骨料种类对糯米灰浆性能的影响

胡悦，魏国锋，方世强，李立新，张秉坚

(1.安徽大学 历史系，合肥 230039；2.浙江大学 文物与博物馆学系，杭州 310027；3.安徽博物院，合肥 230061)

在中国古代建筑工程中，石灰、石膏等胶结材料使用非常广泛。在众多的胶结材料中[1]，糯米灰浆使用的时间最久，历经几千年建筑材料的更新，成为中国传统灰浆技术的代表[2]。作为中国古代建筑史上的一项重要科技发明[2]，糯米灰浆最早使用于新时代晚期[3]，到清代晚期，其发展已非常成熟[2]。

根据这几年对糯米灰浆的实验测试，其耐久性能、防渗性能好[4]，强度大，与砖石质文物本体具有较好的兼容性[5]，逐渐引起古建筑修复界学者的重视。糯米灰浆开始成为砖石质等不可移动文物保护材料研究的重点领域，在古建筑、城墙、堤坝等工程的修复中，具有重大应用前景[5]。

中国传统糯米灰浆主要采用气硬性石灰制作而成[6]。气硬性石灰具有硬化慢、强度低、收缩性大等问题[6-8]，严重制约了其在砖石质文物建筑保护中的应用。骨料在建筑砂浆和混凝土中应用广泛，对于改善砂浆和混凝土的收缩开裂和强度等性能至关重要[9]。笔者尝试在糯米灰浆中加入各种骨料，探讨骨料对糯米灰浆性能的影响机制，并筛选一种适用的骨料，改善糯米灰浆的物理性能，为其在砖石质文物建筑保护中的应用提供科学依据。

1 实验材料与器材

实验原材料有：工业灰钙粉(氢氧化钙含量≥90%)[10]，采购于安徽凤阳明帝钙业有限公司；北大荒糯米，超市购买；不同粒径的河砂与石英砂，购自建材市场；砖颗粒，采用浙江大学玉泉校区附近建筑工地的红砖破碎而成。

测定糯米灰浆的性能使用的器材包括：水泥标准稠度及凝结时间测定仪，来自江苏东台迅达路桥工程仪器厂；自制抗压强度测试仪(图1)；扫描电镜，SIRION-100，FEI(美国)；XRD，AXS D8 ADVANCE(德国)。

图1 自制抗压强度测试仪Fig.1 Self-made compressive strength

2 样品制备

2.1 糯米浆的熬制

将糯米用研磨机磨至粉末状，按照m(去离子水)∶m(糯米)=19[11]准确称量出所需质量的糯米粉和去离子水，将两者放入电饭锅内，搅拌至均匀后，加热4 h。在熬制糯米浆的过程中，记下电饭锅内的刻度，适时地加入一定量的水，以保持糯米浆的浓度不变[11]。

2.2 无骨料糯米灰浆的制备

称量一定量的灰钙粉，放入搅拌桶中[12]，同时，加入灰钙粉质量0.84倍的浓度5%的糯米浆，然后，用搅拌器不断搅拌至稠度不变[12]，保证所配制糯米灰浆的水灰比为0.8[11]，M(氢氢化钙)∶M(糯米)=0.042。

2.3 添加骨料糯米灰浆的制备

按表1中样品编号M2～M10所示配方，以骨料的种类或粒径作为自变量，分别称取一定量控制粒径的砖颗粒、石英砂或河砂，与一定量的灰钙粉和5%的糯米浆混合，搅拌均匀，使其满足表1中的水灰比、骨灰比以及稠度，制得的灰浆备用。

表1 仿制灰浆的材料配方Table 1 Material formula of imitation mortar

2.4 制备灰浆试块

依据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》( JGJ/T 70―2009)，使用型号5.0 cm×5.0 cm×5.0 cm的三联抗压试模[13]，制作立方体的抗压强度试块；采用规格为4.0 cm×4.0 cm×16.0 cm的水泥胶砂试模制备收缩实验用试块[11]；采用内径5.0 cm，高1.5 cm的圆柱体试模制备耐冻融循环测试试样[11]。制备糯米灰浆试块时，首先将脱模剂均匀地涂抹于各试膜的内部，然后将制备好的糯米灰浆倒入其中，待灰浆密实后，将高出试膜部分的刮去磨平，试样放置1 d后脱模，转移至养护室(t=20 ℃±3 ℃，RH(%)=65%±5%)中养护[10]。在对糯米灰浆试块的养护过程中，要定期在其表面喷洒适量的去离子水，以确保碳化过程的进行。

