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。

用于碳十四年代测定的古代灰浆样品分析与前处理方法述评

自新石器时代以来,灰浆常被用作建筑的建造和装饰材料,如房址白灰面、砖墙缝隙胶凝材料、壁画灰质地仗层等。灰浆是研究古代建筑建造、修葺和壁画制作年代的重要样品,因其固化过程与建筑的建造、修葺和壁画制作行为直接相关。灰浆受原料、制作工艺和保存状态影响,其组分复杂,其中无机质组分中可能含有不同年代生成的干扰组分,因此准确测定灰浆样品碳十四年代的难度较大。本研究梳理了国内外对灰浆样品碳十四年代测定的前处理和制备方法,以及近年来无机质组分形成机理的研究成果,归纳现有灰浆样品分析检测与前处理方法的优势与不足,并提出利用计算机模拟计算干扰组分影响、有机残留物提取测年等可能的未来研究方向。

白泥掺量对碱矿渣/白泥砂浆干燥收缩的影响

为了高效利用造纸工业固废白泥,以硅酸钾和碳酸钾为复合激发剂,白泥和矿渣为复合前驱体,研究不同白泥掺量对碱矿渣/白泥砂浆(ALM)干燥收缩的影响,并通过X射线衍射分析、热重-微商热重分析和压汞法解释其机理。结果表明:随着白泥掺量的增大,ALM的水化硅酸钙凝胶(C-(A-)S-H)量减少,类水滑石量保持不变,文石、球霰石和方解石量增多,凝胶孔(3.12~10 nm)和中孔(10~50 nm)减少,大孔(>50 nm)增加,ALM吸水率增大,水分损失率增大,名义晶胶比增大,ALM的抗压强度和干燥收缩降低。白泥掺量为20.0%的ALM具有较好的28 d抗压强度和较低的干燥收缩。

灰钙对磷石膏抹灰砂浆性能的影响

磷石膏作为大宗工业固体废弃物,其资源化利用一直受到广泛的关注。本文探究了不同掺量灰钙对磷石膏抹灰砂浆工作性能和力学性能的影响规律。结果表明:磷石膏抹灰砂浆的需水量、涂布率总体随着灰钙掺量的增加呈先升高后降低的趋势,而抗压强度和保水率则随着灰钙掺量的增加呈先降低后升高的趋势;灰钙能改善磷石膏抹灰砂浆的抗流挂性,并影响缓凝剂的缓凝效果;当掺加灰钙时,宜使用凝结时间与掺量呈良好线性关系的缓凝剂。

生活垃圾焚烧炉渣导致墙面抹灰爆点的原因分析与防治措施

焚烧发电是当前城市生活垃圾减量化、资源化和无害化处置的最佳方式之一,焚烧后的炉渣经处理后可广泛应用于多个领域。通过具体的工程案例,分析了将城市生活垃圾焚烧炉渣作为湿拌砂浆骨料导致墙面抹灰爆点的原因,并提出了预防和治理措施。研究结果表明,垃圾焚烧炉渣中氧化钙含量较高,且以过火石灰的形式存在于熔渣中。过火石灰水化反应滞后,后期形成的水化产物体积膨胀,造成墙面爆灰。为预防此类问题,可再生资源公司需对炉渣进行脱碱处理,砂浆公司需对骨料进行pH值和安定性检测。对已发生爆灰的墙面,可采取淋水或加湿密闭措施来促进过火石灰反应。研究结果可为生活垃圾焚烧炉渣在建筑工程领域的合理化应用提供参考。

偏高岭土在人造水硬性石灰修复砂浆中的应用研究

为研制一种适用于历史建筑修复的绿色无机修复材料,本文基于青岛多栋砖砌体结构历史建筑黏结材料的XRD测试结果,通过掺偏高岭土制备了基于人造水硬性石灰的修复砂浆,测试了人造水硬性石灰砂浆的流动度、凝结时间、质量损失率、干燥收缩率以及力学性能等指标,研究了偏高岭土对人造水硬性石灰砂浆的影响。结果表明:偏高岭土可降低人造水硬性石灰砂浆的流动度,缩短凝结时间,降低收缩率,提高抗压强度及黏结强度。当掺量为5.0%和7.5%(质量分数)时,人造水硬性石灰砂浆的56 d抗压强度分别提升了66.8%和94.3%,黏结强度分别提升了22.2%和25.9%。采用XRD和SEM对材料的微观结构进行测试分析发现,偏高岭土能使人造水硬性石灰砂浆性能提升的主要原因是偏高岭土中的活性SiO_(2)和Al_(2)O_(3)与石灰发生直接反应并消耗Ca(OH)_(2),促进了水泥水化,增强了水化产物与骨料间的黏结力。

