格哈德·德哈姆（Gerhard D'ham）

珍妮娜·迈因哈特（Jeannine Meinhardt）

罗尔夫·尼迈耶（Rolf Niemeyer）

概要

在“石质文化遗产监测”课题研究的许多文物的现状评估中，有一个重要的指标就是毛细吸水性能，比如检查憎水效果，评估清洁措施的必要性和效果，评估灰缝修补砂浆、替换砂浆和薄浆层效果中都要用到这项指标。其相关参数为毛细吸水系数ω ［kg/（m2 · √ h）］、渗水系数B （cm/ √ h）^[4]和饱和吸水率WAK（体积分数，%），而这些系数在数学上相互有联系，只能根据相关标准（DIN EN 1925， DIN EN 15801）在实验室通过固定形状的对象样品测得精确值。但是，通常不允许进行破坏性的取样，例如即使是为了监测也不允许在小型文物和保护文物对象上钻芯取样。然而，我们有一系列研究方法，能够无损检测毛细吸水性能的相关特征值。这些方法分别是：

·卡斯特瓶检测法；

·米洛夫斯基瓶检测法；

·普雷亚斯（Pleyers）双腔试管法；

·弗兰克（Franke）试验板法；

·提亚诺（Tiano）海绵接触法；

·水滴吸收检测法。

在德国联邦环境基金会（DBU） “石质文化遗产监测”课题的框架下，主要采用卡斯特瓶检测法并辅以米洛夫斯基瓶检测法。我们将在下文描述和讨论这两套测量仪器的使用步骤以及测量数据的分析方法。

卡斯特瓶法测毛细吸水性能

实施步骤

所需器材有卡斯特瓶、黏合剂、秒表、装软水的洗瓶和游标卡尺。

卡斯特瓶由一个玻璃量筒（圆形玻璃罩）和一个玻璃刻度管组成：玻璃量筒一面开口且边缘平整，能用黏合剂黏在文物表面；在测量时能从刻度管上的刻度读出所吸收的液体量，单位为ml（图2.2.7.1） 。通常，玻璃罩的内径为26 mm。为提高测量精度，建议使用内径约45 mm的玻璃罩（可从吹玻璃工厂定制）。可使用弹性持久的黏合剂（例如卫浴洁具密封胶plastic-fermit或车身密封胶Terrostat Ⅸ）将玻璃罩固定在待测表面。黏合剂需要被捏成一个细圈，黏在卡斯特瓶的玻璃罩边缘（图2.2.7.2），然后将玻璃管压黏在待测面上。

图2.2.7.1　卡斯特瓶

图2.2.7.2　黏合剂细圈黏在玻璃罩上

将卡斯特瓶压黏在文物表面时，黏合剂可能被压出玻璃罩边缘，此时可用一把小刮勺将多余的黏合剂沿着玻璃罩边缘刮掉，使黏合剂与玻璃罩边缘齐平，以尽早观测到玻璃罩周围的渗湿圈和不规则的渗水。

将卡斯特瓶黏在待测表面后，迅速用洗瓶向带刻度的试管中灌软水至0 ml刻度线，并启动秒表计时。然后，每隔一段时间以ml为单位记录所吸收的水量和相应的时间（几分几秒）。建议检测初期可较频繁地读数，整个检测时间至少60 min。若材料吸水性能极高，检测时间亦可缩短。有可能的话，应记录7至14对检测值（时间、吸水量）。需注意记录玻璃罩黏合剂边缘出现潮湿圈的时间点和可能在黏合剂密封处出现侧漏的时间点。还应至少在监测结束时，使用游标卡尺测量玻璃罩附近潮湿圈的直径并做记录。此外，为提高测量的精确度，检测结束后，小心地取下玻璃罩，从相互垂直的两个方向测出黏合剂细圈的直径。这样，就能计算出受黏合剂细圈形状影响的实际吸水面积。

检测数据计算

有两个程序能计算检测数据，且都建立在电子制表软件Microsoft Excel®中。一个是许多年来一直使用的由温德勒和普费弗科恩制作的Calkarow 3.2^[5]，另一个是由尼迈耶制作的新算法。

