我国古代建筑中两种传统硅酸盐材料的物理力学特性研究_李黎
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依据标准[31]进行试验。制作 40 mm×40 mm×160 mm 试样，分别测试结石体 3，7，14，28 d 龄期的 含水率变化，测试结果见图 4。
岩土文物修复材料的透水性和透气性对其修复
30
3d
25
7d 14 d
28 d
20
15
10
含水率/%
5
0 SL
SA
SH2
SH5
试样编号
图 4 不同龄期结石体含水率变化 Fig.4 Water contents of calculus body of different ages
收稿日期：2011–05–25；修回日期：2011–06–29 基金项目：中国文化遗产研究院科研课题项目(2010–JBKY–01)；“十一五”国家科技支撑计划课题(2009BAK53BO3) 作者简介：李 黎(1975–)，女，博士，2006 年于日本大阪大学地球综合工学岩土工程专业获博士学位，现任副研究员，主要从事岩土文物保护加固 技术及加固材料方面的研究工作。E-mail：manmanlili@
这 2 种材料都是水硬性硅酸盐材料。现场考古 发现和室内模拟试验研究证明，烧料礓石是在烧陶 的窑中 840 ℃～1 040 ℃温度条件下烧制而成。在 1 000 ℃焙烧 3 h 后，生成约 33.9%的生石灰 CaO， 25.8%的 β–硅酸钙(β–CS)和 17.6%铝硅酸钙
• 2122 •
岩石力学与工程学报
1引言
水硬石灰作为传统的硅酸盐建筑材料，欧美自 20 世纪 70 年代就开始广泛应用于历史建筑物的修 复中。在我国，这类材料在几千年前的古代房屋或 寺院就已经使用，但研究和应用与国外相比还相对 滞后。这些传统建筑材料是先祖千百年经验的积累 和智慧的结晶，值得人们继续去研究和传承。2002 年，被学术界评为中国 20 世纪百项考古重大发现之 一的甘肃省秦安县大地湾仰韶时期人类居住遗址， 其中有一座被考古界誉称为“原始宫殿”(编号：F– 901)的房址(见图 1)，是中国现存面积最大、建造工 艺水平最高的史前时期的房屋建筑遗址[1-2]。房屋建 造于仰韶中期，是当时部落或部落联盟用于集会、 祭祀或举行某种宗教仪式的公共活动场所。房屋地 面光洁平整，做工非常精细，特别在建造地面时大 量使用了烧钙结核轻骨料和以这种骨料为集料，烧 料礓石加工成的粉状物掺加少量红黏土为胶凝材料 制成。料礓石是一种第四纪黄土中沉积礓结石(当地 称料礓石，见图 2)，其主要矿物成分为 80%左右的 CaCO3，20%左右的黏土(主要为 SiO2)。这种地面材 料经历了五千多年的漫长岁月，现在的抗压强度仍 旧与 10 MPa 水泥砂浆地面强度相近[3-5]。这是我国 传统硅酸盐材料应用最早的例证。
RESEARCH ON PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTATE MATERIALS IN CHINESE ANCIENT BUILDINGS
LI Li1，ZHAO Linyi2，3，WANG Jinhua1，LI Zuixiong2，3
Abstract：Natural hydraulic lime is extensively applied to protection and restoration of historic building. Based on the studies of conventional natural hydraulic lime(Yangshao cement)，we conducted experimental analysis of fundamental physical properties and environmental factors of calcinated Ginger nut and Aga soil，and compared to two European natural hydraulic limes(NHL2，NHL5). The results indicate that，Ginger nut and Aga soil burned calcinated at 1 000 ℃ for 3 hours had the similar characteristics to those of European water limes：less shrinking and deforming capacity，great interval porosity，good water and gas permeability，relatively stronger resistance to