一種遺址土的無機改性劑的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成：粘土礦物材料：30%～50%，無機膠凝材料：22%～49%，無機礦物粉料：15%～30%，表面活性劑：1%～3%，原料的重量百分比之和為100%。在修復土樣中摻入無機改性劑，使得摻入改性劑的修復土具有良好的耐水性；改性劑的生產技術較易掌握且質量易于控制、施工方便、原材料來源豐富、經濟性好和性價高。改性劑與修復土具有良好的相容性，使得修復土樣的使用壽命大大延長。添加改性劑改性后的修復土所制的夯土、土坯、土塊及垛泥塊等材料，具有良好的透水性和透氣性，完全符合文物修復理念。
【專利說明】一種遺址土的無機改性劑
【技術領域】
[0001]本發明屬于文物保護領域，涉及一種改性劑，具體涉及一種古遺址土的無機改性劑。
【背景技術】
[0002]土遺址是以土為主要建筑材料的具有歷史、文化和科學價值的古遺址，在中國的歷史文化遺產中占有十分的地位，是歷史留給中國乃至世界的無價瑰寶。我國現存的土遺址從石器時代綿延至近代，廣泛分布于全國各地，尤其在西北干旱地區分布較多，西北地區的干旱氣候為土遺址的遺存提供了有利的自然環境條件。然而大部分土遺址屬于不可移動文物，長期處在野外環境中，受到自然風化、環境污染和人為破壞，均發生不同程度的破壞。降低土遺址的劣化變化速度，盡可能延長土遺址的壽命已迫在眉睫。
[0003]針對土遺址中缺損、掏蝕、沖溝等部位加固，傳統辦法通常采用和遺址土相同或相近的土摻入一定比例的石灰制得夯土、土坯、土塊及垛泥塊等來修復土遺址。然而西北地區土壤以砂土、粉土和粉質粘土為主，土壤中粘粒含量較少，通過傳統的石灰加固土來修復土遺址很難滿足設計要 求。采用有機高分子材料加固土遺址，雖然修復效果良好，但有機材料耐老化性能較差，有效保護時間較短。

【發明內容】

[0004]針對現有技術中存在的不足，本發明的目的在于，提供一種遺址土的無機改性劑，用于摻在西北地區遺址土中進行修復土遺址，滿足修復土制得的夯土、土坯、土塊及其垛泥塊等材料的力學性能、水理性能和耐久性要求。
[0005]為了實現上述任務，本發明采用如下技術方案予以實現:
[0006]一種遺址土的無機改性劑，其特征在于，以重量份數計，由以下原料組成:粘土礦物材料:30%~50%，無機膠凝材料:22%~49%，無機礦物粉料:15%~30%，表面活性劑:1%~3%，原料的重量百分比之和為100%，其中:
[0007]所述的黏土礦物材料為伊利石粘土、蒙脫石粘土和高嶺石粘土中的一種及一種以上組合；
[0008]所述的無機膠凝材料為水玻璃與生石灰的組合或水玻璃與熟石灰的組合；
[0009]所述的無機礦物粉料為粉煤灰和硅灰中的一種及一種以上組合；
[0010]所述的表面活性劑為木質素磺酸鈣。
[0011]本發明還具有如下技術特征:
[0012]優選的黏土礦物材料為伊利石粘土、蒙脫石粘土和高嶺石粘土中的兩種組合時，原料的重量比為1:1;所述的黏土礦物材料為伊利石粘土、蒙脫石粘土和高嶺石粘土中的三種組合時，原料的重量比為1:1:1。
[0013]優選的無機膠凝材料為水玻璃和生石灰的組合時，水玻璃和生石灰的重量比為24:(64~75);所述的無機膠凝材料為水玻璃與熟石灰的組合時，水玻璃與熟石灰的重量比為(3~8):20ο
[0014]優選的無機礦物粉料為粉煤灰和硅灰中的一種或者兩種組合，兩種組合時原料的重量比為1:1。
[0015]所述的古遺址土的無機改性劑用于修復土遺址時，在遺址土中的摻量為10%~20%。
[0016]本發明與現有技術相比，有益的技術效果是:
[0017]( I )遺址土的無機改性劑屬于水硬性膠凝材料，在修復土樣中摻入無機改性劑，無機改性劑與修復土樣中的活性成分在水的作用下，發生復雜的物理化學反應，生成不溶于水的凝膠體，如水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等，使得摻入改性劑的修復土具有良好的耐水性；
[0018](II)無機改性劑、修復土和水發生物理化學反應，反應生成大量膠結物，膠結物以三維網狀結構均勻分布于修復土樣內部，逐漸由凝膠狀態向晶體狀態轉化，反應同時生成大量的無定型堿鋁硅酸鹽凝膠，具有類似沸石的三維網狀結構，使得摻入改性劑的修復土具有良好的力學性能；
[0019](III)遺址土的無機改性劑的生產技術較易掌握且質量易于控制、施工方便、原材料來源豐富、經濟性好和性價高等。
[0020](IV)遺址土的無機改性劑屬于無機材料，與修復土具有良好的相容性，使得修復土樣的使用壽命大大延長。
[0021](V)采用遺址土的無機改性劑改性后的修復土所制的夯土、土坯、土塊及垛泥塊等材料，具有良好的透水性和透氣性，完全符合文物修復理念。
【具體實施方式】
[0022]在文物保護工作中，必須堅持不改變原狀和“最少干預”的基本原則。針對土遺址中裂縫、沖溝、孔洞、缺損、掏蝕等部位加固，傳統上采用夯土、土坯、土塊及垛泥塊等來修復。由于缺損、掏蝕、沖溝等的破壞程度不同，修復時采用傳統的正常修筑工藝很難實現。單獨采用與原遺址土樣性質相同的修復土來制作夯土、土坯、土塊及垛泥塊，其性質很難滿足設計要求。目前使用與遺址土的改性劑主要有無機改性劑和有機改性劑兩大類。無機材料主要有石灰和水玻璃。石灰對土遺址的加固主要是通過石灰的碳酸化和石灰與土樣中的活性硅和活性鋁發生火山灰反應，從而增強土的強度，然而上述過程往往速度非常緩慢，在此過程中如遇到暴雨及氣溫長期處于O度以下等情況時，加固后土樣很容易崩解；同時加固后土樣收縮較大，開裂嚴重。改性后的水玻璃(PS)在西北地區的土遺址保護加固中得到廣泛應用，加固處理后土體強度、水穩定性、耐凍融性能和抗風蝕能力均得到明顯改善，但加固后土樣亦存在泛堿、脆性大、收縮性強等不足。有機材料自身亦有缺點，如使用壽命短、易霉變、易老化、和無機質文物的物理化學性質差異大、造成文物外觀的改變等使得它們并不完全適合無機質文物的保護和加固。采用本發明的改性劑可以有效解決上述材料的各項弊端，試驗研究表明:摻入本發明改性劑后，未改變遺址修復土顏色，且修復土樣的抗折、抗壓強度明顯高于未摻土樣 ，耐水性和抗凍性大幅度提高，可以應用于土遺址修復工程中。
