玄武巖纖維對傳統糯米灰漿性能的影響及機理分析

陽令明，張維祥，周紹青

(湖南科技學院土木與環境工程學院，永州 425199)

0 引 言

糯米灰漿(SRLM)是我國古代建筑的主要膠凝材料之一，至少不晚于南北朝時期[1]，糯米灰漿就已經成為比較成熟的技術，被廣泛應用于墓葬、城建、堤防、寺廟等構筑物，如重慶巫山石灰墓、西安城墻、重慶太和古鎮、楚雄慶安堤、西安香積寺等[1-4]，永州市明清時期的上甘棠村、李家大院等民用古建筑的灰漿中也發現了糯米成分[5]。雖歷經千百年的風雨沖刷，仍然堅固完整，事實證明糯米灰漿具有良好的耐久性和力學特性。

然而，石灰基的糯米灰漿材料存在收縮性大、易出現裂縫、早期強度低等問題[6]，嚴重制約其在古建筑保護中的應用。近年來，在“盡可能使用原來的材料和工藝技術”的古建筑保護理念下[6]，傳統的糯米灰漿工藝逐漸成為文物保護工作者研究的重點之一。文獻調研發現，明代宋應星的《天工開物》中就有關于添加羊桃藤汁來提高糯米灰漿力學性能的記載[3]，近代學者也提出了摻入聚丙烯纖維等材料，以及改變糯米漿濃度、密度，石灰種類等方法[3-8]，并分析了其對糯米灰漿的早期強度、收縮性能及凍融性能的影響，指出糯米漿濃度為6%(質量分數)時，糯米灰漿加固遺址土效果較好[9]，糯米漿濃度為5%(質量分數)時的糯米-三合土各項力學指標達到最佳[10]。對于纖維類添加材料，研究指出麻纖維、聚丙烯纖維摻量分別為0.4%、0.7%(質量分數)時的纖維-糯米灰漿力學性能達到最佳[3]。而玄武巖纖維作為一種新型纖維材料，它能顯著降低混凝土孔隙率減少初始裂隙，改善水泥混凝土的力學性能和耐久性能[11]。

因此，筆者選取了玄武巖纖維作為添加材料并考慮改變糯米漿濃度，研究它們對糯米灰漿力學性能、耐久性能的影響及其作用機理，為糯米灰漿在古建筑等文化遺產保護中的應用提供參考。

1 實 驗

1.1 試驗材料

糯米粉密度為0.48 g/cm3，根據《淀粉細度測定方法》，篩分得到的細度指標見表1。生石灰密度為2.7 g/cm3，化學成分如表2所示。玄武巖纖維產自鄭州登電玄武石纖有限公司，長為6 mm，抗拉強度為3 500 MPa，密度為3.5 g/cm3。

表1 糯米粉的細度指標Table 1 Fineness index of sticky rice flour

表2 生石灰的化學成分Table 2 Chemical composition of quick lime

1.2 試驗設備

試件制備及性能檢驗主要設備：水泥標準稠度凝結測定儀，NT160B型水泥凈漿攪拌儀，DKI-500電動抗折試驗機，D40型低溫試驗箱，ZEISS-EVOMA10掃描電鏡，PAN-alytical X′Pert PRO射線衍射儀，LX-A型硬度計，YAW300B型微機控制電液式水泥壓力試驗機，ZS-15型水泥膠砂振實臺。

1.3 配合比設計

根據相關文獻[3,9-10]的研究，選取5%、6%、6.5%、7%、8%(質量分數，下同)5種濃度將糯米與水進行配比，并考慮摻入玄武巖纖維材料，設計了如表3所示的配合比，括號內表示相應的比例。

表3 玄武巖纖維-糯米灰漿的質量配合比Table 3 Quality mixture ratio of SRLM with basalt fiber

續表

1.4 試件制備

將生石灰與水拌合消解三個月，添加時去除表層。按照表3的配合比稱取一定量的水放入電熱鍋中，煮沸，再稱取相應份數的糯米粉置于鍋中，不停地攪拌10 min，迅速加入相應份數的過篩的熟石灰拌勻，控制溫度75～80 ℃[9]，攪拌均勻后倒入攪拌桶中，稱取相應比例的其他添加材料，拌勻后再倒入水泥凈漿攪拌儀中，以125 r/min的速度攪拌3 min，直至灰漿拌和均勻，稠度控制在30～50 mm，最后倒入試模中，自然養護(室內溫度20～30 ℃，相對濕度60%～80%)7 d后脫模，得到試件。

