一种水化硅酸钙净浆材料与灌浆材料的制备与应用

本发明属于文物保护材料，涉及一种水化硅酸钙净浆材料与灌浆材料的制备与应用，尤其涉及一种水化硅酸钙净浆材料与用于潮湿环境砂岩质文物岩体裂隙灌浆的水化硅酸钙灌浆材料的制备与应用。

背景技术：

1、砂岩是我国石质文物中最常见的岩石类型之一，砂岩质石窟寺也占据了我国石窟寺总数的80％。由于砂岩本身的多孔特性以及人类活动等各种因素的长期影响，出现了表层裂隙、空鼓和基体断裂等破坏现象。这些破坏的存在尤其是裂隙，不仅损害了石质文物岩体自身的强度，而且在温湿度、酸性气体等外界环境的作用下，会加剧可溶性污染物如酸碱盐等在岩石基体内的扩散和迁移，进一步加速石质文物的风化，对石质文物的本体稳定性和保存寿命造成极大威胁。

2、目前，针对断裂、裂隙等病害类型常用灌浆的方法进行保护处理。灌浆工艺是借鉴建筑工程上用以增强建筑稳定性的一种方法，这种方法既能够填补地质运动造成的巨大裂隙，也可以处理表面的微小裂隙。灌浆的方法能够对石窟岩石、石刻等起到良好的加固作用；同时，通过灌浆方法还能有效封堵石窟渗水通道，起到治理渗漏水的效果。

3、文物保护领域中常用的灌浆材料可分为有机材料和无机材料两大类。有机材料包括有机硅、环氧树脂、丙烯酸树脂等树脂材料，其优点在于渗透性好、固化快、收缩性小、粘结力强，但是有机材料强度太高、发脆、老化之后与石质文物本体兼容性差、不透气、使用寿命短，并且老化之后难以去除。

4、无机材料主要有水泥和水硬性石灰。水泥的主要成分为3cao·sio2、2cao·sio2、3cao·al2o3、4cao·al2o3·fe2o3。其固化机理为：①3cao·sio2+nh2o→xcao·sio2·yh2o+(3-x)ca(oh)2；②2cao·sio2+nh2o→xcao·sio2·yh2o+(2-x)ca(oh)2；水泥凝结硬化快，强度高、抗冻耐久、干缩小，适用于危岩体加固；但水泥在文物保护中的应用一直存在很大争议，主要表现为强度过高、与文物本体相容性差、使用后可溶盐含量高、孔隙率低、透气性差、力学强度和热膨胀系数与石质基体差异较大，甚至对文物本体造成破坏。

5、水硬性石灰在欧洲应用已久。19世纪中期开始用于石质旧建筑的修复，其固化主要分为以下两个阶段：①硅酸二钙水化：2cao·sio2+nh2o＝ncao·sio2·yh2o+(2-x)ca(oh)2②ca(oh)2碳化：ca(oh)2+co2＝caco3+h2o。水硬性石灰的固化产物强度适中，与待修复基体尤其是石灰岩、大理石等兼容性好、抗污染能力强、可溶盐含量低、具有良好的水透性。但是目前水硬性石灰在国内的使用主要依赖于进口，成本高、供应量较低，因此大规模的应用受到限制。

6、水化硅酸钙是水泥、水硬性石灰的主要固化产物，并且是水泥、水硬性石灰的主要力学性能来源，因此，选择来源广泛、价格低廉的原材料人工合成水化硅酸钙并加入骨料和添加剂制成较为纯净的水化硅酸钙灌浆材料，能够保证在具有良好性能的同时，不向文物中引入可溶盐并满足大规模应用的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的就是提供一种水化硅酸钙净浆材料与用于潮湿环境砂岩质文物岩体裂隙灌浆的水化硅酸钙灌浆材料的制备方法的制备与应用。所述水化硅酸钙灌浆材料是一种水硬性材料，与文物本体组成相似、力学强度良好并且可调控。具有多孔的网状结构，孔隙率大，具有良好的透水性，适用于潮湿环境下的砂岩质文物岩体裂隙灌浆；原材料成本低廉、在常温且不添加任何催化剂的情况下就可以快速地发生火山灰反应生成水化硅酸钙，极大地简化了合成步骤，并且最终产物中物相简单，以无定形的水化硅酸钙为主。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种水化硅酸钙净浆材料的制备方法，包括：将白炭黑、氢氧化钙、水混合固化得到水化硅酸钙净浆材料。其中未添加任何催化剂。

