正硅酸乙酯在土遗址风化层中的有机改性研究

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正硅酸乙酯因其优越的渗透性被广泛地研究及应用于文物建筑风化层加固领域。然而作为一种持久有效的文物表层保护材料,正硅酸乙酯的耐久性能仍需进一步优化及提升。本研究分别采用以添加不同质量比例(5%、10%、15%、20%、25%)的有机硅改性剂(正辛基三乙氧基硅烷(OTES)、聚甲基氢硅氧烷(PMHS))对正硅酸乙酯(TEOS)进行改性。结果表明,单独采用两种有机硅改性剂改后的TEOS均可明显提高土体的基本性能和耐久性能;当改性剂添加量在20%以下时均可获得较好的外观兼容性;当改性剂添加量为15%时抗压强度增长率最高可达156%、180%;吸湿性最大降低率皆可达90%左右;水滴与土体的接触角随改性剂添加量的增加而增大且分别介于42°-80°、121°-131°;改性加固试样经15天的耐水性、耐盐性浸泡实验后均未发生崩解,高添加量改性加固试样经10次干湿、冻融循环后仍保持完好。为进一步提高改性TEOS的渗透性,本文探究了不同质量比例的Et OH(5%、10%、15%、20%、25%)+TEOS体系及OTES、PMHS分别改性Et OH-TEOS体系对TEOS渗透速率、土体力学性能及耐久性能的影响。结果表明,在不同比例的Et OH-TEOS体系中,Et OH提高TEOS渗透速率最大可达73%;当Et OH添加量为15%以上时加固后的土体可明显观察到开裂现象,抗压强度损失率可达9%,同时经2次干湿或冻融循环土体出现大面积坍塌。经15%添加量的OTES、PMHS改性后的Et OH(15%)+TEOS体系对土体的保护效果与OTES(15%)+TEOS、PMHS(15%)TEOS效果相当,同时Et OH的存在可进一步提高单一有机硅改性的渗透性。土体性能的改善主要归结于以下三点:(1)Et OH的存在主要作为溶剂提高加固材料的渗透能力;(2)OTES、PMHS、TEOS均可通过水解固化起到填充孔隙及连接土体颗粒的作用,且有机硅改性剂添加量为15%时水解固化最为充分。(3)OTES、PMHS均因结构中存在的疏水基团而使加固后的土体具有较好的耐久性能。针对最佳改性TEOS配比(15%PMHS+15%Et OH+70%TEOS)同时进行了土体含水率(0%、5%、10%、15%)、固化温度(20℃、40℃、60℃、80℃)适用条件的探究及耐久性的评估。研究发现试样经加固保护后可在表面形成强疏水保护层(接触角为106°-132°);含水率在10%及以下的土体具有较强的耐雨水冲刷性和耐干湿循环性,同时表层形成的硫酸钙涂层可形成一定的保护作用;同一含水率下固化温度的升高更有利于土体强度的提升。该探究得出了在土体含水率低于10%、相对较高的固化温度条件下(夏季气候),此加固材料可获得最佳的保护效果,同时本研究所得出的最佳改性TEOS配方可为其他类似土质、石质、砖质遗址风化层的加固修复提供一定的借鉴及相应的技术支撑。
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