二氧化硅气凝胶在古墙体保护中的应用

杨梦瑶

摘 要：古建筑墙体的保护与修缮工作是一个复杂且细致的过程，不同于现代建筑工程，其是对古代建筑墙体的实践保护工作，是对历史文化负责任的体现。所以，古建筑保护工作是否合理高效将直接决定古墙体保护项目的最终质量，而评价古墙体保护的质量水平，核心还是在于能否在原有基础上实现最大价值与长期保护，古墙体能否及时“止损”。而综合以往古墙体保护工作成效，二氧化硅气凝胶在古墙体保护中有着得天独厚的优势。研究将基于二氧化硅自身特性，创新研制适用于古建筑墙体维修的仿古砖技术，以期为我国的古墙体保护工作提供更多的保护性材料参照，实现古墙体保护价值的最大化。

关键词：古墙体;二氧化硅;墙体保护

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2022.01.014

1 古墙体保护与修复原则

古墙体保护工作要坚持原有建筑真实原貌和建筑本体的完整、文化特性不变、安全性得到强化、原址不变、文物的历史信息不变、周边环境不可大动等基本理念与修护底线，并确保修护工作不能以新鲜华丽为目的。这类保护原则已经在国际上获得广泛的支持，很多国家在政府文件中也明确了与此相关的规定条例，如《雅典宪章》《世界遗产保护公约》《奈良文件》等均提到了上述相关的文物保护原则。我国也在《中华人民共和国文物保护法》第二十一条、第二十六条具体强调了相关单位在对文物进行修缮、保护的过程中不能改变文物原状的基本要求。但因为当前文物修护技术与材料的限制，在既要保护文物历史信息又要尽量恢复原貌的前提下，上述要求的落实显得困难重重，不仅需要先进的保护技术支持，还要求保护人员具备专业的文物修护技能。

由此可知，古墙体保护工作不仅仅是要求恢复建筑残败部分，更要确保其可延续性，这就要求使用的墙面保护材料不仅要保证原有墙体不被新材料破坏，展现墙体本真面貌，还要求具有保护延续性。本研究提出的二氧化硅气凝胶仿古砖便是行之有效的解决办法。

2 古墙体现存问题

因为留存难度的原因，我国现存古墙体以砖石结构为主，受过去保护条件限制以及长期的风雨侵蚀，除了古墙体自身结构设计缺陷外，最主要的问题还是外界环境对其本体的破坏以及年久失修积攒的大量结构隐患，包括材料老化、劈裂导致墙体受力能力降低，加上墙体受潮、雨水侵蚀等原因，砖石墙面已出现残缺，甚至墙面粉化的情况，后期则受到人类在不同历史时期的活动，如地下存储设施、防御设施、管道设施建设的影响，我国很多地区的古墙体已出现不同程度的沉降，墙体支撑受力不均，导致墙体开裂甚至坍塌。

由此可见，我国古墙体保护工作需要进一步完善工序细节，加大保护力度，这也从侧面印证了传统墙体保护技术在应对日益严重的古墙体损毁上初显疲乏，难以实现更加高效的古墙体修护需求，新的古墙体保护技术探究迫在眉睫。

3 二氧化硅气凝胶的制备以及在建筑领域的应用

随着建筑行业对建材性能要求的不断提升，二氧化硅气凝胶在建材领域的研究应用逐渐受到行业重视。在原有二氧化硅气凝胶制备工艺的基础上，通过加入稳定剂、分散剂等辅助添加成分，最终获得了适合多种条件下使用的二氧化硅气凝胶产品，从而使二氧化硅气凝胶材料的隔热、耐腐蚀、防火、防侵蚀等性能提升。二氧化硅气凝胶建材分支及特性以及在相关领域的应用如表1所示。

目前市场中常见的气凝胶材料以隔热材料最为常见，并且国外已经以此为基础展开众多延伸应用研究。我国最早于2010年世博会零碳馆和万科实验楼使用，使用后建筑节能效果明显，但在民用建筑领域的使用并不常见。

除此之外，气凝胶在古墙体保护方面的研究也处于起步阶段，目前并没有研制出适用于古墙体的相关产品，古墙体与现代建筑的特性区别也注定目前市面上的二氧化硅气凝胶墙体材料并不适用于古墙体，因此本研究将以此为核心探究适用于古建筑墙体维修的仿古砖技术。

4 基于古城墙保护特性的墙体维修仿古砖

在古建筑文物保护中，对零星散落在边远地区破损严重、历史意义又相对来说不是十分重大的文物保护点（古建筑），在修缮经费拮据情况下且在古墙加固的基础上采用特制仿古砖进行修缮不失为科学合理的选择。从二氧化硅气凝胶材料与建筑领域的结合研究来看，尽管已经有了结合使用的先例，但古墙体与现代建筑不同，古墙体历经千百年的风雨侵蚀，其本身的结构强度已经所剩无几，这就要求二氧化硅气凝胶保护材料不但要具备耐受恶劣环境的稳定性，也要兼顾提升古墙体强度的作用。因此本研究将在以往二氧化硅气凝胶墙体保护材料的基础上进一步实现材料创新，以适应古墙体保护工作的现实与长期需求。

