１性能表征
１．１抗压强度
试件２８，９０ｄ的抗压强度见表１．结果显示，明矾和硫酸铝对提高糯米灰浆早期抗压强度有利，且随着其掺量（质量分数）的提高而提高，２８ｄ糯米灰浆最大抗压强度分别较对比试件提高了约２倍和１倍，但是，随着养护时间的延长，抗压强度增加趋势变缓，９０ｄ最大抗压强度分别较对比试件提高了７４％和５５％；掺２％（质量分数）工业石膏，糯米灰浆抗压强度有一定的提高，其２８，９０ｄ抗压强度分别提高了１７％和１６％，但随着掺量的增加，工业石膏对糯米灰浆抗压强度产生了不利影响．
１．２表面硬度
测量表面硬度时，压针距离试件边缘至少６ｍｍ，并和试件完全接触１ｓ内读数，每个试件均匀取点测定７次，去除最大值和最小值后取平均值．测试结果见表１．结果表明，明矾、硫酸铝和工业石膏掺入后，糯米灰浆的表面硬度分别提高了５４％，１９％，３５％，但除硫酸铝外，明矾和工业石膏的掺量并不是越多越好，在４％左右比较合适．
１．３收缩性能
不同添加剂对糯米灰浆收缩率的影响结果如表２所示。结果表明，对比试件在脱模后７ｄ内收缩明显，收缩率达到８％，然后趋于平稳．而分别掺３种添加剂的糯米灰浆试件，其收缩主要发生在脱模后的１４ｄ内（如图１所示）．与对比试件相比，含明矾、硫酸铝和工业石膏的试件７ｄ收缩率分别减少了５３％，６２％和５７％，由此可见，掺３种添加剂的糯米灰浆，其早期收缩性能明显改善．研究［１１］表明，灰浆早期的强收缩是引起开裂的主要原因之一，而添加剂的掺入可延缓灰浆的早期收缩过程，对减少灰浆开裂有利．当收缩达到稳定时，掺添加剂的糯米灰浆其收缩率也大大减小．综合考虑添加剂对糯米灰浆早期和稳定时收缩率的改善效果，硫酸铝、工业石膏、明矾的合适掺量约为４％，６％，６％．
１．４耐水浸泡性
糯米灰浆的耐水性能可用软化系数ｋ＝ｆ湿／ｆ干来表征，其中ｆ干为试件养护２８ｄ的抗压强度，ｆ湿为试件养护２８ｄ后再在水中浸泡２８ｄ的抗压强度．软化系数越大，说明灰浆的耐水性越好，测试结果如表３所示．由表３可见，掺加明矾后，糯米灰浆的软化系数有所减小，即掺明矾糯米灰浆的耐水性能降低，当明矾掺量为６％时，软化系数约减小６％；而掺硫酸铝和工业石膏则可提高糯米灰浆的耐水性，二者分别使其软化系数提高了１６％和６％．
１．５耐冻融性能
试件脱模后首先在养护室中养护２８ｄ，然后进行耐冻融试验．根据ＪＧＪ７０—２００９《建筑砂浆基本性能试验方法》，首先将试件置于常温去离子水中浸泡４８ｈ，浸泡时水面应至少高出试件上表面２．０ｃｍ，再将浸泡过的试件取出放入－３０℃的冰箱中进行冷冻，１２ｈ后取出放入常温去离子水中进行融化１２ｈ．试验结果见表４，试件表面状况见图２．结果显示，掺硫酸铝试件的抗冻融性能最佳，并且随着掺量的增加而提高，当硫酸铝掺量为６％时，经过７次循环的试件依然完好；掺明矾对糯米灰浆的抗冻融性能有一定的改善，但会使试件周边脱落掉渣，这是因为明矾在糯米灰浆中与氢氧化钙反应生成钙矾石的同时，其中的Ｋ＋形成了易溶性盐，而易溶性盐的迁移和结晶破坏了试件的表层结构；掺加工业石膏对糯米灰浆抗冻融性能并未有明显改善．
２机理探讨
２．１ＳＥＭ分析
