中國(guó)傳統(tǒng)有機(jī)三合土的性能研究與仿制.pdf

1、以石灰、粘土為主要成分,添加糯米、蛋清等有機(jī)物的中國(guó)傳統(tǒng)有機(jī)三合土(Chinese traditional organic Sanhetu,CTOS)在我國(guó)古代建筑材料中有著舉足輕重的地位。現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn),這種材料在強(qiáng)度、耐久性、耐水性和環(huán)境友好性方面有突出的優(yōu)點(diǎn),可部分替代混凝土用于工程建筑。并且作為一種有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料,有機(jī)物的添加是材料性能提高的原因之一。但水泥的出現(xiàn)和推廣使用,導(dǎo)致了CTOS制作工藝的失傳,現(xiàn)代仿制材料的強(qiáng)度很難

2、達(dá)到原材料的標(biāo)準(zhǔn)。
　　本文的主要目標(biāo)是仿制高強(qiáng)度的CTOS,優(yōu)化CTOS的制作工藝,研究其固結(jié)機(jī)理,探索有機(jī)物對(duì)無(wú)機(jī)組分的作用和人工合成高分子材料代替天然有機(jī)物的可行性。主要包括以下內(nèi)容:
　　采集南北方典型CTOS樣品,為接下來(lái)的材料仿制提供依據(jù)。樣品分別采集于安徽省懷寧縣一座清代墓封土和陜西省靖邊縣統(tǒng)萬(wàn)城城墻。對(duì)樣品進(jìn)行抗壓測(cè)試、淀粉碘測(cè)試、耐水性測(cè)試和微觀測(cè)試,包括XRD,FTIR,TGA,SEM等,系統(tǒng)分析其物質(zhì)組

3、成和物理性能,探討其作用機(jī)理。結(jié)果顯示CTOS主要用料為粘土、河砂和石灰,但不同地區(qū)材料的工藝配方以及強(qiáng)度性能方面有很大差異。微觀分析顯示三合土中主要反應(yīng)產(chǎn)物是碳酸鈣和水化硅酸鈣(CSH)。封土樣品中石灰含量更高,耐水性好,物質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密,抗壓強(qiáng)度高于20MPa,說(shuō)明通過(guò)工藝配方的選擇,三合土部分替代混凝土具有可行性。其中,石灰含量低于15％,有機(jī)物糯米的含量低于3.4%。糯米作為有機(jī)模板,在生物礦化過(guò)程中控制碳酸鈣的形成,使其顆粒更加細(xì)

4、小,結(jié)構(gòu)更加緊密。
　　基于文獻(xiàn)記載以及歷史樣品分析結(jié)果,優(yōu)化CTOS制作工藝。通過(guò)研究混合工藝、成型壓力、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、水灰比等影響因素,確定提高仿制材料抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)條件。比較空氣、密封袋、養(yǎng)護(hù)箱等不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)樣品抗壓強(qiáng)度的影響,通過(guò)抗壓測(cè)試、耐水性測(cè)試、凍融循環(huán)試驗(yàn)和微觀分析手段進(jìn)行表征。結(jié)果顯示最優(yōu)條件是成型壓力20MPa,水灰比0.49。養(yǎng)護(hù)溫度的提高可以加快反應(yīng)進(jìn)程,縮短養(yǎng)護(hù)時(shí)間。在最優(yōu)條件下,養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28天的樣品,其

5、抗壓強(qiáng)度可達(dá)到48.81MPa。三合土材料抗壓強(qiáng)度提高主要是因?yàn)樯伤a(chǎn)物CSH和碳化產(chǎn)物CaCO3,其中水化產(chǎn)物是主要因素,并且充足的水分有助于反應(yīng)的進(jìn)行。
　　糯米、蛋清和紅糖作為天然有機(jī)物,對(duì)比人工聚合物PAM(CPAM,NPAM, APAM),研究有機(jī)物的添加方式和含量對(duì)仿制材料抗壓強(qiáng)度和含水量的影響,以及人工添加劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)添加劑的可能性。通過(guò)抗壓測(cè)試、耐水性測(cè)試、凍融循環(huán)試驗(yàn)和微觀分析手段進(jìn)行表征。結(jié)果顯示有機(jī)物含量增

6、加會(huì)降低材料的抗壓強(qiáng)度,各有機(jī)物添加量在0.5mg/g時(shí),材料的抗壓強(qiáng)度最高。添加糯米和APAM的材料抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到51.69MPa和52.21MPa。過(guò)多的紅糖對(duì)材料強(qiáng)度有很大削弱作用,紅糖含量為10mg/g的樣品抗壓強(qiáng)度低于5MPa。紅糖會(huì)阻礙材料內(nèi)部水化反應(yīng)的進(jìn)行,導(dǎo)致樣品膨脹。添加適量的有機(jī)物有助于提高樣品的耐凍融性。
　　對(duì)比空白樣品與添加有機(jī)物(包括糯米、蛋清、紅糖和APAM)樣品的抗壓強(qiáng)度,用微觀分析手段表征。并在

7、最優(yōu)條件下進(jìn)行材料仿制,通過(guò)抗壓測(cè)試表征工藝的再現(xiàn)性。結(jié)果顯示適量的糯米和APAM有助于提高材料的抗壓強(qiáng)度,蛋清對(duì)材料的作用不明顯,而紅糖對(duì)材料強(qiáng)度有削弱作用,不適合單獨(dú)作為添加劑使用。人工合成高分子材料APAM代替天然有機(jī)物用于CTOS仿制具有可行性。糯米和APAM主要通過(guò)自身分支和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為Ca2+提供位點(diǎn),從而影響無(wú)定型物質(zhì)的結(jié)構(gòu),提高材料的抗壓強(qiáng)度。紅糖的作用類似于減水劑和緩凝劑,改變了材料原有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),釋放結(jié)構(gòu)中的水分,同時(shí)