FTIR技术在古建筑修复中的应用

2024-03-04 13:34:22 布鲁克(北京)科技有限公司-光谱仪器


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FTIR

古建筑修复时,通常需要替换古老的“混凝土”。FTIR光谱仪和红外显微镜在精确分析材料成分方面是优秀的工具。

你是否想过,为什么一些古建筑,例如古罗马渡槽或伊斯坦布尔的圣索菲亚大教堂等,可以保存得如此完好?其秘密就在于波佐利火山灰,这是一种天然的硅质或硅铝质材料,以意大利那不勒斯附近的小镇波佐利命名。著名的火山灰反应,就是它在室温下与氢氧化钙在有水的情况下发生反应,从而形成用途广泛的水泥。

位于锡尔苗内的卡图卢斯石窟 ©Inga Köhler版权所有

古混凝土的FTIR分析

即便是最坚固耐用的建筑也需要不定期进行维护。遗憾的是,在保护修复过程中发生了很多错误。例如现代水泥的使用,可能会导致建筑物修复层出现裂纹,从而产生水分聚集使建筑物受潮,严重危及建筑物的寿命。因此,我们需要对旧水泥的组分进行全面的分析,并根据分析结果,制作仿古水泥进行保护修复。

对于这种分析应用,FTIR光谱仪和红外显微镜将是非常理想的选择。它们不仅能够提供水泥精确矿物组成信息,还可以通过成像分析深入揭示这些成分的空间关系。

在讨论FTIR成像分析之前,我们先快速了解一下古罗马水泥的典型FTIR谱图。

古罗马水泥的FTIR谱图

古罗马水泥的FTIR谱图

FTIR谱图表明古罗马水泥它不仅含有无机添加剂,还含有有机添加剂。光谱分析显示此水泥含有CaCO3、火山灰和石英等粘合剂成分,由此可见沙子是主要成分之一。此外,样品中还检测出铁和少量石膏。

有了这些信息,古建筑修复人员就能够精确配制出与原始水泥完全相同的化学和矿物学组成配方。

修复人员正在修复古罗马建筑

水泥科学

有时,简单的成分分析还远远不够。FTIR成像测试可以帮助修复人员确定与混凝土稳定性紧密相关各组分的空间分布。以硅酸钙盐水合物(C-S-H相)分布为例,让我们来简要了解一下这背后的科学原理。

C-S-H相具有优异的胶凝性能,他们就像是将混凝土粘合在一起的胶水。这些相是在所谓的“火山灰反应”中形成的。在此过程中,两种本身无法胶合的组分生成为非常坚固的材料。这些材料中富含二氧化硅,例如,天然玻璃或火山灰,以及氢氧化钙(见下方的方程(1))。这些组分被称为潜在水硬性材料或火山灰材料。

(1) Ca(OH)2 + H4SiO4 → CaH2SiO4·2 H2O

古罗马混凝土板(Roy Kaltschmidt摄于伯克利实验室)

C-S-H相可以通过电子微探针(EPMA)等各种不同的技术进行原位分析。EPMA可以通过元素映射,直观地描绘不同元素及其分布。但是,用这种技术测定C-S-H相的模态量和精确分布十分具有挑战性,甚至几乎不可能。

值得庆幸的是,ATR-FTIR 成像足以应对这一挑战!

通过FTIR成像对混凝土进行结构分析

在以下示例中,我们通过FTIR成像测定了古混凝土反应边缘中C-S-H相的分布和来源。在这项工作中,我们使用了带有焦平面阵列(FPA)探测器的布鲁克HYPERION II FTIR显微镜。

FTIR图像中的颜色代表Ca/Si比率。深蓝色区域表示含有大量Si,白色区域表示含有大量Ca。绿色表示C-S-H相。

由配备有FPA探测器的HYPERION测得的ATR-FTIR成像图

由上图可知富硅区与富钙石灰岩之间的过渡区形成了C-S-H相,说明富硅玻璃在该样品中充当了火山灰材料。反应如式(1)所示。

为了获得过渡区边缘的更详细信息,我们根据颜色方案记录下各张光谱。结果表明,区域(a)由霰石、C-S-H相和SiO2凝胶组成,红色区域(b)方解石相对含量增加,白色区域(c)主要由方解石组成。

霰石和SiO2凝胶的存在说明C-S-H相的碳酸化。空气中的二氧化碳与水泥中的含钙相发生化学反应,可以有助于材料的致密化,从而提高其机械性能。

FTIR成像还揭示了与霰石和SiO2凝胶相关联的高度聚合C-S-H相。聚合可以提高混凝土的强度、降低渗透性,并提高混凝土的化学稳定性。但是,过度聚合可能会导致收缩、内部应力和可加工性降低等问题。这些因素极大地影响修复工作和整体混凝土性能。

FTIR光谱仪和红外显微镜是古混凝土分析的有效工具。它们可以帮助修复人员准确地复制出古混凝土的化学组成,从而避免因使用现代材料带来的问题。除此之外,FTIR成像还有助于确定关键的混凝土组分的空间分布,例如,C-S-H相,从而提供了有关古混凝土制备过程及其随时间与环境相互作用的宝贵信息。

使用具有FPA的ATR-FTIR成像技术,可以获得更好的信噪比。不仅如此,使用FPA检测器无需对样品进行逐点监测,而是单次测量在2S内即可获得32×32 (1024)个测量点的光谱谱图信息。并且,实现以最短的测量时间获得最大的空间分辨率。

如欲了解有关FTIR成像的更多信息,请阅读此文章:FTIR绘图与成像:差异说明 FTIR Mapping与Imaging之差异解析

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