freeze thawing，stability in water，resistance to changes of temperature and humidity，and good resistance to erosion of alkaline medium；flexural strength and compressive strength of calculus body matched by materials of different ages tended to increase. The study results indicated that，after scientific modification，these two silicate materials applied to Chinese ancient buildings can be used in consolidation of historical relics made of stone and
体的抗折、抗压强度随龄期的增加呈增长的趋势。研究结果证明，这 2 种我国古代建筑中应用的硅酸盐材料经过
科学改性后，可应用于我国石质、土质文物的加固，对我国传统硅酸盐材料的推广具有重要意义。
关键词：建筑材料；水硬石灰；料礓石；阿嘎土；力学特性；耐久性
中图分类号：TU 52
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2011)10–2120–08
图 2 秦安县大地湾出产的料礓石 Fig.2 Ginger nut of Dadiwan sites of Qin′an county
石灰岩，做地面及屋(顶)面建筑材料时，将阿嘎土 破碎为不同粒级的小块做骨料，与粉状的阿嘎土掺 加适量红黏土混合，并以天然树胶的水溶液配制成 浆，然后用一种特制的杵石夯筑而成[5]。待浆液完 全结石后，先用砂石打磨平整，然后在羊皮上蘸酥 油反复擦磨刨光，这一建造工艺藏族同胞称打阿嘎 (见图 3)。这样做成的地面，特别是屋面最致命的弱 点是强度低、耐候性差，经过反复冻融、温湿度变 化等环境因素的影响，天然树胶很快老化而产生龟 裂、松散、破碎而渗漏雨水，地面 3～5 a 就得进行 重新维修，对殿堂内精美壁画和木构件也造成严重 破坏[6-7]。
第 30 卷 第 10 期 2011 年 10 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.30 No.10 Oct.，2011
我国古代建筑中两种传统硅酸盐材料的 物理力学特性研究
李 黎 1，赵林毅 2，3，王金华 1，李最雄 2，3
灰(NHL2，NHL5)进行对比。研究发现，在 1 000 ℃高温环境下、历经 3 h 焙烧得到的烧料礓石、烧阿嘎土加石英
砂配制的试样与欧洲水硬石灰加石英砂配制的试样具有相似特性：收缩变形性小、孔隙率大、透水性及透气性良
好的基本性质及较强的抗冻融、水稳定性、耐温湿度循环变化的影响及碱性介质侵蚀的能力；不同龄期配比结石
2 基本物理力学试验
2.1 试样制备 分别选 1 000 ℃焙烧 3 h 料礓石和阿嘎土，制
成 180 目粉状物，再分别选 180 目的 NHL2，NHL5 及石英砂。分别以石英砂、料礓石以质量比 1∶1， 水灰比 0.33 制样，试样简称 SL；石英砂、阿嘎土 以质量比 1∶1，水灰比 0.50 制样，试样简称 SA； 石英砂、NHL2 以质量比 1∶1，水灰比 0.42 制样， 试样简称 SH2；石英砂、NHL5 以质量比 1∶1，水 灰比 0.35 制样，试样简称 SH5。以 70 mm×70 mm× 70 mm 和 40 mm×40 mm×160 mm 两种类型试样进 行物理力学性能的测试和耐候性试验。 2.2 物理力学性质 2.2.1 结石体不同龄期含水率变化和孔隙率
本研究选择我国传统水硬性石灰烧料礓石、烧 阿嘎土与成功应用于欧洲古建筑修复加固的 2 种 水硬性石灰(NHL2 及 NHL5)的性能进行了对比研 究[14-17]，通过一系列试验研究的结果对料礓石和阿 嘎土进行改性，开发适合于我国石质、土质文物保 护加固的材料[18-30]，这对我国古遗址及其他类型岩 土文物的保护具有非常重要的意义。
图 1 大地湾遗址 F–901 房址 Fig.1 Housing site F–901of Dadiwan sites
另一种我国古代建筑中的硅酸盐材料是西藏传 统用于寺院房屋地面及屋(顶)面建筑材料的阿嘎 土。阿嘎土是一种约含 80% CaCO3 和 20% SiO2 的
图 3 打阿嘎 Fig.3 Tamping Aga soil
第 30 卷 第 10 期
李 黎等：我国古代建筑中两种传统硅酸盐材料的物理力学特性研究
• 2121 •
