天然水硬性石灰的制备、性能与硬化机理及其在北京地区古建筑修复工程中的应用研究

20250126

建筑业

本研究围绕天然水硬性石灰（NHL）为基础的古建筑修复材料，系统地展开了从原料选择、煅烧工艺优化到水化-碳化反应机理、宏观性能调控等多方面的研究，取得了一系列创新成果。目前，该研究在技术上已达到较为成熟的阶段，尤其在煅烧工艺、性能优化和材料应用等方面具有明显的突破。 首先，针对煅烧工艺的优化，研究已明确提出采用1150℃煅烧温度、45分钟的恒温时间以及高于500℃/分钟的快速降温速率，以促进β-C2S的形成并提高材料的活性。掺入7.5%CaSO4作为稳定剂有效提升了C2S的活性并抑制了γ-C2S的转化，优化了材料性能的同时，也降低了能耗。这一工艺的成熟使得NHL的生产过程更加高效且节能。 其次，水化-碳化过程中的微观形貌和结构演变的研究通过SEM、XRD和TGA-DTA等表征技术得到了深入分析，揭示了其硬化反应与碳化过程的耦合机制。这为NHL基灰浆的性能调控提供了坚实的理论基础，尤其在力学强度、耐久性以及工作性方面表现出显著优势。通过优化添加矿渣粉（GGBFS）和偏高岭土的掺量，进一步提升了砂浆的力学强度、耐久性及抗侵蚀性能，证明了其在古建筑修复中的潜力。 目前，该科研成果在修复灰浆的性能优化方面已经取得了显著进展，相关的性能指标，如抗压强度、抗侵蚀性等，在NaOH、NaCl及Na2SO4等环境介质中均展现了良好的稳定性，具备了实际应用的基础。此外，研究开发的NHL基修复材料在明长城大庄科段的试点应用中取得了良好效果，验证了其工程可行性。 在科技成果转化的进程中，该技术已进入实际试点应用的阶段，尤其在北京地区的长城、故宫等古建筑的修复工程中，NHL基材料的应用前景广阔。当前，成果的转化已初具规模，部分地方已经开始在古建筑修复项目中使用该材料，且得到了初步的工程反馈和技术验证。接下来，将进一步完善其在大规模修复项目中的推广应用，为更多历史文化遗产的保护与修复提供可靠的技术支持。

为确保本研究成果能够顺利转化，合作方需要提供足够的资金支持。资金主要用于以下几个方面：科研与技术优化，用于进一步提升NHL基材料的性能和工艺，特别是材料的耐久性、力学强度及环境适应性；大规模试验与示范应用，用于在不同类型的古建筑修复项目中进行大规模的应用试验，验证材料在实际应用中的稳定性和长期效果；产业化与推广，用于支持成果的市场化应用，包括建立产品示范基地、技术培训、宣传及市场推广活动等。资金投入应确保从实验室研发到工程实际应用的全过程顺利进行。 合作方需提供适合科研、试验及生产的场地支持。首先，合作方需要提供科研实验室，具备物理化学分析实验条件，如微观结构分析实验室和材料性能测试实验室等；其次，合作方需要提供一个适用于大规模生产和应用测试的生产及试验基地，以便进行煅烧工艺的优化及材料的批量生产；此外，合作方还需提供适合古建筑修复的现场支持，特别是能够配合长城、故宫等文化遗产修复的实际工程现场，进行材料的实际应用。 为确保科研及技术转化的顺利进行，合作方需要提供必要的设备支持。设备主要包括高温炉及煅烧设备，用于煅烧工艺的优化及材料性能的提升；测试与表征设备，如扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、热重分析仪（TGA-DTA）等，用于分析材料的微观结构及水化-碳化反应过程；力学性能测试设备，包括抗压试验机、耐久性试验设备、侵蚀性测试设备等，用于评估材料的力学性能和环境适应性；以及生产设备，如用于制备砂浆样品的搅拌设备和加热装置，确保材料的实际生产和测试。 合作方需配备具有相关领域知识和技能的专业人员，确保项目的高效推进。人员要求包括：科研人员，尤其是材料科学、土木工程、古建筑修复等领域的专家，能够支持NHL材料的进一步研发和性能提升；工程技术人员，具备建筑修复经验的技术人员，能够指导和实施材料在实际修复项目中的应用；项目管理团队，负责整个合作项目的协调和管理，确保项目按计划进展，并解决出现的任何问题；以及市场推广团队，具备市场分析、推广和客户服务经验的人员，能够推动该技术在古建筑修复领域中的应用及普及。

