专利名称：古代土构建筑修补加固用无机硅铝质聚合物材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种古代土构建筑修补加固用无机硅铝质聚合物材料，具体的 讲，用于夯土、生土、红烧土、三合土、胶泥、砖瓦砌块等修建的古代建筑遗址的 修补加固，目的是增强古代土构建筑抵抗自然风化侵蚀的能力、保持古建筑的整体 性，并做到修旧如旧。为我固古代土构建筑遗址保护提供新材料与新技术。
背景技术：
中国古代建筑在世界建筑体系中具有独立起源，在世界建筑发展史上自成一家 体系，历经7000余年的发展,它在建筑材料、结构形式和建筑审美等诸多方面都与 世界上其它建筑体系迥然不同，具有中国独特的风韵。我国古代建筑特别是史前至 先秦，皆为土木材料，时至今日，大多土毁木朽，遗留下来的多为土构建筑，如新 疆吐鲁番地区的交河古城、高昌古城，河西走廊的汉、明长城及敦煌附近的玉门关、 阳关，西安近郊的半坡遗址和秦始皇兵马俑坑以及甘肃秦安县的大地湾等，且数量 稀少，显得异常珍贵。这些古代建筑遗址对于探究当时建筑特色及与之密切相关的 人类生产生活环境、政治文化发展状况的研究具有宝贵的价值。
我国古代土构建筑经历了千百年的风吹日晒雨淋等自然环境的风化作用，以及 近年来旅游开发的人为破坏(游人攀登拍照和游览以及垦荒、修路等)，对土构建筑 遗址造成了严重破坏，目前大多已千疮百孔、墙面凹凸不平、龟裂剥离，开裂坍塌 的残墙断壁随处可见，迫切需要维修加固。目前，现代建筑通常所使用的修补加固 材料主要有两大类，一类是硅酸盐水泥等无机材料，另一类是现代高分子有机聚合物。 但是在古建筑维修加固过程中，这两类材料的缺陷不断地暴露出来高分子有机聚合 物的容易老化、易燃耐火差、颜色不一致、与古建筑材料组成不匹配等问题；硅酸 盐水泥粘结性能差、渗透性低、收縮大、易开裂，色差明显等问题。造成修补加固 后的古建筑往往出现了加速破坏的现象和趋势，而且也做不到修旧如旧的维修原则。
因此，在继承和借鉴古代土构建筑材料核心技术的基础上，研发出低成本、高 性能并适于现代材料和施工技术的古建筑修补用无机聚合物材料，具有重要的现实 意义和实际应用价值
发明内容
技术问题本发明的目的在于提供一种古代土构建筑修补加固用无机硅铝质聚 合物材料，本发明的无机硅铝聚合物固封材料的原材料来源广泛、可就地取材、合成 勿需高温，常温放置即可固结，因此施工方面、操作简单、便于推广。
技术方案本发明针对现有技术中存在的不足和缺陷，以粘土类矿物和碱金属 硅酸盐溶液为主剂，并引入两种来源丰富、价格低廉的工业废渣一矿渣(高钙硅铝质 材料)和粉煤灰(低钙硅铝质材料)，在常温条件下，通过碱金属硅酸盐溶液的碱性激 发作用，高钙组分(矿渣)快速生成具有良好力学强度的C-S-H凝胶；低钙组分(粘土、 粉煤灰)在碱性激发剂作用下， 一方面生成具有良好粘结性能的空间三维网状无机硅 铝聚合产物，另一方面粉煤灰的球形颗粒可以明显提高无机胶体的流动性能，便于 渗入到裂缝中。
本发明的无机聚合物材料是一种主要化学组成(硅和铝)与古代土构建筑材料相 似的新型硅铝质聚合物材料，分子构成单元主要为类似于粘土矿物和陶瓷的无机 Si04和A104四面体，主体分子结构为类似于有机高分子聚合物的三维网状结构。 因此，无机硅铝聚合物兼有有机高聚物、陶瓷和粘土特性，具有优异的物理、力学 及耐久性能；另外，该无机聚合物材料可以就地取材，选取当地粘土，将其与碱金 属硅酸盐溶液混合均匀，然后掺加少量矿渣和粉煤灰即可应用，施工时可以喷涂、 灌浆，也可以手工填缝，操作方便，在古建筑修补加固领域具有广阔的应用前景。
本发明综合采用高钙组分生成C-S-H凝胶的良好的力学强度与固结性能，和低
钙组分生成无机硅铝聚合产物良好的粘结性能与渗透行为相结合的途径实现古代土
构建筑的修补加固。该无机硅铝质聚合物固封材料由五大组分组成，其质量比例为 粘土类矿物 4.3 ~47.0%
碱金属硅酸盐溶液 8.9 16.5%
矿渣 4.2 ~16.4%
粉煤灰 4.2 ~16.4%
