古建筑修缮用石材粘补材料试验研究

丁 伟

（河北省建筑科学研究院有限公司，河北 石家庄 050021）

0 引 言

作为人类文明发展的重要遗产之一的现存古建筑，既是历史的例证，也是文明的载体，有着极高的历史价值、艺术价值、科学价值以及社会价值和文化价值。随着社会的发展及人类物质文明和精神文明的提高，保护现存古建筑为主体的文物遗产保护项目已引起人们的广泛关注。近年来，国家对文物保护工作的重视程度和资金投入越来越大，保护项目越来越多，保护工作越来越科学化，文物保护前的科学研究工作越来越不可或缺。

各个不同历史时期的古建筑，或者一个古建筑中不同历史时期的构件，都代表着某一个历史阶段的文化艺术和科学技术的发展成就［1］。一个古建筑保留下来的原构件越多，它的历史价值和艺术价值就越高。在进行石质古建筑修缮加固时，为了最大限度保存古建筑中残留石构件，在修缮中应尽量做到能加固的加固，能修补的修补，能粘接的粘接。而石材修补与粘接技术的关键是粘接材料。

本文以古建筑石活修补与粘接技术为引，总结了几种古建筑石活粘接材料，选取传统粘接材料中的补石配药及现代粘接材料中的环氧树脂为研究对象，进行了试验研究。

1 古建筑石活修补与粘接

当古建筑石构件出现残缺、风化酥残、断裂等损伤时，可进行修补与粘接。修补方法有：①局部残缺、缺损，可将缺损或残缺的部分用錾子剔凿成易于补配的形状，然后按照补配的部位选好荒料，新旧接茬处清理干净后粘接牢固，面积较大的可在隐蔽处嵌入扒锔等铁活；②局部风化酥残，可将表面风化酥残部分剥掉，直到露出硬茬为止，选配与之相同石质色泽的石料进行加工，做成雏形进行粘接；③石构件断裂，可将断裂面进行清理并做成糙面，采用粘接材料进行粘接，构件粘接面较大时，应在断面隐蔽处嵌入扒锔或其他铁件，再用粘接材料粘接。上述损伤进行粘接时，为了不使粘接剂溢出拼缝的外口，应将粘接剂涂到距离外口约2～5 mm 处为宜，预留的缝隙再用同样色泽的石粉拌合粘接剂勾抹严实，最后打点修理。

石活修补与粘接的关键之一，便是所选取粘接材料的好坏以及适用与否。截至目前，古建筑石活修补与粘接常用的粘接材料有传统（旧法）粘接材料和现代（新法）粘接材料两类，简要总结如下。

1.1 传统粘接材料

1）焊药粘接。材料和比例（重量比）为白蜡∶芸香∶松香∶黑炭=2∶1∶1∶33；又法黄蜡∶松香∶白矾=1.5∶1∶1。调制方法将几种材料按照重量比拌合在一起，徐徐加温后即熔化成一种粘接剂。

2）补石配药。材料和比例（重量比）为白蜡∶黄蜡∶芸香∶石粉∶黑炭=3∶1∶1∶56∶30。调制方法将几种材料按照重量比拌合在一起，徐徐加温后即熔化成一种粘接剂。

漆片：将石料的粘接面清理干净，然后将粘接面烤热，趁热把漆片撒在上面，待漆片溶化后即能粘接［2］。

1.2 现代粘接材料

1）素水泥浆。适用于较小块石活的粘接。

2）环氧树脂。配方和比例（重量比）为环氧树脂（#6101）∶乙二胺=100∶6～8；又法环氧树脂（#6101）∶乙烯三胺∶二甲苯=100∶10∶10。此外，还有环氧树脂（#6101）∶聚酰胺∶乙二胺=100∶30∶6～8。

上述传统粘接材料在文物建筑修缮工程中均有应用，其中传统粘接材料的“焊药”及“补石配药”，均为传统经验配方，很值得深入研究；而现代粘接材料中的环氧树脂，越来越多的应用到了文物建筑中。本文选取“补石配药”及环氧树脂（配方及比例选取∶环氧树脂∶聚酰胺∶乙二胺=100∶30∶7）开展试验，研究“补石配药”配方的可调整性及其粘接要点，确定“补石配药”与石材的正拉粘结强度，以及环氧树脂添加不同比例石粉拌合后与石材的正拉粘接强度。

2 粘接材料试验

2.1 测试设备

本次试验中，正拉粘结强度试验采用数显式粘结强度检测仪。

2.2 试件制备

选取有代表性石块加工成厚度约 150 mm 的片状，并将其中一侧大面打磨粗糙，从石材表面向石材内部切割预切缝，切入石材深度 10～15 mm，宽度约 2 mm，预切缝形状为直径 50 mm 的圆形；然后将配制好的粘接材料铺涂于预切圆形面上，并加压，环氧树脂厚度约 2～3 mm（补石配药厚度约 3 mm～5 mm）。

