CN107655779A - 盐结晶应力测量仪 - Google Patents

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赵静
罗宏杰
王丽琴
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明涉及盐结晶应力测量仪，包括：有效调节盐溶液结晶速率的环境控制单元；用于控制盐溶液对周围接触表面作用力变化的测试单元；用于记录盐溶液结晶过程中质量变化所导致应力变化的质量称量单元；以及与所述环境控制单元和质量称量单元相连的环境和质量实时在线记录单元；所述测试单元包括用于放置待测盐溶液的底层，以及位于所述底层上方的上层多孔层。本发明能够检测盐溶液结晶过程中对周围接触表面所产生作用力。

Description

盐结晶应力测量仪
技术领域
本发明属于文物保护领域，涉及一种检测盐溶液结晶过程中对周围接触表面作用力变化的盐结晶应力测量技术，更具体地，涉及一种盐结晶应力测量仪。
背景技术
中国具有5000多年连绵不断的历史，为人类文明的产生、发展与进步做出了巨大的贡献，孕育了众多分布在中华大地上的优秀文化遗产。其中由于自然侵蚀、环境变迁等原因，硅酸盐文化遗产的保存现状不容乐观，出现了许多危及文物安全的病害，其中最普遍、最严重的病害当属盐害。
对于壁画、石窟、土遗址、以及陶质文物等这些硅酸盐类文物，可溶盐离子随水在硅酸盐材料的空隙所形成毛细管力的作用下不断运移、或由于浓度差而产生的迁移，当某个区域盐溶液的浓度达到饱和后，盐结晶并产生膨胀导致材料孔壁破裂；世界文化遗产云冈石窟，从开凿至今约有50000尊石雕文物损毁于自然界各种应力，而最常见的是盐在岩石孔隙和空隙中的结晶压力对云冈石窟岩体（含石雕）的破坏；世界文化遗产莫高窟，在短短数十年时间内，一些壁画已经变得漫漶不清，确认可溶盐的反复溶解膨胀-结晶收缩及可溶盐的向外运移是导致颜料剥落，地仗疏松、掉块或逐渐散落的主要原因。据2004年全国馆藏文物腐蚀损失调查数据显示，在1470余万件馆藏文物中，重度病害文物约213万余件；“陶质彩绘文物保护国家文物局重点科研基地”调查表明，关中地区彩绘陶质文物基本保存完好的仅占50%，文物胎体保存不佳的占41%，其中最为严重的病害便是盐害导致的文物酥粉化。
目前关于可溶盐在多孔硅酸盐质文物中的研究，主要集中在文物的性能分析、含有的可溶盐种类、可溶盐来源、以及引起文物病变破坏的环境因素等宏观论述，关于盐结晶生长规律等研究，也主要侧重于晶体本身的微观结构、晶体化学定律、物理性质、以及环境对盐结晶生长的作用、结晶形成生长过程的控制、结晶动力学原理，以及经典的晶体生长的输运过程、边界层理论、晶体生长界面的稳定性、界面结构理论模型、界面动力学等，这些大量研究主要集中在环境对可溶盐结晶的影响，但是关于可溶盐溶液在多孔孔隙中的运移与分布、以及引起周围接触表面破坏的作用力类型和大小等研究鲜有报道。
发明内容
鉴于以上所述，本发明所要解决的技术问题在于提供一种检测盐溶液结晶过程中对周围接触表面所产生作用力的盐结晶应力测量仪，为研究可溶盐溶液在多孔文物孔隙中的运移与分布、以及引起破坏的作用力类型和大小等分析提供科学支撑。
为了解决上述技术问题，本发明提供的盐结晶应力测量仪，包括：有效调节盐溶液结晶速率的环境控制单元；用于控制盐溶液对周围接触表面作用力变化的测试单元；用于记录盐溶液结晶过程中质量变化所导致应力变化的质量称量单元；以及与所述环境控制单元和质量称量单元相连的环境和质量实时在线记录单元；所述测试单元包括用于放置待测盐溶液的底层，以及位于所述底层上方的上层多孔层。
