古建筑修繕用石材粘補(bǔ)材料試驗(yàn)研究

丁 偉

（河北省建筑科學(xué)研究院有限公司，河北 石家莊 050021）

0 引 言

作為人類文明發(fā)展的重要遺產(chǎn)之一的現(xiàn)存古建筑，既是歷史的例證，也是文明的載體，有著極高的歷史價值、藝術(shù)價值、科學(xué)價值以及社會價值和文化價值。隨著社會的發(fā)展及人類物質(zhì)文明和精神文明的提高，保護(hù)現(xiàn)存古建筑為主體的文物遺產(chǎn)保護(hù)項(xiàng)目已引起人們的廣泛關(guān)注。近年來，國家對文物保護(hù)工作的重視程度和資金投入越來越大，保護(hù)項(xiàng)目越來越多，保護(hù)工作越來越科學(xué)化，文物保護(hù)前的科學(xué)研究工作越來越不可或缺。

各個不同歷史時期的古建筑，或者一個古建筑中不同歷史時期的構(gòu)件，都代表著某一個歷史階段的文化藝術(shù)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展成就［1］。一個古建筑保留下來的原構(gòu)件越多，它的歷史價值和藝術(shù)價值就越高。在進(jìn)行石質(zhì)古建筑修繕加固時，為了最大限度保存古建筑中殘留石構(gòu)件，在修繕中應(yīng)盡量做到能加固的加固，能修補(bǔ)的修補(bǔ)，能粘接的粘接。而石材修補(bǔ)與粘接技術(shù)的關(guān)鍵是粘接材料。

本文以古建筑石活修補(bǔ)與粘接技術(shù)為引，總結(jié)了幾種古建筑石活粘接材料，選取傳統(tǒng)粘接材料中的補(bǔ)石配藥及現(xiàn)代粘接材料中的環(huán)氧樹脂為研究對象，進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 古建筑石活修補(bǔ)與粘接

當(dāng)古建筑石構(gòu)件出現(xiàn)殘缺、風(fēng)化酥殘、斷裂等損傷時，可進(jìn)行修補(bǔ)與粘接。修補(bǔ)方法有：①局部殘缺、缺損，可將缺損或殘缺的部分用鏨子剔鑿成易于補(bǔ)配的形狀，然后按照補(bǔ)配的部位選好荒料，新舊接茬處清理干凈后粘接牢固，面積較大的可在隱蔽處嵌入扒鋦等鐵活；②局部風(fēng)化酥殘，可將表面風(fēng)化酥殘部分剝掉，直到露出硬茬為止，選配與之相同石質(zhì)色澤的石料進(jìn)行加工，做成雛形進(jìn)行粘接；③石構(gòu)件斷裂，可將斷裂面進(jìn)行清理并做成糙面，采用粘接材料進(jìn)行粘接，構(gòu)件粘接面較大時，應(yīng)在斷面隱蔽處嵌入扒鋦或其他鐵件，再用粘接材料粘接。上述損傷進(jìn)行粘接時，為了不使粘接劑溢出拼縫的外口，應(yīng)將粘接劑涂到距離外口約2～5 mm 處為宜，預(yù)留的縫隙再用同樣色澤的石粉拌合粘接劑勾抹嚴(yán)實(shí)，最后打點(diǎn)修理。

石活修補(bǔ)與粘接的關(guān)鍵之一，便是所選取粘接材料的好壞以及適用與否。截至目前，古建筑石活修補(bǔ)與粘接常用的粘接材料有傳統(tǒng)（舊法）粘接材料和現(xiàn)代（新法）粘接材料兩類，簡要總結(jié)如下。

1.1 傳統(tǒng)粘接材料

1）焊藥粘接。材料和比例（重量比）為白蠟∶蕓香∶松香∶黑炭=2∶1∶1∶33；又法黃蠟∶松香∶白礬=1.5∶1∶1。調(diào)制方法將幾種材料按照重量比拌合在一起，徐徐加溫后即熔化成一種粘接劑。

2）補(bǔ)石配藥。材料和比例（重量比）為白蠟∶黃蠟∶蕓香∶石粉∶黑炭=3∶1∶1∶56∶30。調(diào)制方法將幾種材料按照重量比拌合在一起，徐徐加溫后即熔化成一種粘接劑。

