CN103265242B - 矿物聚合物灌浆材料及其用于加固石窟围岩裂隙的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿物聚合物灌浆材料及其用于加固石窟围岩裂隙的方法。矿物聚合物灌浆材料按重量份包括以下成分：磨细矿渣20~40份，偏高岭土30~40份，石英粉末1~3份、方解石粉末1~3份、高岭石粉末1~5份、碱激发剂1~35份。各原料自由水含量不高于3%。浆材配方参照水泥基灌浆材料相应标准搅拌均匀。本发明提供的方法实施后，石窟围岩裂隙及破碎岩体等得到有效加固，加固材料的性能接近于被加固岩石的物理力学状态。且加固材料与风化岩石的粘接效果好，粘度低，可灌性好，室温可固化，反应时放热量少，符合耐候性、耐冻融性、耐酸碱性等要求。加固后材料的色泽与文物本体相同，且施工方便，价格适宜。对石窟危岩裂隙封堵起到了积极有效的作用。

Description

矿物聚合物灌浆材料及其用于加固石窟围岩裂隙的方法

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域及文物保护工程技术领域，具体涉及一种矿物聚合物灌浆材料及其用于加固石窟围岩裂隙的方法。 

背景技术

灌浆是利用灌浆压力或浆液自重，经过钻孔将浆液压到岩石、砂砾石层、混凝土或土体裂隙、接缝或空洞内，以改善地基水文地质和工程地质条件，提高建筑物整体性的工程措施。 

“石窟”是山坡崖壁上人工开凿的洞窟，是研究历史的重要实物资料。千百年来，石窟除受到人为的破坏外，还遭受自然营力的侵蚀。部分石窟风化裂隙、卸荷裂隙及岩体本身的层理裂隙发育，发育的裂隙对石窟稳定性有影响，且成为后期渗水的通道。窟内渗水滴水又增加了石窟的风化、破裂。因此，治理裂隙对保护石窟具有重要的作用。 

传统石窟裂隙灌浆材料选用水泥浆液类无机浆材或环氧树脂类有机浆材。现代有机高分子材料具有较好的粘接性、防水性等，已经应用于不可移动文物加固保护中。但作为文物保护灌浆材料，可能还会出现下列问题：(1) 由于高分子材料不同程度含碳，可能会成为异养微生物汲取碳源的对象。微生物可能引起材料表面结构性能改变；溶蚀并吸收高分子材料。 (2) 文物本体材质大多为多孔性，其中的矿物氧化物可能是聚合物降解的催化剂。尤其是在大气污染物、光、热和水的作用等因素作用下，导致聚合物老化，裂隙注浆材料失去保护功能，且在原裂隙面上留下负面影响，如变色、粉化和堵塞微孔等。(3)石窟岩体为无机质材料，有机高分子保护材料在结构和性能上与无机材料差异较大，造成界面剥离现象。现有水泥类无机灌浆材料脆性较大，因此与岩体界面协调变形的能力下降，可能还会引起干缩开裂等问题。 

根据《中国文物古迹保护准则》，结合文物本体加固的需求，适宜的灌浆材料还应满足以下原则：对被加固岩体包括的信息干扰尽可能小且无不良影响，低粘度、可注性好、环境友好、工艺简单、成本低，浆材固化体与风化岩石的力学强度指标应比较接近，两者在孔隙率和热稳定性等方面匹配较好。浆材固化体还应具备一定的柔性，与风化岩石的粘接效果良好，此外还应具有耐水、耐腐蚀及耐冻融等特点。 

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术中的问题，提供一种矿物聚合物灌浆材料及其用于加固石窟围岩裂隙的方法，本发明的加固材料的性能接近于被加固岩石的物理力学状态，可使石窟围岩裂隙及破碎岩体等得到有效加固，且加固材料与风化岩石的粘接效果好，粘度低，可灌性好，室温可固化，反应时放热量少，符合耐候性、耐冻融性、耐酸碱性等要求。加固后材料的色泽与文物本体相同，且施工方便，价格适宜。对石窟危岩裂隙封堵起到了积极有效的作用。 