根据本发明，将待测盐溶液放置于所述测试单元的底层表面，缓慢将上层多孔层表面内压于盐溶液表面并控制好与底层表面之间的距离，采用质量称量单元在线监测所述测试单元的底层和上层多孔层（简称双层接触表面）内部的盐溶液从非饱和状态到结晶过程中所发生的质量变化。
固定底层表面和上层多孔层表面距离不变，质量称量单元所记录的质量变化数据与盐溶液和双层接触表面的相互作用有关，即当质量称量单元中记录的数据负值变小时，表示底层表面与溶液之间的相互吸引作用变大，而当质量称量单元记录的数据正值变大时，表示底层表面受到的膨胀作用力变大。通过质量数据的变化进而可以确定从盐溶液到晶核形成、晶体生长、完全结晶等过程中对周围接触表面所发生的作用力变化。
此外，本发明所述有效调节盐溶液结晶速率的环境控制单元，可有效调节控制并记录仪器内的温度、相对湿度变化。
本发明所述质量称量单元，可有效的记录盐溶液结晶过程中引起与盐溶液相接触的底层和上层多孔层之间的质量变化。
优选地，本发明中，所述底层的材料为不会与盐溶液发生化学反应的材料。例如，可包括玻璃、或陶瓷等承载盐溶液的硅酸盐质材料。这类材料性能稳定，不容易发生化学反应。如果使用金属材质或有机材料，长期处于高湿条件下，容易对于精密测量仪器造成影响，产生实验误差。最好选择氧化锆材料，其物理化学稳定；强度大，具有很好的支撑作用；无油自润滑作用，便于实验后的清洁。
本发明所述上层多孔层的材料为不会与盐溶液发生化学反应的材料。该上层多孔层可以加大与空气的接触面积，增加盐溶液的挥发速率。
优选地，所述上层多孔层的材料选自氧化铝和氧化硅中的至少一种。
优选地，所述环境控制单元包括制冷装置和压缩机、加热器、加湿器、干燥器、温度传感器以及湿度传感器。
优选地，所述质量称量单元包括与所述底层相连的压力传感器。
优选地，本发明还包括用于控制所述上层多孔层的位置的固定杆。
优选地，本发明还包括用于控制所述底层与所述上层多孔层之间的距离的升降台。
本发明的检测盐溶液结晶过程中对周围接触表面所产生作用力变化的盐结晶应力测量仪，研究的文物对象可以包括壁画、石质文物、土遗址、陶质文物等。
且本发明的检测盐溶液结晶过程中对周围接触表面所产生作用力变化的盐结晶应力测量仪，实施的盐溶液主要包括氯化钠、硫酸钠、硝酸钠等硅酸盐质文物中含有的可溶盐。
根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述及其他目的、特征和优点。
附图说明
图1为根据本发明一实施形态的盐结晶应力测量仪的结构示意图；
图2示出了与图1所示盐结晶应力测量仪相连接的实时在线记录单元的示意图；
图3和图4分别为环境温度25℃、相对湿度65%条件下，所测试的纯水溶液和浓度10%Na2SO4溶液在玻璃材料的底层表面与上层孔径为1.0μm的氧化铝多孔层之间距离为2mm时所测试的实验结果；
符号说明：
1.盐结晶应力测量仪外壳
2.降温装置（制冷装置）
3.压缩机
4.加热器
5.加湿器
6.干燥器
7.温度传感器
8.湿度传感器
9.升降台
10.压力传感器（精密电子质量称量仪）
11.底层
12.上层多孔层
13.固定杆
14.实时在线记录单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
针对目前关于可溶盐溶液在多孔硅酸盐质文物孔隙中的运移与分布、以及引起破坏的作用力类型和大小等研究的空白，本发明研究了一种关于可溶盐溶液在结晶过程中对周围接触表面所产生作用力变化的盐结晶应力测量技术和方法，提供了一种盐结晶应力测量仪，包括：有效调节盐溶液结晶速率的环境控制单元；用于控制盐溶液对周围接触表面作用力变化的测试单元；用于记录盐溶液结晶过程中质量变化所导致应力变化的质量称量单元；以及与所述环境控制单元和质量称量单元相连的环境和质量实时在线记录单元；所述测试单元包括用于放置待测盐溶液的底层，以及位于所述底层上方的上层多孔层。
