潘家口水库消落带长城保护用石灰灰浆改性试验研究_孙颖卓.pdf
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1、第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb.2023材料科学潘家口水库消落带长城保护用石灰灰浆改性试验研究Experimental Study on the Modification of Lime Mortar for the Protection of the Great Wall inthe Fluctuation Zone of Panjiakou eservoir孙颖卓(河北省文物与古建筑保护研究院,河北 石家庄 050061)摘要:潘家口段长城的部分段落因水库蓄水处于消落带
2、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。关键词:石灰灰浆;改性灰浆;长城保护中图分类号:TU317文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01009408DOI:1019860/jcnkiissn100582
3、49202301017SUN Yingzhuo(Hebei Cultural elics and Ancient Buildings Protection Institute,Shijiazhuang 050061,China)Abstract:Some parts of the Great Wall in Panjiakou section are in the waterleveling zone due to the water storage,which is mainlyrelated to the poor water resistance and frost resistance
4、 of the lime mortar used for masonry.In the protection and repair of this section ofthe Great Wall,This experiment is focus on mortar which modified by white cement,in order to investigate the improvement effect ofvarious aspects of performance under different proportions by comparing and analyzing
5、of its water resistance,frost resistance and earlystrength.The results show that the modified mortar mixed with ash and white cement with a weight ratio of 8 2 to 7 3 can effectivelyimprove the early strength,water resistance and frost resistance.It can adapt to the environment of longterm immersion
6、 and repeatedfreezing and thawing,and can be used for the protection of the Great Wall in the dissipation zone of Panjiakou eservoir.Keywords:lime mortar;modified mortar;Great Wall protection作者简介:孙颖卓(1977),男,本科,副研究馆员,研究方向:文物古建筑保护。收稿日期:202201100引言石灰是我国传统建筑极为常用的重要材料,以石灰为主要材料拌制的灰浆在基础、地面、墙体、屋面等部位应用广泛1。传
7、统石灰属于气硬性石灰,因其硬化慢,耐水性和抗冻性能较差2,在潮湿和冻融的环境条件下,表现不佳。潘家口段长城由于水库蓄水,部分点段被淹没,在反复浸泡和冻融的环境下残损严重,与砌体粘接材料石灰灰浆的不足紧密相关。天然水硬性石灰兼具气硬性和水硬性,近年来开始进入我国的文物保护领域。它硬结速度快,1 期孙颖卓:潘家口水库消落带长城保护用石灰灰浆改性试验研究95材料科学具有较好的耐水性和抗冻性能3。但天然水硬性石灰在中国尚未实现工业化生产,进口价格高昂,在工程上大量使用显然是不经济的。目前,国内对水硬性石灰的生产仍处于探索阶段,研究方向主要有两类:第一类是通过煅烧黏土质或硅质石灰石,如料礓石4、泥灰岩5
