以糯米灰浆为代表的中国传统有机-无机复合灰浆研究进展和新发现

在中国数千年的建筑实践中,已发现许多具有中国特色的创造,其中以糯米灰浆为代表的中国传统有机-无机复合灰浆就是其中的一类。本文综述了自2007年以来相关研究的进展,包括:针对传统灰浆中有机残留物的化学检测和免疫分析技术的创新发展;全国252处古建筑遗址的1149个灰浆样品的检测结果及解读;糯米灰浆和桐油灰浆等传统胶凝材料固化作用机理及效果的实验验证;糯米灰浆研究成果对世界的影响及在世界复合材料历史上的地位;最近在新石器时代“白灰面”中新发现的有机添加物及相关溯源;传统糯米灰浆的改良研究及在文物保护工程中的应用情况等。这一系列的探索性研究不仅可为古建筑保护提供材料和技术,也为弘扬中华文明提供了鲜活的案例。

改性糯米灰浆材料流变性及其结石体力学性能研究

2017年九寨沟“8·8”地震导致火花海钙华坝受损,而针对自然遗产地的加固材料须为生态环保材料,研发的糯米灰浆采用支链淀粉团聚石灰、石膏与硅粉,达到了加固钙华坝的目的。为满足九寨沟钙华地区坝体加固对注浆材料的要求,在传统糯米灰浆中加入外加剂、硅灰、石膏改善其流变性与力学性能。改变糯米灰浆中石灰/石膏质量比(0、0.11、0.25、0.43、0.67),通过常规剪切(0.01~100 s^(-1))与循环剪切(0.01~300 s^(-1))测定流变曲线,分析改性糯米灰浆的流变性与触变性。此外,对改性糯米灰浆结石体的力学特性进行研究,并利用扫描电子显微镜分析结石体的微观结构。结果表明:石灰/石膏质量比由0变化到0.67,浆液最大黏度降低了84.7%~91.3%,其对应剪切速率逐渐增大;改性糯米灰浆属于带屈服值的假塑性流体材料;与Bingham模型相比,Herschel-Bulkley模型能更好地描述改性糯米灰浆的流变性;改性糯米灰浆具有触变性,石灰组份的掺入导致浆液的触变性降低,与黏度受影响规律相仿;触变性受剪切历史控制,呈现出随剪切循环次数的增大而降低的特点;改性糯米灰浆结石体28 d的抗压强度可达9.78 MPa;随着石灰/石膏质量比的增大,改性糯米灰浆结石体的弹性模量逐渐减小,宏观破裂方式由脆性破坏过渡到延性破坏。

基于改性糯米灰浆的3种锚杆锚固性能对比研究

锚固浆液的类型及其与杆体、土体的兼容协调性问题是土遗址锚固领域的研究焦点。由糯米浆为胶凝主材和由黏土、粉煤灰为填充料组成的改性糯米灰浆与木锚杆、玻璃纤维增强塑料锚杆、钢筋锚杆组成了3种锚固系统。通过对3种锚固系统的原位锚固、拉拔试验和界面应力-应变监测,分析比较了3种锚固系统的破坏模式、极限荷载、荷载-位移特征,剖析了杆体-浆体界面应力分布传递规律和界面测点应变对荷载时步的响应程度。在初步分析其锚固机制的基础上,最终得出了此类基于改性糯米灰浆的3种锚固系统的锚固性能的优劣完全取决于杆体-浆体的受力机制、变形和强度特征所决定的力学兼容性的结论。该研究成果为以糯米浆为主材的改性浆液在土遗址锚固领域中的应用提供了依据和参考。

无机添加剂对糯米灰浆性能影响及机理研究

采用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等分析技术,探讨了硫酸铝、明矾和工业石膏对糯米灰浆性能的影响及作用机理.结果显示:硫酸铝对于改善糯米灰浆的力学性能、耐冻融性和耐水性均有较大帮助;明矾对糯米灰浆的改善主要表现在力学性能方面;工业石膏对糯米灰浆在力学性能和耐候性方面均未有明显改善;3种添加剂对减缓和减少糯米灰浆收缩均表现出良好的效果.在实际应用中,建议采用一定比例的硫酸铝作为糯米灰浆的添加剂.

