玄武岩纤维对传统糯米灰浆性能的影响及机理分析

阳令明，张维祥，周绍青

(湖南科技学院土木与环境工程学院，永州 425199)

0 引 言

糯米灰浆(SRLM)是我国古代建筑的主要胶凝材料之一，至少不晚于南北朝时期[1]，糯米灰浆就已经成为比较成熟的技术，被广泛应用于墓葬、城建、堤防、寺庙等构筑物，如重庆巫山石灰墓、西安城墙、重庆太和古镇、楚雄庆安堤、西安香积寺等[1-4]，永州市明清时期的上甘棠村、李家大院等民用古建筑的灰浆中也发现了糯米成分[5]。虽历经千百年的风雨冲刷，仍然坚固完整，事实证明糯米灰浆具有良好的耐久性和力学特性。

然而，石灰基的糯米灰浆材料存在收缩性大、易出现裂缝、早期强度低等问题[6]，严重制约其在古建筑保护中的应用。近年来，在“尽可能使用原来的材料和工艺技术”的古建筑保护理念下[6]，传统的糯米灰浆工艺逐渐成为文物保护工作者研究的重点之一。文献调研发现，明代宋应星的《天工开物》中就有关于添加羊桃藤汁来提高糯米灰浆力学性能的记载[3]，近代学者也提出了掺入聚丙烯纤维等材料，以及改变糯米浆浓度、密度，石灰种类等方法[3-8]，并分析了其对糯米灰浆的早期强度、收缩性能及冻融性能的影响，指出糯米浆浓度为6%(质量分数)时，糯米灰浆加固遗址土效果较好[9]，糯米浆浓度为5%(质量分数)时的糯米-三合土各项力学指标达到最佳[10]。对于纤维类添加材料，研究指出麻纤维、聚丙烯纤维掺量分别为0.4%、0.7%(质量分数)时的纤维-糯米灰浆力学性能达到最佳[3]。而玄武岩纤维作为一种新型纤维材料，它能显著降低混凝土孔隙率减少初始裂隙，改善水泥混凝土的力学性能和耐久性能[11]。

因此，笔者选取了玄武岩纤维作为添加材料并考虑改变糯米浆浓度，研究它们对糯米灰浆力学性能、耐久性能的影响及其作用机理，为糯米灰浆在古建筑等文化遗产保护中的应用提供参考。

1 实 验

1.1 试验材料

糯米粉密度为0.48 g/cm3，根据《淀粉细度测定方法》，筛分得到的细度指标见表1。生石灰密度为2.7 g/cm3，化学成分如表2所示。玄武岩纤维产自郑州登电玄武石纤有限公司，长为6 mm，抗拉强度为3 500 MPa，密度为3.5 g/cm3。

表1 糯米粉的细度指标Table 1 Fineness index of sticky rice flour

表2 生石灰的化学成分Table 2 Chemical composition of quick lime

1.2 试验设备

试件制备及性能检验主要设备：水泥标准稠度凝结测定仪，NT160B型水泥净浆搅拌仪，DKI-500电动抗折试验机，D40型低温试验箱，ZEISS-EVOMA10扫描电镜，PAN-alytical X′Pert PRO射线衍射仪，LX-A型硬度计，YAW300B型微机控制电液式水泥压力试验机，ZS-15型水泥胶砂振实台。

1.3 配合比设计

根据相关文献[3,9-10]的研究，选取5%、6%、6.5%、7%、8%(质量分数，下同)5种浓度将糯米与水进行配比，并考虑掺入玄武岩纤维材料，设计了如表3所示的配合比，括号内表示相应的比例。

表3 玄武岩纤维-糯米灰浆的质量配合比Table 3 Quality mixture ratio of SRLM with basalt fiber

续表

1.4 试件制备

将生石灰与水拌合消解三个月，添加时去除表层。按照表3的配合比称取一定量的水放入电热锅中，煮沸，再称取相应份数的糯米粉置于锅中，不停地搅拌10 min，迅速加入相应份数的过筛的熟石灰拌匀，控制温度75～80 ℃[9]，搅拌均匀后倒入搅拌桶中，称取相应比例的其他添加材料，拌匀后再倒入水泥净浆搅拌仪中，以125 r/min的速度搅拌3 min，直至灰浆拌和均匀，稠度控制在30～50 mm，最后倒入试模中，自然养护(室内温度20～30 ℃，相对湿度60%～80%)7 d后脱模，得到试件。

