一、FTIR

古建筑修復(fù)時(shí),，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(yīng),，就是它在室溫下與氫氧化鈣在有水的情況下發(fā)生反應(yīng)，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(jìn)行維護(hù)。遺憾的是,，在保護(hù)修復(fù)過程中發(fā)生了很多錯(cuò)誤,。例如現(xiàn)代水泥的使用,，可能會(huì)導(dǎo)致建筑物修復(fù)層出現(xiàn)裂紋，從而產(chǎn)生水分聚集使建筑物受潮,，嚴(yán)重危及建筑物的壽命,。因此，我們需要對(duì)舊水泥的組分進(jìn)行全面的分析,，并根據(jù)分析結(jié)果,，制作仿古水泥進(jìn)行保護(hù)修復(fù)。

對(duì)于這種分析應(yīng)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(jī)添加劑,，還含有有機(jī)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(cè)出鐵和少量石膏,。

有了這些信息，古建筑修復(fù)人員就能夠精確配制出與原始水泥相同的化學(xué)和礦物學(xué)組成配方,。

修復(fù)人員正在修復(fù)古羅馬建筑

四,、水泥科學(xué)

有時(shí)，簡單的成分分析還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,。FTIR成像測(cè)試可以幫助修復(fù)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(xué)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(yīng)"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(jiān)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(cè)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(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)！

五,、通過FTIR成像對(duì)混凝土進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析

在以下示例中,，我們通過FTIR成像測(cè)定了古混凝土反應(yīng)邊緣中C-S-H相的分布和來源。在這項(xiàng)工作中,，我們使用了帶有焦平面陣列（FPA）探測(cè)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(lán)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(cè)器的HYPERION測(cè)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(dāng)了火山灰材料。反應(yīng)如式(1)所示,。

為了獲得過渡區(qū)邊緣的更詳細(xì)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(duì)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?？諝庵械亩趸寂c水泥中的含鈣相發(fā)生化學(xué)反應(yīng),，可以有助于材料的致密化，從而提高其機(jī)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(qiáng)度、降低滲透性,，并提高混凝土的化學(xué)穩(wěn)定性,。但是，過度聚合可能會(huì)導(dǎo)致收縮、內(nèi)部應(yīng)力和可加工性降低等問題,。這些因素極大地影響修復(fù)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(fù)人員準(zhǔn)確地復(fù)制出古混凝土的化學(xué)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(shí)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(cè)器無需對(duì)樣品進(jìn)行逐點(diǎn)監(jiān)測(cè),，而是單次測(cè)量在2S內(nèi)即可獲得32×32 (1024)個(gè)測(cè)量點(diǎn)的光譜譜圖信息。并且,，實(shí)現(xiàn)以最短的測(cè)量時(shí)間獲得最大的空間分辨率,。

艾克賽普公司是布魯克湖南授權(quán)代理商，如果您有布魯克 HYPERION II FTIR光譜儀需求或者任何疑問歡迎聯(lián)系,，我們將提供免費(fèi)樣機(jī)上門試用和更合適的測(cè)試解決方案,。