古建筑遗址是人类历史文化遗产的重要组成部分,见证了人类文化的发展和科技的进步。目前,中国保有大量如城墙、墓葬、石雕造像及岩画壁画等砖石及岩土质古建筑遗址,而此类遗址保护工作的关键就在于修护所采用的胶凝材料是否得当,因此,古建筑修护胶凝材料的研发一直是相关领域学者的研究重点。石灰-偏高岭土(Lime-metakaolin,L-MK)胶凝材料是由熟石灰与偏高岭土混合而成的胶凝材料,由于其机械强度适中、透水透气性良好、不含可溶性盐类等特性,可与古建筑基体进行良好兼容,因而成为近几年古建筑修复材料领域的研究热点。本文以氢氧化钙和偏高岭土为原料,制备了L-MK净浆及砂浆,并以性能增强及生产安全性为出发点,选用坡缕石、硅灰石、水镁石及海泡石四类非石棉天然矿物纤维对其进行改性。采用现代测试手段对浆体的固化反应机理、物相成分和微观结构变化以及纤维改性机理等方面进行了分析研究,本文主要研究内容和成果如下:(1)在偏高岭土掺量0%~50%范围内,其掺量的增加有助于净浆中水化反应的进行,使材料整体性能提高。其中,当掺量40%~50%时,C4AH13为反应初期的主要结晶态水化产物,而后C4AH13逐渐向C2ASH8转化,28天时C2ASH8成为主要产物,养护28天可可基本将原料Ca(OH)2反应完全;掺量10%~20%时,C4AH13为整个过程中的主要结晶态水化产物,养护28天时样品中仍存有大量未反应的Ca(OH)2;掺量30%时,经过28天养护,产物中C4AH13和C2ASH8并存,也存在一定量未反应的Ca(OH)2;整个养护过程中C4A?H11仅作为中间产物短时间存在于反应初期,对材料结构和性质影响不大;此外,水化产物C-S-H中存在普遍的Al类质同象替代Si的现象。(2)与净浆相比,标准砂的加入会延缓砂浆的水化反应进程,有利于碳化反应的进行;偏高岭土掺量的升高有助于砂浆机械强度、抗干燥收缩性、质量稳定性、水稳定性及抗硫酸盐腐蚀性的提高;较高的养护湿度条件有利于L-MK砂浆总体性能的提升,表明L-MK砂浆适用于潮湿环境中,但高湿度条件下养护后的L-MK固化砂浆对硫酸盐侵蚀的敏感性更高;胶砂比和水胶比的改变,会对新拌砂浆的工作性能及固化砂浆的物理、力学性能产生不同程度的影响。(3)在坡缕石及硅灰石纤维粉改性L-MK砂浆中,纤维粉尺寸越细小,改性作用效果越明显,但两种纤维对砂浆的作用机理不同:坡缕石纤维会促使水化产物沿纤维表面生长成放射状的脉络结构,而硅灰石则会参与体系内部水化反应;两种纤维粉均会在一定程度改善砂浆的柔韧性,有利于提高砂浆的抗裂性能;坡缕石纤维的添加会使新拌砂浆流动度明显减小,收缩值和吸水性变大,而力学性质有不同程度的下降;硅灰石纤维会增加砂浆流动度,收缩值和吸水性变小,有利于抗折强度的提升,对抗压强度影响不大,经分析,坡缕石纤维最佳掺量为2%~4%,硅灰石为4%;(4)在水镁石及海泡石纤维改性L-MK砂浆中,经过松解处理,可以使纤维束发生显著松解,杂质含量减少,相比于干法添加,湿法添加更有利于纤维在砂浆中的均匀分散;两种纤维的添加均会减小新拌砂浆的流动度,增加固化砂浆的收缩性及吸水性,其中海泡石纤维影响效果更为明显;此外,水镁石和海泡石纤维的添加会在砂浆内部形成三维网状结构,能有效承担并消耗断裂能,使砂浆力学性能获得一定提升;水镁石和海泡石纤维分别在掺量2%和6%时效果最好。(5)基于纤维增强复合材料中纤维和裂纹的几何关系模型,探究了水镁石和海泡石纤维改性L-MK材料中乱向分布的微裂纹和纤维之间的量化关系。在假定微裂纹尺寸一定的条件下,裂纹与纤维的接触概率与纤维掺量成正比,与纤维长径比成反比。水镁石纤维相比海泡石纤维具有更低的相对密度和长径比值,有利于在较少的纤维体积掺量条件下增加微裂纹与纤维的接触概率,从而可在较少的纤维掺量条件下发挥其纤维增强赠韧的作用效果。