一种旧建筑表皮保护修复的新复合材料制备及应用效果

2023-11-29刘晓洁刘玥頔郑鑫

粘接 2023年11期

刘晓洁刘玥頔郑鑫

摘要：为保护和更新旧工业建筑，试验以糯米石灰浆为基础，并加入偏高岭土、纤维素纤维，制备一种建筑灰浆表皮材料，并对其性能进行研究。结果表明，质量分数5%糯米灰浆的掺入，可以明显增强材料的强度性能、耐水性和耐硫酸盐腐蚀性能，试验确定最佳旧工业建筑灰浆配比为质量分数5%糯米灰浆、20%偏高岭土、2%纤维素纤维；养护28、90 d抗压强度分别达到2.1、7.0 MPa，养护28、180 d抗折强度分别达到0.79、1.87 MPa；材料在去离子水环境和硫酸盐环境下的软化系数分别为0.86、0.82，抗硫酸盐冻融循环次数为26次。

关键词：偏高岭土；纤维；软化系数；力学性能；耐久性

中图分类号：TQ352.4;TU761

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）11-0061-04

Preparation and Application Effects of a new composite material for protection and restoration of old building skin

LIU Xiaojie1，LIU Yuedi1 ，ZHENG Xin2

（1.Eurasia University，Xian 710000，China；

2.Henan City Construction College，Pingdingshan 467000，Henan China

）

Abstract：In order to protect and renew the old industrial building，a kind of building mortar skin material was prepared by adding metakaolin and cellulose fibers on the basis of glutinous rice lime paste，and its performance is studied.The experimental results showed that the addition of 5% glutinous rice mortar couldsignificantly enhance the strength，water resistance，and sulfate corrosion resistance of the material; In this test，the best mortar ratio of old industrial buildings was determined as follows：5% concentration glutinous rice mortar，20% metakaolin soil，and 2% cellulose fiber.At this time，the compressive strength after 28 d and 90 d of curing reached 2.1 MPa and 7.0 MPa respectively，and the flexural strength after 28 d and 180 d of curingreached 0.79 MPa and 1.87 MPa respectively.The softening coefficient of materials indeionized water environment and sulfate environment was 0.86 and 0.82，and the number of sulfate resistance freeze-thaw cycles is 26.

Key words：metakaolin;fiber;softening coefficient;mechanical properties;durability

受到環境侵蚀等影响，旧工业建筑材料结构被破坏，性能降低，因此，为保护旧工业建筑，增强建筑安全性，针对旧工业建筑保护和更新材料的研究成为一个科学热点。对此，许多学者进行了研究，如针对九江二桥工业建筑的坑槽病害等修复工作，制备了RDF快速凝固型树脂材料与RB-Chip黏结层材料［1］；以不同纤维为主，制备了混凝土建筑裂缝修补材料，并对其性能进行研究［2］；利用偏高岭土和水晶废渣这2种矿用掺合料，制备了建筑修补材料，并对其性能进行研究［3］。以上学者都为混凝土旧工业建筑的修补提供了参考，但在性能、成本等方面依然有优化空间。基于此，实验以旧工业建筑中的糯米石灰浆为基础，并加入适量的偏高岭土以及纤维素纤维，制备一种建筑灰浆表皮材料，并分析其应用效果。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：糯米粉（沈阳市于洪区东燕永合食品）；偏高岭土（灵寿县丰平矿产）；纤维素纤维（山东森泓纤维）；石灰（山东鸣威化工）。

主要设备：RD1020型电子天平（深圳市荣达仪器）；JJ-20型搅拌机（河北中恒永晟仪器）；HZJ-1型振动台（河北三寿试验仪器）；JWS-7555型场发射扫描电镜（新启航半导体）；M143898型混凝土冻融试验机（北京中西华大科技）；JITAI-S10KN型电子多功能试验机（北京吉泰科仪检测设备）。

1.2 试验方法

1.2.1 材料配合比设计

为制备旧工业建筑更新中的表皮材料灰浆，试验水胶比设计为0.8，选用质量分数5%的糯米灰浆，并以不同掺量的偏高岭土代替普通石灰，再加入不同掺量的纤维素纤维，具体灰浆配合比设计见表1［4-5］。