试件制作参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)，耐温性能、冻融性能、抗压强度试验采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的三联抗压铁制试模，表面硬度采用内径50 mm、高15 mm的圆柱体试模，抗折强度、收缩性能试验采用40 mm×40 mm×160 mm铁制试模。

2 性能表征与分析

2.1 抗压强度和抗折强度

参照JGJ/T 70—2009，采用YAW300B型微机控制电液式水泥压力试验机，荷载参数30 kN，以0.02 MPa/s的加载速度加载，记录破坏时的荷载读数。

图1是糯米浆浓度为7%的试件以及添加5%(质量分数，下同)玄武岩纤维试件的抗压强度试验状况。无添加玄武岩纤维的糯米灰浆试件随着竖向裂纹的增加直接发生剪切破坏，破坏前无明显特征。而添加玄武岩纤维的糯米灰浆在加载过程中，随着荷载的增加，试件表面首先出现竖向微裂纹，然后横向变形增大，边角处裂缝逐渐增多、贯通、剥落，破坏时产生较大的横向变形和压缩变形，呈现多缝开展破坏的特点，试件最后被“压扁”。

图1 玄武岩纤维-糯米灰浆的抗压强度试验Fig.1 Compressive strength test of SRLM with basalt fiber

玄武岩纤维对糯米灰浆抗压、抗折强度的影响如表4和图2所示。根据表4的试验结果可知，糯米浆浓度对糯米灰浆的抗压、抗折强度影响较大。随着糯米浆浓度的增加，糯米灰浆的抗压、抗折强度先增大后变小，当糯米浆浓度为6.5%时力学性能最佳。说明适量的糯米浆可调控碳酸钙晶体颗粒大小、形状，形成致密结构，但过量的有机物又会成为缓凝剂，抑制石灰的碳化反应[7]。

根据表4及图2结果显示，玄武岩纤维对糯米灰浆的抗压、抗折强度影响较大，尤其是早期的抗压、抗折强度。在不同浓度糯米灰浆中添加5%的玄武岩纤维，28 d抗压、抗折强度最大分别提高了436%、150%，60 d抗压、抗折强度最大分别提高了291%、233%。

表4 玄武岩纤维对糯米灰浆抗压、抗折强度的影响Table 4 Influence of basalt fiber on compressive strength and flexural strength of sticky rice-lime mortar

图2 玄武岩纤维对糯米灰浆抗压、抗折强度的影响Fig.2 Influence of basalt fiber on compressive strength and flexural strength of sticky rice-lime mortar

在相同糯米浆浓度的糯米灰浆中掺加5%的玄武岩纤维，28 d抗压、抗折强度分别提高了178%、115%，60 d抗压、抗折强度分别提高了96%、228%，随着玄武岩纤维掺量的增加，糯米灰浆的抗压、抗折强度先增大后变小，掺量5%时力学性能最佳。说明玄武岩纤维与石灰基糯米灰浆材料具有较好的亲和力，纤维材料在糯米灰浆中主要起到骨架作用，提高灰浆颗粒之间的拉结力，尤其是糯米浆浓度较低时更加明显；根据Romualdi等[12]的纤维阻裂理论，当较多的玄武岩纤维掺入后，不同材料性能的纤维与灰浆之间的间隙增多，增加了灰浆的薄弱界面，影响了粘结强度，所以其抗压、抗折强度只随纤维的掺量在一定范围内增大而提高。

2.2 表面硬度

测量表面硬度时，压针距离试件边缘至少6 mm，与试件完全接触1 s内读数，每个试件均匀取点测定7次，去除一个最大值和一个最小值后取平均值[6]，测试结果见表5。

结果表明，随着糯米浆浓度的变化，糯米灰浆的表面硬度呈现先增大后减小的趋势，而糯米灰浆的表面硬度主要跟熟石灰的碳化有关，说明一定浓度的糯米浆有利于糯米灰浆中熟石灰的碳化；玄武岩纤维掺入后，相同糯米浆浓度的糯米灰浆的表面硬度提高了28%。