試件制作參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)，耐溫性能、凍融性能、抗壓強度試驗采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的三聯抗壓鐵制試模，表面硬度采用內徑50 mm、高15 mm的圓柱體試模，抗折強度、收縮性能試驗采用40 mm×40 mm×160 mm鐵制試模。

2 性能表征與分析

2.1 抗壓強度和抗折強度

參照JGJ/T 70—2009，采用YAW300B型微機控制電液式水泥壓力試驗機，荷載參數30 kN，以0.02 MPa/s的加載速度加載，記錄破壞時的荷載讀數。

圖1是糯米漿濃度為7%的試件以及添加5%(質量分數，下同)玄武巖纖維試件的抗壓強度試驗狀況。無添加玄武巖纖維的糯米灰漿試件隨著豎向裂紋的增加直接發生剪切破壞，破壞前無明顯特征。而添加玄武巖纖維的糯米灰漿在加載過程中，隨著荷載的增加，試件表面首先出現豎向微裂紋，然后橫向變形增大，邊角處裂縫逐漸增多、貫通、剝落，破壞時產生較大的橫向變形和壓縮變形，呈現多縫開展破壞的特點，試件最后被“壓扁”。

圖1 玄武巖纖維-糯米灰漿的抗壓強度試驗Fig.1 Compressive strength test of SRLM with basalt fiber

玄武巖纖維對糯米灰漿抗壓、抗折強度的影響如表4和圖2所示。根據表4的試驗結果可知，糯米漿濃度對糯米灰漿的抗壓、抗折強度影響較大。隨著糯米漿濃度的增加，糯米灰漿的抗壓、抗折強度先增大后變小，當糯米漿濃度為6.5%時力學性能最佳。說明適量的糯米漿可調控碳酸鈣晶體顆粒大小、形狀，形成致密結構，但過量的有機物又會成為緩凝劑，抑制石灰的碳化反應[7]。

根據表4及圖2結果顯示，玄武巖纖維對糯米灰漿的抗壓、抗折強度影響較大，尤其是早期的抗壓、抗折強度。在不同濃度糯米灰漿中添加5%的玄武巖纖維，28 d抗壓、抗折強度最大分別提高了436%、150%，60 d抗壓、抗折強度最大分別提高了291%、233%。

表4 玄武巖纖維對糯米灰漿抗壓、抗折強度的影響Table 4 Influence of basalt fiber on compressive strength and flexural strength of sticky rice-lime mortar

圖2 玄武巖纖維對糯米灰漿抗壓、抗折強度的影響Fig.2 Influence of basalt fiber on compressive strength and flexural strength of sticky rice-lime mortar

在相同糯米漿濃度的糯米灰漿中摻加5%的玄武巖纖維，28 d抗壓、抗折強度分別提高了178%、115%，60 d抗壓、抗折強度分別提高了96%、228%，隨著玄武巖纖維摻量的增加，糯米灰漿的抗壓、抗折強度先增大后變小，摻量5%時力學性能最佳。說明玄武巖纖維與石灰基糯米灰漿材料具有較好的親和力，纖維材料在糯米灰漿中主要起到骨架作用，提高灰漿顆粒之間的拉結力，尤其是糯米漿濃度較低時更加明顯；根據Romualdi等[12]的纖維阻裂理論，當較多的玄武巖纖維摻入后，不同材料性能的纖維與灰漿之間的間隙增多，增加了灰漿的薄弱界面，影響了粘結強度，所以其抗壓、抗折強度只隨纖維的摻量在一定范圍內增大而提高。

2.2 表面硬度

測量表面硬度時，壓針距離試件邊緣至少6 mm，與試件完全接觸1 s內讀數，每個試件均勻取點測定7次，去除一個最大值和一個最小值后取平均值[6]，測試結果見表5。

結果表明，隨著糯米漿濃度的變化，糯米灰漿的表面硬度呈現先增大后減小的趨勢，而糯米灰漿的表面硬度主要跟熟石灰的碳化有關，說明一定濃度的糯米漿有利于糯米灰漿中熟石灰的碳化；玄武巖纖維摻入后，相同糯米漿濃度的糯米灰漿的表面硬度提高了28%。