采用本发明，将待测盐溶液放置于所述测试单元的底层表面，缓慢将上层多孔层表面内压于盐溶液表面并控制好与底层表面之间的距离，采用质量称量单元在线监测所述测试单元的底层和上层多孔层（简称双层接触表面）内部的盐溶液从非饱和状态到结晶过程中所发生的质量变化。通过质量数据的变化进而可以确定从盐溶液到晶核形成、晶体生长、完全结晶等过程中对周围接触表面所发生的作用力变化。
下面进一步例举优选实施例并结合附图以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
图1为根据本发明一实施形态的盐结晶应力测量仪的结构示意图；图2示出了与图1所示盐结晶应力测量仪相连接的实时在线记录单元的示意图。如图1所示，关于可溶盐溶液在结晶过程中对周围接触表面所产生作用力变化的盐结晶应力测量仪，主要包括：有效调节盐溶液结晶速率的环境控制单元；用于控制盐溶液对周围接触表面作用力变化的测试单元；用于记录盐溶液结晶过程中质量变化所导致应力变化的质量称量单元；以及与所述环境控制单元和质量称量单元相连的环境和质量实时在线记录单元14；所述测试单元包括用于放置待测盐溶液的底层11，以及位于所述底层上方的上层多孔层12。
具体而言，调节影响盐溶液结晶速率的环境控制单元中的环境温湿度，具体部件包括制冷装置2和压缩机3、环境控制加热器4、加湿器5、干燥器6、温度传感器7以及湿度传感器8，使其达到可以满足盐溶液产生结晶的条件。
此外，质量称量单元可以是含有数据控制软件的精密电子质量称量仪。将待测盐溶液放置于与所述精密电子质量称量仪的压力传感器10相连接、控制盐溶液作用力变化测试单元的底层11的表面上，利用与盐结晶应力测量仪相连接的环境温湿度和质量实时在线记录单元14记录相关数据；通过固定杆13控制盐溶液作用力变化测试单元的上层多孔层12的位置，通过升降台9的变化缓慢调节承载盐溶液的底层11和上层多孔层12表面之间的距离，采用含有数据控制软件的质量实时在线记录单元14在线监测双层接触表面内部的盐溶液从非饱和状态到结晶过程中所发生的质量变化以及所导致的应力变化。待处于底层11表面与上层多孔层12之间的盐溶液完全结晶后，测试结束。
上述底层11的材料可以为不会与盐溶液发生化学反应的材料，优选为硅酸盐质材料。底层11的材料例如可以包括玻璃或陶瓷；最好选择氧化锆。
另外，上层多孔层12例如可以具备与硅酸盐质文物孔径分布范围相一致的网孔。此外，该上层多孔层12的材料可以为不会与盐溶液发生化学反应的材料。例如，上层多孔层12的材料可选自氧化铝和氧化硅中的至少一种。
根据本发明提供的关于可溶盐溶液在结晶过程中对周围接触表面所产生作用力变化的盐结晶应力测量仪，通过以下示例进一步说明。
图3和图4分别为环境温度25℃、相对湿度65%条件下，所测试的纯水溶液和浓度10%Na2SO4溶液在玻璃材料底层表面与上层孔径为1.0μm的氧化铝多孔层之间距离为2mm时所测试的实验结果。
图3中a阶段为水分子对双层接触面所产生的范德华力，该作用力随着水分的铺展而增加，底层11表面受到水分子的收缩吸引力变大，在达到最大稳定值后水分开始挥发，对底层11表面和上层多孔层12接触面所产生的作用力逐渐降低，表现为b阶段质量曲线逐渐升高；1200min后水溶液与接触表面之间的作用完全消失，底层11表面和上层多孔层12双层接触面之间无作用力。
