布魯克 HYPERION II FTIR光譜儀在古建筑修復中的應用
2024-04-01
一、FTIR
古建筑修復時，通常需要替換古老的“混凝土”。布魯克 HYPERION II FTIR光譜儀和紅外顯微鏡在精確分析材料成分方面是優(yōu)秀的工具。
你是否想過，為什么一些古建筑，例如古羅馬渡槽或伊斯坦布爾的圣索菲亞大教堂等，可以保存得如此完好？其秘密就在于波佐利火山灰，這是一種天然的硅質(zhì)或硅鋁質(zhì)材料，以意大利那不勒斯附近的小鎮(zhèn)波佐利命名。著名的火山灰反應，就是它在室溫下與氫氧化鈣在有水的情況下發(fā)生反應，從而形成用途廣泛的水泥。
位于錫爾苗內(nèi)的卡圖盧斯石窟 ?Inga K?hler版權(quán)所有
二、古混凝土的FTIR分析
即便是耐用的建筑也需要不定期進行維護。遺憾的是，在保護修復過程中發(fā)生了很多錯誤。例如現(xiàn)代水泥的使用，可能會導致建筑物修復層出現(xiàn)裂紋，從而產(chǎn)生水分聚集使建筑物受潮，嚴重危及建筑物的壽命。因此，我們需要對舊水泥的組分進行全面的分析，并根據(jù)分析結(jié)果，制作仿古水泥進行保護修復。
對于這種分析應用，布魯克 HYPERION II FTIR光譜儀和紅外顯微鏡將是非常理想的選擇。它們不僅能夠提供水泥精確礦物組成信息，還可以通過成像分析深入揭示這些成分的空間關(guān)系。
在討論FTIR成像分析之前，我們先快速了解一下古羅馬水泥的典型FTIR譜圖。
三、古羅馬水泥的FTIR譜圖
古羅馬水泥的FTIR譜圖
FTIR譜圖表明古羅馬水泥它不僅含有無機添加劑，還含有有機添加劑。光譜分析顯示此水泥含有CaCO3、火山灰和石英等粘合劑成分，由此可見沙子是主要成分之一。此外，樣品中還檢測出鐵和少量石膏。
有了這些信息，古建筑修復人員就能夠精確配制出與原始水泥相同的化學和礦物學組成配方。
修復人員正在修復古羅馬建筑
四、水泥科學
有時，簡單的成分分析還遠遠不夠。FTIR成像測試可以幫助修復人員確定與混凝土穩(wěn)定性緊密相關(guān)各組分的空間分布。以硅酸鈣鹽水合物（C-S-H相）分布為例，讓我們來簡要了解一下這背后的科學原理。
C-S-H相具有優(yōu)異的膠凝性能，他們就像是將混凝土粘合在一起的膠水。這些相是在所謂的“火山灰反應”中形成的。在此過程中，兩種本身無法膠合的組分生成為非常堅固的材料。這些材料中富含二氧化硅，例如，天然玻璃或火山灰，以及氫氧化鈣（見下方的方程（1））。這些組分被稱為潛在水硬性材料或火山灰材料。
(1) Ca(OH)2 + H4SiO4 → CaH2SiO4·2 H2O
古羅馬混凝土板（Roy Kaltschmidt攝于伯克利實驗室）
C-S-H相可以通過電子微探針（EPMA）等各種不同的技術(shù)進行原位分析。EPMA可以通過元素映射，直觀地描繪不同元素及其分布。但是，用這種技術(shù)測定C-S-H相的模態(tài)量和精確分布十分具有挑戰(zhàn)性，甚至幾乎不可能。
值得慶幸的是，ATR-FTIR 成像足以應對這一挑戰(zhàn)！
五、通過FTIR成像對混凝土進行結(jié)構(gòu)分析
在以下示例中，我們通過FTIR成像測定了古混凝土反應邊緣中C-S-H相的分布和來源。在這項工作中，我們使用了帶有焦平面陣列（FPA）探測器的布魯克HYPERION II FTIR顯微鏡。
FTIR圖像中的顏色代表Ca/Si比率。深藍色區(qū)域表示含有大量Si，白色區(qū)域表示含有大量Ca。綠色表示C-S-H相。
由配備有FPA探測器的HYPERION測得的ATR-FTIR成像圖
由上圖可知富硅區(qū)與富鈣石灰?guī)r之間的過渡區(qū)形成了C-S-H相，說明富硅玻璃在該樣品中充當了火山灰材料。反應如式(1)所示。
為了獲得過渡區(qū)邊緣的更詳細信息，我們根據(jù)顏色方案記錄下各張光譜。結(jié)果表明，區(qū)域（a）由霰石、C-S-H相和SiO2凝膠組成，紅色區(qū)域（b）方解石相對含量增加，白色區(qū)域（c）主要由方解石組成。
霰石和SiO2凝膠的存在說明C-S-H相的碳酸化。空氣中的二氧化碳與水泥中的含鈣相發(fā)生化學反應，可以有助于材料的致密化，從而提高其機械性能。
FTIR成像還揭示了與霰石和SiO2凝膠相關(guān)聯(lián)的高度聚合C-S-H相。聚合可以提高混凝土的強度、降低滲透性，并提高混凝土的化學穩(wěn)定性。但是，過度聚合可能會導致收縮、內(nèi)部應力和可加工性降低等問題。這些因素極大地影響修復工作和整體混凝土性能。
布魯克 HYPERION II FTIR光譜儀和紅外顯微鏡是古混凝土分析的有效工具。它們可以幫助修復人員準確地復制出古混凝土的化學組成，從而避免因使用現(xiàn)代材料帶來的問題。除此之外，F(xiàn)TIR成像還有助于確定關(guān)鍵的混凝土組分的空間分布，例如，C-S-H相，從而提供了有關(guān)古混凝土制備過程及其隨時間與環(huán)境相互作用的寶貴信息。
使用具有FPA的ATR-FTIR成像技術(shù)，可以獲得更好的信噪比。不僅如此，使用FPA檢測器無需對樣品進行逐點監(jiān)測，而是單次測量在2S內(nèi)即可獲得32×32 (1024)個測量點的光譜譜圖信息。并且，實現(xiàn)以最短的測量時間獲得最大的空間分辨率。
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