中国传统灰浆的化学组成特征及粘结机理研究

摘要

灰浆即石灰砂浆，它是由胶凝材料石灰、骨料、水和添加剂按一定的比例配制而成的建筑材料，主要用于建筑砌筑、勾缝、抹面和修饰等。传统上，把19世纪末水泥普及以前建筑物所用的砂浆称为古代砂浆、历史砂浆或传统砂浆，所以传统灰浆即是指历史上使用的以石灰为主要粘结剂的砂浆。我国早在新石器时代晚期就已开始使用灰浆，在一些经济欠发达地区直到今天仍有使用。经过几千年的发展演变，我国的传统灰浆技术在清代才得以完善，特别是中国传统有机无机复合灰浆在世界历史上独树一帜，对古建筑的完好保存起了极其重要的作用。然而关于我国古代灰浆的技术工艺、材料特征和科学机理的研究却相当缺乏，只有寥寥数文。但是对传统灰浆的深入了解是我国古建筑保护及开发古建保护材料的基础，所以对传统灰浆材料的科学分析，以及砖-灰粘结机理的研究是十分必要的工作。
　　本论文概述了传统灰浆常用的组成材料，国内外对灰浆的研究内容、方法和进展，以及我国主要的传统灰浆类型和常用的有机添加剂。然后在现场考察我国多处古代建筑遗迹，并采集灰浆样品的基础上，利用多种科学仪器和湿化学分析技术对传统灰浆的化学特征、材料组成和粘结机理等进行了深入研究。主要包括以下内容:
　　郑州商城建筑遗址出土商代灰土材料的分析研究。利用体视显微镜、偏光显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、傅立叶红外光谱仪、激光粒度分析仪、湿化学分析等手段分析了郑州商城建筑遗址夯土材料的传统工艺、物质结构和原料配比等信息。研究发现郑州商城遗址出土的灰土材料主要由两种物质构成，胶结物碳酸钙和石英骨料，两者质量比为1∶2.68。该灰土属于二元的“三合土”结构，其比例非常接近后来灰、土、砂1∶1∶1的最优三合土配比，表明当时施工者在碳酸钙胶结材料与石英砂骨料的使用上已经具有丰富经验，体现了商代工匠高超建筑技艺。
　　浙江地区古城墙传统灰浆材料的分析研究。通过实地调查浙江地区多座古代城墙遗址，采集灰浆样品，利用多种仪器分析和化学分析手段对浙江地区7处古城墙灰浆样品进行了分析检测和研究。结果表明浙江地区明代古城墙砌筑时使用的是纯“白灰灰浆”，其原料主要是钙质生石灰，个别来自镁质生石灰;其中有4座城墙灰浆添加有糯米成分，说明该地区在明代往灰浆里添加糯米等有机材料是建筑城墙十分普遍的工艺技术。同时，也分析了这些砌筑灰浆的其他物化特征，为下一步古城墙本体保护和保护材料的研发，以及传统灰浆全国范围内的比较研究提供了科学依据。
　　我国明清古城墙砌筑灰浆的分析研究。通过全国范围内实地调查多座明清时期古城墙遗址，采集灰浆样品在实验室进行物化分析。研究发现中国明清时期的灰浆主要是相对纯净的石灰砂浆，建造古城墙时普遍使用消石灰加糯米汁的灰浆配方，这种有机无机复合材料能有效提高灰浆的各种机械强度。另外，在19世纪中期的开封古城墙遗址还首次发现含骨料灰浆，其砂/灰重量比接近1∶1，说明了中国传统灰浆技术在清代的成熟与完善。
　　古建筑传统灰浆与陶砖的相容性和粘结机理研究。以开封古城的砖-灰砌体为样品，利用显微镜，X射线衍射、热重、钙吸附、电导率、纳米压痕等多种分析方法研究了砖-灰粘结界面的显微组织结构、物质化学组分、火山灰活性和水硬性特征，以及微观强度。结果显示，在古建筑砖-灰砌筑体系中传统灰浆与陶砖具有很好的相容性。其主要原因首先在于陶砖和灰浆之间具有非常好的机械互锁作用，其次是灰浆与陶砖在接触面发生火山灰反应生成水化产物的化学作用力，最后是灰浆与陶砖晶体分子与晶体分子之间相互作用的范德华力。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 砂浆与传统砂浆

1．2 传统灰浆的主要成分

1．2．1 胶凝材料——石灰

1．2．2 骨料

1．2．3 添加剂

1．3 传统灰浆的分析研究

1．3．1 传统灰浆的采样、分析程序与方法

1．3．2 传统灰浆的材料特征

1．3．3 古建保护灰浆研究

1．3．4 传统灰浆的损毁机理

1．4 我国传统灰浆的主要类型

1．4．1 粘土基灰浆

1．4．2 三合土

1．4．3 纯“白灰灰浆”

1．4．4 有机添加剂灰浆

1．5 论文选题依据和研究内容

2 郑州商城建筑遗址夯土材料的分析研究

2．1 引言

2．2 材料与实验

2．3 实验结果

2．3．1 表面特征

2．3．2 物质结构

2．3．3 胶结材料／骨料比

2．3．4 粒度特征

2．4 小结

3 浙江古城墙传统灰浆材料的分析研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 样品及实验设计

3．2．2 实验仪器

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 基本物理特征

3．3．2 灰浆的物质结构

3．3．3 有机添加材料分析

3．3．4 胶结材料含量分析

3．4 小结

4 中国明清古城墙砌筑砂浆的材料特征

4．1 引言

4．2 实验材料与方法

4．2．1 样品

4．2．2 分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 微观结构分析

4．3．2 物质成分

4．3．3 有机添加剂检测

4．3．4 胶结材料的定量分析

4．4 小结

5 古代建筑中传统灰浆与陶砖的相容性及粘结机理研究

5．1 引言

5．2 材料与实验

5．3 结果讨论

5．3．1 显微分析

5．3．2 物质结构及化学成分

5．3．3 砖-灰粘结界面的水硬性特征和青砖的火山灰活性

5．3．4 显微强度

5．4 小结

6 结论与展望

参考文献

作者简历

攻读博士学位期间发表的论文及参与的主要科研项目

致谢