一种遗址土的无机改性剂的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成：粘土矿物材料：30%～50%，无机胶凝材料：22%～49%，无机矿物粉料：15%～30%，表面活性剂：1%～3%，原料的重量百分比之和为100%。在修复土样中掺入无机改性剂，使得掺入改性剂的修复土具有良好的耐水性；改性剂的生产技术较易掌握且质量易于控制、施工方便、原材料来源丰富、经济性好和性价高。改性剂与修复土具有良好的相容性，使得修复土样的使用寿命大大延长。添加改性剂改性后的修复土所制的夯土、土坯、土块及垛泥块等材料，具有良好的透水性和透气性，完全符合文物修复理念。
【专利说明】一种遗址土的无机改性剂
【技术领域】
[0001]本发明属于文物保护领域，涉及一种改性剂，具体涉及一种古遗址土的无机改性剂。
【背景技术】
[0002]土遗址是以土为主要建筑材料的具有历史、文化和科学价值的古遗址，在中国的历史文化遗产中占有十分的地位，是历史留给中国乃至世界的无价瑰宝。我国现存的土遗址从石器时代绵延至近代，广泛分布于全国各地，尤其在西北干旱地区分布较多，西北地区的干旱气候为土遗址的遗存提供了有利的自然环境条件。然而大部分土遗址属于不可移动文物，长期处在野外环境中，受到自然风化、环境污染和人为破坏，均发生不同程度的破坏。降低土遗址的劣化变化速度，尽可能延长土遗址的寿命已迫在眉睫。
[0003]针对土遗址中缺损、掏蚀、冲沟等部位加固，传统办法通常采用和遗址土相同或相近的土掺入一定比例的石灰制得夯土、土坯、土块及垛泥块等来修复土遗址。然而西北地区土壤以砂土、粉土和粉质粘土为主，土壤中粘粒含量较少，通过传统的石灰加固土来修复土遗址很难满足设计要 求。采用有机高分子材料加固土遗址，虽然修复效果良好，但有机材料耐老化性能较差，有效保护时间较短。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种遗址土的无机改性剂，用于掺在西北地区遗址土中进行修复土遗址，满足修复土制得的夯土、土坯、土块及其垛泥块等材料的力学性能、水理性能和耐久性要求。
[0005]为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以实现:
[0006]一种遗址土的无机改性剂，其特征在于，以重量份数计，由以下原料组成:粘土矿物材料:30%~50%，无机胶凝材料:22%~49%，无机矿物粉料:15%~30%，表面活性剂:1%~3%，原料的重量百分比之和为100%，其中:
[0007]所述的黏土矿物材料为伊利石粘土、蒙脱石粘土和高岭石粘土中的一种及一种以上组合；
[0008]所述的无机胶凝材料为水玻璃与生石灰的组合或水玻璃与熟石灰的组合；
[0009]所述的无机矿物粉料为粉煤灰和硅灰中的一种及一种以上组合；
[0010]所述的表面活性剂为木质素磺酸钙。
[0011]本发明还具有如下技术特征:
[0012]优选的黏土矿物材料为伊利石粘土、蒙脱石粘土和高岭石粘土中的两种组合时，原料的重量比为1:1;所述的黏土矿物材料为伊利石粘土、蒙脱石粘土和高岭石粘土中的三种组合时，原料的重量比为1:1:1。
[0013]优选的无机胶凝材料为水玻璃和生石灰的组合时，水玻璃和生石灰的重量比为24:(64~75);所述的无机胶凝材料为水玻璃与熟石灰的组合时，水玻璃与熟石灰的重量比为(3~8):20ο
[0014]优选的无机矿物粉料为粉煤灰和硅灰中的一种或者两种组合，两种组合时原料的重量比为1:1。
[0015]所述的古遗址土的无机改性剂用于修复土遗址时，在遗址土中的掺量为10%~20%。
[0016]本发明与现有技术相比，有益的技术效果是:
[0017]( I )遗址土的无机改性剂属于水硬性胶凝材料，在修复土样中掺入无机改性剂，无机改性剂与修复土样中的活性成分在水的作用下，发生复杂的物理化学反应，生成不溶于水的凝胶体，如水化硅酸钙、水化铝酸钙等，使得掺入改性剂的修复土具有良好的耐水性；
[0018](II)无机改性剂、修复土和水发生物理化学反应，反应生成大量胶结物，胶结物以三维网状结构均匀分布于修复土样内部，逐渐由凝胶状态向晶体状态转化，反应同时生成大量的无定型碱铝硅酸盐凝胶，具有类似沸石的三维网状结构，使得掺入改性剂的修复土具有良好的力学性能；
[0019](III)遗址土的无机改性剂的生产技术较易掌握且质量易于控制、施工方便、原材料来源丰富、经济性好和性价高等。
[0020](IV)遗址土的无机改性剂属于无机材料，与修复土具有良好的相容性，使得修复土样的使用寿命大大延长。
[0021](V)采用遗址土的无机改性剂改性后的修复土所制的夯土、土坯、土块及垛泥块等材料，具有良好的透水性和透气性，完全符合文物修复理念。
【具体实施方式】
[0022]在文物保护工作中，必须坚持不改变原状和“最少干预”的基本原则。针对土遗址中裂缝、冲沟、孔洞、缺损、掏蚀等部位加固，传统上采用夯土、土坯、土块及垛泥块等来修复。由于缺损、掏蚀、冲沟等的破坏程度不同，修复时采用传统的正常修筑工艺很难实现。单独采用与原遗址土样性质相同的修复土来制作夯土、土坯、土块及垛泥块，其性质很难满足设计要求。目前使用与遗址土的改性剂主要有无机改性剂和有机改性剂两大类。无机材料主要有石灰和水玻璃。石灰对土遗址的加固主要是通过石灰的碳酸化和石灰与土样中的活性硅和活性铝发生火山灰反应，从而增强土的强度，然而上述过程往往速度非常缓慢，在此过程中如遇到暴雨及气温长期处于O度以下等情况时，加固后土样很容易崩解；同时加固后土样收缩较大，开裂严重。改性后的水玻璃(PS)在西北地区的土遗址保护加固中得到广泛应用，加固处理后土体强度、水稳定性、耐冻融性能和抗风蚀能力均得到明显改善，但加固后土样亦存在泛碱、脆性大、收缩性强等不足。有机材料自身亦有缺点，如使用寿命短、易霉变、易老化、和无机质文物的物理化学性质差异大、造成文物外观的改变等使得它们并不完全适合无机质文物的保护和加固。采用本发明的改性剂可以有效解决上述材料的各项弊端，试验研究表明:掺入本发明改性剂后，未改变遗址修复土颜色，且修复土样的抗折、抗压强度明显高于未掺土样 ，耐水性和抗冻性大幅度提高，可以应用于土遗址修复工程中。