2.3 收缩性能

糯米灰浆试件收缩率测试时，采用最小刻度为0.02 mm的游标卡尺对养护7 d、28 d、60 d后的试件4个侧面长度分别进行测量，然后取平均值，精确至0.1 mm，再计算收缩率，试验结果见表5，收缩率变化曲线见图3。

图3 玄武岩纤维-糯米灰浆的收缩率曲线Fig.3 Shrinkage rate curves of SRLM with basalt fiber

结果表明，所有样品试件早期收缩明显，28 d后趋于平稳。糯米灰浆7 d内收缩量约占60 d总收缩量的33%，糯米灰浆的收缩主要与糯米浆浓度有关，糯米浆浓度的增加有利于其收缩性能的改善。

玄武岩纤维-糯米灰浆7 d的收缩量占60 d总收缩量的57%，玄武岩纤维的掺入有效改善了糯米灰浆的收缩性能，7 d、60 d收缩率分别下降了65%、80.4%。说明灰浆颗粒间的孔隙依然较大，糯米灰浆前期失水严重，纤维桥接作用不明显，随着龄期的增长，方解石晶体逐渐增多，纤维骨架支撑作用增强，缓解了糯米灰浆后期的收缩性能。

2.4 耐冻融性能

参照JGJ/T 70—2009和文献[6]，选取脱模养护60 d后的M1-3、M2-2、M2-3、M2-4各3个试块，放入装有自来水的桶中浸泡48 h，浸泡时水面高出样品上表面20 mm以上，将浸泡过的样品取出，用拧干的湿毛巾轻轻擦去表面水分，放入D40型低温试验箱中冷冻12 h，上下限温度设定为-30 ℃。然后再取出样品，放入自来水中融化12 h，重复以上操作并观察样品表面的变化情况，以样品底部开始剥落、分层、贯通裂缝时的循环次数确定为耐冻融次数，试验结果及试件表面状况见图4。

图4 玄武岩纤维-糯米灰浆的冻融试验Fig.4 Freeze-thaw cycle test of SRLM with basalt fiber

结果表明，普通的糯米灰浆耐冻融性能很弱，糯米浆粘结的石灰基材料经过水的多次浸泡后，表层糯米浆发生溶解，孔隙逐渐连通，自由水的膨胀-收缩循环造成灰浆强度逐渐丧失，最后变成小颗粒粉渣状。玄武岩纤维使糯米灰浆的耐冻融性能明显提高，冻融次数均在10次以上，且随着糯米浆浓度的增加冻融次数增多，破坏时表面裂缝较少，试件呈现大块状破坏。说明灰浆中微裂纹发展引起纤维承受的拉结应力增大，阻碍了微裂纹继续发展，当裂缝形成后，由于纤维的抗拉强度大，延缓了发展速度，提高了冻融性能。

2.5 耐温性能

现场调研时发现，祁阳李家大院采取糯米灰浆涂抹木结构表面的方式提高防火性能，本实验参考文献[13]，采用电热炉作为火源，受热温度150 ℃左右，测试其3 h后的抗压强度，结果见图5。

图5 150 ℃受热后各试件的抗压强度变化Fig.5 Changes of compressive strength of SRLM after heated at 150 ℃

结果表明，掺有玄武岩纤维的糯米灰浆试件M2-1、M2-3在加热后，其抗压强度均有所下降，平均下降20%左右，破坏过程与常温相似，但裂缝发展速度快，局部剥落严重，说明受热后内部结构受到损害。普通糯米灰浆M1-1试件抗压强度则有所提高，M1-3试件下降不明显。说明糯米灰浆试件早期Ca(OH)2的相对含量较大，碳化反应不完全，加热促进了空气中CO2与灰浆中Ca(OH)2碳化反应的正向进行，缓解了内部结构变化带来的影响。

