一种古建筑修复用砂浆复合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及建筑用材料技术领域，尤其涉及一种古建筑修复用砂浆复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.在我国古代建筑物的修建过程中，通常以灰浆作为胶结的原材料，而灰浆种类繁多，有“九浆十八灰”之说。但现如今，由于灰浆的调配比例不清晰以及传统工艺费工费时等问题，灰浆的使用已经逐渐被天然水硬性石灰所代替。天然水硬性石灰是用粘土含量较高或是二氧化硅含量较高的石灰石烧制而成的，具备适中的抗折、抗压强度，防水性和自我修复性，在古建筑的修复工作中起到了至关重要的作用。原有的天然水硬性石灰比较脆，韧性差，修复后的建筑对于抵抗脆性断裂的能力较弱；同时，在古建筑的修复过程中天然水硬性石灰不能满足更高强度的建筑。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种古建筑修复用砂浆复合材料及其制备方法，用于解决现有的天然水硬性石灰比较脆，韧性差，修复后的建筑对于抵抗脆性断裂的能力较弱；同时，在古建筑的修复过程中天然水硬性石灰不能满足更高强度的建筑的问题。
4.根据本发明的一方面，提供一种古建筑修复用砂浆复合材料，包括：无机胶凝材料组合物，环氧树脂组合物，河砂和水；其中，所述无机胶凝材料组合物包括天然水硬性石灰，且所述环氧树脂组合物的质量为所述无机胶凝材料组合物质量的5％～30％。
5.可选地，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，所述无机胶凝材料组合物还包括：粉煤灰，所述粉煤灰质量为所述无机胶凝材料组合物质量的30％～60％。
6.可选地，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，所述天然水硬性石灰包括天然水硬性石灰nhl5和天然水硬性石灰nhl2，所述天然水硬性石灰nhl5和所述天然水硬性石灰nhl2的质量比为3：1。
7.可选地，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，所述环氧树脂组合物包括环氧树脂单体、稀释剂、固化剂和增韧剂，且相对100质量份的所述环氧树脂单体，所述稀释剂为15～25质量份，所述固化剂为30～70质量份，所述增韧剂为10～20质量份。
8.可选地，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，所述固化剂包括聚醚胺和聚醚二胺，所述聚醚胺与所述聚醚二胺的质量比为2：1。
9.可选地，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，还包括：聚乙烯醇纤维材料，所述聚乙烯醇纤维材料质量为所述无机胶凝材料组合物质量的0.2％～0.6％。
10.可选地，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，所述聚乙烯
醇纤维材料的直径为0.04mm～0.08mm，所述聚乙烯醇纤维材料的长径比为150～250。
11.可选地，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，所述河砂的粒径小于0.4mm。
12.可选地，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，所述河砂的质量为所述无机胶凝材料组合物质量的10％～30％，所述水的质量为所述无机胶凝材料组合物质量的30％～40％。
13.根据本发明的另一方面，提供一种根据本发明的古建筑修复用砂浆复合材料的制备方法，包括：
14.将无机胶凝材料组合物、环氧树脂组合物、河砂和水混合，以制备出所述古建筑修复用砂浆复合材料。
15.本发明的有益效果如下：
16.本发明通过在具有天然水硬性石灰的无机胶凝材料组合物中添加环氧树脂组合物，环氧树脂作为建筑用有机材料，在古建筑的修复工作中具备很多优良特性，如高粘接性和高韧性；本发明将有机材料与无机材料结合，一方面，利用环氧树脂的高韧性作用使得制备出的砂浆抵抗脆性断裂的能力提高；另一方面，以天然水硬性石灰的高耐久性弥补环氧树脂耐久性差的特点，而以环氧树脂高粘接性弥补天然水硬性石灰粘接性不足的问题，从而使得天然水硬性石灰和环氧树脂优势互补，既提高了砂浆的粘接性和韧性，又使得砂浆在经过高温、水浸泡以及长时间的光照作用后，界面的粘接强度仍然高于1.5mpa。因此本发明提供的古建筑修复用砂浆复合材料提高了砂浆的韧性、粘接性、耐久性，使得修复后的古建筑得以加固，不宜破坏，对于古建筑的修复工作具有重要意义。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