soil. The results have important significance on the spreading of traditional Chinese silicate materials. Key words：building material；hydraulic lime；Ginger nut；Aga soil；mechanical characteristics；durability
2011 年
C2AS。CaO 是一种气硬性胶凝材料，β–硅酸钙和 铝硅酸钙是一种水硬性胶凝材料。这些气硬性胶凝 材料和水硬性胶凝材经数千年后，在 CO2 和 H2O 作 用下转变成孔隙率较大的 CaCO3。因此，大地湾 F– 901 地面材料经历了五千多年的漫长岁月，其抗压 强度还和现代的 10 MPa 水泥砂浆强度相近。西藏 寺院的房屋建筑材料阿嘎土，因为没有经过焙烧，只 是做灰浆时加入适量天然树胶[5]，既不产生气硬性 胶凝材料 CaO，也不产生水硬性胶凝材料 β-CS 及 C2AS，并不具有化学胶凝特性，因此强度低、耐候 性差。在岩土文物的修复加固中，保护加固材料的 物理力学特性是非常重要的评价指标，其物理力 学 特 性直接关系到岩土文物本体与修复加固材料的 兼容性、结合的牢固程度，以及修复加固后的耐候 性等[8-13]。
(1. Chinese Academy of Cultural Heritage，Beijing 100871，China；2. National Ancient Mural Protection Engineering Technology Research Center，Dunhuang，Gansu 736200，China；3. Key Laboratory of Western Hazard and Environmental Mechanics， Ministry of Education，Lanzhou University，Lanzhou，Gansu 730000，China)
(1. 中国文化遗产研究院，北京 100871；2. 国家古代壁画保护工程技术研究中心，甘肃 敦煌 736200； 3. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000)
摘要：水硬石灰广泛应用于历史建筑物的保护修复。在前人对中国传统水硬性石灰(仰韶水泥)研究的基础上，对烧
料礓石和烧阿嘎土 2 种水硬石灰的基本物理力学性能及环境影响因素进行试验分析，并与欧洲 2 种型号水硬性石
岩土文物修复材料的透水性和透气性对其修复
30
3d
25
7d 14 d
28 d
20
15
10
含水率/%
5
0 SL
SA
SH2
SH5
试样编号
图 4 不同龄期结石体含水率变化 Fig.4 Water contents of calculus body of different ages
收稿日期：2011–05–25；修回日期：2011–06–29 基金项目：中国文化遗产研究院科研课题项目(2010–JBKY–01)；“十一五”国家科技支撑计划课题(2009BAK53BO3) 作者简介：李 黎(1975–)，女，博士，2006 年于日本大阪大学地球综合工学岩土工程专业获博士学位，现任副研究员，主要从事岩土文物保护加固 技术及加固材料方面的研究工作。E-mail：manmanlili@
这 2 种材料都是水硬性硅酸盐材料。现场考古 发现和室内模拟试验研究证明，烧料礓石是在烧陶 的窑中 840 ℃～1 040 ℃温度条件下烧制而成。在 1 000 ℃焙烧 3 h 后，生成约 33.9%的生石灰 CaO， 25.8%的 β–硅酸钙(β–CS)和 17.6%铝硅酸钙
• 2122 •
岩石力学与工程学报
1引言
水硬石灰作为传统的硅酸盐建筑材料，欧美自 20 世纪 70 年代就开始广泛应用于历史建筑物的修 复中。在我国，这类材料在几千年前的古代房屋或 寺院就已经使用，但研究和应用与国外相比还相对 滞后。这些传统建筑材料是先祖千百年经验的积累 和智慧的结晶，值得人们继续去研究和传承。2002 年，被学术界评为中国 20 世纪百项考古重大发现之 一的甘肃省秦安县大地湾仰韶时期人类居住遗址， 其中有一座被考古界誉称为“原始宫殿”(编号：F– 901)的房址(见图 1)，是中国现存面积最大、建造工 艺水平最高的史前时期的房屋建筑遗址[1-2]。房屋建 造于仰韶中期，是当时部落或部落联盟用于集会、 祭祀或举行某种宗教仪式的公共活动场所。房屋地 面光洁平整，做工非常精细，特别在建造地面时大 量使用了烧钙结核轻骨料和以这种骨料为集料，烧 料礓石加工成的粉状物掺加少量红黏土为胶凝材料 制成。料礓石是一种第四纪黄土中沉积礓结石(当地 称料礓石，见图 2)，其主要矿物成分为 80%左右的 CaCO3，20%左右的黏土(主要为 SiO2)。这种地面材 料经历了五千多年的漫长岁月，现在的抗压强度仍 旧与 10 MPa 水泥砂浆地面强度相近[3-5]。这是我国 传统硅酸盐材料应用最早的例证。