2.3 正拉粘结强度测试

1）将制成的正拉粘结强度试件养护 7 天后，采用高强、快固化的胶粘剂粘贴钢标准块。

2）采用粘结强度检测仪连接钢标准块，以均匀速率连续加荷，记录破坏荷载，并观察其破坏形式。

2.4 补石配药与石材的正拉粘结强度试验

选取补石配药，材料和比例（重量比）为白蜡∶黄蜡∶芸香∶石粉∶黑炭=3∶1∶1∶56∶30。试验结果显示补石配药与石材的粘结强度较低。故增加 5 种配比的补石配药，对正拉粘接强度进行试验，试验结果如表1 所示。

根据上述试验结果可知，所选用的几种配比的补石配药与石材的粘结破坏形式均为胶层与石材之间的粘附破坏，其中配比为白蜡∶黄蜡∶芸香∶石粉∶黑炭=4.5∶1.5∶1.5∶56∶30的补石配药与石材的正拉粘接强度相对最高，平均值约为 0.31 MPa。

通过对补石配药试件制作过程观察分析，并结合正拉粘结强度试验发现，石活粘接质量的好坏与粘接时粘接面的温度有关，在对石材进行粘接前，需将处理后的石材粘合面进行加温后，再立即进行粘接或修补工作，否则粘接质量较差。此外，调制补石配药过程中发现，补石配药调制好后，具有快速硬化的特性和可逆性，其中可逆性是指修补剂硬化后，如再对其缓缓加温，又可熔化成可用修补剂，但不宜超过一次，因随重复次数增加，修补剂强度下降明显。

表1 正拉粘结强度试验结果

综合分析，补石配药用于粘补石活可取得较好的效果，但对施工温度控制要求较严格。此外，由于补石配药与石材的正拉粘结强度不高，且硬化速度较快，适用于较小部位修补，或用于受压部位，不适用于悬挑构件受拉部位。

2.5 环氧树脂与石材的正拉粘结强度试验

通过添加石粉对环氧树脂稠度进行调整，以达到便于裂缝粘接、修补或断裂粘接的稠度。通过试验选取两种环氧树脂配比，分别为环氧树脂∶聚酰胺∶乙二胺∶石粉=100∶30∶7∶10 和环氧树脂∶聚酰胺∶乙二胺∶石粉=100∶30∶7∶70。

配比为100∶30∶7∶10的环氧树脂粘接剂，稠度较适宜裂缝粘接工作，制作 3 个试件，其与石材的正拉粘结强度试验结果如表2 所示。

表2 正拉粘结强度试验结果

配比为 100∶30∶7∶70 的环氧树脂粘接剂，稠度较适宜修补与断裂粘接工作，制作 3 个试件，其与石材的正拉粘结强度试验结果如表3 所示。

表3 正拉粘结强度试验结果

根据上述试验结果可知，环氧树脂粘接剂与石材的粘结破坏形式均为胶层与石材之间的粘附破坏，其中低添加石粉的环氧树脂粘接剂与石材的正拉粘结强度平均值约为 2.91 MPa，高添加石粉的环氧树脂粘接剂与石材的正拉粘结强度平均值约为 2.76 MPa。相对于补石配药，环氧树脂粘接剂具有较高的正拉粘结强度，而且随着石粉添加量的增加，环氧树脂粘接剂的正拉粘结强度未见明显降低。

综合分析，添加石粉后的环氧树脂粘接剂有较好的正拉粘结强度，粘接性能好，可适用于悬挑构件的受拉部位。但其耐高温与耐候性稍差，尤其在紫外线的直接照射下较易老化，在工程应用中应予充分考虑［3］。

3 工程应用效果

配比为白蜡∶黄蜡∶芸香∶石粉∶黑炭=4.5∶1.5∶1.5∶56∶30 的补石配药，以及试验所采用的两种配比的环氧树脂，在某全国重点文物保护单位石塔中得到应用。通过跟踪观察保护修缮施工中石活粘接过程，以及粘接后效果，是适宜可行的。

4 结 论

1）补石配药配比以白蜡∶黄蜡∶芸香∶石粉∶黑炭=4.5∶1.5∶1.5∶56∶30 为佳，正拉粘结强度平均值可达 0.31 MPa，破坏形式为胶层与石材之间的粘附破坏。补石配药粘接石材时，应先将粘合面进行加温处理后，再立即进行粘接或修补工作。补石配药具有快硬性和可逆性。

2）配比为环氧树脂∶聚酰胺∶乙二胺∶石粉=100∶30∶7∶10 的环氧树脂粘接剂，以及环氧树脂∶聚酰胺∶乙二胺∶石粉=100∶30∶7∶70 的环氧树脂粘接剂，正拉粘结强度平均值分别为 2.91 MPa 和 2.76 MPa，破坏形式均为胶层与石材之间的粘附破坏。环氧树脂粘接剂在随着石粉量的增加，其稠度增加，而与石材的正拉粘接强度未见明显下降。

3）补石配药与石材的正拉粘结强度较低，且硬化速度较快，适用于较小部位修补，或用于受压部位，不适用于悬挑构件受拉部位。环氧树脂粘接剂，有较好的正拉粘结强度，粘接性能好，可适用于悬挑构件的受拉部位。Q