1.2.2 糯米浆的制备

（1）称量适量的糯米粉以及去离子水，为制备5%浓度的糯米浆做准备;

（2）在糯米粉中加入少量的去离子水，搅拌混合，然后先将剩下的去离子水加热，并将已预搅拌处理的糯米粉慢慢倒入锅中，在倒入的同时不停搅拌;

（3）以文火继续熬制糯米浆4 h，期间根据糯米浆的浓稠程度继续加入去离子水，保证糯米浆不起疙瘩块、不黏糊，同时注意保持5%浓度不变;

（4）熬制结束后，自然冷却备用，糯米浆保证当天制备当天使用。

1.2.3 建筑灰浆试件制备

（1）根据表1中的材料配合比设计，称取适量的去离子水、质量分数5%糯米浆、偏高岭土和纤维素纤维，放入搅拌机中，并在搅拌功率3 200 W的条件下，搅拌处理3 min，获得建筑灰浆；

（2）在试件成型模具中抹上一层脱模剂，然后将搅拌完成的建筑灰浆倒入模具中，在振动台上振动处理2 min，排出灰浆内部多余的气泡，然后用抹灰刀抹平试件表面多余的浆料，使表面平整；

（3）将试件在室温环境下放置2 d后脱模，然后在养护室内养护一定时间，最后贮存备用。

1.3 性能测试

1.3.1 抗压试验

通过试验机对试件进行抗压试验，分析其抗压强度，其中，立方体试件参数为50 mm×50 mm×50 mm。

1.3.2 抗折试验

通过试验机对试件进行抗折试验，分析材料抗折强度，其中，长方体试件参数为50 mm×50 mm×150 mm。

1.3.3 耐水性试验

分别在去离子水环境和质量分数3%Na2SO4硫酸盐环境下对试件进行耐水性试验，分析材料软化系数。

1.3.4 硫酸盐冻融循环试验

本试验在质量分数3%Na2SO4硫酸盐环境下对试件进行冻融循环试验，分析材料耐久性。

1.3.5 微观形貌分析

通过扫描电镜对建筑灰浆试件进行SEM分析，观察其微观形貌。

2 结果与分析

2.1 抗压强度分析

抗压强度试验结果如图1所示。

由图1可知，对于养护7、28 d的试件，各抗压强度均较低，且增长速度较慢，试件前期抗压强度变化不大；对于养护90 d的试件，掺入纤维素纤维的试件抗压强度出现大幅度提高。这表明，纤维素纤维的掺入，可以有效增强灰浆试件抗压强度。

对于未掺入糯米灰浆的空白试件A0，其抗压强度在不同养护时间下均较低，这表明，掺入质量分数5%的糯米灰浆，可以增加材料抗压强度。

当养护时间为7 d时，试件抗压强度与偏高岭土掺量基本上呈现反比的趋势，而在28 d养护时间的建筑灰浆试件中，掺入20%偏高岭土、2%纤维素纤维的A9试件抗压强度最高，为2.1 MPa，与养护相同时间的A0试件相比，增幅为320%；当养护时间为90 d时，A9和A10试件的抗压强度分别达到7.0、7.2 MPa，对比养护同时间的A0试件分别提高了6.1、6.3 MPa。

这些现象表明，在建筑灰浆中加入20%偏高岭土、2%纤维素纤维最优，此时，材料抗压强度较好。

2.2 抗折强度分析

抗折强度试验结果如图2所示。

由图2可知，对于没有掺入質量分数5%糯米灰浆的空白试件A0，其抗折强度最低，养护28 d和180 d时的抗折强度分别为0.18、0.43 MPa；对于掺入质量分数5%糯米灰浆的其他试件，抗折强度明显提升。在养护2 8、180 d时，掺入20%偏高岭土、2%纤维素纤维的A9试件抗折强度均最佳，分别达到0.79、1.87 MPa，对比养护相同试件的空白A0试件分别增加了0.61、1.44 MPa。在建筑灰浆中加入20%偏高岭土、2%纤维素纤维最优，此时，材料抗折强度较好。

2.3 耐水性分析

耐水性试验结果如图3所示。

由图3可知，在去离子水环境下，各建筑灰浆试件的软化系数均比硫酸盐环境下高，当未掺入质量分数6%糯米灰浆时，空白对比试件A0在去离子水环境和硫酸盐环境下的软化系数分别是0.55、0.43，耐水性很差；对于掺入质量分数6%糯米灰浆的其他试件，软化系数均达到0.6及以上，这表明，糯米灰浆的掺入，可以增加材料耐水性。