3 机理分析

3.1 SEM分析

前期研究发现，糯米支链淀粉在Ca(OH)2碳化过程中起到了模板作用，使生成的晶体颗粒变小，结构更加致密[1，14]。为观察灰浆材料微观形貌，将养护28 d的不同添加剂典型试件切割取样，烘干后进行SEM分析，结果见图6。

图6 玄武岩纤维-糯米灰浆的微观形貌Fig.6 Microscopic morphology of SRLM with basalt fiber

图6(a)是未掺入其他添加剂的糯米浆浓度为6.5%的普通糯米灰浆微观形貌，细小颗粒相互交联，结构致密，与糯米浆浓度为5.3%(m水∶m糯米粉=19)的样品微观形貌[14]比较，随着糯米灰浆浓度的增大，方解石晶体变小，颗粒间孔隙也变小，说明一定浓度的糯米浆加速了糯米灰浆中熟石灰的碳化进程。这是由于糯米粉经糊化后，其末端的羟基官能团在碱性条件下与Ca2+反应，影响了碳酸钙结晶体的位置、大小和形貌形成[7]，随着糯米浆浓度的变化，晶型较小、形状更规则的方解石晶体逐渐增多，但过量的糯米浆又粘附在Ca(OH)2表面，影响方解石晶体的形成。

图6(b)是掺入5%玄武岩纤维的糯米灰浆放大5 000倍时的SEM照片，可以看到玄武岩纤维含有空腔结构，在灰浆早期硬化过程中可避免水分过快流失，降低了早期的收缩率以及开裂的风险，改善了糯米灰浆的收缩性能、抗裂性能，但颗粒间的孔隙依然较大，自由水流失严重，从而导致早期收缩率大。与图6(a)相比较，糯米浆的浓度相同，方解石的结晶度基本一致，孔隙大小相似，说明玄武岩纤维对糯米灰浆的结晶状态影响很小。糯米灰浆颗粒紧紧附着在纤维上，增加了粘结力，而纤维的直径一般在5～10 μm，比表面积大，握裹力强，在糯米灰浆中的交错分布起到拉结和骨架作用[3]，从而提高了其力学性能和耐久性能。

3.2 XRD分析

为进一步探讨玄武岩纤维对糯米灰浆性能的影响机理，对养护28 d的试件进行XRD分析，结果如图7所示。

由图7可见，未掺加添加剂以及掺加了玄武岩纤维的糯米灰浆的物相成分基本相同，主要是Ca(OH)2、方解石，并且Ca(OH)2的峰值最大，说明试件内部Ca(OH)2的相对含量较大，这些反应不完全的Ca(OH)2维持着灰浆的强碱环境，抑制了细菌的产生和生长，正是糯米灰浆耐久性能的合理解释，也是灰浆后期强度增长幅度较大的主要原因。

图7(b)是掺5%玄武岩纤维的糯米灰浆XRD谱，与图7(a)相比较，玄武岩纤维未出现明显的衍射峰，呈现出非晶态结构，也无新峰值产生，说明玄武岩纤维对糯米灰浆力学性能的改善主要是纤维材料的拉结和骨架作用。

图7 玄武岩纤维-糯米灰浆的物相成分Fig.7 Phase composition of SRLM with basalt fiber

4 结 论

(1)糯米浆吸附在Ca(OH)2颗粒表面，影响了碳酸钙结晶体的位置、大小和形貌的形成，反应不完全的Ca(OH)2维持着强碱环境，提高了灰浆的耐久性能，影响了后期力学性能的增长；糯米浆末端羟基官能团在碱性条件下能与Ca2+反应，产生晶型更小、形状更规则的方解石晶体，但过量的糯米浆又影响着Ca(OH)2的碳化过程，当糯米浆浓度为6.5%时力学性能最佳。

(2)玄武岩纤维对糯米灰浆的结晶过程影响很小，主要是其空腔结构、阻裂作用以及与糯米灰浆良好的粘结力、握裹力，起到了有效的拉结和骨架作用，对糯米灰浆的早期强度、收缩性能、抗冻融性能、耐温性能有良好的增强作用，掺量5%的玄武岩纤维-糯米灰浆综合性能最佳。