4、进一步地，所述白炭黑、氢氧化钙中钙硅摩尔比为(0.8～1.5):1。

5、进一步地，原料水固比为(1.8～2.2):1，其中固体为白炭黑和氢氧化钙。

6、进一步地，固化在室温下进行，固化时间为26～30天。

7、一种水化硅酸钙灌浆材料的制备方法，包括：将白炭黑、氢氧化钙、水、石英砂粉混合，养护固化得到水化硅酸钙灌浆材料。

8、进一步地，所述白炭黑、氢氧化钙中钙硅摩尔比为(0.8～1.5):1。

9、进一步地，原料水固比为(1.8～2.2):1，其中固体为白炭黑和氢氧化钙。

10、进一步地，所述石英砂粉的质量与白炭黑、氢氧化钙的总质量之比为(2.5～3.5):1。

11、进一步地，养护固化在密闭环境下进行，养护温度为15～25℃，养护时间为26～30天。其中密闭环境可通过采用保鲜膜将材料完全包裹的方式实现。

12、进一步地，该方法还包括加入聚羧酸减水剂。其添加量优选为白炭黑、氢氧化钙总质量的4％。

13、一种水化硅酸钙净浆材料的应用，包括将所述水化硅酸钙灌浆材料用于潮湿环境砂岩质文物岩体裂隙灌浆。本发明中的水化硅酸钙净浆材料能够在常温条件下于文物内部原位合成的，避免了现有技术中高温合成条件对文物产生的负面影响。

14、与现有技术相比，本发明具有以下特点：

15、本发明制备的用于潮湿环境砂岩质文物岩体裂隙灌浆的水化硅酸钙灌浆材料对合成温度的要求为常温，符合文物灌浆材料的实际应用需求；不添加催化剂依然有良好的反应速率，能够在较短时间内合成物相简单、纯度高、力学性能好的水化硅酸钙灌浆材料并稳定存在，还能够根据被加固基体强度的不同实现力学强度、成分、形貌的可控制备；具有多孔的网状结构，孔隙率大，吸水率高，透水性好，适用于潮湿环境下的砂岩质文物保护。

技术特征：

1.一种水化硅酸钙净浆材料的制备方法，其特征在于，包括：将白炭黑、氢氧化钙、水混合固化得到水化硅酸钙净浆材料。

2.根据权利要求1所述的水化硅酸钙净浆材料的制备方法，其特征在于，所述白炭黑、氢氧化钙中钙硅摩尔比为(0.8～1.5):1。

3.根据权利要求1所述的水化硅酸钙净浆材料的制备方法，其特征在于，原料水固比为(1.8～2.2):1，其中固体为白炭黑和氢氧化钙。

4.根据权利要求1所述的水化硅酸钙净浆材料的制备方法，其特征在于，固化在室温下进行，固化时间为26～30天。

5.一种水化硅酸钙灌浆材料的制备方法，其特征在于，包括：将白炭黑、氢氧化钙、水、石英砂粉混合，养护固化得到水化硅酸钙灌浆材料。

6.根据权利要求5所述的水化硅酸钙灌浆材料的制备方法，其特征在于，所述白炭黑、氢氧化钙中钙硅摩尔比为(0.8～1.5):1；原料水固比为(1.8～2.2):1，其中固体为白炭黑和氢氧化钙。

7.根据权利要求5所述的水化硅酸钙灌浆材料的制备方法，其特征在于，所述石英砂粉的质量与白炭黑、氢氧化钙的总质量之比为(2.5～3.5):1。

8.根据权利要求5所述的水化硅酸钙灌浆材料的制备方法，其特征在于，养护固化在密闭环境下进行，养护温度为15～25℃，养护时间为26～30天。

9.根据权利要求5所述的水化硅酸钙灌浆材料的制备方法，其特征在于，还包括加入聚羧酸减水剂。

10.一种如权利要求5所述方法制备得到的水化硅酸钙灌浆材料的应用，其特征在于，所述水化硅酸钙灌浆材料用于潮湿环境砂岩质文物岩体裂隙灌浆。

技术总结本发明涉及一种水化硅酸钙净浆材料与灌浆材料的制备与应用，其中水化硅酸钙净浆材料的制备方法包括：将白炭黑、氢氧化钙、水混合固化得到；灌浆材料的制备方法包括：将白炭黑、氢氧化钙、水、石英砂粉混合，养护固化得到。与现有技术相比，本发明中的水化硅酸钙灌浆材料对合成温度的要求为常温，符合文物灌浆材料的实际应用需求；不添加催化剂依然有良好的反应速率，能够在较短时间内合成物相简单、纯度高、力学性能好的水化硅酸钙灌浆材料并稳定存在，还能够根据被加固基体强度的不同实现力学强度、成分、形貌的可控制备；具有多孔的网状结构，孔隙率大，吸水率高，透水性好，适用于潮湿环境下的砂岩质文物保护。技术研发人员：马啸,阎慧敏,贾孟军受保护的技术使用者：上海大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14