传统糯米灰浆碳化过程中Liesegang环的形成机理研究

采用FTIR,XRD,SEM等技术,对传统糯米灰浆碳化过程中出现的Liesegang环现象进行了初步研究。结果表明,使用陈化石灰和糯米浆制备的糯米灰浆在碳化过程中能形成较明显的Liesegang环;陈化石灰-糯米灰浆固化后的极小孔隙,是传统糯米灰浆中Liesegang环形成的本质原因,其形成机理符合延迟成核理论。

石灰种类对传统糯米灰浆性能的影响

测试了不同种类石灰制备的(传统)糯米灰浆的表面硬度、抗压强度、耐冻融性等性能,观察了不同种类石灰及其制备的糯米灰浆的微观形貌,探讨了石灰种类对糯米灰浆性能的影响机理.结果表明:采用分析纯氧化钙和工业氧化钙制备的糯米灰浆的抗压强度、表面硬度和耐冻融性均优于采用分析纯氢氧化钙和工业灰钙粉制备的糯米灰浆,其中,采用分析纯氧化钙制备的糯米灰浆的抗压强度等性能最好.在砖石质不可移动文化遗产保护实践中,建议采用分析纯氧化钙制备糯米灰浆.氧化钙陈化过程中形成的较小氢氧化钙板状晶粒是采用氧化钙制备的糯米灰浆微观结构细密的主要成因.正是由于采用氧化钙制备的糯米灰浆的微观结构细密,因此该类糯米灰浆的抗压强度等性能良好.

添加剂对传统糯米灰浆性能的影响及其机理

糯米灰浆是中国古代建筑史上的一项重要科技发明,为了使该传统工艺科学化地为现代文化遗产保护服务,采用SEM和XRD等技术手段,探讨了纸筋、硫酸铝和二水石膏3种添加剂对糯米灰浆性能的影响及其机理。结果表明:纸筋对糯米灰浆抗压强度和耐冻融性的改进最为明显;硫酸铝对改善糯米灰浆的干燥收缩性效果最佳;二水石膏的加入,对样品的耐冻融性并无改进,而且,随着其含量的增加,样品的抗压强度和表面硬度增幅降低。在文化遗产保护实践中,建议采用6%的硫酸铝或3%的纸筋作为糯米灰浆的添加剂。

自制硅酸盐对传统糯米灰浆性能的影响

采用灰浆性能表征和扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)等技术手段,探讨了自制硅酸盐对糯米灰浆的影响及作用机理。结果表明:自制硅酸盐对糯米灰浆的表面硬度、抗压强度、耐冻融性和耐水性均有一定程度的改善。6%自制硅酸盐糯米灰浆的综合性能最佳,其66d抗压强度高达1.41 MPa,耐冻融性较之空白样品提高了133%,耐水性能提高了43.8%。改性糯米灰浆耐水性等性能的提高,可能与灰浆中水化硅酸钙的生成有关。

糯米灰浆粘结型富钙成型活性炭的制备及其性能

利用造纸白泥原位物理活化杉木屑制备富钙活性炭粉,考察了制备工艺条件对活性炭粉得率和吸附性能的影响。在富钙活性炭粉中加入糯米浆进行捏合并压制成型,制得糯米灰浆粘结型柱状成型活性炭。在白泥与杉木屑质量比3∶2,950℃活化1.5 h的优化条件下,可制备出比表面积为975 m^2/g、得率约24%的活性炭样品。经300℃热处理1 h后制得的糯米灰浆粘结型富钙成型活性炭,其抗压强度高达18 MPa,碘吸附值为410 mg/g,耐水浸泡性长达60 d以上。SEM和XRD分析结果显示:糯米灰浆粘结成型活性炭中各组分间胶结紧密,且糯米浆对成型活性炭试样中石灰组分的炭化结晶进程具有调控作用。

以糯米灰浆为代表的传统灰浆在古城墙修复中的应用探讨

古城墙作为承载着历史文化的载体,凝结着我国传统文化艺术的成果,保护和修复古城墙在当前具有十分重要的意义。糯米灰浆在我国有着悠久的应用历史,也是我国古代建筑史上的重大发明之一,本文通过利用现代化手段研究糯米在传统灰浆中的生物矿化作用,以期提高对传统灰浆的认识,推动以糯米灰浆为代表的传统灰浆在古城墙的应用水平,从而为古城墙修复加固提供新的思路。