潘家口水库消落带长城保护用石灰灰浆改性试验研究

潘家口段长城的部分段落因水库蓄水处于消落带内,墙体残损严重,主要与砌筑用石灰灰浆的耐水性、抗冻性能较差相关。在对本段长城的保护修缮中,使用白水泥对石灰灰浆改性并开展试验研究,通过对其耐水性、抗冻性能和早期强度的分析和比较,考察不同配比下各方面性能的改善效果。结果表明:采用重量比在8∶2至7∶3间的泼灰和白水泥拌制的改性灰浆,有效提高了早期强度,耐水性和抗冻性能都有非常显著的改善,能够适应长期浸泡和反复冻融的环境,可以用于潘家口水库消落带内的长城保护。

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.

皖南牌坊传统灰浆的科技研究

采用FTIR,XRD,SEM等技术,对皖南牌坊上的传统灰浆材料配方进行了初步研究。结果表明,牌坊灰浆样品为石灰掺桐油或糯米而形成的有机-无机复合材料。桐油灰浆强度的形成主要源于灰浆中石灰的碳化反应、桐油与氧气的交联反应和Ca2+与—COO-的配位反应以及由此而形成的致密片层状有机-无机复合结构。糯米淀粉对灰浆碳化过程的调控作用而形成的细密的微观结构是糯米灰浆具有良好性能的微观解释。

硅灰改性水泥/石灰砂浆微观结构的研究

以水泥和石灰为胶凝材料,中细砂为集料,再掺加有机聚合物流化剂制成水泥/石灰砂浆,水泥/石灰砂浆中添加外加剂的文献资料很少,通常是有关水泥砂浆的研究。本实验用硅灰取代10%(质量分数)的普通硅酸盐水泥,水泥、石灰和砂子的质量比为3:1:12,外加有机聚合物对砂浆改性,利用扫描电子显微镜、能谱仪和压汞仪对浆体进行微观分析。分析结果显示,由于硅灰的加入,浆体内部水化产物在早期先以Ⅲ型CSH凝胶的形式出现,随后,Ⅲ型和Ⅰ型的CSH凝胶以并存的形式在水化后期出现;正如预期的那样,试样的总的孔隙率也比没加硅灰前有了大幅度的下降,而抗压强度的提高在水化后期才表现出来。

石灰陈化机理及其在文物保护中的应用研究

采用SEM和XRD等技术手段,探讨了石灰陈化过程机理及其在文物保护中应用的可行性.结果表明,石灰在陈化过程中,随着陈化时间的增加,氢氧化钙的粒径呈现逐渐减小的趋势,形成了直径约50nm、长度约200nm的针状氢氧化钙,以及粒径为100～200nm的板状氢氧化钙;陈化石灰的纳米粒径和高反应活性较好地改善了陈化石灰糯米灰浆的抗压强度、表面硬度等物理性能,并使陈化石灰-乙醇分散液具有良好的渗透性,可较好地解决传统石灰水加固剂溶解度较小和渗透性较差的问题,为其在砖、石、土质文物保护中的应用奠定科学基础.

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。

“二次生石灰”的微结构及作为文物加固剂的应用研究

在研究二次生石灰微结构的基础上,探讨了以二次生石灰为基础胶结材料用于古代建筑和土遗址加固保护的可行性.二次生石灰的SEM观察结果表明:氢氧化钙经高温(650℃)锻烧以后,脱水成为一种直径为50 nm、长度为200 nm左右的针状纳米氧化钙;将这种纳米氧化钙消化后,会成为一种粒径在200～300nm左右、大小十分均匀的扁平椭圆状纳米氢氧化钙颗粒.同时,研究表明,二次生石灰的纳米级粒径和高反应活性,可以提高二次生石灰糯米灰浆的机械性能,并使二次生石灰-乙醇分散液具有良好的渗透性,较好地解决了传统石灰水加固剂溶解度较小和渗透性较差的问题,从而为土石砖等不可移动文物的基于传统石灰的加固技术提供了新的途径.

