓石超细粉.粒径分布特征及比表面积分析结果表明,超细粉的粒径尺寸为0.2~150μm,且优势粒径尺寸主要分布在0.5μm和30μm;比表面积为2.81 m^(2)·g^(-1),是普通烧料礓石比表面积的1.21倍,达到超细粉末的要求.以烧料礓石超细粉和其不同养护龄期浆体为研究对象,通过FT-IR,XRD,TG/DTG,SEM,EDS和XPS进行结构、组成、热稳定性和形貌分析,进而讨论超细烧料礓石的固化机理.结果表明,烧料礓石超细化后的主要产物为CaO,Ca(OH)_(2),CaCO_(3),SiO_(2)和β-CaSiO_(3);其浆体在养护28 d和90 d后产生β-CaSiO_(3)·n H_(2)O和Ca_(2)Al_(2)SiO_(7)·n H_(2)O等新物质,同时CaCO_(3),Ca(OH)_(2)和SiO_(2)仍然存在;烧料礓石超细后浆体早期强度形成主要为水化反应,后期强度持续增长以水化反应和气化反应为主,性能具有“水硬”和“气硬”双重特性,化学组成及固化机理具有类似欧洲“天然水硬性石灰”的性质,达到欧洲“水硬石灰”的标准.因此,烧料礓石超细粉在岩土质文物加固保护中具有广阔的应用前景.

烧料礓石-遗址土注浆浆液工作性能

为揭示烧料礓石-遗址土裂隙注浆浆液的工作性能,分析不同水固比、浆液配比、浆液组成(烧料礓石-粉磨遗址土(CGN-G)、烧料礓石-天然松散遗址土(CGN-N))对浆液流变性能、流动性以及泌水稳定性的影响.结果表明,CGN-G、CGN-N浆液的稠度系数随水固比、浆液配比的减小而增大,流动度、泌水率均与之相反;相比CGN-N浆液,CGN-G浆液的流变指数、流动度、泌水率平均降低3.28%、7.50%、83.62%,稠度系数平均增大3.28%;扫描电镜和颗粒分析试验揭示颗粒微观形貌、比表面积、颗粒堆积状态是影响烧料礓石-遗址土裂隙注浆浆液流变性能、流动性以及泌水稳定性的重要因素.证明CGN-G浆液具备更为均衡的工作性能,适宜作为土遗址裂隙注浆材料.

烧料礓石拌合遗址土浆液结石体室内试验研究

为研究烧料礓石作为土遗址灌浆材料的可行性,以烧料礓石为灌浆基料,夏官营遗址土为拌合料,对烧料礓石浆液结石体试样进行物理性质、水理性质等室内试验。研究结果表明:拌合烧料礓石后,结石体粉粒增加、黏粒减少,砂粒变化不大;与拌合石英砂结石体相比,烧料礓石浆液结石体结构更致密,失水速度更慢;结石体具有很小的收缩率,其界限含水率有所增加,提高了土体的可塑性;结石体渗透系数小,耐崩解性能较强;烧料礓石内部组分与土粒、水分产生反应,使结石体的物理、水理性质发生了一定改变;结石体结构稳定、整体性好,且耐雨蚀能力强,是一种合适的土遗址灌浆材料。试验结果为烧料礓石应用于土遗址保护加固工程提供依据,施工时可根据裂隙灌浆需要优选使用。

古代墓室壁画地仗加固材料的室内研究

通过对烧料礓石、烧阿嘎土和欧洲水硬石灰NHL5矿物成分及这三种胶凝材料分别与石英砂、粉煤灰做填料的浆液结石体物理力学特性的分析对比,发现烧料礓石、烧阿嘎土、水硬石灰NHL5的化学组成主要是气性胶凝材料石灰CaO(或Ca(OH)_2)和水硬性胶凝材料β-硅酸钙(β-C_2S)及铝硅酸钙(C_2AS)。试验研究表明,这些材料的结石体有相近的弹性波速和适宜的初凝速度及终凝速度,有强的抗冻融性、水稳定性、耐碱性介质及耐温湿度变化对其强度的影响性。同时,三种胶凝材料结石体孔隙率大,既有好的透气、透水性,又有好的与岩土文物本体结合的兼容性,适宜做古代墓室壁画地仗的修复加固材料。

