一种古建筑砖石表面吸水性原位无损检测装置及方法

1.本发明专利涉及一种测试建筑建造材料表面吸水性的检测装置，可实现对材料表面吸水性的原位无损测试，属于表面吸水性测试领域。


背景技术：

2.中国的古建筑中，很大一部分为以砖石材料建造的砌体建筑。但经过长时间的自然风化及人为破坏，现有的古建筑均遭到了不同程度的破坏。研究发现，自然环境对古建筑的破坏有很大一部分原因是由于水在砖石的毛细管网络中通过冻融循环、干湿循环、可溶盐的迁移造成。因此，研究古建筑砖石文物表面的毛细吸水影响机理和分布规律，是准确开展古建筑结构耐久性评估及寿命预测的重要前提和基础。同时，也可利用吸水性测试保护材料的保护效果。
3.目前，对古建筑的吸水性原位检测时最常采用的是卡斯特瓶检测法。卡斯特瓶是由一个圆形的玻璃罩和一个玻璃刻度管组成。玻璃罩开口的一面可通过涂抹黏合剂黏合在文物上，使用时从顶部向固定在文物上的卡斯特瓶内注水，并通过读取刻度管上的刻度确定文物的吸水量。但在应用时发现，文物材质表面一般已经风化，且有些部位风化严重，这时粘结胶的粘结效果会大幅降低，水会从卡斯特瓶中渗出，水渗出后又会降低粘结胶的粘结强度，易使仪器脱离测试面而无法完成测试工作；且无法保证胶黏剂不占据水与测试面的接触面积，导致测试结果不准确且不同位置处测试结果无法比较；测试时用目测法确定文物吸水量，会造成测试结果的不准确。测试结束后粘结胶对文物本体也会造成一定的损害。
4.为更好地解决现场测试吸水性时存在的问题，探索出一种科学、准确且方便的测量文物建筑砖石材料吸水性的方法和装置，对于科学地探究文物风化类型、风化程度与吸水性之间的关系，及评价不同类型的古建筑保护材料的保护效果具有重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决卡斯特瓶在对古建筑构件吸水性测试时存在的缺陷。本发明提供一套建筑砖石材料表面的吸水性测试装置及其测试方法，该方法在检测时不仅不需要黏合剂，而且可实现对各种风化程度材料表面吸水性的测试。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案在于：
7.本发明提供的一种吸水性测试装置，包括长方体外壳、储水部件；所述外壳为顶部开口、底部开若干气孔的容器，以维持内外压强平衡，所述储水部件为具有储水能力的材料，所述储水部件填充于外壳中；在顶部开口端储水部件相对于开口向外凸起。优选所述储水部件填充相对于外壳顶部开口端向外凸起2mm。
8.优选的，所述储水部件使用材料为乳胶海绵。
9.优选的，所述外壳为透明有机玻璃板，以便观察内部储水情况且现场使用时不易破碎，外壳尺寸为10cm
×
10cm
×
5cm，外壳底部均匀开9个直径0.5cm的小孔。
10.本发明还提供一种室外测量不可移动文物表面毛细吸水性的测试方法，包括如下步骤。
11.(1)将测试装置浸泡于去离子水中，待测试装置中的储水部件储满水分后取出测试装置，将储水部件凸起的裸露面在塑料板上挤压两次，排出测试装置中多余的水分，以避免测试过程中存在流动水影响测试结果，将外壳表面水分擦干，在精确到小数点后两位的天平上称取装置的初始重量；
12.(2)、将储水部件凸起裸露面与建筑待测面完全接触，并按下计时器记录测试时间，每隔一段时间迅速取下装置并称重，称重完成后置于原位置，记录重量与对应的测试时间；
13.(3)、根据测试装置重量变化、装置测试面面积即接触面积及时间，计算材料的表面毛细吸水系数。
14.吸水系数按下式计算：
[0015][0016]
式中：
[0017]
s——表面毛细吸水系数，单位为g/(s
1/2
·
cm2)；
[0018]
δqi——测试时间段t内测试对象单位面积的表面吸水量的q变化值，单位为g/cm2；
[0019]
——测试对象测试时间段内变化值的平方根，单位为s
1/2
。
[0020]
本发明可用于现场测试保护材料的吸水性，如实施例3。
[0021]
本发明的有益效果是：
[0022]
该测试方法可实现对各种风化程度的古建筑砖石材料表面的毛细吸水性的测试；
[0023]
该测试方法操作简单，成本低，测试精度较高；
