一种天然水镁石纤维改性石灰-偏高岭土复合砂浆的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合砂浆，具体是一种天然水镁石纤维改性石灰-偏高岭土复合砂浆的制备方法。
背景技术
古建筑遗址是人类历史文化遗产的重要组成部分，见证了人类文化的发展和科技的进步。目前，中国保有大量如城墙、墓葬、石雕造像及岩画壁画等砖石及岩土质古建筑遗址，而此类遗址保护工作的关键就在于所采用的修护性胶凝材料是否得当。建筑胶凝材料用于砌筑时关乎着建筑结构的整体力学性能，用作抹灰浆料时还控制着内外层的水分与物质交换，因此修护采用的胶凝材料需要在物理性质、力学性质、化学性质乃至外观上与古建筑本体有着良好兼容性。现代建筑行业所广泛使用的水泥类胶凝材料由于其较大的机械强度和粘结力、较差的透水透气性以及具有泌盐性等不利因素因而并不适用于古建筑的修缮工作，反而会得古建筑在修复后造成不可逆转的破坏，此外，由于水泥固化后外观多为冷灰色，会明显造成被修护与未修护部分在外观上的不协调，从而严重破坏建筑遗址的美学价值。因此，发展适宜的古建筑修复材料一直是古建筑修护领域相关学者的研究重点。目前，欧美发达国家已对L-MK修复性砂浆展开了大量研究。相比之下，国内对于L-MK修护性砂浆的研究起步较晚，目前研究相对较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天然水镁石纤维改性石灰-偏高岭土复合砂浆的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种天然水镁石纤维改性石灰-偏高岭土复合砂浆的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)所述选取纤维长度规格1～6mm，相对密度约2.44的天然水镁石纤维筛选纤维，并将天然水镁石纤维置于60℃恒温干燥箱中干燥24h；
(2)所述将纤维和分散剂按纤维:分散剂:水质量比既为10:1.5:200加入到水中，同时用搅拌机反复搅拌使纤维得到进一步的松解；
(3)所述将悬浊液筛滤去多余水分，保持恒温干燥箱中干燥24h后备用；
(4)所述将熟石灰、高活性偏高岭土按照1:1质量比混合，熟石灰和高活性偏高岭土混合之后加入聚羧酸高效减水剂，再加入与熟石灰和偏高岭土总质量比为1:3的标准砂，混合之后用搅拌机搅拌3min使其成为混合粉体；
(5)所述水镁石纤维掺量为熟石灰和偏高岭土总质量的0％、2％、4％、6％、8、10％，之后以150～160mm为流动度标准，然后取适量的水和松解后的水镁石纤维混合并搅拌10min；
(6)将先前混合的熟石灰，偏高岭土，水和松解后的水镁石纤维粉体加入其中，使用搅拌机低速搅拌5min，用刮具将叶片和锅壁上的胶砂刮入锅中间后再高速搅拌5min使其充分混合均匀；
(7)将混合后的浆体倒于40×40×160mm的三联膜内振动密实并将表面刮平并置于室内放置24h后脱模；最后将脱模后的样品置于标准条件下养护。
作为本发明进一步的方案：所述步骤(1)中采用60目标准筛筛对原料纤维进行淘洗以除去表面杂质和长度过短的纤维。
作为本发明进一步的方案：所述步骤(2)中搅拌机选用直流搅拌机。
作为本发明进一步的方案：所述步骤(4)加入聚羧酸高效减水剂为总质量0.5％。
作为本发明进一步的方案：所述步骤(6)搅拌机为行星式水泥胶砂搅拌机。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤(7)所述标准条件为温度为20±2℃，相对湿度95％±5％的标准条件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
