中國傳統(tǒng)有機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、蛋清等有機物的中國傳統(tǒng)有機三合土(Chinese traditional organic Sanhetu,CTOS)在我國古代建筑材料中有著舉足輕重的地位?，F(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn),這種材料在強度、耐久性、耐水性和環(huán)境友好性方面有突出的優(yōu)點,可部分替代混凝土用于工程建筑。并且作為一種有機-無機復合材料,有機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,導致了CTOS制作工藝的失傳,現(xiàn)代仿制材料的強度很難

2、達到原材料的標準。
　　本文的主要目標是仿制高強度的CTOS,優(yōu)化CTOS的制作工藝,研究其固結機理,探索有機物對無機組分的作用和人工合成高分子材料代替天然有機物的可行性。主要包括以下內容:
　　采集南北方典型CTOS樣品,為接下來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)萬城城墻。對樣品進行抗壓測試、淀粉碘測試、耐水性測試和微觀測試,包括XRD,FTIR,TGA,SEM等,系統(tǒng)分析其物質組

3、成和物理性能,探討其作用機理。結果顯示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度性能方面有很大差異。微觀分析顯示三合土中主要反應產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,物質結構緊密,抗壓強度高于20MPa,說明通過工藝配方的選擇,三合土部分替代混凝土具有可行性。其中,石灰含量低于15％,有機物糯米的含量低于3.4%。糯米作為有機模板,在生物礦化過程中控制碳酸鈣的形成,使其顆粒更加細

4、小,結構更加緊密。
　　基于文獻記載以及歷史樣品分析結果,優(yōu)化CTOS制作工藝。通過研究混合工藝、成型壓力、養(yǎng)護時間、水灰比等影響因素,確定提高仿制材料抗壓強度的最優(yōu)條件。比較空氣、密封袋、養(yǎng)護箱等不同養(yǎng)護方式對樣品抗壓強度的影響,通過抗壓測試、耐水性測試、凍融循環(huán)試驗和微觀分析手段進行表征。結果顯示最優(yōu)條件是成型壓力20MPa,水灰比0.49。養(yǎng)護溫度的提高可以加快反應進程,縮短養(yǎng)護時間。在最優(yōu)條件下,養(yǎng)護箱養(yǎng)護28天的樣品,其

5、抗壓強度可達到48.81MPa。三合土材料抗壓強度提高主要是因為生成水化產物CSH和碳化產物CaCO3,其中水化產物是主要因素,并且充足的水分有助于反應的進行。
　　糯米、蛋清和紅糖作為天然有機物,對比人工聚合物PAM(CPAM,NPAM, APAM),研究有機物的添加方式和含量對仿制材料抗壓強度和含水量的影響,以及人工添加劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)添加劑的可能性。通過抗壓測試、耐水性測試、凍融循環(huán)試驗和微觀分析手段進行表征。結果顯示有機物含量增

6、加會降低材料的抗壓強度,各有機物添加量在0.5mg/g時,材料的抗壓強度最高。添加糯米和APAM的材料抗壓強度分別達到51.69MPa和52.21MPa。過多的紅糖對材料強度有很大削弱作用,紅糖含量為10mg/g的樣品抗壓強度低于5MPa。紅糖會阻礙材料內部水化反應的進行,導致樣品膨脹。添加適量的有機物有助于提高樣品的耐凍融性。
　　對比空白樣品與添加有機物(包括糯米、蛋清、紅糖和APAM)樣品的抗壓強度,用微觀分析手段表征。并在

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