可国（境）内外转让

本研究围绕国产天然水硬性石灰（NHL）基修复材料的研发，取得了显著的技术突破。通过对煅烧工艺的优化以及配方的改进，本研究开发的NHL基修复材料，具有良好的力学性能、耐久性及环境适应性，能够为古建筑修复提供高效、环保的解决方案。随着该技术的转化，预计将带来显著的经济效益、社会效益和环境效益。 首先，经济效益是该成果转化的一个重要方面。目前我国NHL依赖进口，导致修复成本较高，而本研究开发的NHL基修复材料在成本上具有明显优势。通过优化煅烧工艺，提高了材料的活性和性能，降低了生产过程中的能耗，减少了生产成本。此外，研究提出的优化配方使得原材料的使用更加高效，避免了浪费，从而进一步降低了总体成本。因此，NHL基修复材料将为古建筑修复项目提供更具成本竞争力的选择，减轻了修复资金的压力，提高了修复效率。 随着古建筑修复需求的不断增加，市场对高性能修复材料的需求也在不断扩大。特别是在长城、故宫等世界文化遗产的修复过程中，传统修复材料往往存在性能不足的问题，无法有效应对长期使用和自然环境的挑战。本研究成果的转化，不仅能够满足市场对高性能修复材料的需求，还能为更多的古建筑修复项目提供技术支持。随着该技术的推广，预计在未来几年内，NHL基修复材料将在国内古建筑修复领域得到广泛应用，推动修复产业的快速发展，促进相关产业链的形成，创造新的经济增长点。 其次，本研究成果的转化具有重要的社会效益。古建筑作为承载历史文化遗产的重要载体，保护和修复古建筑不仅是对文化遗产的传承，更是增强民族文化认同感的关键。随着城市化进程的推进，许多历史建筑面临着环境侵蚀、结构衰退和人为破坏的威胁。传统修复方法虽然能够一定程度上恢复建筑外观，但无法有效延长建筑的使用寿命，也不能完全保证修复后的稳定性和持久性。NHL基修复材料在古建筑修复中的应用，能够有效增强修复后的建筑强度和耐久性，延长其使用寿命，保证其历史文化价值的长期保存。通过这种方式，本研究成果的转化将有力促进文化遗产的保护，增强社会公众的文化保护意识，推动社会可持续发展。 另外，本研究成果还具有显著的环境效益。随着环境保护政策的不断加强，建筑行业面临着巨大的环保压力。NHL基修复材料通过优化煅烧工艺，降低了生产过程中所需的能源消耗，并减少了二氧化碳等温室气体的排放。此外，NHL本身作为一种环保材料，与传统水泥材料相比，具有更低的环境负担。因此，本研究成果的转化不仅符合绿色建筑材料的发展趋势，也推动了建筑修复领域的绿色发展。应用该技术修复古建筑，不仅能够保护文化遗产，还能减少对环境的影响，有助于实现节能减排的目标，推动绿色建筑理念的普及和实践。 综上所述，NHL基修复材料的科技成果转化将在经济、社会和环境等方面产生广泛的积极效应。通过降低古建筑修复成本，提高修复材料的性能，推动文化遗产保护，减少环境污染，促进绿色建筑材料的应用，本研究成果将在推动文化遗产保护和可持续发展方面发挥重要作用。随着这一技术的推广和应用，预计将为古建筑修复行业提供更加高效、环保的解决方案，为相关产业的发展带来新的机遇，同时为社会创造更大的经济价值和社会效益。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本研究围绕古建筑修复的核心需求，以天然水硬性石灰（NHL）为对象，系统开展了从原料选择与煅烧-消化机制、水化-碳化反应机理、宏观性能发展规律，到修复灰浆性能调控与优化及古建筑灰浆科学分析的全链条研究。研究表明，在煅烧工艺优化方面，采用1150℃的煅烧温度、45分钟的恒温时间及高于500℃/分钟的快速降温速率，能够显著促进β-C??S的形成。同时，掺入7.5%的CaSO4作为稳定剂，有效提升了C2S的活性并抑制了γ-C2S的转化，从而在降低能耗的同时优化了材料性能。通过SEM、XRD和TGA-DTA等表征技术，系统解析了NHL在水化-碳化过程中的微观形貌和结构演变，明确了其硬化反应与碳化过程的耦合机制。研究进一步发现，加入矿渣粉（GGBFS）显著促进了水化产物的生成和孔结构的细化，提升了砂浆的力学强度和耐久性；而掺入偏高岭土则优化了孔隙分布，并加速了凝结过程。基于多性能耦合研究，构建了NHL灰浆性能评价标准，通过调控水胶比和聚羧酸减水剂的掺量，改善了浆体的流动性及粘弹性转变特性，确保其在修复应用中的工作性与力学性能。环境侵蚀测试结果显示，优化后的NHL砂浆在NaOH、NaCl及Na2SO4介质中表现出优越的抗侵蚀性能，尤其在抗压强度方面展现出长期稳定性，验证了其作为古建筑修复材料的潜力。在对明长城大庄科段古灰浆的成分分析中，研究确认其为纯气硬性镁质石灰灰浆，长期碳化过程中碳酸钙颗粒得以细化，显著提高了灰浆硬化体的致密性。开发的NHL基修复材料在明长城试点应用中表现出良好效果，进一步验证了其工程可行性与实际应用价值。本研究全面揭示了NHL及其改性材料在煅烧工艺、添加剂配比、微观结构演变及环境侵蚀条件下的性能变化规律，显著提升了NHL基材料在北京地区长城、故宫等古建筑修复工程中的应用性能，为该材料的进一步推广提供了重要的理论支撑和技术指导。