漆片：將石料的粘接面清理干凈，然后將粘接面烤熱，趁熱把漆片撒在上面，待漆片溶化后即能粘接［2］。

1.2 現(xiàn)代粘接材料

1）素水泥漿。適用于較小塊石活的粘接。

2）環(huán)氧樹脂。配方和比例（重量比）為環(huán)氧樹脂（#6101）∶乙二胺=100∶6～8；又法環(huán)氧樹脂（#6101）∶乙烯三胺∶二甲苯=100∶10∶10。此外，還有環(huán)氧樹脂（#6101）∶聚酰胺∶乙二胺=100∶30∶6～8。

上述傳統(tǒng)粘接材料在文物建筑修繕工程中均有應(yīng)用，其中傳統(tǒng)粘接材料的“焊藥”及“補(bǔ)石配藥”，均為傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)配方，很值得深入研究；而現(xiàn)代粘接材料中的環(huán)氧樹脂，越來越多的應(yīng)用到了文物建筑中。本文選取“補(bǔ)石配藥”及環(huán)氧樹脂（配方及比例選取∶環(huán)氧樹脂∶聚酰胺∶乙二胺=100∶30∶7）開展試驗(yàn)，研究“補(bǔ)石配藥”配方的可調(diào)整性及其粘接要點(diǎn)，確定“補(bǔ)石配藥”與石材的正拉粘結(jié)強(qiáng)度，以及環(huán)氧樹脂添加不同比例石粉拌合后與石材的正拉粘接強(qiáng)度。

2 粘接材料試驗(yàn)

2.1 測試設(shè)備

本次試驗(yàn)中，正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)采用數(shù)顯式粘結(jié)強(qiáng)度檢測儀。

2.2 試件制備

選取有代表性石塊加工成厚度約 150 mm 的片狀，并將其中一側(cè)大面打磨粗糙，從石材表面向石材內(nèi)部切割預(yù)切縫，切入石材深度 10～15 mm，寬度約 2 mm，預(yù)切縫形狀為直徑 50 mm 的圓形；然后將配制好的粘接材料鋪涂于預(yù)切圓形面上，并加壓，環(huán)氧樹脂厚度約 2～3 mm（補(bǔ)石配藥厚度約 3 mm～5 mm）。

2.3 正拉粘結(jié)強(qiáng)度測試

1）將制成的正拉粘結(jié)強(qiáng)度試件養(yǎng)護(hù) 7 天后，采用高強(qiáng)、快固化的膠粘劑粘貼鋼標(biāo)準(zhǔn)塊。

2）采用粘結(jié)強(qiáng)度檢測儀連接鋼標(biāo)準(zhǔn)塊，以均勻速率連續(xù)加荷，記錄破壞荷載，并觀察其破壞形式。

2.4 補(bǔ)石配藥與石材的正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)

選取補(bǔ)石配藥，材料和比例（重量比）為白蠟∶黃蠟∶蕓香∶石粉∶黑炭=3∶1∶1∶56∶30。試驗(yàn)結(jié)果顯示補(bǔ)石配藥與石材的粘結(jié)強(qiáng)度較低。故增加 5 種配比的補(bǔ)石配藥，對正拉粘接強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，所選用的幾種配比的補(bǔ)石配藥與石材的粘結(jié)破壞形式均為膠層與石材之間的粘附破壞，其中配比為白蠟∶黃蠟∶蕓香∶石粉∶黑炭=4.5∶1.5∶1.5∶56∶30的補(bǔ)石配藥與石材的正拉粘接強(qiáng)度相對最高，平均值約為 0.31 MPa。

通過對補(bǔ)石配藥試件制作過程觀察分析，并結(jié)合正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，石活粘接質(zhì)量的好壞與粘接時粘接面的溫度有關(guān)，在對石材進(jìn)行粘接前，需將處理后的石材粘合面進(jìn)行加溫后，再立即進(jìn)行粘接或修補(bǔ)工作，否則粘接質(zhì)量較差。此外，調(diào)制補(bǔ)石配藥過程中發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)石配藥調(diào)制好后，具有快速硬化的特性和可逆性，其中可逆性是指修補(bǔ)劑硬化后，如再對其緩緩加溫，又可熔化成可用修補(bǔ)劑，但不宜超過一次，因隨重復(fù)次數(shù)增加，修補(bǔ)劑強(qiáng)度下降明顯。