3 实验结果以及讨论

3.1 骨料种类对糯米灰浆性能的影响

实验选择砖颗粒、石英砂、河砂3种骨料，将其粒径均控制在1～2 mm，骨灰比均为1，水灰比均为0.8。

1)骨料种类对糯米浆稠度的影响 依据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，使用水泥标准稠度凝结测定仪对糯米灰浆的稠度进行测试。

根据图2的稠度测试结果可以看出，与空白样品相比，骨料的掺入导致糯米灰浆的稠度下降。其中，掺入砖颗粒的糯米灰浆稠度值下降幅度高达48.8%。在水灰比和骨灰比一定的情况下，骨料的掺入，导致单位体积糯米灰浆的含水量减小，从而其稠度降低。石英与河砂质地较为致密，吸水性较小，而砖颗粒表面粗糙、多孔，吸水率较高，因此，砖颗粒的掺入导致糯米灰浆稠度大幅下降。

图2 骨料种类对糯米灰浆稠度的影响图Fig.2 Influences of aggregate types on consistency

2)骨料种类对糯米灰浆抗压强度的影响 对糯米灰浆进行抗压强度实验，把样品固定于抗压强度测试仪操作台上，将测试仪的压力杆调整至与样品上表面充分接触，然后，以0.02 MPa/s的加载速度加压，样品破损时仪器的最高读数，即为抗压强度数值[2]。待测试块的抗压强度结果如图3所示。

图3的测试结果显示，较之空白样品(未加骨料的灰浆)，骨料的添加使糯米灰浆的28、60 d抗压强度有所降低。其中，掺入砖颗粒的糯米灰浆抗压强度下降幅度最低，与空白样品相比，其28、60 d抗压强度仅分别下降了8.2%和6.8%。

图3 添加不同骨料的糯米灰浆抗压强度柱形图Fig.3 Column diagram of compressive strength of glutinous rice mortar with different

3)骨料种类对糯米灰浆收缩性的影响 收缩性测试采用规格为0.04 mm×0.04 mm×0.16 mm的水泥胶砂试模制备的试块，使用精确度为1 mm的直尺测量样品的4个侧面，记录数值，测量3次，取平均值。准确测量试块脱模后1、3、5、7、14、28 d的长度,并记录数值，然后计算其1、3、5、7、14、28 d收缩率。

骨料自身的体积稳定性高，它的掺入可抑制石灰浆体的收缩[14-15]。在图4中，较之空白样品，添加骨料的糯米灰浆收缩率显著降低，其7、14 d收缩率分别最大下降了49.2%和54.1%，表明砖颗粒、石英砂和河砂可显著改善灰浆的收缩性能。空白样品的收缩主要在脱模后两周内完成，以后基本保持稳定，收缩率变化幅度较大；添加骨料的糯米灰浆，其收缩主要在脱模后一周内完成，以后逐渐趋于稳定，收缩率变化幅度较小，且3种骨料对糯米灰浆收缩率的影响无明显差异。

图4 灰浆收缩性与骨料种类的关系Fig.4 The relationship between shrinkage of mortar and aggregate types

4)骨料种类对糯米灰浆抗冻性的影响 根据中华人民共和国行业标准《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70―2009)[11]，对糯米灰浆进行冻融实验。第1步，将上述制备的糯米灰浆切成半径2.5 cm，高1.5 cm的圆饼状试样，然后，将养护60 d的圆饼状样品置于纯净水中浸泡48 h[11]，浸泡过程中，应保持水面高于样品表面2.0 cm。第2步，将经过浸泡处理后的灰浆试块置于-30 ℃的恒温冰箱中冷冻，12 h后取出样品，放入自来水中，待其融化，12 h后观察记录样品表面的变化情况，按此方法对样品进行循环冻融实验，将试样出现明显破坏(分层、裂开、贯通缝)时的循环次数确定为耐冻融次数[4]。

根据掺入骨料的糯米灰浆抗冻性实验结果(图5)，3种骨料的添加使灰浆的耐冻融循环次数均显著增加，灰浆的抗冻性得到了明显改善。掺入砖颗粒的糯米灰浆耐冻融循环次数高达9次，较之空白样品，其抗冻性提高了125%，耐冻融效果最佳。

图5 添加不同种类骨料的糯米灰浆的抗冻性实验结果Fig.5 Experimental results of frost resistance ofglutinous rice mortar with different kinds of