4.1 基于二氧化硅气凝胶制备工艺的仿古砖特性

第一，融合了二氧化硅气凝胶特性的仿古砖材料在传统仿古砖材料的基础上获得了更高的特性升级，如更优良的防水透气性、更轻、更坚固、耐化学侵蚀、耐冷、抗震、抗裂等。第二，运输安全性能大大提升，仿古砖与其他古建筑修复材料不同，仿古砖质地更坚固，在运输的过程中避免了因路途颠簸造成的材料破损。第三，二氧化硅气凝胶仿古砖可以随意改变形状，在修复现场能发挥更好的材料优势，也能根据古建筑原始材料纹理特性进行快速克隆，从而展现与古建筑相同的纹理与颜色。第四，仿古砖材料能夠快速施工，在确保不破坏墙体结构的前提下进行更加便捷的材料覆盖粘贴。第五，二氧化硅气凝胶仿古砖的生产过程全部使用清洁能源，不会产生任何污染排放。第六，二氧化硅气凝胶仿古砖的放射性和可溶性铅镉含量远在国家标准之下。

4.2 二氧化硅气凝胶仿古砖生产制备工艺

4.2.1 二氧化硅气凝胶仿古砖生产配方

二氧化硅气凝胶粉末10～20份，硅酸镁10～15份，硅酸钙10～15份，硅丙乳液25～35份，氢氧化镁10～25份，无机颜料0.5～2份，硫铝酸盐水泥20～35份，用含有二氧化硅气凝胶涤纶织造成的网状布（以下简称网状布），石英砂15～30份，偶联剂2～5份，防水剂0.5～1份。

4.2.2 二氧化硅气凝胶仿古砖生产工艺

将硅丙乳液、无机颜料、偶联剂以及防水剂充分搅拌混合均匀得出混合液A;在颜色配比上，无机颜料的选择以原墙体色调为准，将二氧化硅气凝胶粉末、硅酸钙、氢氧化镁、硫铝酸盐水泥、石英砂以及硅酸镁进行充分混合，得出固体混合物B;将混合物B倒入混合物A中充分混合，混合均匀后得出混合物C。

将混合物C置于模中，深度为1～10mm，网状布规格为20～40目，然后再加入混合物C，厚度为1～3mm，要求夯实厚薄均匀。之后送入烘房，烘房温度为40～60℃，时间为4～10h，若古墙体有画像砖（画像石）需复制，可采取拓印制模、陶土拓模等方法制模，如原画像砖（画像石）有残损可按文物修复方法对残缺部分进行构图制成模具;趁仿古砖尚未固化进行压制，复制成画像砖（画像石），再放入蒸养设备中进一步固化，温度120～200℃，时间为1～2h，再降低温度进行蒸养，温度为70～100℃，时间为4～6h。

实验一：

①将硅丙乳液25份、无机颜料0.7份（Fe3O40.1份、TiO20.6份）、偶联剂3.5份、防水剂0.6份充分搅拌混合均匀得出混合液A。

②将二氧化硅气凝胶粉末12份、硅酸钙10份、氢氧化镁10份、硫铝酸盐水泥20份、石英砂16份、硅酸镁10份，进行充分混合均匀得出B，并倒入混合液A中进行搅拌，成均匀混合物C。

③将网格布置于模具中倒入混合物C夯实，厚度为3mm，厚薄均匀。

④送入烘房，烘房温度为40℃，时间为6h，再放入蒸养设备中进一步固化，温度180℃，时间为1h，把温度调至90℃，蒸养5h后移出蒸养设备，即得成品。

实验二：

①将硅丙乳液30份、无机颜料（Fe2O3、H2O）1.5份、偶联剂3份、防水剂0.8份充分搅拌混合均匀得出混合液A。

②将二氧化硅气凝胶粉末18份、硅酸钙12份、氢氧化镁10份、硫铝酸盐水泥25份、石英砂16份、硅酸镁12份，进行充分混合得出B，并倒入混合液A中进行搅拌，成均勻混合物B。

③将网状布置于模具中倒入混合物夯实，厚度为5mm，厚薄均匀。

④送入烘房，烘房温度为40℃，时间为4h，后用预制的模具压制成所需图案，再放入蒸养设备中进一步固化，温度160℃，时间为1.5h，把温度调至70℃，蒸养6h后移出蒸养设备，即得成品。

4.3 二氧化硅气凝胶仿古砖技术参数

该制品采用泥土、石粉、沙、水泥弃块等无机粉及改性剂组成，产品密度2327kg/m3。经检验，该制品燃烧性能符合A级的规定要求，附加分级符合s2、d0、t0级的规定要求。按GB 8624-2006判定，该制品燃烧性能达到A2-s2、d0、t0级（表2）。

5 总结

现阶段，多种多样的二氧化硅气凝胶产品已经纷纷进入市场，二氧化硅气凝胶的应用也日趋成熟，但是想在古建筑保护中融合二氧化硅气凝胶材料还需不断探索，更需要整个行业共同努力来完善基于古建筑特性的二氧化硅气凝胶保护材料。除此之外，二氧化硅气凝胶材料研究除了本身特性研究外，还要进一步降低成本，提高材料性价比，才能有效推动其市场化发展，如此也更有助于古墙体保护领域的应用与研究。

参考文献

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