[0023]遵從上述技術方案，下述實施例給出遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:粘土礦物材料:30%~50%，無機膠凝材料:22%~49%，無機礦物粉料:14%~30%，表面活性劑:1%~3%，原料的重量百分比之和為100%。
[0024]其中:
[0025]所述的黏土礦物材料為伊利石粘土、蒙脫石粘土和高嶺石粘土中的一種及一種以上組合；
[0026]所述的無機膠凝材料為水玻璃與生石灰的組合或水玻璃與熟石灰的組合；
[0027]所述的無機礦物粉料為粉煤灰和硅灰中的一種及一種以上組合；
[0028]所述的表面活性劑為木質素磺酸鈣。
[0029]本發明還具有如下技術特征:
[0030]優選的黏土礦物材料為伊利石粘土、蒙脫石粘土和高嶺石粘土中的兩種組合時，原料的重量比為1:1;所述的黏土礦物材料為伊利石粘土、蒙脫石粘土和高嶺石粘土中的三種組合時，原料的重量比為1:1:1。
[0031] 優選的無機膠凝材料為水玻璃和生石灰的組合時，水玻璃和生石灰的重量比為24:(64~75);所述的無機膠凝材料為水玻璃與熟石灰的組合時，水玻璃與熟石灰的重量比為(3~8):20ο
[0032]優選的無機礦物粉料為粉煤灰和硅灰中的一種或者兩種組合，兩種組合時原料的重量比為1:1。
[0033]為了定量表述本發明的無機改性劑對遺址修復土的改性效果，實施例以實驗數據說明。實驗用土系甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土，篩分后自然風干，含水率2.5%左右。實施例中的土樣參考GB/T2542-2003和SL237-1999中的方法制樣。
[0034]下述實施例中遺址土的無機改性劑用于修復土遺址時，在遺址土中的摻量為
10% ~20%O
[0035]以下給出本發明的具體實施例，需要說明的是本發明并不局限于以下具體實施例，凡在本申請技術方案基礎上做的等同變換均落入本發明的保護范圍。
[0036]實施例1:
[0037]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:伊利石粘土30%，熟石灰35%，水玻璃14%，粉煤灰20%，木質素磺酸鈣1%。
[0038]上述原料攪拌混合均勻即制得古遺址土的無機改性劑。
[0039]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量10%，通過強制式攪拌機攪拌均勻，水灰比0.15左右，夯筑成型，標準條件下(溫度20±3°C，濕度90%以上)養護28天，對樣品進行性能測試(測試方法依據GB/T2542-2003和SL237-1999中的規定)，性能測試結果為:抗折強度0.52MPa，抗壓強度2.96MPa，崩解速度0.1~0.3g/min，水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失3.2%，強度損失8.5%。
[0040]對比例1:
[0041]本對比例的空白樣采用甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土制樣，水灰比0.15，夯筑成型，標準條件下(溫度20±3°C，濕度90%以上)養護28天，采用與實施例1相同的測試方法對空白樣進行性能測試，性能測試結果為:抗折強度0.12MPa，抗壓強度0.58MPa，崩解速度100~120g/min,無法進行凍融試驗。
[0042]實施例2:
[0043]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:蒙脫石40%，熟石灰30%，水玻璃6%，硅灰22%，木質素磺酸鈣2%。
[0044]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量10%，采用與實施例1相同的制樣方法和測試方法，性能測試結果為:抗折強度0.61MPa，抗壓強度
2.88MPa，崩解速度0.1~0.2g/min,水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失2.9%，強度損失9.1%。
[0045]實施例3:
[0046]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:蒙脫石40%，熟石灰30%，水玻璃6%，粉煤灰7%，硅灰7%，重質碳酸鈣7%，木質素磺酸鈣3%。
[0047]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量10%，采用與實施例1相同的制樣方法和測試方法，性能測試結果為:抗折強度0.58MPa，抗壓強度
3.0lMPa，崩解速度0.1~0.2g/min,水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失3.4%，強度損失8.9%。
[0048]實施例4:
[0049]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:高嶺石粘土50%，生石灰25%，水玻璃8%，粉煤灰15%，木質素磺酸鈣2%。