RESEARCH ON PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTATE MATERIALS IN CHINESE ANCIENT BUILDINGS
LI Li1，ZHAO Linyi2，3，WANG Jinhua1，LI Zuixiong2，3
Abstract：Natural hydraulic lime is extensively applied to protection and restoration of historic building. Based on the studies of conventional natural hydraulic lime(Yangshao cement)，we conducted experimental analysis of fundamental physical properties and environmental factors of calcinated Ginger nut and Aga soil，and compared to two European natural hydraulic limes(NHL2，NHL5). The results indicate that，Ginger nut and Aga soil burned calcinated at 1 000 ℃ for 3 hours had the similar characteristics to those of European water limes：less shrinking and deforming capacity，great interval porosity，good water and gas permeability，relatively stronger resistance to freeze thawing，stability in water，resistance to changes of temperature and humidity，and good resistance to erosion of alkaline medium；flexural strength and compressive strength of calculus body matched by materials of different ages tended to increase. The study results indicated that，after scientific modification，these two silicate materials applied to Chinese ancient buildings can be used in consolidation of historical relics made of stone and
体的抗折、抗压强度随龄期的增加呈增长的趋势。研究结果证明，这 2 种我国古代建筑中应用的硅酸盐材料经过
科学改性后，可应用于我国石质、土质文物的加固，对我国传统硅酸盐材料的推广具有重要意义。
关键词：建筑材料；水硬石灰；料礓石；阿嘎土；力学特性；耐久性
中图分类号：TU 52
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2011)10–2120–08
图 2 秦安县大地湾出产的料礓石 Fig.2 Ginger nut of Dadiwan sites of Qin′an county
石灰岩，做地面及屋(顶)面建筑材料时，将阿嘎土 破碎为不同粒级的小块做骨料，与粉状的阿嘎土掺 加适量红黏土混合，并以天然树胶的水溶液配制成 浆，然后用一种特制的杵石夯筑而成[5]。待浆液完 全结石后，先用砂石打磨平整，然后在羊皮上蘸酥 油反复擦磨刨光，这一建造工艺藏族同胞称打阿嘎 (见图 3)。这样做成的地面，特别是屋面最致命的弱 点是强度低、耐候性差，经过反复冻融、温湿度变 化等环境因素的影响，天然树胶很快老化而产生龟 裂、松散、破碎而渗漏雨水，地面 3～5 a 就得进行 重新维修，对殿堂内精美壁画和木构件也造成严重 破坏[6-7]。
第 30 卷 第 10 期 2011 年 10 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.30 No.10 Oct.，2011