水 20.1 ~74.4% 。
所述粘土类矿物是天然粘土或煅烧粘土。
所述碱金属硅酸盐溶液中包括的阳离子是Na+或K+碱金属离子，阴离子是 Si(V'、 Si20,或Si30,的碱性激发剂。
1、粘土类矿物以粘土或煅烧粘土(煅烧温度为600-90(TC)为主要成分的无机
材料，主要控制其Si02和Al203含量以及细度。具体控制指标见表l。
组份1的控制指标 表1
成份Si02A1203细度(《45um)
含量(％)240220240%2、 碱金属硅酸盐溶液市售的水玻璃，如钠水玻璃、钾水玻璃及其混合物，
要求水玻璃的Si02: M2C^3.0 (M代表Li、或Na、或K)，固含量^3%。
3、 矿渣炼铁厂工业副产品。要求所用材料的比表面积2300i^/kg。
4、 粉煤灰火力发电厂工业副产品。要求所用材料的CaO含量^5。/。， A1203 含量^20%，烧失量510%，比表面积^300n^/kg。
有益效果与国内外同类技术相比，该项成果具有以下特色以粘土类矿物和 碱金属硅酸盐溶液为主剂，并引入高钙和低钙类两种硅铝废渣一矿渣和粉煤灰，在 常温条件下，在碱金属硅酸盐溶液的碱性激发作用，高钙组分(矿渣)快速生成具有 良好力学强度的C-S-H凝胶；低钙组分(粘土、粉煤灰)在碱性激发剂作用下， 一方 面生成具有良好粘结性能的空间三维网状无机硅铝聚合产物，另一方面粉煤灰的球 形颗粒明显提高无机胶体的流动性能。另外，本发明的无机硅铝聚合物固封材料的 合成勿需高温，常温放置即可固化，因此操作方便、工艺简单。
综合运用上述技术制备出适于现代材料和施工技术的古建筑修补用无机聚合物 材料。国内外尚无此类产品。
具体实施例方式
结合本发明内容提供以下实施例
无机硅铝聚合物固封材料是由粘土类矿物、碱金属硅酸盐溶液、矿渣、粉煤灰 和水按一定比例混合均匀而成，根据应用需要，通过调整发明配方，可以获得所需 要的性能。
本发明的制备方法是(1)按配方比例称取所需的粘土类矿物、矿渣、粉煤灰 等干状物质，干搅1分钟，使它们均匀地混合在一起；(2)然后按配方比例称取水 玻璃和水，将其在容器中混合均匀，静置直至碱性溶液达到室温；(3)将配制好的 碱性溶液缓慢加入到混合均匀的粉料，在搅拌机中慢搅3分钟，之后采用高剪切模 式高速搅拌1分钟，形成流动性良好的无机聚合物浆体；(4)迅速将无机聚合物浆 体加入到施工设备(如喷雾器、灌浆机等)中，进行施工。
实施例l:
粘土类矿物 8.3 %
碱金属硅酸盐溶液 8.9%
矿渣 4.2%
粉煤灰 4.2%
水 74.4%
为避免取样对古代土构建筑遗址造成破坏和样品的不均一性带来的误差，加固试验所用试样为重塑样以明城墙墙基粘土为重塑夯土试样的原材料，使用万能材料试
验机，按0.5mm/min的应变速度加荷达到设计干密度为1.60g cm—3，制成lOOmmX lOOmmXlOOmm的立方体，每组3个试件。制备无机硅铝聚合物材料所用原材料如 下粘土类矿物选自明城墙的墙基，碱金属硅酸盐溶液为市售固含量37%、模数3.3 的钠水玻璃，矿渣为比表面积4000cm2/g的S95型矿渣粉，粉煤灰为比表面积 3800cm2/g的I级粉煤灰，水为自来水。上述组分按前述工艺制备得到无机硅铝聚合 物材料，用喷雾器直接喷涂在重塑试样的6个表面，每隔3天喷涂1次，共喷涂3 次，自然凉干。测得其性能如下
渗透深度42cm，抗压强度提高了186%，抗折强度提高了 226%。
实施例2:
粘土类矿物 4.3 %
碱金属硅酸盐溶液 16.5%
矿渣 4.3%
粉煤灰 4.3%
水 70.5 %
为避免取样对古代土构建筑遗址造成破坏和样品的不均一性带来的误差，加固试 验所用试样为重塑样以明城墙墙基粘土为重塑夯土试样的原材料，使用万能材料试 验机，按0.5 mm/min的应变速度加荷达到设计干密度为1.35g cm'3,制成lOOmmX lOOmmXlOOmm的立方体，每组3个试件。制备无机硅铝聚合物材料所用原材料如 下粘土类矿物选自明城墙的墙基，碱金属硅酸盐溶液为市售固含量37%、模数3.3 的钠水玻璃，矿渣为比表面积4000cm2/g的S95型矿渣粉，粉煤灰为比表面积 3800cm2/g的I级粉煤灰，水为自来水。上述组分按前述工艺制备得到无机硅铝聚合 物材料，用喷雾器直接喷涂在重塑试样的6个表面，每隔3天喷涂1次，共喷涂2 次，自然凉干。测得其性能如下
