1. 引言
历史建筑修复不仅是对文化遗产的保护，更是对历史记忆的延续、文化传承的推动和社会经济发展的促进。但受多种[1]因素影响，留存下来的古建筑都出现不同程度的风化，在影响古建筑长久保留下去[2]。因石灰是文物建筑建造过程中常使用的材料[3] [4]，将其用于文物建筑的修复越来越受文物保护工作者的青睐。
天然水硬性石灰(NHL)具有适中的机械强度，便于施工，利于水气交换而使得墙体透气呼吸，防水性很好，并能与被加固材料很好地相容[5]。NHL作为一种建筑修复材料能够被应用于历史建筑砌体墙表面的修复当中。我国关于天然水硬性石灰的研究起步较晚，最早对NHL进行详细研究介绍的是彭反三博士[3]，但目前国内对于天然水硬性石灰的研究不够成熟。国内建筑修复用材料主要源于德赛堡NHL2。尽管天然水硬性石灰在文物建筑修复领域效果优异，但部分性能仍需改进[6]。
历史建筑修复过程中，由于室外环境条件恶劣，总是伴有大风、降雨、暴晒等气候条件，在使用了NHL砂浆涂抹于待修复历史建筑砌体墙砖面后，由于墙体可能存在与历史建筑不兼容现象，通常会出现修复材料上墙后脱落现象[7]。在NHL的制备和硬化过程中，塑性收缩和开裂问题一直是亟待解决的关键挑战之一。同时，在未进行养护条件下，墙面容易出现开裂情况。NHL的塑性收缩开裂不仅影响文物建筑外观，影响美观性。还可能导致结构的力学性能下降，甚至危及修复工程的长期稳定性[8]。
相关学者将混凝土领域常用的材料用于天然水硬性石灰改性。掺和料的加入可以增大塑性收缩抗拉强度，从而提高抗裂指数。其中，生石灰起到了膨胀作用，减少收缩，防止裂缝产生[9]。采用低水化热、低收缩性的低碱硅酸盐水泥，以降低水化热从而减少收缩低，也能够减少泛碱，同时增强强度[10]。还有相关学者将不同种类的纤维材料、植物纤维[11]用于天然水硬性石灰砂浆的改性。稻壳灰作为硬纤维，纸巾纤维作为软纤维，都能够增加强度，减少裂缝产生。纤维材料[12]可有效改善砂浆基体间的连接从而提高砂浆的弯曲强度、韧性、抗收缩开裂性能、次生裂纹性能，从而降低了收缩引起的开裂风险[13] [14]。
本文开展NHL砂浆的改性研究，使其更适用于修复历史建筑砌体墙。通过在NHL中添加掺合料、纤维并进行调色，形成一种能应用于历史建筑砌体墙表面且不会出现开裂现象的改性NHL砂浆。同时，通过观察改性NHL砂浆在墙面的修复情况和28 d粘结强度测试结果，探讨改性NHL砂浆大规模应用于实际历史建筑修复工程当中的可行性。
2. 原材料和实验方法
2.1. 原材料
以天然水硬性石灰(NHL)为主原料，通过添加生石灰、低碱水泥、稻壳纤维、纸巾纤维、等掺合料及纤维和石英砂、色粉，制备改性NHL砂浆。
NHL采用石灰石、矿渣、粉煤灰和硅灰于实验室煅烧制备而成，具体材料性能如表1所示。生石灰的细度分别为305 m2/kg；低碱水泥购于南昌县华禹建材厂，低碱水泥的碱含量的质量分数为0.48%，质量符合GB 175-2023《通用硅酸盐水泥》的规定，28 d抗压强度为52.5 MPa，低碱水泥的化学成分如表2所示；稻壳纤维为稻壳粉，购于湖北省黄冈市。纸巾纤维为普通卷纸，裁碎成长为1~2 mm的短小丝状。石英砂粒径为70~110目。
Table 1. Material properties of NHL2
表1. NHL的材料性能
性能 |
28 d抗压强度/MPa |
初凝时间/h |
终凝时间/h |
NHL2 |
8.94 |
19.67 |
36.67 |
Table 2. Chemical composition of low-alkali cement
表2. 低碱水泥的化学成分
成分 |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
Loss |
R2O |
含量(%) |
20.82 |
5.78 |
3.44 |
60.25 |
3.40 |
2.01 |
2.78 |