米浆种类对传统灰浆性能的影响

在传统灰浆中添加不同种类米浆,然后测试灰浆稠度、表面硬度、抗压强度、收缩率和耐冻融性,观察分析灰浆的微观形貌和结构,探讨米浆种类对灰浆性能的影响及作用机理.结果表明:糯米、糯黄米、血糯米、大米和高粱米米浆的添加,均使灰浆的稠度和收缩率降低,表面硬度、抗压强度和耐冻融性提高;在各种米浆灰浆中,糯黄米灰浆的综合性能最佳,其28d抗压强度和60d抗压强度较纯灰浆分别提高了103.6%和69.4%,耐冻融性提高了150%.建议在砖石质文物保护中使用糯黄米浆作为灰浆的有机添加剂.米浆灰浆良好的力学性能源于米浆灰浆的细密结构,与米浆中的支链淀粉含量相关.

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。

中国古建筑石灰灰浆的光谱分析技术

石灰是中国古代最早使用的重要胶凝材料,广泛应用于房屋、墓葬、城墙、堤坝等古代建筑工程中。古人还在石灰灰浆中添加糯米浆、动物血液、植物汁液、红糖、桐油、纸筋、秸草等有机材料以增进其性能。此外,中国古代还使用石灰、粘土和砂石组成现在称为"三合土"的混合石灰材料以构筑墓葬、城墙和水利工程等建筑墙体。在古建筑遗址的修复和保护工作中,本着"修旧如旧"的原则,必须对古建筑修建所采用的原材料和施工工艺进行分析研究,从而为修复工作提供科学可靠的依据。本文综述了在对中国古代建筑石灰灰浆的分析中所采用的光谱分析技术,包括拉曼光谱、红外光谱、X射线衍射和X射线荧光光谱,以及扫描电子显微镜、热重分析等其它一些分析技术,讨论了各种分析技术的用途、优势和劣势。

水泥与消石灰对沥青胶浆性能影响研究

研究掺加水泥和消石灰对沥青胶浆性能的影响.通过测试不同替换量下掺加水泥和消石灰时沥青胶浆的高温、低温性能和施工性能,发现掺加水泥后胶浆的软化点增加,黏度降低,低温性能得到改善.但是替换量超过60%时,胶浆延度改善幅度降低,因而水泥替换量不宜超过60%;当掺加消石灰时沥青胶浆软化点和黏度显著增大,BBR试验显示低温抗裂性能劣化,但是替换量不超过20%时,对低温性能影响较小.

古建筑修复用石灰基砂浆的研究进展

古建筑暴露在自然环境中,长年经受日晒雨淋,大多受到了不同程度的破坏。古建筑修复材料一直以来都是文物保护工作者研究的重点。石灰是人类最早使用的无机胶凝材料之一,具有良好的透水性和透气性,与古建筑基体材料兼容,且不会对古建筑造成二次破坏,在古建筑修复领域具有其他材料不可取代的优势。然而,石灰修复砂浆还存在一些问题,尤其是材料的早期强度低和耐久性不足,严重阻碍了其发展和应用。石灰是一种气硬性胶凝材料,在空气中逐渐结晶和碳化而硬化,其强度发展缓慢。此外,石灰在干燥硬化过程中会失去大量游离水,形成多孔结构,为水分及一些可溶性离子进入浆体内部提供通道,对其抗冻性和抗侵蚀性等造成不利影响。近年来,学者们经过对石灰砂浆组成的不断探索和优化,显著提高了石灰基砂浆的性能。石灰基砂浆主要包括石灰砂浆、天然水硬性石灰砂浆、石灰-水泥砂浆和石灰-火山灰质材料砂浆四类。石灰砂浆与古建筑的兼容性最好,但由于早期强度低,限制了它的应用。近几年的研究工作集中在探索胶砂比和一些添加剂对石灰砂浆孔隙结构和力学性能的影响规律。天然水硬性石灰含有一定量的水硬性成分硅酸二钙,与气硬性石灰相比,早期强度更高。国内对天然水硬性石灰的研究起步较晚,现已有学者在实验室成功制备出不同强度等级的天然水硬性石灰,但制备工艺尚不成熟。而国外研究人员在天然水硬性石灰中引入适量辅助胶凝材料,获得了性能优异的修复砂浆;石灰-水泥砂浆原料来源广泛,与天然水硬性石灰砂浆的结构及性能相似,但石灰-水泥砂浆与古建筑基体材料的兼容性问题还存在争议。石灰-火山灰质材料砂浆早期强度主要来源于氢氧化钙和火山灰质材料之间的火山灰反应,火山灰反应又与材料的火山灰活性及养护条件密切相关。本文介绍了四类石灰基古建筑修复砂浆的优缺点及应用现状,阐述了石灰基砂浆结构与性能之间的关系。根据古建筑修复的兼容性要求,指出了石灰基砂浆发展过程中存在的问题,并为石灰基砂浆的进一步研究工作提出了建议。