这两个程序都基于液体符合毛细规律，在多孔岩石结构中均匀、非定向扩散的假设。由此产生渗湿体积，其理想的几何形状是被四分之一环面包围的圆柱体。

式中，r为玻璃罩.半径，单位为cm； x为渗水深度，单位为cm 。

用渗水深度通过如下计算可得渗水系数（B）：

式中，t为时间，单位为h。

渗水系数B、毛细吸水系数ω和饱和吸水率WAK之间的关系如下：

式中，O为水的密度，其值为0.998 g/cm3， 20℃时近似可取1 g/cm3 。

Calkarow 3.2^[6]程序

该程序的可见文件部分（图2.2.7.3）描述了各项数据及检测结果。此外，还有不可见（隐藏）的部分，即数字运算部分。需要输入的数据除了测点位置信息、玻璃罩吸水面积、时间及其相应的吸水量外，还包括渗水系数B的估算值。这里建议先将渗水系数的下限设为0.01、上限设为25.00。该程序还会将输入的B值范围自动分为10段。对每一段B值增量都会在程序内部计算出一条理想曲线，并与实际曲线作对比，之后给出拟合程度最高的理想曲线，并将其与实际曲线一同在评估表上方展示。评估表下方的结论区将给出相应的ω值、B值和WAK值。评估表上也能观察到校正系数的走向。借助该程序图表，能通过改变渗水系数的上下限来限制B值的有效范围，从而更准确地测得特征值。

(www.daowen.com)

图2.2.7.3　Calka row 3.2版评估表

4由于测量时的读数为体积，此法计算得到的毛细吸水系数单位为I/（ m2 ·√ h）。 ——译者注

用Calkarow程序计算所得的饱和吸水率与渗水系数可能不真实，因此也需要进一步引入尼迈耶程序来估算毛细吸水系数。

尼迈耶ω值估算程序^[7]

此程序中，毛细吸水系数ω并非通过纯数学计算得到，而是通过对比测量值曲线与计算生成的曲线簇，来目视估算ω值。曲线簇是基于实际吸水面积、尽可能接近实际的饱和吸水率WAK以及毛细吸水系数ω可取的值域绘制的。

通过改变ω值的区间，试着使曲线簇或其中一部分曲线尽可能地接近测量值曲线，从而使曲线簇在理想情况下与测量值曲线重叠或十分接近。两者越一致，基于计算所得曲线的ω值就越符合建材的真实ω值。

因此该程序需要输入饱和吸水率WAK值和预估的ω值的区间。待输入的由材料及其状况决定的ω值应尽可能地切合实际（立足于对文物样本的检测或文献数据）。评估表下方有5条不同颜色的曲线组成的曲线簇，通过改变ω的值域能使其中一条曲线与测量值曲线相交。此曲线的ω值也将显示在图2.2.7.4下方线图的图例中。在这种充分近似的状态下，能确定检测结果就是这条曲线对应的ω值。从线图中得出的这一ω值也将最终记录在“结果”表中。除了饱和吸水率WAK和由此计算出的毛细吸水系数ω的值外，还会记录由这两项数据计算所得的渗水系数B的值。

图2.2.7.4　尼迈耶评估表

米洛夫斯基瓶法测毛细吸收液体性能

检测原理与步骤

米洛夫斯基的毛细吸水饱和检测管是一个刻度管，其上端对气体和液体保持密封，下端开口并呈90°弯曲。先在检测管中用洗瓶灌满水，然后再在开口处塞入一个圆形的、充分浸透的小海绵球作为引导阀门。之后，海绵球会接触待测文物表面。若文物表面吸收了海绵球中的液体，就能在检测管中产生真空度。压力差会使空气通过海绵进入管内，造成管内定时有气泡上升，而管内的液体面就会相应下降。由此，从检测管的刻度上就可以读出不同时间文物所吸收的液体量，正如卡斯特瓶的空气-液体界面处的读数。由于毛细吸水效应，从检测开始时，就会在海绵球附近出现湿痕。从湿痕的直径可以判断吸水程度和吸水方向。

在操作检测管时，尤其要注意以下细节：

·海绵球应伸出检测管口1～2 mm 。

·为将检测管固定在文物石材上，可选用开发人米洛夫斯基提供的橡胶制成的固定装置（图2.2.7.5）。替代方案也可以是橡皮带或类似物。若文物石材表面十分脆弱，也可用灵活的实验夹和实验架将检测管固定在文物石材上。