[0050]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量10%，采用與實施例1相同的制樣方法和測試方法，性能測試結果為:抗折強度0.58MPa，抗壓強度
2.83MPa，崩解速度0.1~0.`3g/min,水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失2.7%，強度損失8.6%。
[0051]實施例5:
[0052]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:高嶺石粘土50%，生石灰25%，水玻璃8%，硅灰15%，木質素磺酸鈣2%。
[0053]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量10%，采用與實施例1相同的制樣方法和測試方法，性能測試結果為:抗折強度0.63MPa，抗壓強度
2.78MPa，崩解速度0.1~0.3g/min，水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失3.1%，強度損失9.2%。
[0054]實施例6:
[0055]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:伊利石粘土20%，高嶺石粘土 20%，熟石灰30%，水玻璃8%，硅灰20%，木質素磺酸鈣2%。
[0056]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量10%，采用與實施例1相同的制樣方法和測試方法，性能測試結果為:抗折強度0.55MPa，抗壓強度
2.92MPa，崩解速度0.1~0.3g/min,水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失2.9%，強度損失8.8%。
[0057]實施例7:
[0058]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:伊利石粘土20%，高嶺石粘土 20%，生石灰25%，水玻璃8%，粉煤灰24%，木質素磺酸鈣3%。
[0059]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量15%，采用與實施例1相同的制樣方法和測試方法，性能測試結果為:抗折強度0.83MPa，抗壓強度
3.78MPa，崩解速度0.1~0.2g/min，水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失2.5%，強度損失8.0%。
[0060]實施例8:
[0061]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:伊利石粘土15%，高嶺石粘土 15%，熟石灰30%，水玻璃8%，硅灰30%，木質素磺酸鈣2%。
[0062]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量15%，采用與實施例1相同的制樣方法和測試方法，性能測試結果為:抗折強度0.78MPa，抗壓強度
3.90MPa，崩解速度0.1~0.2g/min,水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失2.1%，強度損失7.5%。
[0063]實施例9:
[0064]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:伊利石粘土18%,蒙脫石粘土 18%，生石灰24.5%，水玻璃8.5%，粉煤灰30%，木質素磺酸鈣1%。
[0065]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量15%，采用與實施例1相同的制樣方法和測試方法，性能測試結果為:抗折強度0.88MPa，抗壓強度
3.88MPa，崩解速度0.1~0.2g/min,水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失2.4%，強度損失8.1%。[0066]實施例10:
[0067]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:伊利石粘土18%，蒙脫石粘土 18%，熟石灰30%，水玻璃8%，硅灰24%，木質素磺酸鈣2%。
[0068]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量15%，采用與實施例1相同的制樣方法和測試方法，性能測試結果為:抗折強度0.73MPa，抗壓強度
4.0lMPa，崩解速度0.1~0.2g/min，水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失2.1%，強度損失8.1%。
[0069]實施例11:
[0070]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:伊利石粘土18%,蒙脫石粘土 18%，生石灰24.5%，水玻璃8.5%，硅灰30%，木質素磺酸鈣1%。
[0071]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量15%，采用與實施例1相同的制樣方法和測試方法，性能測試結果為:抗折強度0.91MPa，抗壓強度
