聚合物膠粉和纖維素醚對NHL 砂漿粘結強度的影響研究

周 霄 胡 源 褚 飛

(1 中國文化遺產研究院文物保護科學技術研究所，北京100029；2 中國地質大學文化遺產和巖土文物保護工程中心， 湖北 武漢430074)

1 前言

目前在實踐中，作為磚石質文物修復的砂漿使用比較多的有兩大類材料，即水泥材料和有機樹脂高分子材料。水泥材料由于粘結強度高、具有優異的抗老化及抗潮濕能力，得到了廣泛應用。但是大量的科學研究與工程實例證明，現代水泥材料與傳統磚石等材料不兼容，如水泥中的水溶鹽會嚴重損壞磚石材料。而高分子材料（如環氧樹脂）與磚石材料的物理化學性質差異更大，在實踐中出現了更多更嚴重的兼容性問題，主要表現為強度太高、發脆、老化產物與磚石完全不同、不吸水、不透氣。

因此近年來研究人員把目光又投向了傳統石灰材料與傳統工藝。傳統磚石建筑本身曾經大量采用石灰類材料，所以石灰類材料的使用在兼容性方面天然具有優勢。但是，傳統石灰材料與水泥、環氧樹脂等現代材料相比，仍存在固化慢、強度低、收縮較大、耐水性差等問題，造成粘結、填補及加固的保護效果并不理想，特別是在潮濕或干濕度變化較大的環境下。因此不符合施工的要求。基于這種現狀，水硬性石灰（NHL）材料作為一種文物建筑保護中的新型材料開始日益受到人們重視。例如，李最雄研究發現在甘肅秦安大地灣遺址房屋地面建筑中發現的膠結材料是以當地的料礓石（含CaCO360%～80%，含其他粘土礦物40%～20%）為原料燒制[1]。陳庚齡，馬清林等采用水合燒料礓石無機膠凝材料對酒泉丁家閘五號壁畫進行加固粘結也取得較好的效果[2]。1994 ～1998 年，德國聯邦環保基金會（DBU）資助了“文物建筑保護中的水硬性石灰材料研究”，該研究表明水硬性石灰（NHL）在文物建筑保護領域具有廣闊的應用前景[3]。雖然水硬性石灰材料的具體配方和施工工藝等方面的研究還存在很多不足，但是整體上來說作為石灰粘結劑使用的，帶有天然水硬成分的砂漿的優點非常突出：它兼具石灰和水泥的優點，具有低收縮、耐鹽、適中的抗壓和抗折強度、低水溶鹽含量等優點，同時與傳統的磚石建筑兼容性好，是一種天然、無污染、耐老化的加固粘結材料。

表1 NHL2 化學成分分析結果（按照歐標459-1）

表2 NHL2 物理性能分析結果（按照歐標459-1）

由于NHL 的固化周期長，粘結強度提高較為緩慢，因此為了保證其最初的粘結強度和工作性能，通常需要在NHL 砂漿體系中添加一定量的助劑。這些助劑包括聚合物膠粉、纖維素醚、減水劑、消泡劑等等[4]。而NHL 砂漿作為文物保護材料，最重要的性能就是其適中的粘結強度，考慮到文物保護材料的長期性和有效性，因此我們必須對可能對其粘結性能產生影響的助劑做一系統評價。以保證當助劑失效后，加固砂漿本身還可以具有足夠的粘結強度。

2 試驗

2.1 原材料

本試驗采用的天然水硬石灰為德國HESSLER KALKWERKEGMBH 公 司 出 品 的NHL2。 其 物 理性質和主要化學組成見表1，表2。

骨料采用石灰巖磨制而成的粉末，通常平均粒徑d ≤1mm。石灰巖粉末按其平均粒徑d 可以分為粗粉（d=0.5 ～0.7mm）、細粉（d=0.2～0.5mm）、 極 細 粉（d=0.2 ～0.5mm）。 聚合物膠粉為國民淀粉公司的ELOTEX ?FX7000 產品。保水增稠材料為山東赫達股份有限公司生產的甲基纖維素醚MC500。去離子水。

2.2 試驗方案

用來評價助劑性能影響的粘結材料配方見表3。

表3 NHL 砂漿配方

本研究中水灰比為0.24，先將NHL2 和所添加的巖粉以及減水劑和消泡劑混合混合均勻，然后再添加所測試的膠粉或者纖維素醚。所有試驗分為4 組。

1）NHL2+骨料巖粉，評價不添加助劑情況下的粘結強度。

2）骨料巖粉+膠粉，評價單純由膠粉產生的粘結強度。

3）NHL2+骨料巖粉+纖維素醚，評價單純由纖維素醚產生的粘結強度。

4 ）NHL2+骨料巖粉+膠粉+纖維素醚，添加助劑之后整體的粘結強度。

粘結強度試驗參照《墻體飾面砂漿》JC/T 1024-2007 標準進行。在規整的石灰巖表面制作尺寸4cm×4cm×1cm 的試樣，在標準狀況下（60%濕度，20℃）養護至28d 齡期，然后按照標準進行測試。