骨料种类对糯米灰浆性能的影响

采用灰浆性能表征并辅以扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等技术手段,测定了制备的糯米灰浆的表面强度、抗压强度、抗冻性等性能,探讨了骨料的种类、粒径以及掺量对糯米灰浆性能的影响。结果表明:砖颗粒、河砂、石英砂3种骨料的掺入,使糯米灰浆的收缩性和抗冻性均得到较大改善。其中,砖颗粒骨料的加入使糯米灰浆的抗冻性较空白样品提高了125%;但随着骨料粒径和骨灰比的增大,掺入骨料糯米灰浆的抗压强度、抗冻性和收缩率呈下降趋势。因此,在砖石质文物的保护中,建议使用砖颗粒作为糯米灰浆的骨料,并将骨料粒径控制在3mm以下,骨料/灰的比值控制在2∶1以下,对改善糯米灰浆的性能效果最佳。

改性糯米灰浆的室内研究及在九寨沟钙华地质裂缝修复中的应用

我国有着大面积的钙华地区,国内外学者对钙华的形成及影响因素进行了大量的研究,但针对钙华地区地质裂缝生态修复材料及工艺还鲜有研究。文章以九寨沟风景区震后地质裂缝为研究对象,结合水文条件及钙华颗粒的性质,在传统糯米灰浆的基础上,通过掺入不同比例的原料、改性剂及一定级配的钙华颗粒,研制出一种性能优良的灌浆材料,并对其流动性、凝结时间、抗压强度及抗折强度进行测试。室内试验表明:该材料具有流动性好、凝结时间可控、强度高、可水下浇筑等特点;空气中养护试样的各项指标均优于水中养护的试样。优选裂缝修复配合比为:糯米浆0.6~0.64份、石膏1.19份、石灰0.29份、钙华颗粒1份、改性剂1#0.07份、改性剂2#1.19%份,浆液可泵期63~86 min,初凝时间74~98 min,终凝时间92~125 min。改性糯米灰浆在九寨沟修复裂缝、加固崖体现场修复试验中取得了良好的效果,将流水漏失量由原来的50%降低至3%,较好的恢复了瀑布景观。应用表明改性糯米灰浆与钙华颗粒具有较好的相容性,可改善钙华颗粒的原生孔隙结构,促进钙华景观的生长。

改性糯米灰浆基本物理力学特性及微观结构试验研究

糯米灰浆在我国有着悠久的应用历史,但由于存在收缩性大、早期强度低、抗冲蚀性差等特点,使其应用受到了一定程度的限制。基于对传统糯米灰浆的研究,以九寨沟钙华颗粒、糯米浆、生石灰、石膏、改性剂为原料,采用流动度试验、抗压试验、抗折试验及SEM、EDS、XRD相结合的方法,研究改性糯米灰浆的基本物理力学性能及微观结构,探究其固化机理。实验结果表明,改性糯米灰浆具有初始流动性好、凝结时间可控、早期强度高等特点,当掺量为糯米浆0.52 kg、生石灰0.23 kg、石膏0.77 kg、钙华颗粒1 kg、改性剂0.01 kg时,浆液的各项性能较佳,60 d抗压强度达19.37 MPa,抗折强度达5.75 MPa;钙华颗粒作为碳酸钙“晶核”,可提供稳定的附着环境,诱导晶体的生长;结石体的固化过程包括硫酸钙晶体的生成及碳酸钙晶体“团聚→架桥→缠绕和包裹”的演化过程,逐步改善结石体内部晶体排列次序,进一步优化孔隙结构。改性糯米灰浆固化机理的研究为其应用提供了良好的理论基础。

氯盐侵蚀-冻融循环耦合作用下改性糯米灰浆耐久性能增强方法

为改善传统糯米灰浆应用在砖石古建筑修复与加固中的酥碱冻害,掺加质量分数为12.5%、25%和50%的偏高岭土与1%的麻纤维,获得了一种改性糯米灰浆复合材料。以力学强度、质量损失及相对动弹性模量为依据,详细研究了改性灰浆的应用性能。利用红外光衍射、X-ray粉末衍射和扫描电镜等微观分析方法,系统探究了改性灰浆在标准养护、冻融老化及氯盐侵蚀-冻融循环耦合作用下的性能演变机理。结果表明,混掺纤维和偏高岭土能显著改善灰浆的强度、抗冻性与耐盐性。偏高岭土生成的水化凝胶C-S-H与C-A-H可固化氯离子生成弗里德尔盐以抵抗孔隙破坏,增强了灰浆在氯盐环境下的抗冻性。氯盐侵蚀-冻融循环耦合作用下耐久性指标随麻纤维的掺加而小幅增大,随偏高岭土掺加而先提升后降低。其中以在糯米灰浆中混掺1%麻纤维与25%偏高岭土的增强方法最优。

