FTIR技术在古建筑修复中的应用

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

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