3.92MPa，崩解速度0.1~0.2g/min,水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失1.9%，強度損失7.3%。
[0072]實施例12:
[0073]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:蒙脫石粘土15%，高嶺石粘土 15%，熟石灰33%，水玻璃5%，硅灰30%，木質素磺酸鈣2%。
[0074]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量20%，采用與實施例1相同的制樣方法和測試方法，性能測試結果為:抗折強度1.21MPa，抗壓強度
4.51MPa，崩解速度O~0.lg/min，水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失1.2%，強度損失5.2%。
[0075]實施例13:
[0076]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:蒙脫石粘土15%，高嶺石粘土 15%，熟石灰33%，水玻璃5%，粉煤灰30%，木質素磺酸鈣2%。[0077]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量20%，采用與實施例1相同的制樣方法和測試方法，性能測試結果為:抗折強度1.30MPa，抗壓強度
4.82MPa，崩解速度O~0.lg/min，水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失0.9%，強度損失6.1%。
[0078]實施例14:
[0079]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:伊利石粘土15%,蒙脫石粘土 15%，高嶺石粘土 15%，生石灰16%，水玻璃6%，粉煤灰30%，木質素磺酸鈣
3% ο
[0080]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量20%，采用與實施例1相同的制樣方法和測試方法，性能測試結果為:抗折強度1.28MPa，抗壓強度
4.73MPa，崩解速度O~0.lg/min，水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失0.8%，強度損失5.8%。
[0081]實施例15:
[0082]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:伊利石粘土13%，蒙脫石粘土 13%，高嶺石粘土 13%，熟石灰25%，水玻璃4%，硅灰30%，木質素磺酸鈣2%。
[0083]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量20%，采用與實施例1相同的制樣方法和測試方法，性能測試結果為:抗折強度1.31MPa，抗壓強度
4.91MPa，崩解速度O~0.lg/min，水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失1.1%，強度損失6.0%。
[0084]實施例16:
[0085]本實施例的遺址土的無機改性劑，以重量份數計，由以下原料組成:伊利石粘土13%,蒙脫石粘土 13%，高嶺石粘土 13%，生石灰25%，水玻璃8%，硅灰27%，木質素磺酸鈣1%。
[0086]將上述無機改性土摻入甘肅嘉峪關長城土遺址區域的砂土中，摻量20%，采用與實施例1相同的制樣方法和測試方法，性能測試結果為:抗折強度1.26MPa，抗壓強度
4.88MPa，崩解速度O~0.lg/min，水中浸泡Ih后質量趨于恒定，幾乎不再發生崩解，凍融20次，試件質量損失1.1%，強度損失5.4%。
【權利要求】
1.一種遺址土的無機改性劑，其特征在于，以重量份數計，由以下原料組成:粘土礦物材料:30%~50%，無機膠凝材料:22%~49%，無機礦物粉料:15%~30%，表面活性劑:1%~3%，原料的重量百分比之和為100%，其中: 所述的黏土礦物材料為伊利石粘土、蒙脫石粘土和高嶺石粘土中的一種及一種以上組合； 所述的無機膠凝材料為水玻璃與生石灰的組合或水玻璃與熟石灰的組合； 所述的無機礦物粉料為粉煤灰和硅灰中的一種及一種以上組合； 所述的表面活性劑為木質素磺酸鈣。
2.如權利要求1所述的遺址土的無機改性劑，其特征在于，所述的黏土礦物材料為伊利石粘土、蒙脫石粘土和高嶺石粘土中的兩種組合時，原料的重量比為1:1 ;所述的黏土礦物材料為伊利石粘土、蒙脫石粘土和高嶺石粘土中的三種組合時，原料的重量比為1:1:1。
3.如權利要求1所述的遺址土的無機改性劑，其特征在于，所述的無機膠凝材料為水玻璃和生石灰的組合時，水玻璃和生石灰的重量比為24:(64~75);所述的無機膠凝材料為水玻璃與熟石灰的組合時，水玻璃與熟石灰的重量比為(3~8):20。
4.如權利要求1所述的遺址土的無機改性劑，其特征在于，所述的無機礦物粉料為粉煤灰和娃灰中的一種或者兩種組合，兩種組合時原料的重量比為1:1。
5.如權利要求1至權利要求4任意一項權利要求所述的遺址土的無機改性劑，其特征在于，所述的遺址土的無機改性劑用于修復土遺址時，在遺址土中的摻量為10%~20%。
【文檔編號】C04B14/10GK103708806SQ201310732577
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月23日 優先權日:2013年12月23日
【發明者】呂晶, 周天華, 盧林楓, 杜強, 劉云霄, 劉強, 吳函恒 申請人:長安大學