3 試驗結果及分析

3.1 NHL2+骨料巖粉

NHL2 加骨料制作的樣品在初凝結束之后很快就自然脫落了，我們分析樣品的脫落主要是由于以下原因造成的。石灰材料是一種收縮率比較大的材料，尤其是在硬化失水的過程中，收縮率很大。主材料NHL2 中水硬組分的比例為45%～50%，氣硬組分的比例為50%～55%。在樣品的初凝期間砂漿中的空隙充滿了水分，而CO2在水中的滲透速度比在空氣中慢大約1 萬倍[5]。因此會嚴重阻礙碳酸化的過程，而使得樣品中主要發生的是水硬反應。而從水硬反應的機理上來看，水硬反應結束以后會產生大量的Ca(OH)2。如果沒有充分的CO2參與完成后續的碳化進程，無法產生足夠的拉拔強度來抵抗由于內部收縮所產生的應力，所以樣品會自然脫落。也就是說如果要體現出NHL 本身的粘結強度，首先必須克服初期收縮所產生的應力，這樣隨著碳酸化進程的樣品的拉拔強度才能逐漸升高。

3.2 骨料巖粉+膠粉

考慮到文物保護材料對耐老化性能需要，并且保證膠粉失效后對材料粘結性能不造成較大的影響，在NHL 砂漿體系中要盡量少的添加膠粉，因此本研究把膠粉的添加量控制在1%以下。拉拔數據見圖1。從圖中可以看出，砂漿的粘結強度會隨著膠粉摻量的增加而增加，但是當膠粉含量≤1%的時候，砂漿樣品的拉拔強度≤0.03MPa。拉拔斷裂面見圖2。從斷裂面照片中可以發現斷裂是從樣品中部開始的，這說明只有膠粉和骨料的樣品，內聚力較差不能提供足夠的拉拔強度。同時也說明單純由膠粉提供的拉拔強度是非常小的。而且膠粉的量添加過大會使材料的塑性增加，降低和傳統磚石文物的親和性。

圖1 膠粉摻量對拉拔強度的影響

3.3 骨料巖粉+纖維素醚

含有NHL2、骨料和纖維素醚的樣品在溫度20℃，濕度60%的情況下，養護28d 以后進行拉拔強度的測試，斷裂面見圖3。從樣品的斷裂面照片中我們可以看出，斷裂面周邊光滑，中間部分從樣品內部斷裂，這主要是由于收縮造成的。這說明添加了水硬石灰之后，樣品的內聚力增加，但是仍然不能抵抗由于收縮所產生的應力。同時結合圖4 的數據我們也發現，纖維素醚在摻量≥0.2%以后，拉拔強度只有很輕微的提高。這說明纖維素醚雖然具有一定的粘結能力，可以幫助消除一部分由于收縮所產生的內部應力。但是仍然不足以提供足夠的拉拔強度。而且隨著摻量的增加會減低樣品的抗壓強度。這主要是因為，雖然纖維素醚摻量的增加可以使得砂漿的保水性能增加，但是同時也會使得砂漿中的孔隙率增大，而且纖維素醚本身是一種柔性的物質，無法起到剛性支撐的作用[6]。

圖3 拉拔斷裂面照片

圖4 纖維素醚摻量對拉拔強度的影響

3.4 NHL2+骨料巖粉+膠粉+纖維素醚

含有NHL2、骨料、1%膠粉（或者0.5%膠粉）和0.2%纖維素醚的樣品在溫度20℃，濕度60%的情況下，養護28d 及90d 以后進行拉拔強度的測試，見表4。

表4 拉拔強度測試數據

28d 齡期的A、B 兩種砂漿拉拔強度分別為0.55MPa 和1.61MPa，90d 齡期的拉拔強度分別為0.67MPa、1.70MPa。這說明添加了膠粉和纖維素醚之后，可以增加樣品的保水性和內聚力，抵抗水硬反應所產生的內部應力，體現出NHL 材料本身的粘結強度。而且可以通過調整聚合物膠粉的含量來配制不同粘結強度的砂漿。這樣由于單純由膠粉和纖維素醚提供的粘結強度很小，這樣當膠粉和纖維素醚失效之后，不會對材料的粘結強度產生很大影響，能夠滿足文物加固保護材料的要求。

4 結論

1 單純的水硬石灰由于收縮過大，無法與石材界面產生足夠的拉拔強度。

2 適量的聚合物膠粉和纖維素醚可以有效地提高NHL 砂漿的粘結強度，滿足文物加固保護材料的要求。

3 為防止對NHL 砂漿本身透水透氣以及和磚石文物兼容性產生影響，同時考慮到NHL 砂漿最初的粘結性能，聚合物膠粉的理想添加量在0.5%～1%以下，纖維素醚的添加量控制在0.2%左右。

[1]李最雄，世界上最古老的混凝土，考古[J]，1988（8）

[2]馬清林，陳庚齡，盧燕玲等，潮濕環境下壁畫地仗加固材料研究，敦煌研究[J]，2005（5），66-70

[3]G. Struebel， K.Kraus，O.Kuhl： Hydraulische Kalke fuer die Denkpflege[M]， IFS-Bericht 1998

[4]沈春林，商品砂漿[M]，中國標準出版社，2007

[5]李天杰， 趙燁，張科利等，土壤地理學[M]，高等教育出版社，2004，157

[6]張義順，李艷玲，趙鴻濤， 纖維素醚對砂漿性能的影響，建筑材料學報[J]，2008（11）3