2.3 收縮性能

糯米灰漿試件收縮率測試時，采用最小刻度為0.02 mm的游標卡尺對養護7 d、28 d、60 d后的試件4個側面長度分別進行測量，然后取平均值，精確至0.1 mm，再計算收縮率，試驗結果見表5，收縮率變化曲線見圖3。

圖3 玄武巖纖維-糯米灰漿的收縮率曲線Fig.3 Shrinkage rate curves of SRLM with basalt fiber

結果表明，所有樣品試件早期收縮明顯，28 d后趨于平穩。糯米灰漿7 d內收縮量約占60 d總收縮量的33%，糯米灰漿的收縮主要與糯米漿濃度有關，糯米漿濃度的增加有利于其收縮性能的改善。

玄武巖纖維-糯米灰漿7 d的收縮量占60 d總收縮量的57%，玄武巖纖維的摻入有效改善了糯米灰漿的收縮性能，7 d、60 d收縮率分別下降了65%、80.4%。說明灰漿顆粒間的孔隙依然較大，糯米灰漿前期失水嚴重，纖維橋接作用不明顯，隨著齡期的增長，方解石晶體逐漸增多，纖維骨架支撐作用增強，緩解了糯米灰漿后期的收縮性能。

2.4 耐凍融性能

參照JGJ/T 70—2009和文獻[6]，選取脫模養護60 d后的M1-3、M2-2、M2-3、M2-4各3個試塊，放入裝有自來水的桶中浸泡48 h，浸泡時水面高出樣品上表面20 mm以上，將浸泡過的樣品取出，用擰干的濕毛巾輕輕擦去表面水分，放入D40型低溫試驗箱中冷凍12 h，上下限溫度設定為-30 ℃。然后再取出樣品，放入自來水中融化12 h，重復以上操作并觀察樣品表面的變化情況，以樣品底部開始剝落、分層、貫通裂縫時的循環次數確定為耐凍融次數，試驗結果及試件表面狀況見圖4。

圖4 玄武巖纖維-糯米灰漿的凍融試驗Fig.4 Freeze-thaw cycle test of SRLM with basalt fiber

結果表明，普通的糯米灰漿耐凍融性能很弱，糯米漿粘結的石灰基材料經過水的多次浸泡后，表層糯米漿發生溶解，孔隙逐漸連通，自由水的膨脹-收縮循環造成灰漿強度逐漸喪失，最后變成小顆粒粉渣狀。玄武巖纖維使糯米灰漿的耐凍融性能明顯提高，凍融次數均在10次以上，且隨著糯米漿濃度的增加凍融次數增多，破壞時表面裂縫較少，試件呈現大塊狀破壞。說明灰漿中微裂紋發展引起纖維承受的拉結應力增大，阻礙了微裂紋繼續發展，當裂縫形成后，由于纖維的抗拉強度大，延緩了發展速度，提高了凍融性能。

2.5 耐溫性能

現場調研時發現，祁陽李家大院采取糯米灰漿涂抹木結構表面的方式提高防火性能，本實驗參考文獻[13]，采用電熱爐作為火源，受熱溫度150 ℃左右，測試其3 h后的抗壓強度，結果見圖5。

圖5 150 ℃受熱后各試件的抗壓強度變化Fig.5 Changes of compressive strength of SRLM after heated at 150 ℃

結果表明，摻有玄武巖纖維的糯米灰漿試件M2-1、M2-3在加熱后，其抗壓強度均有所下降，平均下降20%左右，破壞過程與常溫相似，但裂縫發展速度快，局部剝落嚴重，說明受熱后內部結構受到損害。普通糯米灰漿M1-1試件抗壓強度則有所提高，M1-3試件下降不明顯。說明糯米灰漿試件早期Ca(OH)2的相對含量較大，碳化反應不完全，加熱促進了空氣中CO2與灰漿中Ca(OH)2碳化反應的正向進行，緩解了內部結構變化帶來的影響。