[0023]遵从上述技术方案，下述实施例给出遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:粘土矿物材料:30%~50%，无机胶凝材料:22%~49%，无机矿物粉料:14%~30%，表面活性剂:1%~3%，原料的重量百分比之和为100%。
[0024]其中:
[0025]所述的黏土矿物材料为伊利石粘土、蒙脱石粘土和高岭石粘土中的一种及一种以上组合；
[0026]所述的无机胶凝材料为水玻璃与生石灰的组合或水玻璃与熟石灰的组合；
[0027]所述的无机矿物粉料为粉煤灰和硅灰中的一种及一种以上组合；
[0028]所述的表面活性剂为木质素磺酸钙。
[0029]本发明还具有如下技术特征:
[0030]优选的黏土矿物材料为伊利石粘土、蒙脱石粘土和高岭石粘土中的两种组合时，原料的重量比为1:1;所述的黏土矿物材料为伊利石粘土、蒙脱石粘土和高岭石粘土中的三种组合时，原料的重量比为1:1:1。
[0031] 优选的无机胶凝材料为水玻璃和生石灰的组合时，水玻璃和生石灰的重量比为24:(64~75);所述的无机胶凝材料为水玻璃与熟石灰的组合时，水玻璃与熟石灰的重量比为(3~8):20ο
[0032]优选的无机矿物粉料为粉煤灰和硅灰中的一种或者两种组合，两种组合时原料的重量比为1:1。
[0033]为了定量表述本发明的无机改性剂对遗址修复土的改性效果，实施例以实验数据说明。实验用土系甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土，筛分后自然风干，含水率2.5%左右。实施例中的土样参考GB/T2542-2003和SL237-1999中的方法制样。
[0034]下述实施例中遗址土的无机改性剂用于修复土遗址时，在遗址土中的掺量为
10% ~20%O
[0035]以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
[0036]实施例1:
[0037]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:伊利石粘土30%，熟石灰35%，水玻璃14%，粉煤灰20%，木质素磺酸钙1%。
[0038]上述原料搅拌混合均匀即制得古遗址土的无机改性剂。
[0039]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量10%，通过强制式搅拌机搅拌均匀，水灰比0.15左右，夯筑成型，标准条件下(温度20±3°C，湿度90%以上)养护28天，对样品进行性能测试(测试方法依据GB/T2542-2003和SL237-1999中的规定)，性能测试结果为:抗折强度0.52MPa，抗压强度2.96MPa，崩解速度0.1~0.3g/min，水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失3.2%，强度损失8.5%。
[0040]对比例1:
[0041]本对比例的空白样采用甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土制样，水灰比0.15，夯筑成型，标准条件下(温度20±3°C，湿度90%以上)养护28天，采用与实施例1相同的测试方法对空白样进行性能测试，性能测试结果为:抗折强度0.12MPa，抗压强度0.58MPa，崩解速度100~120g/min,无法进行冻融试验。
[0042]实施例2:
[0043]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:蒙脱石40%，熟石灰30%，水玻璃6%，硅灰22%，木质素磺酸钙2%。
[0044]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量10%，采用与实施例1相同的制样方法和测试方法，性能测试结果为:抗折强度0.61MPa，抗压强度
2.88MPa，崩解速度0.1~0.2g/min,水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失2.9%，强度损失9.1%。
[0045]实施例3:
[0046]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:蒙脱石40%，熟石灰30%，水玻璃6%，粉煤灰7%，硅灰7%，重质碳酸钙7%，木质素磺酸钙3%。
[0047]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量10%，采用与实施例1相同的制样方法和测试方法，性能测试结果为:抗折强度0.58MPa，抗压强度
3.0lMPa，崩解速度0.1~0.2g/min,水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失3.4%，强度损失8.9%。
[0048]实施例4:
[0049]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:高岭石粘土50%，生石灰25%，水玻璃8%，粉煤灰15%，木质素磺酸钙2%。
