摘要
石窟寺是我国独具特色的文物类型,具有重要的历史、艺术和科学价值。裂隙是造成石窟寺失稳、渗水、风化等病害产生及发育最为直接的因素。常规外养护灌浆加固的同时,难以解决养护后期深部裂隙缺水导致的收缩开裂及强度不足的问题。文中利用蒙脱土(MMT)对天然水硬性石灰(NHL)进行内养护改性,系统评估固化过程中的水化行为及使用性能。结果表明,MMT掺量为2%时,NHL的内养护效果最好,7 d自收缩仅为空白试样的56.70%,保水性能优异。此外,该试样的28 d抗压强度相比空白试样增加了22.03%。这是由于养护固化全过程中,预储水的MMT在试样内部湿度梯度作用下,不断释放层间吸附水,促进NHL的水化反应,减少自收缩,提高内养护效果。研究结果为石窟寺裂隙的内养护灌浆加固提供了重要的理论与实践基础。
石窟寺具有重要的历史、艺术和科学价值,是我国古代灿烂文明的重要体现,是中华文明同其他古代文明交流互鉴的历史见
膨润土(bentonite, BT)是一种常见的黏土矿物,其最大的特征吸水膨胀性归功于主要成分蒙脱土(montmorillonite, MMT)。MMT具有优异的储水保水性,在水中不容易出现分层沉积现象,悬浮稳定性良好,在改善砂浆防水性能和耐盐性能等方面具有良好的效
因此,研究以预储水的MMT作为内养护剂,添加进NHL灌浆材料中,研究MMT掺量对灌浆材料固化过程中的水化行为及使用性能的影响,系统评估其内养护效果。为蒙脱土改性天然水硬性石灰灌浆材料在石窟寺裂隙加固中的推广应用提供参考。
实验所用天然水硬性石灰为NHL2型,购自上海德赛堡建筑材料有限公司,采用X射线荧光光谱仪(XRF,XGT-7200V,日本)测试NHL2的化学组成,如
原材料 | w(Na2O) | w(CaO) | w(SiO2) | w(MgO) | w(Al2O3) | w(Fe2O3) | w(K2O) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
NHL2 | 2.16 | 78.16 | 9.74 | 6.91 | 1.81 | 1.66 | 0.89 |
原材料 | w(Na2O) | w(MgO) | w(Al2O3) | w(SiO2) | w(CaO) | w(Fe2O3) |
---|---|---|---|---|---|---|
MMT | 8.47 | 2.00 | 19.30 | 66.46 | 0.73 | 3.96 |

图1 MMT的SEM照片和XRD图谱
Fig. 1 SEM photos and XRD patterns of MMT
MMT预先在水中浸泡24 h,使其充分吸水。依次加入一定质量的NHL2和MMT,与PCE的水溶液拌合均匀,控制水灰比(w/c)为0.46。将制备好的浆料注入40 mm×40 mm×40 mm的钢制模具,空气中固化24 h后脱模,在外部自然条件下进行养护,测试不同养护龄期灌浆试样的水化特性及使用性能。其中,PCE用量是NHL2质量的0.26%,MMT的掺量分别为NHL2质量的0、1%、2%和3%,依次编号为NHL2/MMT-0、 NHL2/MMT-1、NHL2/MMT-2、NHL2/MMT-3,样品配比如
样品 | NHL2/g | MMT掺量/% | PCE用量/% | 水灰比 |
---|---|---|---|---|
NHL2/MMT-0 | 600 | 0 | 0.26 | 0.46 |
NHL2/MMT-1 | 600 | 1 | 0.26 | 0.46 |
NHL2/MMT-2 | 600 | 2 | 0.26 | 0.46 |
NHL2/MMT-3 | 600 | 3 | 0.26 | 0.46 |
采用 X射线衍射(XRD,D8Advance,日本)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR,VERTEX 70,Bruker,德国)对NHL2水化产物进行定性分析;采用综合热分析仪(TG-DTA,Jupiter STA449C,德国)对水化产物含量进行定量分析,升温速率10 ℃/min,测试温度区间为室温至900 ℃;采用扫描电子显微镜(SEM,FEI Verios460,美国)观察MMT与NHL2浆料的界面结合情况以及水化产物的生长分布情况,分析MMT在NHL2浆体内养护过程的作用机理;采用电阻应变片(BSQ120-10AA,Sigma,中国)对浆体的自收缩过程进行监测,由数据采集系统(ASMCI-9,sigma,中国)采集和处理,使用的传感器网格长度为7 mm,宽度为3 mm,纸基长度为10 mm,宽度4 mm;强度测试参考标准EN 469-2:2010执行,使用万能试验机(1036PC,宝大,中国)测试NHL2固化龄期7 d、28 d的抗压强度,加载速率为0.01 kN/s,同时对试样的稳定性和保水性能进行评估。
NHL2水化反应时,其水硬性成份硅酸二钙(C2S)与水发生反应生成水化硅酸钙(C-S-H)和Ca(OH)2,根据NHL2浆体中水化产物的变化,判断水化反应进