3 機理分析

3.1 SEM分析

前期研究發現，糯米支鏈淀粉在Ca(OH)2碳化過程中起到了模板作用，使生成的晶體顆粒變小，結構更加致密[1，14]。為觀察灰漿材料微觀形貌，將養護28 d的不同添加劑典型試件切割取樣，烘干后進行SEM分析，結果見圖6。

圖6 玄武巖纖維-糯米灰漿的微觀形貌Fig.6 Microscopic morphology of SRLM with basalt fiber

圖6(a)是未摻入其他添加劑的糯米漿濃度為6.5%的普通糯米灰漿微觀形貌，細小顆粒相互交聯，結構致密，與糯米漿濃度為5.3%(m水∶m糯米粉=19)的樣品微觀形貌[14]比較，隨著糯米灰漿濃度的增大，方解石晶體變小，顆粒間孔隙也變小，說明一定濃度的糯米漿加速了糯米灰漿中熟石灰的碳化進程。這是由于糯米粉經糊化后，其末端的羥基官能團在堿性條件下與Ca2+反應，影響了碳酸鈣結晶體的位置、大小和形貌形成[7]，隨著糯米漿濃度的變化，晶型較小、形狀更規則的方解石晶體逐漸增多，但過量的糯米漿又粘附在Ca(OH)2表面，影響方解石晶體的形成。

圖6(b)是摻入5%玄武巖纖維的糯米灰漿放大5 000倍時的SEM照片，可以看到玄武巖纖維含有空腔結構，在灰漿早期硬化過程中可避免水分過快流失，降低了早期的收縮率以及開裂的風險，改善了糯米灰漿的收縮性能、抗裂性能，但顆粒間的孔隙依然較大，自由水流失嚴重，從而導致早期收縮率大。與圖6(a)相比較，糯米漿的濃度相同，方解石的結晶度基本一致，孔隙大小相似，說明玄武巖纖維對糯米灰漿的結晶狀態影響很小。糯米灰漿顆粒緊緊附著在纖維上，增加了粘結力，而纖維的直徑一般在5～10 μm，比表面積大，握裹力強，在糯米灰漿中的交錯分布起到拉結和骨架作用[3]，從而提高了其力學性能和耐久性能。

3.2 XRD分析

為進一步探討玄武巖纖維對糯米灰漿性能的影響機理，對養護28 d的試件進行XRD分析，結果如圖7所示。

由圖7可見，未摻加添加劑以及摻加了玄武巖纖維的糯米灰漿的物相成分基本相同，主要是Ca(OH)2、方解石，并且Ca(OH)2的峰值最大，說明試件內部Ca(OH)2的相對含量較大，這些反應不完全的Ca(OH)2維持著灰漿的強堿環境，抑制了細菌的產生和生長，正是糯米灰漿耐久性能的合理解釋，也是灰漿后期強度增長幅度較大的主要原因。

圖7(b)是摻5%玄武巖纖維的糯米灰漿XRD譜，與圖7(a)相比較，玄武巖纖維未出現明顯的衍射峰，呈現出非晶態結構，也無新峰值產生，說明玄武巖纖維對糯米灰漿力學性能的改善主要是纖維材料的拉結和骨架作用。

圖7 玄武巖纖維-糯米灰漿的物相成分Fig.7 Phase composition of SRLM with basalt fiber

4 結 論

(1)糯米漿吸附在Ca(OH)2顆粒表面，影響了碳酸鈣結晶體的位置、大小和形貌的形成，反應不完全的Ca(OH)2維持著強堿環境，提高了灰漿的耐久性能，影響了后期力學性能的增長；糯米漿末端羥基官能團在堿性條件下能與Ca2+反應，產生晶型更小、形狀更規則的方解石晶體，但過量的糯米漿又影響著Ca(OH)2的碳化過程，當糯米漿濃度為6.5%時力學性能最佳。

(2)玄武巖纖維對糯米灰漿的結晶過程影響很小，主要是其空腔結構、阻裂作用以及與糯米灰漿良好的粘結力、握裹力，起到了有效的拉結和骨架作用，對糯米灰漿的早期強度、收縮性能、抗凍融性能、耐溫性能有良好的增強作用，摻量5%的玄武巖纖維-糯米灰漿綜合性能最佳。