改性料礓石力学性质试验

改性料礓石作为一种传统硅酸盐建筑材料,可以与修复加固的文物本体很好兼容且牢固结合,现阶段已经运用到文物保护工作中。为研究其全面的力学特性,在前人研究基础上,采用伺服刚性试验机对改性料礓石进行了不同围压下的常规三轴试验、单轴压缩试验及巴西劈裂试验。试验结果表明:材料具有较高的抗压强度和抗拉强度,同时具有韧性特征。在低围压时,试样表现为剪切破坏,当围压超过6 MPa时,试样表现出明显的塑性流动特征,且试样的峰值强度与围压近似线性关系。通过绘制莫尔圆包络线计算出抗剪强度参数c、φ值,并分析了峰值应变、弹性模量和围压的关系。分析改性料礓石结石体的微观结构及固化过程中的化学成分变化,认为水化和碳化产物包裹石英砂颗粒的特殊结构,是材料具备韧性特征的原因。研究结果对改性料礓石的应用及文物修复的现场工作具有重要的意义与价值。

糯米浆改性烧料礓石灌浆材料力学性能试验研究

为探索出更适合土遗址裂隙加固的注浆材料,选择十分契合建筑遗址“修旧如旧”的文物修复要求的糯米浆及烧料礓石作为主要材料,设计正交试验研究16种配合比情况下的糯米浆液浓度、水胶比、烧料礓石掺量、外加剂和龄期对灌浆材料力学性能的影响。结果表明,在保证可灌性的前提下,灌浆材料试样的抗折、抗压强度与糯米浆液浓度及减水剂掺量呈正相关,随水胶比及膨润土掺量的增大呈现出先增大后减小的趋势。烧料礓石中含有可与糯米浆共同作用的气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料,对灌浆材料的抗折、抗压强度影响机理复杂,整体来看,增大烧料礓石掺量有助于提高试样的力学性能。不同配比的灌浆材料试块的抗折、抗压强度都随着龄期的增加而不断增大,龄期7 d~28 d变化趋势较为显著。SEM图像表明糯米浆改性烧料礓石注浆材料的微观结构整体呈现较多的网状结构,且附着于土颗粒表面可以较好地胶结周围土颗粒,糯米浆含有的支链淀粉树枝状结构将大量生成物规则排列,显著提高浆体成型后的密实性。运用综合平衡法得到了基于力学性能的最佳配合比为:糯米浆液浓度6%、水胶比0.55、减水剂掺量2.0%、膨润土掺量10%以及烧料礓石掺量15%。

土遗址锚固用烧料礓石拌合遗址土浆液龄期性能

为寻求与土遗址更为兼容的锚固灌浆材料,选择烧料礓石与民勤县明长城红沙堡遗址土以1∶1比例拌合的浆液材料,对其结石体进行了不同龄期收缩率、含水率、波速、渗透系数、密度、抗折强度和抗压强度的测定及微观结构变化观测。试验结果表明,结石体在龄期28天的收缩率、波速及含水量基本趋于稳定,而抗折强度和抗压强度28天后仍持续发展,直到龄期90天时保持稳定。微观结构观察结果较好地证明了以上规律。烧料礓石前期水化及后期碳化反应保证浆液早期及后期强度。同时渗透系数及密度与遗址土的相近,保证了结石体与遗址土体的兼容性。研究初步表明,该浆液适宜于土遗址锚固工程中使用。

我国古代建筑中两种传统硅酸盐材料的物理力学特性研究

水硬石灰广泛应用于历史建筑物的保护修复。在前人对中国传统水硬性石灰(仰韶水泥)研究的基础上,对烧料礓石和烧阿嘎土2种水硬石灰的基本物理力学性能及环境影响因素进行试验分析,并与欧洲2种型号水硬性石灰(NHL2,NHL5)进行对比。研究发现,在1 000℃高温环境下、历经3 h焙烧得到的烧料礓石、烧阿嘎土加石英砂配制的试样与欧洲水硬石灰加石英砂配制的试样具有相似特性:收缩变形性小、孔隙率大、透水性及透气性良好的基本性质及较强的抗冻融、水稳定性、耐温湿度循环变化的影响及碱性介质侵蚀的能力;不同龄期配比结石体的抗折、抗压强度随龄期的增加呈增长的趋势。研究结果证明,这2种我国古代建筑中应用的硅酸盐材料经过科学改性后,可应用于我国石质、土质文物的加固,对我国传统硅酸盐材料的推广具有重要意义。