8、、石灰岩尾矿6 等获得;第二类是通过向氢氧化钙中添加矿渣、白水泥78 等水硬性物质获得。其中,张云升等8 以气硬性石灰、白水泥、重钙微粉、矿渣、添加剂、纤维等为主要原料,设计制备了水硬性石灰砂浆作为古建修补材料。基于以上研究成果,结合工程实际,本研究选择使用白水泥作为改性材料,通过试验,确定最佳的配合比例,使石灰灰浆获得适当的水硬性,改善其耐水性和抗冻性能,以满足潮湿环境下古建筑砖石砌体的维修保护对灰浆的需要。1试验背景潘家口段长城位于河北省迁西县和宽城满族自治县交界处,始建于明朝洪武年间,原为毛石墙体,明后期包砖。1975 年开始在潘家口关两山之间筑起大坝修建水库,1979 年蓄水,关城、关
9、口和部分长城墙体被淹没。水库水位随着季节更替而变化,常水位在200 220 m 之间变化。每年汛期时应防洪要求,处于较低水位。自八月底开始蓄水到次年三月间,水位达到较高水平。因水库水位的周期性变化,使沿岸部分土地处于周期性的出露和水淹的特殊状态,形成消落带。如图 1 所示。(a)高水位(b)低水位(c)消落带图 1潘家口长城状况Fig.1Conditions of the Great Wall in Panjiakou消落带外的墙体保存较好,消落带内的墙体损坏严重。主要表现为:墙体的砌筑灰浆风化破碎,强度大幅度降低,进而导致外包砖墙剥落严重,部分坍塌,毛石墙芯裸露,灰浆流失,结构松散塌落。潘家
10、口段长城所处区域属暖温带大陆性季风气候,四季分明,冬季寒冷。消落带内的长城墙体原砌筑粘接材料为石灰灰浆,即不加骨料的纯熟石灰拌制而成的灰浆,早期强度低,强度增长缓慢,具有被水浸泡后强度降低、抗冻性能差等缺点。因此,对消落带内墙体砌筑使用的石灰灰浆进行改性,以提高其早期强度、耐水性和抗冻性能,适应“水下长城”的特殊环境。为了达到上述要求,模拟不同的环境条件,对改性灰浆进行试验和分析,确定最优的方案。2试验设计为了最大程度符合文物保护的原材料原则,灰浆仍以传统灰浆材料石灰所制得的泼灰作为基础材料。但由于石灰依靠干燥结晶以及碳化作用而硬化,在处于潮湿环境时,石灰中的水分不蒸发,二氧化碳也无法渗入,硬
11、化将停止。而潘家口水库水位随季节涨落,施工窗口期较短,因此必须选择能缩短初凝时间,提高早期强度的改性材料。另外,为了不改变灰浆的外观,对灰浆进行改性的材料,应与石灰颜色和质感基本一致。白色硅酸盐水泥是以氧化铁和其他有色金属氧化物含量低的石灰石、黏土、硅石为主要原料,96粉煤灰综合利用37 卷材料科学经高温煅烧得到以硅酸钙为主要成分的水泥熟料,加入适量石膏及混合材料(石灰石和窑灰),磨细制成的一种硅酸盐水泥,简称白水泥。白水泥一般用作建筑装饰,属于水硬性胶凝材料,典型特征是具有较高的白度,与白灰的外观接近,符合灰浆改性材料的性能要求。而且白水泥材料易获得,制造工艺成熟,性能稳定可靠,因此,使用白
12、色硅酸盐水泥作为试验中的改性材料。试验分三组进行,分别为对照组、浸泡组、冻融组,以测试各种配比的灰浆在不同环境条件下的性能表现。由于石灰的碳化速度缓慢,不同的碳化程度会对灰浆的性能产生较大影响,所以试验拟分别在 28、90、180 d 三个龄期进行,实际试验为45、105、210 d。试 验 冻 融 循 环 次 数 根 据GB/T 251812010 预拌砂浆中的规定:冻融循环次数按夏热冬暖地区 15 次、夏热冬冷地区 25次、寒冷地区 35 次、严寒地区 50 次确定。根据GB 501762016 民用建筑热工设计规范,本试验冻融循环次数确定为 35 次。3试验过程3.1试件制备灰浆使用泼灰
13、和白水泥按重量比进行拌制。泼灰使用易县产成品泼灰,是将生石灰碎块用水喷淋,使石灰充分消解,攒堆后陈伏 90 d 以上。白水泥使用易县华宇大地水泥制造有限公司生产的雪豹牌 42.5 白色硅酸盐水泥。配比共设置 6 种不同的比例,见表 1。表 1改性灰浆试验配合比Table 1Test mix of modified mortar%材料SK0SK1SK2SK3SK4SK5泼灰1009080706050425#白水泥01020304050按照 JGJ/T 702009 建筑砂浆基本性能试验方法标准要求制作立方体试件,考虑到灰浆中石灰的碳化和施工现场的实际条件,试件拆模后未放入标准养护室中养护,而是在