石灰-偏高岭土胶凝材料是将熟石灰与活性偏高岭土按一定比例混合后制成的具有水硬性的无机胶凝材料，其中偏高岭土是L-MK胶凝材料中的主要活性成分，是由天然粘土矿物高岭土在600～900℃煅烧脱水形成的一种热力学介稳态的无定形硅铝化合物，具有强烈的火山灰活性，在有水存在的情况下能与熟石灰中的主要成分氢氧化钙发生反应生成具有一定结构强度的水化产物，使材料获得水硬性的同时减小体积收缩，提升机械性能。因此，L-MK胶凝材料既保留了石灰与古建筑基体良好兼容性的同时又具有水泥的水硬性，在砖石及岩土质古建筑的修护工作中具有不可忽略的优势。此外，其原料石灰石与高岭土资源丰富、加工便利、价格低廉，煅烧温度低，硬化过程中还会吸收大气环境中的CO2，因而L-MK胶凝材料还是一种低能耗的环境友好型材料。
附图说明
图1a为原料水镁石纤维,1000×图片示意图；
图1b为原料水镁石纤维,10000×图片示意图；
图1c为水洗后水镁石纤维,1000×图片示意图；
图1d为水洗后水镁石纤维,10000×图片示意图；
图1e为松解后水镁石纤维,1000×图片示意图；
图1f为松解后水镁石纤维,10000×图片示意图；
图2a为不同水镁石纤维掺量L-MK砂浆抗折强度的测试图片示意图；
图2b为不同水镁石纤维掺量L-MK砂浆抗压强度影响的测试图片示意图；
图3为纤维改性L-MK砂浆(上)及纯L-MK砂浆(下)三点抗折强度外观照片；
图4a为SMS-1断面,5000×图片示意图；
图4b为SMS-1断面,2500×图片示意图；
图4c为SMS-1断面,10000×图片示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～4，本发明实施例中，一种天然水镁石纤维改性石灰-偏高岭土复合砂浆的制备方法，本方法采用一定比例的熟石灰，高活性偏高岭土，标准砂，水相混合之后加入一定量过水洗与松解处理的天然水镁石纤维，制成水镁石纤维改性石灰-偏高岭土复合砂浆，具体包括天然水镁石纤维预处理和天然水镁石纤维改性L-MK砂浆。
首先天然水镁石纤维预处理具体方法如下，通过向L-MK砂浆中加入一定量的水镁石纤维，可使L-MK砂浆和水镁石纤维产生复合砂浆的机械强度和抗收缩性等性质得到进一步提升，更好适用于砖石及岩土质古建筑遗址的修复工作，但纤维的预处理，添加方式与添加量都会对最终砂浆的性质产生不同影响，而天然水镁石纤维常以纤维束形式产出，纤维间的结合十分紧密，市面所售的商品纤维虽经过了矿山破碎、松散以及筛选，但其中仍含有大量的粗纤维束和杂质，所以在加入到砂浆并搅拌的过程中很难在砂浆均匀分散，导致纤维不仅无法与浆体充分接触，同时降低了纤维的整体利用率，使得复合砂浆对材料的增强和增韧效果不能充分发挥，因此本方法首先对天然水镁石纤维进行松解处理。具体处理过程如下：
(1)所述选取的纤维长度规格1～6mm，相对密度约2.44，天然水镁石纤维外观呈淡青绿色絮状的，然后用60目标准筛对原料纤维进行淘洗以除去表面杂质和长度过短的纤维，完成后取部分纤维样品置于60℃恒温干燥箱中干燥24h；
(2)然后将纤维和分散剂(二辛基磺化琥珀酸钠(OT))按纤维:分散剂:水质量比为10:1.5:200加入到水中，并用直流搅拌机搅拌30min，直流搅拌机转速约1500r/min，并将搅拌均匀的悬浊液用超声波震荡30min，具体就是利用超声波产生的微振动和气泡对纤维产生离散作用，同时也使分散剂能更好的浸润纤维表面，再将震荡后的悬浊液再进行机械搅拌15min，直流搅拌机转速约1500r/min，最后使纤维得到进一步的松解；
(3)将悬浊液用60目滤筛滤去多余水分，放入60℃恒温干燥箱中干燥24h后备用；
其次包括天然水镁石纤维改性L-MK砂浆，由于水镁石和海泡石纤维的添加会显著提升拌合需水量，因此添加聚羧酸高效减水剂来减少拌合用水量，采用湿法添加将松解后的天然水镁石纤维加入到L-MK砂浆中，具体步骤如下：
(1)将熟石灰和高活性偏高岭土以1:1质量比混合，所述熟石灰Ca(OH)2含量大于95％，所述偏高岭土平均粒径2.4μm，325目筛余量0.1％，28天火山灰活性指数为122％，比表面积16m2/g，SiO2和Al2O3二者之和达到总质量的98％以上，熟石灰和高活性偏高岭土混合之后加入总质量0.5％的聚羧酸高效减水剂，再加入与熟石灰和偏高岭土总质量比为1:3的标准砂采用胶砂比1:3混合之后用搅拌机搅拌3min使其成为混合粉体；