[0024]
测试方法不受表面形状的影响，即正置、倒置均不影响测试数据。
[0025]
该测试方法不会对建筑表面造成任何影响，满足文物保护的基本原则。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1(a)为本发明实施例提供的古建筑砖石文物吸水性测试装置的顶部示意图；图1(b)为本发明实施例提供的古建筑砖石文物吸水性测试装置的底部示意图。
[0028]
图2(a)为本发明装置正置(实验装置在下，测试物在上)测试青砖吸水性的示意图，图2(b)为标准中实验室吸水法测试青砖吸水性的示意图。由于用标准方法测试材料吸水性时材料的整个测试面均会浸泡于水中，为避免干燥处对该装置吸水系数的影响，将试样的测试面设置为小于本发明装置的测试面。
[0029]
图3为标准中实验室吸水法与本发明装置正置测试青砖吸水性的吸水曲线对比。
[0030]
图4(a)为本发明装置倒置(实验装置在上，测试物在下)测试青砖吸水性的示意
图。图4(b)为卡斯特瓶法测试青砖吸水性的示意图。
[0031]
图5为本发明装置倒置测试青砖与卡斯特瓶法测试青砖吸水性的吸水曲线对比。
[0032]
图6为本发明装置现场测试石质文物立侧面时的一种实施例。
[0033]
图7为本发明装置现场测试三种保护材料保护后汉白玉吸水性的吸水曲线。
[0034]
图中：1-外壳；2-储水部件；3-气孔；4-青砖；5-去离子水；6-容器；7-卡斯特瓶；8-汉白玉文物；9-松紧带。
具体实施方式
[0035]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
实施例1
[0037]
本实施例主要对比本发明装置与标准实验室吸水性测试方法在测试青砖吸水性时的准确性。本发明装置的示意图如图1(a)及图1(b)所示，包括外壳1、供水部件2。
[0038]
所述外壳为顶部开口、底部开放若干气孔3的盒，以维持内外压强平衡，所述储水部件为具有储水能力的材料，所述储水部件填充于外壳中。
[0039]
所述外壳为透明有机玻璃板，以便观察内部储水情况，外壳尺寸为10cm
×
10cm
×
5cm，外壳底部均匀开9个直径0.5cm的小孔。
[0040]
所述储水部件使用材料为乳胶海绵。
[0041]
所述储水部件填充至高于外壳2mm。
[0042]
被测青砖尺寸的为5.32cm
×
5.24cm
×
18.67cm。
[0043]
所述的一种古建筑砖石材料表面吸水性测试装置的测试方法，包括如下步骤。
[0044]
一、将装置浸泡于去离子水中，待装置中的储水部件储满水分后取出装置，将储水部件裸露面在塑料板上挤压两次，排出装置中多余的水分，以避免测试过程中存在流动水影响测试结果，将外壳表面水分擦干，在精确到小数点后两位的天平上称取装置的初始重量。
[0045]
二、测试前使用毛刷清除被测材料测试面上的表面积尘及颗粒物，并将储水部件裸露面与被测材料的待测面完全接触，由于储水装置有一定的弹性，因此在装置外壳与待测面接触时，储水装置可以完全覆盖被测面上的轻微凹凸处。并按下计时器记录测试时间，每隔一段时间迅速取下装置，暂停计时并称重，称重完成后置于原测试位置，记录装置质量与对应的测试时间。
[0046]
三、根据装置质量变化、测试面接触面积及时间，依据标准《砖石质文物吸水性能测定—表面毛细吸收曲线法》ww/t 0065—2015完成被测材料的表面毛细吸收曲线绘制工作，本发明装置正置测试方法如图2(a)所示，测试数据记录如表1所示。
[0047]
表1如图2(a)所示装置正置测试方法的测试数据
[0048][0049][0050]
通过上述毛细吸收曲线计算表面毛细吸水系数s，吸水系数按下式计算：
[0051][0052]
式中：
[0053]
s——表面毛细吸水系数，单位为g/(s
1/2
·
cm2)；
[0054]
δqi——测试时间段t内测试对象单位面积的表面吸水量的q变化值，单位为g/cm2；
[0055]
——测试对象测试时间段内变化值的平方根，单位为s
1/2
。
[0056]