0.48 |
在制备前，需将两种纤维材料和NHL等原材料进行预处理。稻壳纤维需经过了(热水浸泡1 h后烘干)，纸巾纤维需(冷水浸泡30 min)。使用孔径为0.075 mm的筛网，先对NHL进行筛处理，以便后期砂浆上墙后颗粒少，涂抹后墙面更光滑。
2.2. 改性NHL砂浆的制备
先对NHL进行过筛处理，确保NHL细度，利用电子秤精确称取NHL 100 g，按照不同实验组配合比称取不同辅助材料、添加剂及细砂。由于使用的原材料量较少，故采用手动拌合的方式，先进行3 min干料搅拌，随后加入一定量水后混合2 min。当实验组包含纤维时，需最后掺入纤维搅拌1 min。拌合总时长为5~6 min。
本次试验的基准配合比通过课题组此前试验配合比调整得到，根据基准配合比的基础上掺加不同的掺合料和纤维，共采用8组配合比。其中，不掺掺合料和纤维的对照组记为C0。单掺生石灰和低碱水泥的，记为C1、C2。混掺两种掺合料记为C3。在混掺掺合料的基础上单掺稻壳纤维，混掺稻壳纤维和纸巾纤维记为C4、C5。低碱水泥掺量占主原料的质量分数的30%和50%，记为C6，C7。
各实验组原材料组成如表3所示。
Table 3. Experimental ratios for modified NHL mortar
表3. 改性NHL砂浆的实验配合比
案例 |
主原料/g |
掺合料/g |
纤维/g |
石英砂/g |
水灰比 |
NHL |
石灰 |
低碱水泥 |
稻壳 |
纸巾 |
C0 |
100 |
0 |
0 |
0 |
0 |
300 |
0.4 |
C1 |
0 |
10 |
0 |
0 |
C2 |
10 |
0 |
0 |
0 |
C3 |
10 |
10 |
0 |
0 |
C4 |
10 |
10 |
5 |
0 |
C5 |
10 |
10 |
5 |
5 |
C6 |
0 |
30 |
0 |
0 |
C7 |
0 |
50 |
0 |
0 |
2.3. 施工方法与环境
将上述实验组C0~C7改性NHL砂浆应用于砖面修复当中，在涂抹前先对墙面风化层进行清理，使用刮刀将砂浆分层多次均匀涂抹于砖面上，使改性NHL砂浆与砖表面紧密贴合。同时，在实验室环境下施工过程中打开风扇，风扇转速为1420次/min，模拟室外大风环境，并对各组的开裂情况进行记录。记录各组24 h时的裂缝数量，裂缝长度和最大宽度作为混凝土开裂评价指标[15]。裂缝长度视为各条裂缝端部折线的长度之和并用直尺测量，同时使用裂缝观测仪沿裂缝走向测量各时间段裂缝最大宽度，并记录裂缝数量[16]。随后将实验组应用于室外施工现场当中，探究改性NHL砂浆应用于室外施工与实验室环境下的差异。
2.4. 粘结强度测试
砖面涂抹改性NHL砂浆28 d后进行粘结强度测试，使用粘结强度测试仪测试。根据欧洲标准(BS EN 459-2:2021)规定粘结强度应 ≥ 0.2 MPa。粘结测试采用了购买于北京中交建仪科技发展有限公司粘接强度测试仪BJZJ-6000C，使用AB胶涂抹于金属拉拔头(直径50 mm)，随后将其粘接于墙面，等待胶粘剂固化后，通过测试仪施加垂直拉力，直到拉拔头与墙面分离。
3. 结果与探讨
3.1. 开裂情况分析(实验室模拟结果)
将实验组C0~C7应用于实验室或施工现场当中。其中，将9组改性NHL砂浆应用于实验室内及施工现场分成两个实验大组，C0、C2、C3、C4和C5五组为实验组一，研究掺合料和纤维对改性NHL砂浆开裂的影响。C0、C1、C6和C7四组为实验组二，研究低碱水泥掺量变化对改性NHL砂浆开裂的影响。实验组开裂情况及抑制效果如图1和图2所示。
(a) 实验室组裂缝数量
(b) 实验室组裂缝长度 (c) 实验室组裂缝宽度
Figure 1. Laboratory mortar cracking evaluation index simulation results
图1. 实验室砂浆开裂评价指标模拟结果