在去离子水环境中，掺入40%偏高岭土、2%纤维素纤维的A10试件软化系数最高，为1.21，材料耐水性极好，而掺入20%偏高岭土、2%纤维素纤维的A9试件的软化系数达到0.86，耐水性良好，符合耐水材料标准；而在硫酸盐环境中，A9试件的软化系数最高，为0.82，A10试件软化系数为0.8，耐水性均较好。当在建筑灰浆中掺入6%浓度的糯米灰浆、20%偏高岭土和2%纤维素纤维时，材料在去离子水环境以及硫酸盐环境下的耐水性良好。

2.4 冻融循环试验分析

冻融循环试验结果如图4所示。

由图4可知，对于未掺入质量分数6%糯米灰浆的空白试件A0，在硫酸盐环境中冻融循环4次就出现裂纹、裂缝，而掺入质量分数6%糯米灰浆的试件在硫酸盐环境下的冻融循环次数明显增加，这表明，糯米灰浆的掺入可以增强建筑灰浆试件耐久性。

将掺入和未掺入偏高岭土的建筑灰浆试件进行对比可知，掺入偏高岭土试件的冻融循环次数增加；同时，随着建筑灰浆试件中偏高岭土掺量增多，建筑灰浆试件在质量分数3%Na2SO4环境下的抗冻融循环次数，基本上呈现上升的现象。

对比掺入和未掺入纤维素纤维的试件可知，掺入纤维的试件抗冻融循环次数增加；其中，当试件中掺入2%纤维素纤维时，试件在3%Na2SO4环境下的冻融循环次数最高。

在各试件中，当掺入40%偏高岭土、2%纤维素纤维的A10试件冻融循环次数最高，为29次；其次为掺入20%偏高岭土、2%纤维素纤维的A9试件，冻融循环次数为26次，A10试件和A9试件在质量分数3%Na2SO4环境下的耐久性均较好。在建筑灰浆中掺入40%偏高岭土、2%纤维素纤维，材料耐久性良好，符合实际应用环境要求。

2.5 SEM分析

冻融循环后SEM分析结果如图5所示。

从图5（a）可知，材料中存在片状的氢氧化钙，这表明材料中的氢氧化钙没有反应完全，主要与试件中加入的偏高岭土有关。除此之外，还有呈现针状的钙矾石晶体、大小不一的碳酸钙石晶体、水化硅酸钙等水化产物；除去未参与反应的氢氧化钙，其余部分的材料结构比较紧密。

从图5（b）可知，材料中的纤维素纤维对基体各部分起到较好的连结作用，水化硅酸钙等胶凝材料填补了材料内部的孔隙等缺陷，也使晶体间的胶结作用增强，在建筑灰浆中掺入质量分数6%糯米灰浆、20%偏高岭土、2%纤维素纤维时，材料结构较好，密实度高，材料性能良好。

3 结语

（1）质量分数6%糯米灰浆的掺入，可以增强材料的强度性能、耐水性以及耐硫酸盐腐蚀性能;

（2）当加入20%偏高岭土、2%纤维素纤维时，养护28、90 d抗压强度分别达到2.1、7.0 MPa；而28 d抗折强度为0.79 MPa，180 d抗折强度为1.87 MPa。材料在去离子水环境和硫酸盐环境下的软化系数分别为0.86、0.82，材料强度、耐水性较好;

（3）当掺入40%偏高岭土、2%纤维素纤维时，材料硫酸盐冻融循环次数最高，为29次，材料耐久性良好;

（4）试验确定最佳旧工业建筑灰浆配比为质量分数6%糯米灰浆、20%偏高岭土、2%纤维素纤维，此时，材料综合性能良好，符合实际应用要求。

【参考文献】

［1］刘衍锋，朱林.九江二桥环氧沥青钢桥面铺装坑槽快速修补材料技术［J］.上海公路，2023（1）：19-24.

［2］孟庆宇.掺纤维水工混凝土性能影响研究［J］.黑龙江水利科技，2023，51（1）：133-136.