由于使用该装置正置测试的整条吸水-时间曲线的线性相关性都很好，因此将所有相邻测试点使用上述公式进行计算，所得值的平均值即为试样的毛细吸水系数。该装置正置测得吸水系数s＝0.063。
[0057]
依据标准《砖石质文物吸水性能测定—表面毛细吸收曲线法》ww/t 0065—2015。实验室吸水性测试方法的数据记录与表面毛细吸水系数s的计算方法相同。所用被测材料为同一块青砖，每次测试前均置于烘箱烘至恒重并冷却至室温后进行。实验室标准吸水性测试方法如图2(b)所示，测试数据记录如表2所示。
[0058]
表2如图2(b)所示实验室标准吸水性测试方法的测试数据
[0059][0060][0061]
由于使用实验室标准测试方法测得的整条吸水-时间曲线的线性相关性都很好，因此将所有相邻测试点使用上述公式进行计算，所得值的平均值即为试样的毛细吸水系数。实验室标准测试方法测得吸水系数s＝0.064。
[0062]
标准的实验室吸水法与本发明装置正置测试青砖的吸水曲线如图3。由曲线可知该发明所提供的装置及方法与实验室标准方法所测的吸水系数基本相同，两种方法测得的吸水系数相对偏差＜2％。由于储水材料在饱和状态下所储存的水远高于测试时间内青砖的吸水量，因此测试完成后绘制的吸水—时间曲线的斜率未发生明显改变，表明该方法测试的稳定性很高。
[0063]
实施例2
[0064]
该实施例主要对比本发明装置与卡斯特瓶法测试吸水性的准确性。
[0065]
在该实施例中，本发明装置的测试方法与数据处理方法与实施例1相同(测试物与实施例1相同)，考虑到卡斯特瓶7测试时受到重力的影响，为控制变量，将本发明装置倒置放置于青砖测试面之上进行测试，使该装置增加重力影响，以对比两者的测试精度。由于卡斯特瓶在应用中的限制，因此仅能将青砖测试面的表面积设置为大于卡斯特瓶测试端的表
面积，这也是卡斯特瓶的缺点之一。本发明装置倒置测试方法如图4(a)所示，卡斯特瓶测试法如图4(b)所示。本发明装置正置测试数据记录如表3所示。
[0066]
表3如图4(a)所示倒置测试方法所得数据
[0067][0068]
由于使用该装置倒置测试的整条吸水-时间曲线的线性相关性都很好，因此将所有相邻测试点使用应用例1中的公式进行计算，所得值的平均值即为试样的毛细吸水系数。该装置倒置测得吸水系数s＝0.061。
[0069]
卡斯特瓶法的测试数据记录如表4所示，由于卡斯特瓶的容量有限，测试进行4min时刻度线内的水分已完全被青砖吸收，无法继续测试。表面毛细吸水系数s的计算方法与本装置的计算方法相同。所用被测材料为同一块青砖，每次测试前均置于烘箱烘至恒重并冷却至室温后进行。
[0070]
表4如图4(b)卡斯特瓶测试法所得测试数据
[0071][0072]
由于使用卡斯特瓶测试的吸水-时间曲线仅在2～4min有较好的线性相关性，因此将三点使用应用例1中的公式进行计算，所得值的平均值即为试样的毛细吸水系数。卡斯特瓶法测得吸水系数s＝0.056。
[0073]
本发明装置倒置与卡斯特瓶法测试青砖吸水性的吸水曲线如图5所示。由曲线可知该发明所提供的装置较卡斯特瓶法而言，吸水曲线更加稳定，因此所求吸水系数也更为准确。由于该装置所提供的储水材料本身有一定的吸水性，因此从各种方向进行测试，均可克服水的重力的影响，但由于材料自身的吸水性也会产生轻微误差，经计算得相较实验室吸水法而言，该装置测得的吸水系数误差范围＜5％。
[0074]
实施例3
[0075]
该实施例为在对现场立面建筑9吸水性测试时提供的一种解决方案。
[0076]
该实施例中装置通过外加松紧带8固定在建筑立面，测试示意图如图6所示，当需称重时，从建筑上取下，称重后置于原测试位置，数据处理方法同实施例1。
[0077]
该实施例测试建筑为正阳桥疏渠记方碑，材质为汉白玉，测试未保护区域及使用三种保护材料的吸水性，进而对保护材料的保护效果进行评价。测得的数据如表5所示。
[0078]
表5
[0079]
[0080][0081]
本发明装置现场测试汉白玉吸水性的吸水曲线如图7所示，由曲线可知，三种保护材料均降低了石碑对水的吸收性，减弱了水对石碑的侵蚀，其中保护效果最好的保护材料为2号保护材料。