3.2 骨料粒径对糯米灰浆性能的影响

实验选择石英砂作为糯米灰浆的骨粒，石英砂粒径大小控制为1～2 mm、2～3 mm、3～5 mm这3种规格，水灰比均为0.8，骨灰比均为1。

1)骨料粒径对糯米灰浆稠度的影响 图6的稠度测试结果显示，掺入不同粒径骨料的糯米灰浆，其稠度随骨料粒径的增加而减小。当水灰比和骨灰比固定时，骨料粒径的增大，导致其流动性变差，从而使其稠度降低。

图6 骨料粒径对灰浆稠度的影响Fig.6 Effect of aggregate size on consistency of

2)骨料粒径对糯米灰浆抗压强度的影响 在图7中，当石英砂粒径大小在2～3 mm时，糯米灰浆的28、60 d抗压强度分别为0.3、0.37 MPa，均高于石英砂粒径为1～2 mm和3～5 mm的糯米灰浆。可见，添加骨料时，骨料的粒径大小宜控制在2～3 mm之间。

图7 骨料粒径大小与灰浆抗压强度的关系Fig.7 The relationship between aggregate sizeand compressive strength of

3)骨料粒径对糯米灰浆收缩性的影响 由图8可以看出，随着骨料粒径增大，糯米灰浆的收缩率呈减小趋势。当石英砂的粒径为3～5 mm时，灰浆的7、14 d收缩率较空白样品分别下降了78.7%和74.3%。由此可见，骨料的粒径越大，对灰浆收缩性的改善越明显。

图8 骨料粒径大小与灰浆收缩性的关系Fig.8 The relationship between aggregatesize and shrinkage of

4)骨料粒径对糯米灰浆抗冻性的影响 耐冻融实验结果显示(图9)，随着骨料(石英砂)粒径的增大，灰浆的抗冻性呈不断降低的趋势。当石英砂粒径为1～2 mm时，灰浆的抗冻性最佳，其耐冻融循环次数高达6次，较空白样品提高了50%；而当石英砂粒径为3～5 mm时，灰浆的耐冻融循环次数下降到3次，其抗冻性尚不如空白样品。

3.3 骨灰比(体积比)对糯米灰浆性能的影响

实验选择河砂作为糯米灰浆的骨料，加入河砂的直径在1～2 mm之间，灰浆稠度在30～31 mm之间，探讨骨灰比对灰浆性能的影响，以期选择出合理的骨灰比值。

1)骨灰比对糯米灰浆抗压强度的影响 在图10中，当骨灰比为2∶1时，灰浆的60 d抗压强度最大，之后，随着骨灰比值的增大，抗压强度逐渐下降。

图9 骨料粒径大小与灰抗冻性的关系Fig.9 The relationship between aggregatesize and frost resistance of

图10 骨料/灰比值与糯米灰浆抗压强度的关系Fig.10 Relationship between aggregate/ash ratioand compressive strength of glutinous rice

2)骨灰比对糯米灰浆收缩性的影响 收缩性实验结果(图11)显示，随着骨料/灰比值的增大，灰浆的收缩率逐渐下降。当骨料/灰的比值增大到5∶1时，灰浆的7、14 d收缩率较空白样品分别下降90.2%和90.5%。可以看出，骨料/灰的比值越大，对灰浆收缩性的改善越明显。

3)骨灰比对糯米灰浆抗冻性的影响 总体来看，随着骨灰比的增大，糯米灰浆的抗冻性逐渐下降(图12)。当骨灰比值为1∶1和2∶1时，骨料的掺入，使糯米灰浆的抗冻性比空白样品分别提高75%和50%；当骨灰比大于3∶1时，灰浆的抗冻性能下降到跟空白样品相当。

图11 骨料/灰比值与糯米灰浆收缩性的关系Fig.11 Relationship between aggregate/ash ratioand shrinkage of glutinous rice

图12 骨灰比与糯米灰浆抗冻性的关系Fig.12 Relationship between ashration and freeze resistance of gluow rice

3.4 微结构与物相分析

3.4.1 SEM分析 为了深入探讨骨料对糯米灰浆性能的影响机制，分别选择养护28 d的掺入砖颗粒、石英砂和河砂3种骨料的糯米灰浆样品，采用SIRION-100型扫描电镜进行微观结构观察，SEM观察结果如图13所示。

图13 掺入骨料的糯米灰浆的SEM照片Fig.13 SEM photographs of aggregate-glutinous rice

从电镜观察结果可以看出，空白糯米灰浆样品(无骨料)颗粒细小、均匀，结构致密；与之相比较，掺入骨料的糯米灰浆样品，沿着骨料与灰浆的界面出现不同程度微裂缝，导致其强度出现不同程度的下降，微裂缝的出现可能和骨料与灰浆之间的粘结力有关。掺入骨料的糯米灰浆孔隙增多，有利于二氧化碳和水分进入灰浆内部，从而增加碳化程度，生成纳米尺度的方解石晶型的细小颗粒，比空白糯米灰浆更加致密、细小，致使其抗冻性高于空白样品。