将养护２８ｄ的试件断面喷金后进行了ＳＥＭ分析，结果如图３所示．由图３可见，不掺添加剂的糯米灰浆固化后（图３（ｇ）），孔隙较大，而掺硫酸铝和明矾的糯米灰浆固化后（图３（ａ），（ｃ）），结构较密实，其中明矾糯米灰浆更为明显，这有助于提高其强度、耐水性能和耐冻融性能［１２］．研究［１３－１５］表明，当钙矾石形成时，需要结合和吸附３１～３２个水分子，使其体积增大１２５％左右，这对糯米灰浆早期收缩有很大的补偿作用．因此，掺硫酸铝、明矾后，糯米灰浆的前期强收缩过程变得较为温和，收缩率也有所降低．此外，钙矾石为高强度结晶体［１６］，在糯米灰浆中生成后，可作为强度骨架，有利于其早期强度的提高．工业石膏糯米灰浆固化后（图３（ｅ）），结构较松散，对提高其强度和改善耐候性没有作用．
２．２ＸＲＤ分析
未掺、掺添加剂糯米灰浆及工业石膏的ＸＲＤ分析结果如图４．由图４可见，在掺６％硫酸铝或明矾的糯米灰浆中，除含有方解石和未碳化的氢氧化钙外，还含有少量的、在不掺添加剂糯米灰浆中未发现的钙矾石，这说明硫酸铝和明矾引入后形成的钙矾石是糯米灰浆收缩性能得以改善的主要原因．掺６％工业石膏糯米灰浆中的主要物相是方解石、氢氧化钙和白云石，未检测到石膏成分．根据测试结果推测，工业石膏对糯米灰浆收缩性能的改善主要是其中的白云石起到骨料的填充作用，另外，可能还有半水石膏水化后体积膨胀起到了补偿收缩作用．
２．３碳化深度测试
为了了解添加剂对糯米灰浆力学性能的改善机理，本文对不同灰浆试件进行了碳化深度测试．试件养护９０ｄ，用酚酞指示剂对其掰断面进行定性评估．测试结果如表５和图５所示．从表５可见，不掺添加剂糯米灰浆和掺工业石膏糯米灰浆的碳化程度相对较高，而且掺添加剂糯米灰浆的碳化也较均匀．石灰碳化需要Ｈ２Ｏ和ＣＯ２［１７－１８］，掺明矾和硫酸铝后，糯米灰浆结构致密，使外部的Ｈ２Ｏ和ＣＯ２不易进入灰浆内部，所以，其碳化程度较低；不掺添加剂或掺工业石膏的糯米灰浆孔隙较多，有利Ｈ２Ｏ和ＣＯ２渗入、碳化，所以，其碳化程度较高，另外，由于工业石膏糯米灰浆中的细小孔隙分布均匀，因此其碳化也较为均匀．试验发现，掺明矾和硫酸铝后，糯米灰浆在碳化过程中形成了较为明显的Ｌｉｅｓｅｇａｎｇ环（见图５（ａ））．这时由于小石灰颗粒和灰浆孔隙共存所致［１９］．
３结论
（１）明矾和硫酸铝对提高糯米灰浆强度，特别是提高其早期强度具有明显作用．掺明矾或硫酸铝的糯米灰浆，其２８ｄ抗压强度分别提高了２．６倍和２．０倍．（２）３种添加剂对于降低糯米灰浆的收缩率均有明显作用，使其早期收缩变缓，裂缝减少．明矾和硫酸铝改善糯米灰浆收缩性能的机理主要是形成了钙矾石，其固相体积膨胀对糯米灰浆的干燥收缩起了一定补偿作用；而工业石膏对糯米灰浆收缩性能的改善，主要是因为石膏中白云石的填充效应以及半水石膏水化形成二水石膏的膨胀效应．（３）明矾中的Ｋ＋可在糯米灰浆中产生可溶性盐，从而导致明矾糯米灰浆的抗冻融性能和耐水性能明显降低．因此，在古建筑保护中，明矾不宜用作糯米灰浆的添加剂．硫酸铝对糯米灰浆综合性能改善效果较好，建议在古建筑修复中，采用掺４％～６％硫酸铝糯米灰浆。
作者：李祖光 方世强 魏国锋 张秉坚 单位：浙江工业大学 化学工程与材料学院 安徽大学 文物与博物馆学系