中国古建筑中几种石灰类材料的物理力学特性研究

为探讨适宜于岩土文物保护加固的石灰类材料,对中国古建筑中几种石灰类材料及欧洲水硬石灰的化学组成和物理力学特性进行对比研究。研究表明烧料礓石、烧阿嘎土、欧洲水硬石灰NHL5及改性捶灰的化学组成主要是气硬性胶凝材料石灰CaO(或Ca(OH)2)和水硬性胶凝材料β-硅酸钙(β-CS)及铝硅酸钙(CAS),并且这些材料的结石体具有大的孔隙率及非常小的收缩变形性等特点,适宜于岩土文物的保护加固。除此之外,石灰、糯米灰浆、蛎灰、传统捶灰的主要化学组成为石灰CaO(或Ca(OH)2),实验研究结果显示,浆液的凝固速度慢,弹性波速小且上升速率慢,结石体虽然孔隙率大,但强度在短期内较低,易产生收缩变形,不适宜用于短时间内有强度要求的岩土文物保护加固,所以有必要对蛎灰和传统捶灰做进一步的改性研究,以便更广泛地应用于岩土文物的保护加固中。

新拌烧料礓石浆料的流动性及调控

基于石窟寺层岩体裂隙多尺度多维度的特点,开展了新拌烧料礓石浆料流动性及其调控的研究。结果表明,当仅增大水灰比时,浆料无法同时实现较大流动度且不分层泌水的性能要求;当掺入0.2%~0.4%的聚羧酸减水剂时,浆料的初始流动度虽在200~230mm内,但30min后几乎无流动度;当减水剂掺量为1.3%或2.6%时,虽流动度较大,但出现严重的分层泌水,其中有关聚羧酸减水剂“失效”问题有待进一步探讨;当牺牲剂和聚羧酸减水剂协同作用,且牺牲剂掺入量为0.07%,聚羧酸减水剂为0.4%~0.5%时,烧料礓石浆体的初始流动度和30min流动度均满足微细裂隙对浆料的工作性要求。

烧料礓石改良土加固古遗址土城墙研究

以临潭县牛头城古遗址城墙维修与保护工程为依托,采用现场调查和室内试验确定遗址土和含烧料礓石夯筑用土的相关力学参数,并利用强度折减法和有限元分析软件ABAQUS研究烧料礓石加固土遗址后的应力-应变分布及安全系数变化规律。结果表明:采用低掺量烧料礓石改良土夯筑加固后的古遗址土城墙塑性应变区域发展得到明显遏制;对土遗址城墙中部风蚀和底部风蚀加固后遗址土城墙模型的稳定安全系数有明显提高,其加固7天后稳定安全系数分别为1.959和1.820,夯筑14天后的模型稳定安全系数分别为1.966和1.829。研究的结果可为烧料礓石夯筑土的实际工程应用提供理论依据。

烧料礓石改性遗址土裂隙注浆材料龄期性能试验研究

为探究土遗址裂隙注浆的适宜材料,选择烧料礓石与遗址土作为主要浆材。基于土遗址体力学强度及浆材流动性试验,确定3种不同浆液配比及水灰比。根据浆体在裂隙注浆工程中的实际工作条件,对浆液结石体进行室外土体掩埋养护,测试其龄期物理力学性质,观察显微结构。结果显示,结石体基本物理性质在养护前3 d受含水率影响显著,龄期3~8 d呈线性变化,龄期8~18 d为过渡阶段,龄期18 d后保持稳定;收缩率、波速、孔隙率、抗折强度和抗压强度随烧料礓石配比增加而增大,密度、渗透系数反之;结石体硬化过程具有初期水化反应提高强度快,后期碳化反应持续时间长,并且物理性质稳定的特点。SEM揭示钙质胶结在土颗粒间的存在形态,增强了骨架颗粒间的黏结力。EDS分析进一步显示随烧料礓石配比增加,结石体中钙元素和碳元素的含量逐渐增高。研究初步表明,烧料礓石改性遗址土适宜作为土遗址裂隙注浆材料。

烧料礓石改性浆体–遗址土体界面抗剪性能试验

为研究土遗址锚固系统中浆体–土体界面抗剪性能,揭示锚固系统内部受力机制。试验选择目前土遗址锚固工程中常用的烧料礓石、粉煤灰、石英砂及遗址土作为主要浆体材料,同原状遗址土制成黏结试样。根据实际工作条件,对试样进行室外土体掩埋养护。通过浆体–土体界面直接剪切试验,得到不同配比浆体–土体界面的剪应力–位移关系曲线、抗剪强度参数及浆体–土体界面剪应力–位移拟合曲线。试验结果表明,浆体–土体界面未能有效黏结,界面抗剪强度主要依靠滑动摩擦及咬合摩擦承担;烧料礓石改性遗址土浆体与遗址土体黏结试样内摩擦角最大,浆体材料兼容性对界面抗剪强度的提高具有重要意义。室外掩埋养护土体温湿度的频繁波动和PS溶液的固化作用对界面黏结能力影响显著。因此,土遗址锚固工艺是保证锚固质量的关键因素之一。