图2 蒙脱土对天然水硬性石灰浆体水化产物物相的影响
Fig. 2 The influence of montmorillonite on the phase of hydration products of natural hydraulic lime slurry
为了分析水化产物的相对含量变化,对试样进行TG测试。

图 3 MMT内养护NHL2固化14 d的热分析
Fig. 3 Thermoanalysis of NHL2 sample internal cured with MMT for 14 days

图4 不同掺量MMT内养护NHL2固化14 d的FT-IR图谱
Fig. 4 FT-IR spectra of NHL2 sample internal cured with different MMT dosages for 14 days
采用SEM对MMT与NHL2浆料的界面结合情况以及水化产物生长分布情况进行分析,如

图5 MMT与 NHL2的界面结合情况
Fig. 5 The interface combination between MMT and NHL2
为MMT。MMT的边缘有许多Si—O、Al—O等不饱和键,在NHL2发生水化反应时,这些不饱和键能够为水化反应提供成核位点,有利于水化反应的进行。
MMT因其特殊的层状结构和离子交换性,能够吸收自身体积十几倍的

图6 不同掺量MMT内养护NHL2试样的光学照片
Fig. 6 Optical photograph of NHL2 specimens internal cured with different MMT dosages
为了探究不同MMT掺量对NHL2试样力学性能的影响,测试了系列试样在7 d和28 d的抗压强度,如

图7 不同掺量MMT内养护NHL2试样固化7 d和28 d的抗压强度
Fig. 7 Compressive strength of NHL2 specimens internal cured with different dosages of MMT for 7 days and 28 days

图8 不同掺量MMT对NHL2固化过程中自收缩的影响
Fig. 8 Effect of different MMT dosages on autogenous shrinkage during curing of NHL2 paste

图9 MMT在NHL2砂浆内部的内养护机理示意图
Fig. 9 Schematic diagram of internal curing mechanism of MMT inside NHL2 paste
文中以预储水的MMT作为内养护剂,与NHL2浆体拌合后固化成型得到灌浆试样,系统研究了MMT改性NHL2浆体的水化行为及使用性能,主要结论如下:
1) MMT在NHL2浆料固化过程中具有内养护功能,能够在NHL2浆料内部持续、缓慢地释放自由水,促进NHL2的水化反应,减缓NHL2的固化自收缩现象,MMT掺量为2%时的内养护效果最好。
2) MMT与NHL2界面结合紧密,其掺入能够显著改善NHL2浆体的分层现象,增强NHL2浆料的悬浮稳定性,避免固化后期由于分层导致的性质不均匀现象,减少试样的开裂。
3) NHL2试样的28 d抗压强度随MMT掺量的增加呈现先增大后减小的趋势。其中,MMT掺量为2%时,试样的抗压强度最高,相比空白试样提高了22.03%,这与水化反应的充分进行具有密切关联。
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