古建墙体修复体系整体性及耐久性研究

1　试验研究原材料及方法

1.1　试验研究原材料

该研究所涉及原料主要是高分子砂浆制备所需要的原料。所需原材料包括：水泥、粉煤灰、砂（3.2~6mm）、砂（0.6~3.2mm）、砂（小于0.6mm）、速凝剂、胶粉828、胶粉0520、纤维、淀粉醚、纤维素醚10w、纤维素醚4w、减水剂。用于配制聚合物砂浆的P·O42.5普通硅酸盐水泥和Ⅰ级粉煤灰的化学组分见表1。

表1　原材料化学组成   %

1.2　试验配方

经研究，取得了修复砂浆体系增强型聚合物界面砂浆、轻质混凝土、轻质聚合物机喷抗裂抹灰砂浆、高性能抗裂砂浆的生产配方，并在砂浆产品研究成果配方的基础上进行了后续研究，4种砂浆配方整理见表2~表5。

表2　增强型聚合物界面砂浆

1.3　试验方法

1.3.1　弹性模量试验

轻质聚合物机喷修补砂浆、轻质聚合物机喷抗裂抹灰砂浆、高性能抗裂砂浆3种砂浆采用3d、7d、28d这3种砂浆静力受压弹性模量测试，分别采用100mm×100mm×300mm模具成型。观察3种曲线的匹配度，根据龄期的不同，画出3种砂浆弹性模量的曲线。测试参考GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法》。3种砂浆试件，取一组测轴心抗压强度，另一组作弹性模量测定，反复预压2次，可用一组砂浆试件的轴心抗压强度测定。记下各测点的变形读数。

1.3.2　弯曲疲劳试验

设计定制系统成型模具，将系统砂浆制成100mm×100mm×400mm试件2组，每组3个试件，其中一组测试系统28d弯曲强度，另一组测试系统28d弯曲疲劳。采用水泥混凝土抗弯拉强度试验方法，参照T0558—2005《水泥混凝土抗弯拉强度试验方法》进行试验。塑形时采用竖向隔板逐层成型，体系砂浆厚度接口1mm+修补65mm+抹面30mm+防开裂5mm（模拟各种砂浆的实际施工厚度），塑型后采用四点弯曲疲劳测试方法，做28d体系弯曲疲劳测试。

1.3.3　体系耐久性试验

将体系砂浆用100mm×100mm×400mm模具成型后，加工成100mm×100mm×100mm试块，共4组（1组3块）耐候性试验，经过热雨循环，检查两个面层的外观，并记录在案。在试验箱内空气相对湿度保持在10%~20%，热雨循环完成后，先放置试样2?d，再继续进行热冷循环，对两个面层的外观进行检查，热冷循环结束后，再将试样记录在案。在试验箱内恒温试样表面温度（50 ?℃±5℃），保持湿度10%~20%的范围完成热冷循环后，放置7d，再进行抗压强度损耗和质量损耗。

2　试验结果与分析

2.1　体系砂浆弹性模量试验

经过抗拉弹性模量试验可以了解砂浆的早期抗开裂能力，可作为砂浆早期抗开裂能力的重要依据。因此，在3种砂浆材料的早期开裂过程中，检验3种砂浆材料的抗拉强度和抗拉弹性模量是非常重要的。由于砂浆本身抗拉强度低，测试各砂浆抗拉弹性模量误差比较大，因此采用测试轻质聚合物机喷修补砂浆、轻质聚合物机喷抗裂抹灰砂浆、高性能抗裂砂浆3种砂浆的抗压弹性模量数据更可靠，结果更准确。本研究通过测试修复体系以上3种砂浆3d、7d、28d静力受压弹性模量，绘制出3种砂浆弹性模量随龄期变化的曲线，观察3条曲线的匹配度。测试参考GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法》。3种砂浆分别采用截面为100mm×100mm×300mm的模具，每组试件3个，分别成型试件6组。其中3组用于测定3d、7d、28d轴心抗压强度；3d、7d、28d静力受压弹性模量分别测定剩余3组。测试结果见表6，通过试验测试3d、7d、28d静力受压弹性模量，绘制3种砂浆随时间发展弹性模量的变化曲线，如图1所示。

表6　弹性模量试验结果

图1　修复体系砂浆弹性模量随龄期发展情况曲线

通过图1可以看出，3种砂浆弹性模量的匹配度良好，修复体系力学性能发展过程稳定。结果显示，变形协调的修复材料体系从里层到面层完成了由软到硬的过渡，一方面该体系可以承受一定的基体形变，避免开裂和通裂；另一方面由于基体强度较低，变形协调的修复材料体系里层修复材料强度不高，弹性模量与基体相近，可以更好地保护古建基体。

2.2　修复体系四点弯曲疲劳试验

通过四点弯曲疲劳试验，表征了系统中4种砂浆的力学匹配性，进一步优化了修复材料体系。本项目根据施工工艺参数、加工模具，按照体系4种砂浆实际施工厚度加工制备体系试件，进行28d四点弯曲疲劳试验。疲劳测试结果见表7。

表7　弯曲疲劳试验结果

试验数据显示，该体系可承受5万次弯曲疲劳试验，且从断裂形式看，所有试件均沿着粘接边缘处断裂，且较均匀。通过对抗弯强度及破坏断面形式分析修复体系4种砂浆力学性能的匹配度，也为体系耐久性提供有力证明。

2.3　修复体系耐候性试验

2.3.1　试验室耐候性试验

将体系砂浆用100mm×100mm×400mm模具成型后，加工成100mm×100mm×100mm试件共4组（1组3块），其中2组为空白试验，剩余两组分别做耐候质量损失和强度损失试验。依据GB/T29906—2018《模塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统材料》试验结果见表8。

表8　耐久性试验结果

结果表明：修复砂浆体系耐候试验后质量损失均小于5%，强度损失均小于20%，满足相关标准要求。

2.3.2　室外同条件耐候性试验

制作古建墙砖样板墙放置室外进行自然条件耐候试验，观测外观变化。样板墙经过两年的同条件试验，外观状态如初，未见任何微小裂纹。

3　结论

（1）探究修复砂浆体系耐久性试件成型方法、表征方法，可有力证明修复砂浆体系整体耐久性指标。

（2）采用抗压弹性模量对修复体系各砂浆的匹配性进行表征试验，可以表征古建“古法新做”新做修复体系从基体到表层的整体性和各层砂浆匹配性。

（3）对体系进行疲劳试验和耐候试验可以表征修复砂浆体系整体的耐久性，以上试验过程可重复操作性强，试验方法可行，具有推广价值。