为达到上述技术效果，本发明采用如下的技术方案：一种矿物聚合物灌浆材料按重量份包括以下成分：磨细矿渣20～40份，偏高岭土30～40份，石英粉末1～3份、方解石粉末1～3份、高岭石粉末1～5份、碱激发剂1～35份。 

优选的，所述石英粉末、高岭石粉末、在球磨机中磨细均匀，比表面积为160~240m²/kg。 

优选的，所述的偏高岭土是由高岭土经800℃左右温度煅烧脱水然后磨细而成。 

优选的，所述的碱激发剂为氢氧化钠、氢氧化钾、硅酸钠溶液及硅酸钾溶液中的一种或其几种的混合物。 

优选的，所述固态原料自由水含量不高于3%。 

矿物聚合物灌浆材料用于加固石窟围岩裂隙的方法，包括：裂缝检查→方案制定→浆材选择→裂缝面钻孔→裂缝清理→裂缝外缘封闭→注浆机、材料准备→浆液配制→注浆→补浆→探测检查→面层复旧。 

优选的，浆液配制过程中搅拌按照水泥基灌浆材料相应标准进行。使用前测定标准用水量、凝结时间、流动度，参照GB/T 1346-2001、GB/T 2419-2005、GB/T 50448-2008测定。 

本发明的有益效果： 

本发明选择矿物聚合材料作为石窟岩体裂隙灌浆材料及局部补强材料，不改变文物本体的原貌，且对于文物工程的特殊性来讲，还具有以下优点：

(1) 属于传统无机建筑材料的范畴，考古发现验证其结构及性能特点使古代建筑物具有高的耐久性。

  (2) 以高岭土为主要原料，且所使用原材料均为无机物，产物具有与天然岩石相似的结构。 

  (3) 所掺加矿物粉末如方解石、石英等粉末与原岩粉末性质接近，因此灌浆材料具有与被加固岩体相适宜的物理化学性质匹配性。 

(4) 矿物聚合材料具有与砂质岩石界面高的粘接强度。 

(5) 通过调节配方可具有不同的凝固时间和强度增长规律。 

(6) 与水泥相比，具有更耐化学腐蚀和环境侵蚀的耐久性，以及耐高温的防火性能。 

附图说明

图1为本发明测定矿物聚合物灌浆材料抗折强度增长趋势图； 

图2为本发明测定矿物聚合物灌浆材料抗压强度增长趋势图。

具体实施方式

为使该发明的技术性能特征及应用效果更宜于了解，主要从室内试验和室外实际工程应用两方面进一步阐述该发明的性能特点。 

在试验室中: 

 制备矿物聚合物灌浆材料，并参照有关规范如GB/T 1346-2001、GB/T 2419-2005、GB/T 50448-2008等对矿物聚合物灌浆材料进行了***的室内浆材性能测试，包括凝结时间、流动性、力学性能等。

本发明以文物修复为应用背景进行材料研发，组分功能不同，在反应的不同阶段作用也不同。具体的配比范围为：磨细矿渣20～40份，偏高岭土30～40份，石英粉末1～3份、方解石粉末1～3份、高岭石粉末1～5份、碱激发剂1～35份，碱激发剂为氢氧化钠、氢氧化钾、硅酸钠溶液及硅酸钾溶液中的一种或其几种的混合物。下表以选取的8组设计方案进行配比说明： 

 表1  不同配比设计方案(以质量百分数表示)

在发明配方范围内，随着高岭土掺量的增加，矿物聚合物灌浆材料凝结时间有加快的趋势，其他组分对矿物聚合物灌浆材料的流动性和强度有不同程度影响，具体配比需要根据所修复石窟岩体的成分做出调整，上述端值配比方案属于几种极特殊岩体修复时采用方案，配比数值不再一一列举。