[0050]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量10%，采用与实施例1相同的制样方法和测试方法，性能测试结果为:抗折强度0.58MPa，抗压强度
2.83MPa，崩解速度0.1~0.`3g/min,水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失2.7%，强度损失8.6%。
[0051]实施例5:
[0052]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:高岭石粘土50%，生石灰25%，水玻璃8%，硅灰15%，木质素磺酸钙2%。
[0053]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量10%，采用与实施例1相同的制样方法和测试方法，性能测试结果为:抗折强度0.63MPa，抗压强度
2.78MPa，崩解速度0.1~0.3g/min，水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失3.1%，强度损失9.2%。
[0054]实施例6:
[0055]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:伊利石粘土20%，高岭石粘土 20%，熟石灰30%，水玻璃8%，硅灰20%，木质素磺酸钙2%。
[0056]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量10%，采用与实施例1相同的制样方法和测试方法，性能测试结果为:抗折强度0.55MPa，抗压强度
2.92MPa，崩解速度0.1~0.3g/min,水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失2.9%，强度损失8.8%。
[0057]实施例7:
[0058]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:伊利石粘土20%，高岭石粘土 20%，生石灰25%，水玻璃8%，粉煤灰24%，木质素磺酸钙3%。
[0059]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量15%，采用与实施例1相同的制样方法和测试方法，性能测试结果为:抗折强度0.83MPa，抗压强度
3.78MPa，崩解速度0.1~0.2g/min，水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失2.5%，强度损失8.0%。
[0060]实施例8:
[0061]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:伊利石粘土15%，高岭石粘土 15%，熟石灰30%，水玻璃8%，硅灰30%，木质素磺酸钙2%。
[0062]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量15%，采用与实施例1相同的制样方法和测试方法，性能测试结果为:抗折强度0.78MPa，抗压强度
3.90MPa，崩解速度0.1~0.2g/min,水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失2.1%，强度损失7.5%。
[0063]实施例9:
[0064]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:伊利石粘土18%,蒙脱石粘土 18%，生石灰24.5%，水玻璃8.5%，粉煤灰30%，木质素磺酸钙1%。
[0065]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量15%，采用与实施例1相同的制样方法和测试方法，性能测试结果为:抗折强度0.88MPa，抗压强度
3.88MPa，崩解速度0.1~0.2g/min,水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失2.4%，强度损失8.1%。[0066]实施例10:
[0067]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:伊利石粘土18%，蒙脱石粘土 18%，熟石灰30%，水玻璃8%，硅灰24%，木质素磺酸钙2%。
[0068]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量15%，采用与实施例1相同的制样方法和测试方法，性能测试结果为:抗折强度0.73MPa，抗压强度
4.0lMPa，崩解速度0.1~0.2g/min，水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失2.1%，强度损失8.1%。
[0069]实施例11:
[0070]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:伊利石粘土18%,蒙脱石粘土 18%，生石灰24.5%，水玻璃8.5%，硅灰30%，木质素磺酸钙1%。
[0071]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量15%，采用与实施例1相同的制样方法和测试方法，性能测试结果为:抗折强度0.91MPa，抗压强度