表1 正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

綜合分析，補(bǔ)石配藥用于粘補(bǔ)石活可取得較好的效果，但對施工溫度控制要求較嚴(yán)格。此外，由于補(bǔ)石配藥與石材的正拉粘結(jié)強(qiáng)度不高，且硬化速度較快，適用于較小部位修補(bǔ)，或用于受壓部位，不適用于懸挑構(gòu)件受拉部位。

2.5 環(huán)氧樹脂與石材的正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)

通過添加石粉對環(huán)氧樹脂稠度進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到便于裂縫粘接、修補(bǔ)或斷裂粘接的稠度。通過試驗(yàn)選取兩種環(huán)氧樹脂配比，分別為環(huán)氧樹脂∶聚酰胺∶乙二胺∶石粉=100∶30∶7∶10 和環(huán)氧樹脂∶聚酰胺∶乙二胺∶石粉=100∶30∶7∶70。

配比為100∶30∶7∶10的環(huán)氧樹脂粘接劑，稠度較適宜裂縫粘接工作，制作 3 個試件，其與石材的正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

配比為 100∶30∶7∶70 的環(huán)氧樹脂粘接劑，稠度較適宜修補(bǔ)與斷裂粘接工作，制作 3 個試件，其與石材的正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，環(huán)氧樹脂粘接劑與石材的粘結(jié)破壞形式均為膠層與石材之間的粘附破壞，其中低添加石粉的環(huán)氧樹脂粘接劑與石材的正拉粘結(jié)強(qiáng)度平均值約為 2.91 MPa，高添加石粉的環(huán)氧樹脂粘接劑與石材的正拉粘結(jié)強(qiáng)度平均值約為 2.76 MPa。相對于補(bǔ)石配藥，環(huán)氧樹脂粘接劑具有較高的正拉粘結(jié)強(qiáng)度，而且隨著石粉添加量的增加，環(huán)氧樹脂粘接劑的正拉粘結(jié)強(qiáng)度未見明顯降低。

綜合分析，添加石粉后的環(huán)氧樹脂粘接劑有較好的正拉粘結(jié)強(qiáng)度，粘接性能好，可適用于懸挑構(gòu)件的受拉部位。但其耐高溫與耐候性稍差，尤其在紫外線的直接照射下較易老化，在工程應(yīng)用中應(yīng)予充分考慮［3］。

3 工程應(yīng)用效果

配比為白蠟∶黃蠟∶蕓香∶石粉∶黑炭=4.5∶1.5∶1.5∶56∶30 的補(bǔ)石配藥，以及試驗(yàn)所采用的兩種配比的環(huán)氧樹脂，在某全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位石塔中得到應(yīng)用。通過跟蹤觀察保護(hù)修繕施工中石活粘接過程，以及粘接后效果，是適宜可行的。

4 結(jié) 論

1）補(bǔ)石配藥配比以白蠟∶黃蠟∶蕓香∶石粉∶黑炭=4.5∶1.5∶1.5∶56∶30 為佳，正拉粘結(jié)強(qiáng)度平均值可達(dá) 0.31 MPa，破壞形式為膠層與石材之間的粘附破壞。補(bǔ)石配藥粘接石材時，應(yīng)先將粘合面進(jìn)行加溫處理后，再立即進(jìn)行粘接或修補(bǔ)工作。補(bǔ)石配藥具有快硬性和可逆性。

2）配比為環(huán)氧樹脂∶聚酰胺∶乙二胺∶石粉=100∶30∶7∶10 的環(huán)氧樹脂粘接劑，以及環(huán)氧樹脂∶聚酰胺∶乙二胺∶石粉=100∶30∶7∶70 的環(huán)氧樹脂粘接劑，正拉粘結(jié)強(qiáng)度平均值分別為 2.91 MPa 和 2.76 MPa，破壞形式均為膠層與石材之間的粘附破壞。環(huán)氧樹脂粘接劑在隨著石粉量的增加，其稠度增加，而與石材的正拉粘接強(qiáng)度未見明顯下降。

3）補(bǔ)石配藥與石材的正拉粘結(jié)強(qiáng)度較低，且硬化速度較快，適用于較小部位修補(bǔ)，或用于受壓部位，不適用于懸挑構(gòu)件受拉部位。環(huán)氧樹脂粘接劑，有較好的正拉粘結(jié)強(qiáng)度，粘接性能好，可適用于懸挑構(gòu)件的受拉部位。Q