我国古代建筑中两种传统硅酸盐材料的 物理力学特性研究
李 黎 1，赵林毅 2，3，王金华 1，李最雄 2，3
灰(NHL2，NHL5)进行对比。研究发现，在 1 000 ℃高温环境下、历经 3 h 焙烧得到的烧料礓石、烧阿嘎土加石英
砂配制的试样与欧洲水硬石灰加石英砂配制的试样具有相似特性：收缩变形性小、孔隙率大、透水性及透气性良
好的基本性质及较强的抗冻融、水稳定性、耐温湿度循环变化的影响及碱性介质侵蚀的能力；不同龄期配比结石
2 基本物理力学试验
2.1 试样制备 分别选 1 000 ℃焙烧 3 h 料礓石和阿嘎土，制
成 180 目粉状物，再分别选 180 目的 NHL2，NHL5 及石英砂。分别以石英砂、料礓石以质量比 1∶1， 水灰比 0.33 制样，试样简称 SL；石英砂、阿嘎土 以质量比 1∶1，水灰比 0.50 制样，试样简称 SA； 石英砂、NHL2 以质量比 1∶1，水灰比 0.42 制样， 试样简称 SH2；石英砂、NHL5 以质量比 1∶1，水 灰比 0.35 制样，试样简称 SH5。以 70 mm×70 mm× 70 mm 和 40 mm×40 mm×160 mm 两种类型试样进 行物理力学性能的测试和耐候性试验。 2.2 物理力学性质 2.2.1 结石体不同龄期含水率变化和孔隙率
本研究选择我国传统水硬性石灰烧料礓石、烧 阿嘎土与成功应用于欧洲古建筑修复加固的 2 种 水硬性石灰(NHL2 及 NHL5)的性能进行了对比研 究[14-17]，通过一系列试验研究的结果对料礓石和阿 嘎土进行改性，开发适合于我国石质、土质文物保 护加固的材料[18-30]，这对我国古遗址及其他类型岩 土文物的保护具有非常重要的意义。
图 1 大地湾遗址 F–901 房址 Fig.1 Housing site F–901of Dadiwan sites
另一种我国古代建筑中的硅酸盐材料是西藏传 统用于寺院房屋地面及屋(顶)面建筑材料的阿嘎 土。阿嘎土是一种约含 80% CaCO3 和 20% SiO2 的
图 3 打阿嘎 Fig.3 Tamping Aga soil
第 30 卷 第 10 期
李 黎等：我国古代建筑中两种传统硅酸盐材料的物理力学特性研究
• 2121 •
soil. The results have important significance on the spreading of traditional Chinese silicate materials. Key words：building material；hydraulic lime；Ginger nut；Aga soil；mechanical characteristics；durability
2011 年
C2AS。CaO 是一种气硬性胶凝材料，β–硅酸钙和 铝硅酸钙是一种水硬性胶凝材料。这些气硬性胶凝 材料和水硬性胶凝材经数千年后，在 CO2 和 H2O 作 用下转变成孔隙率较大的 CaCO3。因此，大地湾 F– 901 地面材料经历了五千多年的漫长岁月，其抗压 强度还和现代的 10 MPa 水泥砂浆强度相近。西藏 寺院的房屋建筑材料阿嘎土，因为没有经过焙烧，只 是做灰浆时加入适量天然树胶[5]，既不产生气硬性 胶凝材料 CaO，也不产生水硬性胶凝材料 β-CS 及 C2AS，并不具有化学胶凝特性，因此强度低、耐候 性差。在岩土文物的修复加固中，保护加固材料的 物理力学特性是非常重要的评价指标，其物理力 学 特 性直接关系到岩土文物本体与修复加固材料的 兼容性、结合的牢固程度，以及修复加固后的耐候 性等[8-13]。
(1. Chinese Academy of Cultural Heritage，Beijing 100871，China；2. National Ancient Mural Protection Engineering Technology Research Center，Dunhuang，Gansu 736200，China；3. Key Laboratory of Western Hazard and Environmental Mechanics， Ministry of Education，Lanzhou University，Lanzhou，Gansu 730000，China)
(1. 中国文化遗产研究院，北京 100871；2. 国家古代壁画保护工程技术研究中心，甘肃 敦煌 736200； 3. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000)
摘要：水硬石灰广泛应用于历史建筑物的保护修复。在前人对中国传统水硬性石灰(仰韶水泥)研究的基础上，对烧
料礓石和烧阿嘎土 2 种水硬石灰的基本物理力学性能及环境影响因素进行试验分析，并与欧洲 2 种型号水硬性石