3.92MPa，崩解速度0.1~0.2g/min,水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失1.9%，强度损失7.3%。
[0072]实施例12:
[0073]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:蒙脱石粘土15%，高岭石粘土 15%，熟石灰33%，水玻璃5%，硅灰30%，木质素磺酸钙2%。
[0074]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量20%，采用与实施例1相同的制样方法和测试方法，性能测试结果为:抗折强度1.21MPa，抗压强度
4.51MPa，崩解速度O~0.lg/min，水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失1.2%，强度损失5.2%。
[0075]实施例13:
[0076]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:蒙脱石粘土15%，高岭石粘土 15%，熟石灰33%，水玻璃5%，粉煤灰30%，木质素磺酸钙2%。[0077]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量20%，采用与实施例1相同的制样方法和测试方法，性能测试结果为:抗折强度1.30MPa，抗压强度
4.82MPa，崩解速度O~0.lg/min，水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失0.9%，强度损失6.1%。
[0078]实施例14:
[0079]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:伊利石粘土15%,蒙脱石粘土 15%，高岭石粘土 15%，生石灰16%，水玻璃6%，粉煤灰30%，木质素磺酸钙
3% ο
[0080]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量20%，采用与实施例1相同的制样方法和测试方法，性能测试结果为:抗折强度1.28MPa，抗压强度
4.73MPa，崩解速度O~0.lg/min，水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失0.8%，强度损失5.8%。
[0081]实施例15:
[0082]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:伊利石粘土13%，蒙脱石粘土 13%，高岭石粘土 13%，熟石灰25%，水玻璃4%，硅灰30%，木质素磺酸钙2%。
[0083]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量20%，采用与实施例1相同的制样方法和测试方法，性能测试结果为:抗折强度1.31MPa，抗压强度
4.91MPa，崩解速度O~0.lg/min，水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失1.1%，强度损失6.0%。
[0084]实施例16:
[0085]本实施例的遗址土的无机改性剂，以重量份数计，由以下原料组成:伊利石粘土13%,蒙脱石粘土 13%，高岭石粘土 13%，生石灰25%，水玻璃8%，硅灰27%，木质素磺酸钙1%。
[0086]将上述无机改性土掺入甘肃嘉峪关长城土遗址区域的砂土中，掺量20%，采用与实施例1相同的制样方法和测试方法，性能测试结果为:抗折强度1.26MPa，抗压强度
4.88MPa，崩解速度O~0.lg/min，水中浸泡Ih后质量趋于恒定，几乎不再发生崩解，冻融20次，试件质量损失1.1%，强度损失5.4%。
【权利要求】
1.一种遗址土的无机改性剂，其特征在于，以重量份数计，由以下原料组成:粘土矿物材料:30%~50%，无机胶凝材料:22%~49%，无机矿物粉料:15%~30%，表面活性剂:1%~3%，原料的重量百分比之和为100%，其中: 所述的黏土矿物材料为伊利石粘土、蒙脱石粘土和高岭石粘土中的一种及一种以上组合； 所述的无机胶凝材料为水玻璃与生石灰的组合或水玻璃与熟石灰的组合； 所述的无机矿物粉料为粉煤灰和硅灰中的一种及一种以上组合； 所述的表面活性剂为木质素磺酸钙。
2.如权利要求1所述的遗址土的无机改性剂，其特征在于，所述的黏土矿物材料为伊利石粘土、蒙脱石粘土和高岭石粘土中的两种组合时，原料的重量比为1:1 ;所述的黏土矿物材料为伊利石粘土、蒙脱石粘土和高岭石粘土中的三种组合时，原料的重量比为1:1:1。
3.如权利要求1所述的遗址土的无机改性剂，其特征在于，所述的无机胶凝材料为水玻璃和生石灰的组合时，水玻璃和生石灰的重量比为24:(64~75);所述的无机胶凝材料为水玻璃与熟石灰的组合时，水玻璃与熟石灰的重量比为(3~8):20。
4.如权利要求1所述的遗址土的无机改性剂，其特征在于，所述的无机矿物粉料为粉煤灰和娃灰中的一种或者两种组合，两种组合时原料的重量比为1:1。
5.如权利要求1至权利要求4任意一项权利要求所述的遗址土的无机改性剂，其特征在于，所述的遗址土的无机改性剂用于修复土遗址时，在遗址土中的掺量为10%~20%。
【文档编号】C04B14/10GK103708806SQ201310732577
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】吕晶, 周天华, 卢林枫, 杜强, 刘云霄, 刘强, 吴函恒 申请人:长安大学