以下以配合比为1#、2#、3#为例说明试验测定经过和结果，试验数据为一组六个试块的平均值。 

  1、灌浆材料流动性能 

参照国家标准《水泥基灌浆材料应用技术规范》(GB/T 50448-2008)与《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)，所制备矿物聚合物灌浆材料流动度测试结果如表2所示。

表2   灌浆材料流动性能 

根据测试结果可知，矿物聚合物灌浆材料的流动性能满足灌浆材料规范要求。

2、灌浆材料凝结时间 

由于危岩裂隙深浅不一，故灌浆操作时间会有明显差别。通过对裂隙分布的考察与灌浆工艺分析，已确定三种不同凝结时间的矿物聚合物灌浆材料。凝结时间的测定根据《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2001)进行检测。结果如表3所示。

 表3   矿物聚合物灌浆材料与水泥灌浆材料凝结时间对比 

与水泥相比，矿物聚合物凝结时间大幅度降低，矿物聚合物浆液可迅速的凝固发挥强度。

3、灌浆材料收缩性能 

矿物聚合物灌浆材料收缩率的测定参照国家标准《水泥基灌浆材料应用技术规范》(GB/T 50448-2008)与《混凝土外加剂应用技术规范》(GB 50119-2003)，使用非接触式测量法测定。测定结果如表4所示。

表4  矿物聚合物竖向膨胀率 

与水泥相比收缩较小，满足使用要求。

4、灌浆材料强度 

矿物聚合物灌浆材料抗折与抗压强度测试参照《水泥基灌浆材料应用技术规范》(GB/T 50448-2008)与《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671-1999)。抗压强度达到国家标准的相关要求，1天20.0MPa、3天40.0MPa、7天60MPa。

强度变化趋势分别见图1和图2。粘结强度以灌浆材料粘结的石所能承受的剪切强度为表征。试验表明，所测试样品均在岩石处开裂，表明矿物聚合物的粘结强度均高于周边岩石本身的剪切强度(试验所用岩石的剪切强度在3.6～6.4 MPa之间)。 

5、灌浆材料耐候性 

5.1 灌浆材料水稳定性

制备矿物聚合物灌浆材料抗压试样，一天脱模后全部浸入水中，分别测试3天、7天、28天抗压强度，测试结果如表5所示。根据表5的数据可以得知，试样在水中浸泡后，抗压强度与室温养护的试样基本一致，即水不会对矿物聚合物灌浆材料造成不良影响。

表5  水养护对矿物聚合物灌浆材料抗压强度的影响 

5.2 灌浆材料耐冻融循环能力

快速冻融试验按照《普通混凝土长期性能与耐久性试验方法》的规定进行。抗冻融试验采用快冻法，矿物聚合物灌浆材料的抗冻耐久性以试样所能经受的最大快速冻融循环次数和抗冻耐久性指数DF表示。DF是冻融循环300次后试件的动弹性模量与初始动弹性模量的比值，即指此刻的相对动弹性模量。  

矿物聚合物灌浆材料抗冻性能比普通水泥混凝土提高很多。普通水泥混凝土抗冻等级为DF100，矿物聚合物灌浆材料抗冻等级均在DF300以上。

从冻融试件的表面状况看，普通水泥混凝土冻融达到125次以后，试件表面已经剥落比较严重，开始大面积掉渣，骨料裸露，有微小孔洞出现，在实际中，这样的情况是不允许出现的。而矿物聚合物灌浆材料试样的表观较好，在冻融循环达300次以后，表面才开始有起皮现象。 

综上，矿物聚合物灌浆材料在满足被加固岩体性能及工艺条件要求的前提下，对被加固岩体包含的信息干扰小，且与原岩性能充分匹配，具有较好的粘接强度和较高的耐久性，满足砂岩岩体裂隙注浆的要求。 

在实际使用过程中： 

在世界文化遗产地—云冈石窟中进行了应用，全程严格按照裂缝检查→方案制定→浆材选择→裂缝面钻孔→裂缝清理→裂缝外缘封闭→注浆机、材料准备→浆液配制→注浆→补浆→探测检查→面层复旧进行。