18.根据本发明的一方面，提供一种古建筑修复用砂浆复合材料，包括：无机胶凝材料组合物，环氧树脂组合物，河砂和水；其中，无机胶凝材料组合物包括天然水硬性石灰，且环氧树脂组合物的质量为无机胶凝材料组合物质量的5％～30％。
19.通过在具有天然水硬性石灰的无机胶凝材料组合物中添加环氧树脂组合物，环氧树脂作为建筑用有机材料，在古建筑的修复工作中具备很多优良特性，如高粘接性和高韧性；本发明将有机材料与无机材料结合，一方面，利用环氧树脂的高韧性作用使得制备出的砂浆抵抗脆性断裂的能力提高；另一方面，以天然水硬性石灰的高耐久性弥补环氧树脂耐久性差的特点，而以环氧树脂高粘接性弥补天然水硬性石灰粘接性不足的问题，从而使得天然水硬性石灰和环氧树脂优势互补，既提高了砂浆的粘接性和韧性，又使得砂浆在经过高温、水浸泡以及长时间的光照作用后，界面的粘接强度仍然高于1.5mpa。因此本发明提供的古建筑修复用砂浆复合材料提高了砂浆的韧性、粘接性、耐久性，使得修复后的古建筑得以加固，不宜破坏，对于古建筑的修复工作具有重要意义。
20.在古建筑的修复过程中，单一的天然水硬性石灰不能满足更高强度的古建筑修
复，它的生产需要耗费大量的能源、资源，并且在生产过程中则会产生二氧化碳温室气体，从而污染环境。因此，在可能的实施方式中，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，无机胶凝材料组合物还包括：粉煤灰，粉煤灰质量为无机胶凝材料组合物质量的30％～60％。
21.粉煤灰是一种人工火山灰质混合材料，当它以粉状在水中存在时，常温作用下即可与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，因此以粉煤灰组分代替部分天然水硬性石灰，可以提高砂浆的强度和耐久性；另外，以粉煤灰代替部分天然水硬性石灰，可以减少天然水硬性石灰的用量，减少天然水硬性石灰资源匮乏的问题，以及减少天然水硬性石灰在生产过程中则会产生二氧化碳温室气体，从而减轻全球变暖、环境污染的问题，使得制备的砂浆复合材料具有干缩性小、抗裂性好、强度高、耐久性好的特点。
22.具体地，粉煤灰质量可以为无机胶凝材料组合物质量的30％、45％、60％等介于30％～60％的任意值。
23.具体地，为了能够发挥粉煤灰的最佳效果，粉煤灰可以为ⅰ级灰，平均粒径为0.045mm～0.1mm。优选地，粉煤灰的平均粒径为0.045mm。
24.在可能的实施方式中，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，天然水硬性石灰具体可以包括天然水硬性石灰nhl5和天然水硬性石灰nhl2，天然水硬性石灰nhl5和天然水硬性石灰nhl2的质量比为3：1。具体地，天然水硬性石灰nhl5和天然水硬性石灰nhl2是两种型号的石灰，具有不同的强度和凝结时间，通过使用这两种型号的石灰，可以综合调控强度和凝结时间，使制备得到的古建筑修复用砂浆复合材料的强度等效果更好。
25.在可能的实施方式中，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，环氧树脂组合物包括环氧树脂单体、稀释剂、固化剂和增韧剂，且相对100质量份的环氧树脂单体，稀释剂为15～25质量份，固化剂为30～70质量份，增韧剂为10～20质量份。
26.环氧树脂是一类具有良好粘接、耐腐蚀、绝缘、高强度等性能的热固性高分子合成材料，具体地，本发明实施例提供的环氧树脂单体可以为e51型环氧树脂，它已被广泛地应用于土木建筑等领域。在具体实施过程中，除了e51型环氧树脂外，还可以选择e44型环氧树脂。
27.具体的，稀释剂的质量可以为15、20、25等介于15～25质量份中的任意值。且优选地，相对100质量份的环氧树脂单体，选择质量份为15的稀释剂，以便增强砂浆复合材料的强度。在具体选择上述稀释剂时，可以选择环氧丙烷丁基醚作为稀释剂。在具体实施过程中，除了环氧丙烷丁基醚稀释剂外，还可以选择丙酮、酒精等作为稀释剂。
28.具体的，固化剂的质量可以为30、50、70等介于30～70质量份中的任意值。在具体选择上述固化剂时，可以选择聚醚胺(d400)和聚醚二胺(d2000)作为固化剂，其中，聚醚胺(d400)和聚醚二胺(d2000)的质量比为2：1。例如，当固化剂为30质量份时，聚醚胺(d400)为20质量份，聚醚二胺(d2000)为10质量份。