图2.2.7.5　米洛夫斯基瓶在文物上的固定方案

建议将检测间隔设为5 min，检测总时间约为45 min，若待测材料吸水性差亦可延长检测时间。除定时记录相应的吸水量以外，也应有间隔地记录湿痕的直径。

液态试剂可采用去离子水或有机溶剂，但是应相应使用不同规格的检测管。尤其对于吸水性很差的材料宜采用有机溶剂（例如馏程为100 ℃ ～140℃的溶剂油）的附加检测，以便于阐明材料表面究竟是憎水但保留了开孔，还是完全密封了不吸收液体。

检测的分析计算

图2.2.7.6　米洛夫斯基瓶法检测分析范例

与卡斯特检测分析一样，应用圆柱加环绕它的四分之一环面计算渗湿的石材体积。渗水深度x由湿痕直径通过公式x=（湿痕直径-海绵球直径/2）计算得到^[8]。若将渗湿体积（Vo）与吸收的液体体积（Vf）联系起来，就能根据两者的体积比计算饱和液体吸收率Fv=Vf × 100%/ Vo。然而，在阳光照射或使用易挥发溶剂的条件下，湿痕边缘会因蒸发而损失液体量，从而导致错误的检测结果。相对来说，液体吸收量少但潮湿圈较大会算出很低的饱和液体吸收率，这暗示着液体的扩散方向主要平行于文物材料表面。

检测对象所吸收的液体量通常与吸收时间成正比（与卡斯特检测法不同）。因此可计算每小时液体吸收值（ml/h ） 。但该计算方法在延迟吸收的情况下并未考虑实验开始到吸收开始之间的时间。

根据米洛夫斯基瓶法（范例可见图2.2.7.6）计算所得的毛细吸水速度（ml/h）与卡斯特瓶法计算所得的ω值之间没有直接的可比性。在此不建议将米洛夫斯基瓶的检测结果转换成ω值，因为该实验的吸收面积实在太小（海绵球直径仅约1.25 cm）。

不同吸水性能检测方法的适用性讨论

使用卡斯特瓶法时，吸收面积会受到水柱的静液压的影响，而米洛夫斯基瓶的设置并不受此影响，相反，其真空度可通过相对的气压达到平衡。

卡斯特瓶法灌水时会打湿吸收面，对文物表面的湿润性有积极作用；米洛夫斯基瓶法则不会如此，液体开始吸收的时间会延迟。

为使卡斯特瓶黏附在文物表面而使用的胶通常会在测定的文物表面留有痕迹，可替代的黏合剂材料可以是黏土、环十二烷或增稠乳胶，但现今还没有通用的使用建议；而米洛夫斯基瓶法通常没有任何残留。

常用于固定卡斯特瓶的黏合剂的黏性受温度影响明显，因此，在较冷的季节里，检测室外文物不推荐使用卡斯特瓶法（卡斯特瓶会有掉落的危险）。

卡斯特瓶几乎不可能固定在严重粉化或层状剥落的文物材料表面；相反，此情况下通常能用米洛夫斯基瓶进行检测。

米洛夫斯基瓶还能用于测定有机溶剂或文物固化剂的吸收速度；而卡斯特瓶法中的黏合剂经常因被有机溶剂溶解而导致实验失败。

米洛夫斯基瓶法还尤其适用于雕塑或其他检测面不规则的小型文物。该方法在检测时，检测管与文物的接触面较小，所以在这方面较卡斯特瓶更具优势。卡斯特瓶在各文物表面无法长时间固定（会掉落），长时间的检测并不适用，因此只能测得较短时间内的值；而米洛夫斯基瓶因其固定性好，通常能实现较长时间的检测。

卡斯特瓶法检测中关于吸水参数的计算或估计，只能通过上述两个基于Excel软件的评估程序得到近似值，完全无法达到在实验室检测的精度，决定性的影响因素是液体扩散方向的不确定性以及石材渗湿部分实际形状的不确定性。作为两种计算程序基础的理想模型是液体在深度和宽度上均匀扩散，而实际的渗湿形状可能有很大偏差。

使用这些检测试管进行无损检测，使我们能在检测经费有限的条件下完成大量测量，收集数据，从而在统计学上保证更好的研究结果。

目前还没有人对各种无损检测方法（包括普雷亚斯双腔试管法、米洛夫斯基瓶法和试验板法）相较于取样送实验室的有损检测方法的检测效力做过全面的比较研究。