图4中前期变化与水分的变化相同，为盐溶液中水分子对双层接触面所产生的范德华力，该作用力随着溶液表面的铺展而增加；在c阶段处出现了溶液中结晶晶核的产生与生长长大，在d阶段出现潮解结晶体的失水干燥，使得底层11表面和上层多孔层12接触面之间的吸引力有所增加，主要表现在使得处于水平方向的上层多孔层12出现向下的倾斜；之后水分挥发，整个阶段曲线的质量处于不断降低、升高的反复变化过程中，这是由于溶液中存在不断结晶-潮解-水分挥发再结晶等的变化，其中水分挥发表现在曲线中的质量升高，潮解表现在曲线中的质量降低；阶段e和f等是又新出现的、使得双层接触表面再次紧密结合、急剧变化的结晶吸合作用力，之后处于相对结晶完全状态，但盐结晶之后的质量也并非出于稳定状态。
对比水分和浓度10%Na2SO4溶液在结晶过程中所导致周围接触表面的质量变化过程可以看出：水分子的范德华力对底层11表面和上层多孔层12接触面产生一定的作用力，除此之外，盐溶液的变化主要在于所析出盐结晶体过程中对这一双层接触表面产生明显的吸合作用，这种吸合作用力并非稳定状态，而是随着溶液的不断运移使得结晶体出现潮解、结晶、再次潮解等、接触表面所受到水分子的范德华力、结晶吸合作用力、水分子的范德华力等的反复变化中，这种变化导致与之接触的接触表面处于不断的牵张变化过程。
采用本发明，根据上层多孔层材料质地的不同，可检测不同浓度、不同类型可溶盐溶液在结晶过程中对周围所接触的不同类型的材料表面所产生作用力变化，进行对比后为确定可溶盐溶液在多孔文物孔隙中的运移与分布、以及引起破坏的作用力类型和大小等提供科学支撑。
本发明中，所述检测盐溶液结晶过程中对周围接触表面所产生作用力变化的盐结晶应力测量技术和方法，所研究的文物对象可以包括壁画、石质文物、土遗址、陶质文物等。但本发明并不限于此。
本发明中，所述检测盐溶液结晶过程中对周围接触表面所产生作用力变化的盐结晶应力测量技术和方法，实施的盐溶液主要包括氯化钠、硫酸钠、硝酸钠等硅酸盐质文物中含有的可溶盐。
产业应用性
通过本发明的检测技术和方法，可以确定不同浓度、不同类型盐溶液在结晶过程中对周围所接触的不同类型的材料表面所引起破坏的作用力类型和大小。

Claims (9)

1.一种盐结晶应力测量仪，其特征在于，包括：
有效调节盐溶液结晶速率的环境控制单元；
用于控制盐溶液对周围接触表面作用力变化的测试单元；
用于记录盐溶液结晶过程中质量变化所导致应力变化的质量称量单元；以及
与所述环境控制单元和质量称量单元相连的环境和质量实时在线记录单元；
所述测试单元包括用于放置待测盐溶液的底层，以及位于所述底层上方的上层多孔层。
2.根据权利要求1所述的盐结晶应力测量仪，其特征在于，所述底层的材料为不会与盐溶液发生化学反应的材料，优选为硅酸盐质材料。
3.根据权利要求2所述的盐结晶应力测量仪，其特征在于，所述底层的材料包括玻璃或陶瓷。
4.根据权利要求1所述的盐结晶应力测量仪，其特征在于，所述上层多孔层的材料为不会与盐溶液发生化学反应的材料。
5.根据权利要求4所述的盐结晶应力测量仪，其特征在于，所述上层多孔层的材料选自氧化铝和氧化硅中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的盐结晶应力测量仪，其特征在于，所述环境控制单元包括制冷装置和压缩机、加热器、加湿器、干燥器、温度传感器以及湿度传感器。
7.根据权利要求1所述的盐结晶应力测量仪，其特征在于，所述质量称量单元包括与所述底层相连的压力传感器。
8.根据权利要求1所述的盐结晶应力测量仪，其特征在于，还包括用于控制所述上层多孔层的位置的固定杆。
9.根据权利要求1所述的盐结晶应力测量仪，其特征在于，还包括用于控制所述底层与所述上层多孔层之间的距离的升降台。
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