29.具体的，增韧剂的质量可以为10、15、20等介于10～20质量份中的任意值。且优选地，相对100质量份的环氧树脂单体，选择质量份为15的增韧剂，以便增强砂浆复合材料的韧性。在具体选择上述增韧剂时，可以选择增韧剂qs-be作为增韧剂。
30.具体地，环氧树脂作为建筑用有机材料，在古建筑的修复工作中具备很多优良特性，但环氧树脂的粘接加固是化学加固，具有不可逆性，而且耐久性较差，在光照、水、温度的作用下发生氧化反应，强度降低。因此本发明采用韧性固化剂(d400、d2000)和增韧剂qs-be配合使用，可使固化剂形成具有“海岛结构”的环氧树脂合金，通过与环氧树脂固化物连接的弹性体的储能作用，赋予了环氧树脂材料优异的韧性，从而数倍提高砂浆复合材料的韧性。
31.在可能的实施方式中，为了进一步提高砂浆复合材料的韧性以及提高砂浆复合材料抵抗脆性断裂的能力，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，还包括：聚乙烯醇(pva)纤维材料，聚乙烯醇纤维材料质量为无机胶凝材料组合物质量的0.2％～0.6％。
32.具体的，聚乙烯醇(pva)纤维材的质量占无机胶凝材料组合物质量比可以为0.2％、0.4％、0.6％等介于0.2％～0.6％中的任意值。例如，当无机胶凝材料组合物质量为1000g时，聚乙烯醇(pva)纤维材的质量可以为2g、4g和6g等。
33.具体地，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，聚乙烯醇纤维材料的直径可以为0.04mm～0.08mm，聚乙烯醇纤维材料的长径比可以为150～250。
34.具体的，聚乙烯醇纤维材料的直径可以为0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm等介于0.04～0.08mm中的任意值。优选直径为0.04mm的聚乙烯醇纤维材料，以便增强砂浆复合材料的韧性。
35.具体地，聚乙烯醇纤维材料的长径比即纤维内部的最长径与它相垂直的最长径之比为200。聚乙烯醇纤维材料的长径比可以为150、200、250等介于150～250中的任意值。优选长径比为200的聚乙烯醇纤维材料，以便进一步增强砂浆复合材料的韧性。
36.具体地，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，河砂作为骨料，起骨架作用，可以降低成本、提高强度等。
37.具体地，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，为了进一步提高砂浆复合材料的强度，河砂的粒径小于0.4mm。
38.具体地，在本发明实施例提供的上述古建筑修复用砂浆复合材料中，河砂的质量为无机胶凝材料组合物质量的10％～30％，水的质量为无机胶凝材料组合物质量的30％～40％。具体的，河砂的质量可以为无机胶凝材料组合物质量的10％、15％、20％、30％等介于10％～30％中的任意值。优选河砂的质量为无机胶凝材料组合物质量的20％，以便增强砂浆复合材料的韧性。水的质量可以为无机胶凝材料组合物质量的30％、35％、40％等介于30％～40％中的任意值。优选水的质量为无机胶凝材料组合物质量的40％，以便增强砂浆复合材料的韧性。例如，当无机胶凝材料组合物质量为1000g时，河砂的质量可以为200g等，水的质量可以为400g等。
39.另外，可以根据古建筑修复的实际使用场景确定各原材料的用量，例如在实验室中进行实验和在工业的实际应用中，可以分别使用不同的用量。
40.根据本发明的另一方面，提供了一种根据本发明的古建筑修复用砂浆复合材料的制备方法，包括：
41.将无机胶凝材料组合物、环氧树脂组合物、河砂和水混合，以制备出古建筑修复用砂浆复合材料。
42.本发明中古建筑修复用砂浆复合材料的制备过程中共涉及4个变量：环氧树脂组合物掺量、无机胶凝材料组合物中粉煤灰的质量分数、聚乙烯醇纤维的添加量、环氧树脂组合物中固化剂的掺量，按照变量取值将本发明的实施方案分成3组。3组方案中分别以占无机胶凝材料组合物总质量5％、20％、30％的环氧树脂组合物作为掺量，改变其他变量，聚乙烯醇纤维的质量取2g、4g、6g，固化剂取30份、50份、70份，粉煤灰占无机胶凝材料组合物总质量分数的30％、45％、60％。
43.以其中一组配比为例说明根据本发明的古建筑修复用砂浆复合材料的制备方法：假设无机胶凝材料组合物总质量为1000g，称取200g河砂和2g聚乙烯醇纤维材料放入搅拌机漏槽中混合；再称取天然水硬性石灰700g(质量比nhl5：nhl2＝3:1)、粉煤灰300g混合搅拌均匀；按照水与无机胶凝材的质量比为40％的水胶比加入400g水，并搅拌均匀成砂浆；称取环氧树脂单体100份、稀释剂15份、增韧剂15份混合均匀，然后加入固化剂30份(质量比d400：d2000＝2：1)快速搅拌均匀形成高韧性环氧树脂；启动搅拌机，由于试验过程中需要添加高韧性环氧树脂，因此把搅拌机调到手动挡，按照500转/min慢速搅拌两分钟，在砂浆中加入占无机胶凝材料总质量5％，即50g高韧性环氧树脂，按照2000转/min快速搅拌两分钟，最终得到古建筑修复用的高韧性水硬性石灰砂浆复合材料。