现场施工中先将危岩块体周围的裂隙全部封闭，只在合适的位置留1~2个注浆孔，采用注浆泵在约0.4MPa的压力下将浆液贯入裂缝中。根据试验室测定的数据和云冈石窟的具体情况确定，现场配置浆液优化的配比为：按重量份：磨细矿渣28份，偏高岭土32份，石英粉末3份、方解石粉末3份、高岭石粉末5份、碱激发剂29份。 

浆液在现场具有较好的可灌性，凝结时间能够根据不同裂隙的大小及开展情况进行调节；与岩体粘接牢固；对被加固岩体包括的信息干扰小，具有与原岩相近的外观颜色，非常适宜于石窟裂隙注浆；留样结果表明其强度及后期的耐久性能均与实验室性能相同。 

矿物聚合物灌浆材料的合成机理包括溶解、水解和缩聚等过程。随着时间的推移，化学反应不断进行，使矿物聚合物的物相结构逐渐向岩石结构转变，因此产物具有与天然岩石相似的结构，因而其力学性能和耐久性能较为优越。通过调节激发液的含量和浓度可以使灌浆材料具有不同的凝固时间和强度增长规律。 

本发明提供的矿物聚合物灌浆材料作为石窟岩体裂隙灌浆材料及局部补强材料，不改变文物本体的原貌，且对于文物工程的特殊性来讲，属于传统无机建筑材料的范畴，考古发现验证其结构及性能特点使古代建筑物具有高的耐久性，以高岭土为主要原料，且所使用原材料均为无机物，产物具有与天然岩石相似的结构，所掺加矿物如方解石、石英等粉末与原岩粉末性质接近，因此灌浆材料具有与被加固岩体相适宜的物理化学性质匹配性，矿物聚合材料具有与砂质岩石界面高的粘接强度， 通过调节配方可具有不同的凝固时间和强度增长规律，与水泥相比，具有更耐化学腐蚀和环境侵蚀的耐久性，以及耐高温的防火性能。 

以上所述的仅是本发明的优选实例。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，作为本领域的公知常识，还可以做出其它等同变型和改进，也应视为本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.一种矿物聚合物灌浆材料，其特征在于：所述矿物聚合物灌浆材料按重量份包括以下成分：磨细矿渣20～40份，偏高岭土30～40份，石英粉末1～3份、方解石粉末1～3份、高岭石粉末1～5份、碱激发剂1～350份。

2.根据权利要求1所述一种矿物聚合物灌浆材料，其特征在于：所述石英粉末、高岭石粉末在球磨机中磨细均匀，比表面积为160~240m²/kg。

3.根据权利要求1所述一种矿物聚合物灌浆材料，其特征在于：所述的偏高岭土由高岭土经800℃左右温度煅烧脱水然后磨细而成。

4.根据权利要求1所述一种矿物聚合物灌浆材料，其特征在于：所述的碱激发剂为氢氧化钠、氢氧化钾、硅酸钠溶液及硅酸钾溶液中的一种或其几种的混合物。

5.根据权利要求1所述一种矿物聚合物灌浆材料，其特征在于：所述固态原料自由水含量不高于3%。

6.一种利用权利要求1~5任意一种矿物聚合物灌浆材料加固石窟围岩裂隙的方法，其特征在于：该方法包括：裂缝检查→方案制定→浆材选择→裂缝面钻孔→裂缝清理→裂缝外缘封闭→注浆机、材料准备→浆液配制→注浆→补浆→探测检查→面层复旧。

7.根据权利要求6所述利用矿物聚合物灌浆材料加固石窟围岩裂隙的方法，其特征在于：浆液配制过程中搅拌按照水泥基灌浆材料相应标准进行；使用前测定标准用水量、凝结时间、流动度，参照GB/T 1346-2001、GB/T 2419-2005、GB/T 50448-2008测定。