(a) C0组 (b) C1组
(c) C2组 (d) C3组
(e) C4组 (f) C5组
(g) C6组 (h) C7组
Figure 2. Cracking of mortar (in the laboratory)
图2. 砂浆的开裂情况(实验室内)
在实验室内将各组涂抹上墙砖，NHL砂浆与墙砖能够完好地粘结上，且在刚涂上墙后，表面平整，砂浆表面当时未出现裂缝，经过12 h后开始观察开裂情况，实验上墙情况如图2所示。8组中只有C4、C5和C6上墙24 h未出现裂缝，如图2(e)、图2(f)和图2(g)所示。在实验组一中，C0，C2，C3均出现裂缝，其中对照组C0，如图2(a)所示，出现了6条裂缝，裂缝总长75 mm，最大宽度为2.5 mm。如图2(c)所示，C2在10%单掺生石灰，裂缝数量开始减少，C3在混掺生石灰和低碱水泥后，裂缝数量开始大量减少，只能看到1条细微裂缝。横向对比C1、C2和C3，单掺10%低碱水泥，单掺10%生石灰和混掺两种掺合料。从裂缝数量，裂缝长度和最大裂缝宽度等开裂评价指标来体现改性效果。混掺效果最优，单掺低碱水泥其次，单掺生石灰最差，C3 > C1 > C2。说明掺合料生石灰和低碱水泥的膨胀性能和增加强度对NHL防止开裂起到作用[17] [18]。随着掺合料和纤维的加入，裂缝数量，长度和最大宽度逐渐减少，且在C3基础上掺加纤维的C4和C5组开始没有出现裂缝。C5组在混掺5%稻壳纤维和5%纸巾纤维后，效果更佳，说明稻壳纤维、纸巾纤维和常见纤维一样起到了桥连作用，由于其高吸水性，向周围释放了其吸收的水分，减少了NHL内部水分的快速散发，有效地限制了开裂现象发生。在实验组二中，随着低碱水泥掺量增加，裂缝数量、长度和最大宽度逐渐降低。从对照组C0到C1组单掺10%的低碱水泥，如图2(b)所示，裂缝数量降到3条，到C6组单掺30%低碱水泥组没有出现裂缝，但在C7组单掺50%低碱水泥时，掺量过大，出现开裂现象，出现了4条裂缝。说明适量的低碱水泥会使NHL强度提升，水泥发生更多水化[19]，提高改性NHL的密实度，降低了裂缝的形成风险，也对粘接性起到一定的积极影响。
3.2. 粘结强度
对实验组C0~C7改性NHL砂浆进行28 d粘结强度测试，得到如下数据，如图3所示。其中C3、C4、C5和C6组28 d粘结强度均达到欧洲标准0.2 MPa。在C0、C1、C2和C3组中，分别单掺和混掺掺合料对NHL砂浆的粘结强度有提升，其中C1单掺10%低碱水泥比C2单掺10%生石灰的粘结强度高，C3混掺低碱水泥和生石灰强度继续提升，且超过0.2 MPa。C3、C4和C5组中，C4在C3的基础上继续掺加5%稻壳纤维，C5在C4加掺5%纸巾纤维。掺加纤维的C4和C5两组粘结强度均超过0.2 MPa，且C5的粘结强度高于C4，说明混掺纤维对粘结强度产生积极影响。在C1、C6和C7组中，低碱水泥的添加量分别为10%、30%和50%，其28 d粘结强度随着低碱水泥的添加量的增多而增强，而在当低碱水泥添加量达到50%时，其28 d粘结强度有所下降，故当低碱水泥添加量在30%时，其28 d粘结强度符合规范要求。
Figure 3. 28 d bond strength of modified NHL mortar to wall bricks
图3. 改性NHL砂浆与墙砖的28 d粘结强度
3.3. 现场施工实验分析
考虑到实验室实验和现场施工环境还是存在差异，8组实验中，是否开裂情况，现场施工和实验室实验现象一致，但现场施工中实验组，开裂数量、长度和最大开裂宽度，均较实验室结果有略微增长。由于室外光照时温度较高，水分散失快，同时，迎风面在风吹下水分散失速度加快，室外环境更加恶劣。可见，在室外环境下，由于受到阳光照射和刮风影响，室外施工的修复后墙体会更易产生裂缝，对改性NHL的防止早期开裂的要求更高。所以需将实验组C0~C7共8组用于施工现场。现场施工开裂情况及抑制效果如图4，图5所示。