44.为了方便理解本发明实施例提供的古建筑修复用砂浆复合材料，下面结合具体的实施例对其相对现的砂浆的有益效果进行详细的说明。
45.表1不同固化剂掺量的环氧树脂组合物配比
46.编号e51/份501/份d400+d2000/份qs-be/份1)1001530152)1001550153)100157015
47.需要说明的是，上述“份”表示添加混合比例，具体用量取决于环氧树脂单体的掺量。
48.对比组：
49.表2砂浆配比及实验指标
[0050][0051]
需要说明的是，nhl是指包括nhl2和nhl5两种。
[0052]
实例1：
[0053]
环氧树脂组合物掺量(占无机胶凝材料组合物总质量的比例)：5％
[0054]
表3砂浆复合材料配比及实验指标
[0055][0056][0057]
需要说明的是，上述环氧树脂组合物一栏中的序号1)、2)、3)表示“不同固化剂掺量的环氧树脂组合物配比”表1中的不同配比的环氧树脂组合物，需按照环氧树脂单体掺量取值。
[0058]
实例2：
[0059]
环氧树脂组合物掺量(占无机胶凝材料总质量的比例)：20％
[0060]
表4砂浆复合材料配比及实验指标
[0061]
[0062][0063]
需要说明的是，上述环氧树脂组合物一栏中的序号1)、2)、3)表示“不同固化剂掺量的环氧树脂组合物配比”表1中的不同配比的环氧树脂组合物，需按照环氧树脂单体掺量取值。
[0064]
实例3：
[0065]
树脂掺量(占无机胶结材料总质量)：30％
[0066]
表5砂浆复合材料配比及实验指标
[0067]
[0068][0069]
需要说明的是，上述环氧树脂组合物一栏中的序号1)、2)、3)表示“不同固化剂掺量的环氧树脂组合物配比”表1中的不同配比的环氧树脂组合物，需按照环氧树脂单体掺量取值。
[0070]
由上述实验结果可以看出，添加了高韧性环氧树脂组合物的天然水硬性石灰，在折压比和伸长率的实验数据上与空白对照组(表2)相比明显加强，其中折压比是试件抗折强度和抗压强度的比值，折压比越大说明试件的塑性越好；伸长率是指试件在拉伸断裂后，原始标距的伸长与原始标距的比值，伸长率越大说明试件的塑性、韧性越好。因此，折压比和伸长率加强说明改良后的砂浆在韧性上得到了明显提高，很好的解决了修复后的古建筑易发生脆性断裂的问题。并且复合材料在界面粘接强度上也有明显提高，界面粘接强度是指在外力作用下，使粘接界面发生破坏的应力，界面粘接强度越高，材料的粘接性越强，因此改良后的砂浆具有更好的粘接性；紫外光照7d后的界面粘接强度与原界面粘接强度相
比，没有明显下降，说明改良后的砂浆耐久性得到优化。综上所述，结合实验数据，本发明提供的古建筑修复用砂浆复合材料的制备方法提高了砂浆的韧性、粘接性、耐久性，使得修复后的古建筑得以加固，不宜破坏，对于古建筑的修复工作具有重要意义。
[0071]
需要说明的是，本发明未述及之处适用于现有技术。
[0072]
需要说明的是，本发明不受上述实施例的限制，实施例中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和原则的前提下所做的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
[0073]
本发明实施例提供的一种古建筑修复用砂浆复合材料，通过在具有天然水硬性石灰的无机胶凝材料组合物中添加环氧树脂组合物，环氧树脂作为建筑用有机材料，在古建筑的修复工作中具备很多优良特性，如高粘接性和高韧性；本发明将有机材料与无机材料结合，一方面，利用环氧树脂的高韧性作用使得制备出的砂浆抵抗脆性断裂的能力提高；另一方面，以天然水硬性石灰的高耐久性弥补环氧树脂耐久性差的特点，而以环氧树脂高粘接性弥补天然水硬性石灰粘接性不足的问题，从而使得天然水硬性石灰和环氧树脂优势互补，既提高了砂浆的粘接性和韧性，又使得砂浆在经过高温、水浸泡以及长时间的光照作用后，界面的粘接强度仍然高于1.5mpa。因此本发明提供的古建筑修复用砂浆复合材料提高了砂浆的韧性、粘接性、耐久性，使得修复后的古建筑得以加固，不宜破坏，对于古建筑的修复工作具有重要意义。
[0074]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。