(2)水镁石纤维掺量为熟石灰和偏高岭土总质量的0％，2％，4％，6％，8％和10％，之后再以150～160mm为流动度标准取适量的水和松解后的水镁石纤维混合并搅拌10min，水镁石纤维改性L-MK砂浆配比具体配比如下表所示。
水镁石纤维改性L-MK砂浆配比表
(3)将先前混合的熟石灰和偏高岭土加入其中，使用行星式水泥胶砂搅拌机低速搅拌5min之后用刮具将叶片和锅壁上的胶砂刮入锅中间后，再通过高速搅拌5min使其充分混合均匀；
(4)将混合后的浆体倒于40×40×160mm的三联膜内振动密实并将表面刮平并置于室内放置24h后脱模，最后将脱模后的样品置于温度为20±2℃，相对湿度95％±5％的标准条件下养护；
通过上述以上所有步骤产生的测试结果可以看出，聚羧酸减水剂的加入可以有效提高砂浆的早期强度，JSJ试样养护7天的抗折与抗压强度为2.7MPa和7.5MPa，相比基准L-MK试样的1.8MPa和4.3MPa分别提高了50.0％和72.8％，而达到了自身28天龄期强度的64.3％和44.4％，而基准L-MK试样的7天抗折与抗压强度则分别为28天强度的41.9％和24.6％；但聚羧酸减水剂的加入会使砂浆28天的强度出现小幅下降，JSJ试样28天的抗折与抗压强度分别为4.2MPa和16.9MPa，相比基准L-MK试样的抗折与抗压强度4.3MPa和17.5MPa均小幅降低了3.5％，这说明聚羧酸减水剂的加入对砂浆内的水化反应有一定催化作用，可以促使砂浆早期强度的形成，但由于砂浆总体拌合用水量的降低，引起后期水化反应供水不足，因此导致了强度的下降；而在添加水镁石纤维后，可以发现砂浆的7天强度值虽不及试样SJS，但总体高于基准L-MK试样，推测是由于浆体中纤维的乱象分会对减水剂的催化效果产生一定的阻碍所致，砂浆28天的强度则随着纤维掺量的增加呈下降趋势，其中，纤维掺量2％时效果最好，28天抗折与抗压强度分别为4.8MPa和18.4MPa，比基准L-MK试样分别提升了11.6％和4.6％，在此之后则逐渐降低。
此外，纤维改性的L-MK砂浆经过三点抗折强度测试后，试样虽然产生很大的变形及开裂现象但并没有彻底断裂，但是在裂纹处可以明显有纤维横跨在裂纹两侧，呈现“藕断丝连”的现象，判定这是一种非灾难性的断裂方式，具体是由于纤维自身具有比基体更高的拉伸强度，因此大量纤维在L-MK基体断裂过程中产生的滑移及拔出作用对断裂能大量消耗所致，相比之下，基准L-MK试样的断裂则是灾难性的，即试样完全断裂成两段，这说明水镁石纤维的加入可以有效提材料在应用过程中的可靠性。
水镁石纤维掺量2％的固化砂浆断面扫描电镜在砂浆未受力的完好区域通过5000倍放大很难发现水镁石纤维的存在，整体结构密实度较好，而在砂浆受力的开裂面，水镁石纤维则以拔出状态为主大量存在于基体断裂面，未被彻底拔出的纤维则以桥接的形式存在于断裂面两侧，只有少量纤维被拔断，这说明水镁石纤维掺量较少时可以较好地松解并分散在了砂浆基体中，所述当复合砂浆受力过程中，如此大量的水镁石纤维分布于断裂面之间会阻碍裂纹的进一步扩展。
综合以上所述，本方法认为天然水镁石纤维对L-MK砂浆固化后机械强度存在一定提升作用，最佳配比为：在新拌砂浆150-160mm流动度要求下，熟石灰与高活性偏高岭土质量比1:1，胶砂比1:3，聚羧酸减水剂添加量为熟石灰和偏高岭土总质量的0.5％，天然水镁石纤维采用湿法添加，添加量为熟石灰和偏高岭土总质量的2％，且水镁石纤维需经过松解处理，经过水镁石纤维改性，L-MK砂浆28固化天后抗折与抗压强度分别比改性前提升了11.6％和4.6％，并且可以有效避免砂浆的灾难性断裂，有效提材料在应用过程中的可靠性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