渗透深度3.5cm，抗压强度提高了123%，抗折强度提高了 167%。
实施例3:
粘土类矿物 32.8 %
碱金属硅酸盐溶液 9.8%
矿渣 16.4%
粉煤灰 16.4%
水 24.6%为避免取样对古代土构建筑遗址造成破坏和样品的不均一性带来的误差，加固试 验所用试样为重塑样以明城墙墙基粘土为重塑夯土试样的原材料，使用万能材料试 验机，按0.5 mm/min的应变速度加荷达到设计干密度为1.35g 'cm—3，制成100mmX lOOmmXlOOmm的立方体，每组3个试件；然后，施加压荷载直至产生开裂。制备 无机硅铝聚合物材料所用原材料如下粘土类矿物选自明城墙的墙基，碱金属硅酸盐 溶液为市售固含量37%、模数3.15的钾水玻璃，矿渣为比表面积4000cm2/g的S95 型矿渣粉，粉煤灰为比表面积3800cm"g的I级粉煤灰，水为自来水。上述组分按前 述工艺制备得到无机硅铝聚合物材料，用滴灌方式将无聚合物充满开裂试件的所有裂 缝，自然凉干。测得其性能如下 抗压强度提高了 68%,抗折强度提高了 89%。
实施例4:
粘土类矿物 47.0%
碱金属硅酸盐溶液 12.6%
矿渣 10.2%
粉煤灰 10.2%
水 20.1%
为避免取样对古代土构建筑遗址造成破坏和样品的不均一性带来的误差，加固试 验所用试样为重塑样以明城墙墙基粘土为重塑夯土试样的原材料，使用万能材料试 验机，按0.5 mm/min的应变速度加荷达到设计干密度为1.35g *cm'3，制成lOOmmX lOOmmXlOOmm的立方体，每组3个试件；然后，施加压荷载直至抗压实验结束。 制备无机硅铝聚合物材料所用原材料如下粘土类矿物选自明城墙的墙基，对其进行 600-90(TC高温煅烧；碱金属硅酸盐溶液为市售固含量37%、模数3.3的钠水玻璃； 矿渣为比表面积4000cm2/g的S95型矿渣粉；粉煤灰为比表面积3800cm2/g的I级粉 煤灰；水为自来水。上述组分按前述工艺制备得到无机硅铝聚合物材料，用手工填充 方式将无聚合物充满开裂试件的所有裂缝，自然凉干。测得其性能如下 抗压强度提高了 45%，抗折强度提高了 67%。
权利要求
1、一种古代土构建筑修补加固用无机硅铝质聚合物材料，其特征在于该材料各组分的质量百分比为粘土类矿物4.3～47.0％碱金属硅酸盐溶液 8.9～16.5％矿渣 4.2～16.4％粉煤灰4.2～16.4％水20.1～74.4％。
2、 根据权利要求1所述的古代土构建筑修补加固用无机硅铝质聚合物材料，其 特征在于，所述粘土类矿物是天然粘土或煅烧粘土。
3、 根据权利要求1所述的一种古代土构建筑修补加固用无机硅铝质聚合物材 料，其特征在于，所述碱金属硅酸盐溶液中包括的阳离子是Na+或K+碱金属离子， 阴离子是Si044—、 Si20,或Si30^'的碱性激发剂。
全文摘要
古代土构建筑修补加固用无机硅铝质聚合物材料是一种用于夯土、生土、红烧土、三合土、胶泥、砖瓦砌块等建造的古代土构建筑修补加固的无机聚合物材料，各组分及其质量百分比为粘土类矿物4.3～47.0％，碱金属硅酸盐溶液8.9～16.5％％，矿渣4.2～16.4％，粉煤灰4.2～16.4％，水20.1～74.4％。本发明制备的无机聚合物材料具有原材料来源广泛、制备方便、成本低廉、环境友好的优点，同时其粘结性能好、渗透性强、力学性能发展快、强度高、耐久性优良、收缩率低、耐高温、耐腐蚀；另外该材料主要组成结构与古代土构建筑材料相似。
文档编号C04B28/26GK101643350SQ200910034789
公开日2010年2月10日 申请日期2009年9月9日 优先权日2009年9月9日
发明者张云升, 薇 陈 申请人:东南大学