对于3种骨料而言，石英砂多棱角、表面较光滑，河砂少棱角、表面光滑、呈圆形或椭圆形，两者较为光滑的表面，使得灰浆与石英砂和河砂界面的粘接力较弱，从而降低了糯米灰浆的抗压强度；砖颗粒是经人工破碎而成的，表面糙粗、多孔，具有不规则的多角形形貌，易于与灰浆粘结，使砖颗粒与灰浆界面的粘结强度增加，粘结得较为紧密[16]，这是掺入砖颗粒的糯米灰浆的抗压强度和抗冻性高于掺入河砂与石英砂的糯米灰浆的原因之一。较之河砂与石英砂，砖颗粒的吸水率高，在糯米灰浆中可以起到“蓄水”作用。此外，砖颗粒具有火山灰性质[17-19]，将其作为骨料加入到糯米灰浆中，砖颗粒会与石灰浆发生火山灰反应，生成凝胶状的水化硅酸钙，充填在砖颗粒与石灰浆的界面裂缝中，从而增强砖颗粒与灰浆界面的粘结强度，这是掺入砖颗粒的糯米灰浆抗压强度和抗冻性高于掺入河砂与石英砂的糯米灰浆的另一原因。

3.4.2 XRD分析 掺入砖颗粒糯米灰浆的XRD衍射图谱如图14所示。从图中可以看出，在掺入砖颗粒糯米灰浆中，主要物相为方解石、二氧化硅、氢氧化钙及少量硅酸钙，未见有水化硅酸钙的衍射峰。这可能是因为生成的水化硅酸钙是非晶态的缘故。

对于掺有不同粒径骨料的糯米灰浆而言，随着骨料颗粒粒径的增大，其总表面积变小，从而降低了骨料与灰浆的粘结面积，使骨料表面包裹的灰浆数量减少，导致界面粘结强度降低。此外，骨料粒径的增大容易在骨料与石灰浆界面形成应力集中，使灰浆易产生缺陷。所以，掺有不同粒径骨料的糯米灰浆，其抗压强度和抗冻性会随着骨料粒径的增大而减小。

图14 掺入砖颗粒的糯米灰浆的XRD图谱Fig.14 XRD Atlas of brick granule-glutinous rice

对于具有不同骨灰比的糯米灰浆来说，骨料的体积掺量增加，石灰浆量就相对减少，致使石灰浆体和骨料界面的粘结质量下降，最终引起掺入骨料糯米灰浆的抗压强度和抗冻性降低。

骨料自身的体积稳定性高，骨料的掺入可抑制石灰浆体的收缩，从而改善糯米灰浆的收缩性能。实验中所掺入的砖颗粒、河砂与石英砂3种骨料，其表面特征、颗粒形状虽然不同，但都显著减小了糯米灰浆的收缩率，而且3种骨料对石灰浆收缩率的影响并无明显差异。

骨料粒径越大，骨料附近就越容易形成水膜，相当于增大了局部水灰比，使石灰浆内部相对湿度升高，从而减小石灰浆的收缩率；糯米灰浆的收缩主要由石灰浆引起，当骨灰比升高时，灰浆中的骨料增多，石灰浆减少，从而由石灰浆引起的收缩就会减小；此外，随着骨料粒径和骨灰比的增大，骨料对石灰浆收缩的抑制作用会增强。掺入骨料的糯米灰浆收缩率随骨料粒径和骨灰比的增大而减小的原因即在于此。

4 结论

实验结果表明，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得到较好改善，其中，砖颗粒糯米灰浆的抗冻性较空白样品提高了125%，综合效果优于石英砂与河砂。砖颗粒表面粗糙、多孔、多棱角，与石灰浆界面的粘结强度高；此外，砖颗粒具有火山灰性，可与灰浆中的石灰材料发生火山灰反应，生成凝胶状的水化硅酸钙，从而进一步提高骨料与石灰浆界面的粘接强度。对实验结果进行综合考虑，建议在砖、石质文物的保护实践中，使用砖颗粒作为糯米灰浆的骨料，将骨料粒径控制在3 mm以下，骨料/灰比值控制在2∶1以下。