基于汉白玉类石质文物风化模拟、检测的水电检测计研发与应用

作     者：周正 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王菊琳;何海平

授予年度：2024年

学科分类：0601[历史学-考古学] 06[历史学] 08[工学] 060109[历史学-专门考古] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：水电检测计 LTED 毛细扩散 汉白玉 石质文物 风化 冻融循环 

摘      要：本研究基于石质文物及其保护材料风化的无损检测,设计、研发了一种新的测试表征仪器水电检测计(LTED),给出测试、分析方法,据此对北京太庙汉白玉石质文物进行了风化程度现场勘测,并通过LTED对实验室汉白玉模拟风化效果进行评估。具体如下: (1)设计、研发一种以水溶液扩散、电阻监测为原理检测评估多孔绝缘材料性能的装置(简称水电检测计),建立测试方法及传质稳定性分析过程。该仪器通过电阻监测水在材料表面、内部的迁移过程,根据测试曲线表征材料表面、内部性能。根据实验室测试结果定义了水电检测电导标准曲线形式,并对测试曲线特征进行渗流机理分析,引入常扩散势垒、一次性扩散势垒、势垒弧概念,用以描述水对多孔介质的渗透过程。该装置及测试表征方法具有开创性。 (2)针对石质文物风化、保护材料老化检测,通过LTED在实验室对石材进行孔隙率验证、仿真模拟、太庙石质文物保护现场实验,构建分析模型。实验室结果表明,电导、电容的最大值(G-max、C-max)与汉白玉孔隙率线性正相关,现场实验发现对于电导较大的石质类构件,风化越严重电导G下降越快,电导最大值及最终电导差值ΔG越大;对于电导较小附着在构件上的保护类材料,老化越严重电导越大。该测试方法无损、便携、灵敏度高,测试过程稳定性好,适合砖石、陶瓷、壁画文物及绝缘性保护材料的无损检测和评估,在绝缘类文物材料性能表征上具有良好应用前景。 (3)基于文物现场测试结果,利用水电检测计、里氏硬度仪等测试表征方法,对冻融循环、酸热循环、酸热/冻融循环模拟风化效果进行评估。结果发现,20次冻融循环模拟样品与现场构件差距过大,4次酸热循环模拟样品水电检测曲线峰值与现场构件相近,酸热冻融循环模拟样品里氏硬度与现场构件相近。根据微观形貌,三种模拟方法得到样品均与现场构件有区别,说明实验室无法完全模拟该现场风化情况。同时,三种模拟样品水电检测曲线与现场检测水电检测曲线都有一定差别,水电检测曲线上的同一性与差异性可以反映模拟样品、现场构件的相似处、不同处,达到对模拟效果的有效评估。 水电检测计在石质文物病害无损检测、风化评估上有广阔的应用前景,它可推广到其他绝缘性材料的检测,在不同领域均有较好的应用潜力。