(a) 现场施工裂缝数量
(b) 现场施工裂缝长度 (c) 现场施工裂缝最大宽度
Figure 4. Evaluation indicators for mortar cracking (construction site)
图4. 砂浆开裂评价指标(施工现场)
(a) C0组 (b) C1组
(c) C2组 (d) C3组
(e) C4组 (f) C5组
(g) C6组 (h) C7组
Figure 5. Mortar cracking (construction site)
图5. 砂浆开裂情况(施工现场)
先将对照组C0施工上墙，NHL砂浆与墙体能够完好的粘结上，且在刚涂上墙后，砂浆表面未出现裂缝，但在24 h后，墙面出现了8条裂缝，长度在1~2 cm，可见普通NHL在户外现场施工比实验室更易产生裂缝。C1组和C2组单掺低碱水泥和生石灰，开裂情况开始抑制，裂缝数量开始减少，裂缝最大宽度开始减小。但如图5(b)和图5(c)所示。但相对于实验室而已，现场施工产生的裂缝条数多1~2条。C3组混掺低碱水泥和生石灰抑制开裂效果更佳，只出现2条细微短小裂缝，最大宽度仅为0.9 mm，如图5(e)，跟实验室试验开裂情况基本一致。C4组和C5组，开始掺入纤维，C5组在单掺5%稻壳纤维时，即使经过24 h风吹和光照，砂浆表面依然没有产生裂缝。C6组加掺%纸巾纤维后，NHL砂浆在用于砖面过程中不易涂抹，涂抹过程中有颗粒感，表面不够平整光滑，24 h后砂浆表明也没有产生裂缝。说明即使在户外恶劣的环境下，纤维对NHL抑制开裂的效果依然明显。
根据低碱水泥的添掺量不同，将C0组、C1组、C6组和C7组上墙对比如图5(g)和图5(h)所示。施工结果和实验室结果一致，四种砂浆都易涂抹上墙，表面光滑平整，且砂浆与砖面粘结完好。只有C6掺量30%的NHL砂浆，未产生裂缝，抑制开裂效果最佳。而在低碱水泥掺量达到50%时，由于低碱水泥在遭受到温度变化时往往其体积容易发生变化，从而导致产生内部应力，而这种应力超过水泥的强度极限时，往往会产生开裂，产生了5条裂缝。为了减少水泥内部的收缩，故在制备改性NHL砂浆时，应当调节低碱水泥的添加量，防止添加过多低碱水泥而导致砂浆表面开裂。同时，大量添加低碱水泥势必会提高粘结强度，但砂浆与墙面间粘结强度过高，容易导致墙体的开裂和变形，对墙体自身带来不利影响。
4. 结论
本文以NHL为原材料，通过添加不同掺合料和外加剂制备改性NHL砂浆，然后将其涂抹于砌体墙砖表面，记录其在室外施工环境参数下的早期开裂情况，并在放置28 d后进行粘结强度测试。结果表明：
1) 掺合料与纤维的抗裂作用显著：掺合料生石灰和低碱水泥的膨胀性能及增强特性，对NHL砂浆的防开裂效果明显，其中混掺效果优于单掺。稻壳纤维和纸巾纤维通过桥连作用及高吸水性，有效减少NHL内部水分快速散失，显著抑制开裂现象，复掺两种纤维(C5组)可在实验室和现场环境下完全避免裂缝产生，抗裂性能最优。
2) 低碱水泥掺量30% (C6组)时，28 d粘结强度达0.25 MPa (超欧洲标准)，且无开裂现象；但掺量增至50% (C7组)时，因水化热积聚与体积收缩失衡，导致开裂。研究表明，30%掺量为强度提升与体积稳定的临界阈值。
3) 现场施工受阳光照射和刮风影响，水分散失更快，修复后墙体比实验室环境更易产生裂缝，对改性NHL砂浆的早期抗裂性能要求更高。不过，纤维在室外恶劣环境下对NHL砂浆的抗裂抑制效果依然突出。
推荐优化后的改性NHL砂浆C5 (10%生石灰 + 10%低碱水泥 + 5%双纤维)或C6 (30%低碱水泥)配方，兼顾抗裂性、粘结强度(≥0.2 MPa)与施工可行性。施工工艺简便，适用于不同环境下的历史建筑砌体墙修复，其配合比可作为工程设计的参考依据，推动NHL材料在文化遗产保护中的规模化应用。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。