14、室内常温条件下进行养护。3.2耐水性及抗冻性能试验试验分成三个龄期进行,分别为 45、105、210 d,每个龄期使用 3 组(每组 3 块)共 9 块,分别作为同龄期的对照、浸泡、冻融组抗压强度检验试件。灰浆抗冻性能试验参考 JGJ/T 702009 建筑砂浆基本性能试验方法标准要求,按下列步骤进行:试件分别养护 45、105、210 d 龄期后,从养护室取出静置 2 d,进行外观检查并记录其原始状况,随后放入 1520 的水中浸泡,浸泡的水面应至少高出试件顶面 20 mm,冻融试件浸泡 2 d后取出,用拧干的湿毛巾轻轻擦去表面水分,然后称其质量。冻融组试件置入篮框进行冻融试验,浸泡组试件则
15、继续浸泡,对照组试件继续养护。冻融试验结束后,将冻融试件和浸泡试件从水槽取出,用拧干的湿布轻轻擦去试件表面水份,然后称其质量。再把冻融试件、浸泡试件与对照试件同时进行抗压强度试验。抗压强度试验按照JGJ/T 702009 建筑灰浆基本性能试验方法标准要求进行。灰浆冻融试验后计算其强度损失率和质量损失率,当冻融试件的抗压强度损失率不大于 25%,且质量损失率不大于 5%时,则该组灰浆在试验的循环次数下,抗冻性能为合格,否则为不合格。4试验数据及分析4.145 d 龄期45 d 龄期改性灰浆试验结果见表 2。6 组试件在养护 45 d 后,试件外表均已干燥,呈白色稍带黄色。其中 SK1、SK2、S
16、K3 试件与 SK0 纯石灰试件在外观上无明显不同,表面略显粗糙,无反光,而 SK4、SK5 试件虽然与纯石灰试件颜色无差异,但表面质感明显更细腻,并略呈现蜡样光泽。纯石灰试件和 SK1 试件干密度最小,吸水率最高,说明其相对较为疏松。此后,随着掺入白水泥的比例提高,密度明显增大,吸水率则明显降低。1 期孙颖卓:潘家口水库消落带长城保护用石灰灰浆改性试验研究97材料科学表 245 d 龄期改性灰浆试验结果Table 2Test results of modified mortar in 45 d age试验组号对照组浸泡组冻融组抗压强度/MPa干密度/(g/cm3)吸水率/%抗压强度/MPa强
17、度变化率/%质量损失率抗压强度/MPa强度变化率/%外观SK00.891.0938.50.1879.8白色略呈黄色无光泽SK10.351.0942.80.42+20.0白色略呈黄色无光泽SK22.241.1936.12.201.849.3白色略呈黄色无光泽SK34.001.2431.73.756.323.01.4763.2白色略呈黄色无光泽SK46.521.3327.15.4716.112.13.3049.4白色略呈黄色蜡样光泽SK58.511.3923.66.2826.21.54.9142.3白色略呈黄色蜡样光泽SK0 纯石灰试件在浸泡后抗压强度严重下降,强度损失率达 80%,说明纯石灰试件
18、耐水性很差,尤其是碳化很不充分的情况下。在第一次冻融循环就分崩开裂,融化过程中从内部沿裂缝漏出大量未碳化的消石灰,残存一个外部开裂内部空洞的空心方块。说明方块外壳已经部分碳化,并得到了一定强度,而内部未碳化的部分仍处于非常松散的状态,抗冻性能的表现极差。SK1 在浸泡后抗压强度得到小幅度提高。在第 4 次冻融循环表面出现裂缝,第5 次冻融循环产生贯穿裂缝,方块中心鼓包崩裂。抗冻性能相比SK0 有所提升,但表现仍然很差。SK2 在浸泡后强度无明显变化。第 16 次冻融循环表面开始出现裂缝,第 25 次冻融循环后仍基本完整,上表面产生大面积剥落。之后各表面剥落速度明显加快,在第 35 次冻融循环后
19、表层全部剥落,未测得有效破坏压力值。抗冻性能相比SK0 明显提升。SK3、SK4 在浸泡后强度略有下降。第 19 次冻融循环表面开始出现裂缝,第 25 次冻融循环后仍然完整。SK3 于第 30 次后、SK4 于第 32 次后表面开始剥落,破坏加速发展。在第 35 次冻融循环后,SK3 除下表面外表层全部剥落,强度损失严重,达63.2%;SK4 上表面全部剥落,强度损失将近 50%。抗冻性能相比 SK0 大幅度提升。SK5 在浸泡后强度下降近 25%。第 30 次冻融循环表面开始出现裂缝,第 35 次冻融循环后,除一个试件上表面出现剥落外,另外两个仍然完整,强度损失较严重,达 42.3%。抗冻性
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