改性糯米灰浆固化黄土的微观机理试验研究

黄土的水敏性是影响黄土地区土遗址保护与修复的重要因素,陕北革命遗址中以黄土窑洞为主的遗址由于黄土水敏性导致了窑洞墙面的脱落、粉化及渗水等病害,利用改性糯米灰浆固化黄土作为墙面修复材料,其改善水敏性的微观机理研究将成为一个重要方面。吸水率为评价固化黄土内部物质成分变化引起孔隙结构改变的重要指标,通过不同胶固比的固化土的吸水率变化,结合XRD、SEM对改性糯米灰浆固化黄土的微观作用机理进行分析。研究结果表明:胶固比为0.45的固化土,经过28 d养护后,饱和吸水率下降到18.71%,且XRD分析同样发现0.45胶固比的固化土中方解石含量增长最为明显。微观镜像中,改性糯米灰浆中的石膏和方解石晶体对孔隙进行了填充,改变了黄土原有的孔隙结构,并增强了土颗粒间的粘结。改性糯米灰浆的固化作用,使黄土原有孔隙结构和物质成分发生改变,改善了黄土的水敏性,其应用于黄土窑洞墙面的修复,将会减少由于水敏性导致的墙面病害。

玄武岩纤维对传统糯米灰浆性能的影响及机理分析

糯米灰浆的早期强度以及收缩、冻融等性能制约了其在古建筑修复中的应用。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等技术手段探讨了玄武岩纤维掺量及糯米浆浓度的改变对糯米灰浆力学性能的影响及其机理。结果表明:糯米浆的浓度调控了碳酸钙晶体的位置、大小、形貌,对糯米灰浆的早期强度及收缩、耐温、冻融等性能影响较大,糯米浆浓度为6.5%(质量分数)时各项力学性能最佳;玄武岩纤维的空腔结构及细小直径的特点对糯米灰浆的力学性能有较大帮助,28 d抗压、抗折强度分别提高436%、150%,7 d收缩率下降65%,冻融次数明显增加,5%(质量分数)掺量的玄武岩纤维-糯米灰浆综合性能最佳。在实际应用中,掺入一定量的玄武岩纤维来改善糯米灰浆性能是可行的。

糯米灰浆在古建筑保护中的研究及展望

糯米灰浆作为一种中国古老的胶凝材料,已经引起人们的广泛重视。随着研究的深入,糯米灰浆早期强度低、凝结硬化慢等问题也逐渐暴露。综述了糯米灰浆的应用历史与科学原理,介绍了近年来学者们对糯米灰浆性能影响因素的研究,并结合实际,对未来研究应用工作提出建议。

桐油对糯米灰浆性能的影响及其机理分析

糯米灰浆的早期强度以及收缩、冻融等性能制约了其在古建筑修复中的应用。利用灰浆性能表征和扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等技术手段探讨了熟桐油对糯米灰浆的影响及其作用机理。结果表明:熟桐油的包裹作用,加速了糯米灰浆中熟石灰的碳化,增强了方解石晶体的峰值强度,提高了糯米灰浆的早期强度和冻融性能,但其7d收缩率提高了295%;硅灰与熟石灰生成了水硬性的硅酸钙,使桐油-糯米灰浆的力学性能、收缩性能得到了较大改善,早期抗压强度、抗折强度分别提高了23%、15%,7d收缩率下降了71%。

掺和料对传统糯米灰浆影响的实验研究

糯米灰浆是古代建筑发展过程中的一项重要发明,该文基于潇水流域古建筑群落中糯米灰浆的应用,采用实验方法探讨了糯米与石灰在不同配比以及(糯米+土豆粉)与石灰不同配比时的抗压强度、抗折强度、收缩性等性能。结果表明:糯米与石灰在取4.5%的比例时强度值最大,养护室养护的试件强度明显高于自然养护的试件,土豆粉一定程度有利于改进糯米灰浆的收缩性能。

糯米灰浆研究现状及替代品探讨

砖砌体的粘结材料在我国已有近2000多年的发展历史。在石灰浆中掺入糯米浆液形成的糯米灰浆具有良好的粘结性能,其在中国修建的城墙当中得到了大量的应用。文章针对糯米灰浆的相关研究现状进行了综述,解析了糯米灰浆的工作机理、性能、配制以及添加剂的改性特点。除此之外,文章建议可采用有机高分子聚合物取代糯米浆液拌制改性石灰浆,初步的试验结果表明:有机高分子聚合物改性石灰浆具有优良的粘结性能与耐水性。