石材的腐蚀机理和破坏因素.doc

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1、石材的腐蚀机理和破坏因素　　我国的石质材料品种繁多，应用广泛。从石器时代的岩画、石器，到历代的石窟造像、石塔经幢、石桥牌坊、石碑石雕、各种石头建筑以及目前普遍使用的装饰石材等等，构成了我国特有的“石文化”，成为中华文化的重要组成部分。这些使用的石材大部分与其他物体或大地相联，暴露在自然界的风化环境中，特别是近代工业的发展，环境污染对石材的威胁更加严重，另外不正确的安装、维修和防护也会造成严重破坏。为了更充分地发挥石材的社会和经济效益，有效地进行维护管理和科学地运用防护措施，研究石材的腐蚀机理和破坏因素是十分必

2、要的。 　　石材的腐蚀破坏既是一个复杂的过程，又是石材内在性质和与环境因素相互作用的结果。 石材的内在性质包括其化学组成和颗粒结构，例如，碳酸盐岩石中碳酸盐含量超过50％ ，其主要化学组成是碳酸钙和碳酸镁等，具体的又可分为石灰石、白云石和大理石。石灰石90％以上的成分是碳酸钙，白云石中含有一定量的碳酸镁，大理石是经过重结晶的碳酸钙。这三者因为晶粒差异、孔径分布不同及以后沉积的缘故，物理性能有所差异，抗腐蚀性也不同。后沉积即重结晶会提高强度，降低微孔率，延长使用寿命。另外，砂岩和花岗岩也是常用的石材。这些石材的

3、性质和结构各不相同，但是它们的表面和内部都有许多直径零点几到几百个纳米的微孔，这些微孔是气体和水份进出人石材内部的通道，同时气体和水份也将酸碱盐等物质带人和带出，使石材与环境更紧密相联。 　　环境因素包括当地的气候与气象，如气温变化、雨水与潮湿、风雪；包括邻近接触物的影响，如大地、海水或依托体；还包括环境空气成分，如大气中酸性气体含量(如s 、C02、NO 等)以及悬浮颗粒物(aSP)都直接影响石材的使用寿命。我国是硫化物污染较严重的国家之一，许多地区的环境空气质量达不到国家三级标准，环境污染的破环问题已提到

4、首要议事日程上来，应当引起足够的重视。 　　I．石材腐蚀机理 　　石材的腐蚀按照作用机制主要可以分为以下几种： 　　I．1物理腐蚀 　　I．1．1冻损：冻损是造成石材裂缝的主要原因之一。雨水、冷凝水或地下水通过微孔进人石材，随着温度的变化，石材的体积反复收缩或膨胀，其应力可造成石材的裂损，尤其是长期处于潮湿环境而日夜温差较大的室外石材L1 J。石材对冻损的敏感程度取决于它的微孔结构，因为孔结构决定了水饱和度，同时结冰时所产生的压力强度因孔径而异。关于石材冻损的微观过程主要有两种观点，一种观点认为 2J：在石材

5、微孔中生成的冰晶的自由能要大于在粗孔中生成的冰晶的自由能，当冰晶在粗孔中形成并填充了这个孔时，至少有两种现象之一可能发生，一是它会生长出来，从而进入旁边的微孔中；二是它从周围的微孔中吸取必要的水分，继续生长填满整个粗孔 后者在热力学上更为可行，这样冰晶继续生长而形成的大冰柱，由此冰晶膨胀造成冻损。然而，冰柱体由于膨胀受到石料的反作用力，它的自由能也会增加，如果石料对冰柱的压力足够大，那么，柱体的自由能会超过微孔中冰晶的自由能，而冰将会挤进微孔的网络，反之冰晶膨胀造成石料损害。另一种观点认为_】J：石材内部水的

6、压缩应力是主要破坏因素，在一种易受冰冻影响的石材中，石材本身的张力比终止冰柱生长的力大得多，换句话说，冰柱体膨胀对石材直接的破坏性很小。冰晶沿着粗孔增长或者绕过微孔形成密封水[43，被密封的水重复密封过程，而水结成冰体积膨胀约百分之十，密封水被压缩，产生压缩应力而造成石料破坏，他们称之为冰冻隆胀。关于这两种观点，他们各自都在自然界中能找到了典型的例子来应证。 　　1．1．2盐作用：盐作用包括结晶风化_5J、结晶压力【 、水合压力 、吸湿膨胀和温升膨胀l 造成的应力。盐作用是石材风化的最重要的原因。盐的来源包括

7、石材早期地质形成时期和后来变化产生的盐结晶，而盐的其它来源包括石材与气体反应生成的产物，如CaSO4和Mgso4等，也包括水泥、灰浆、尘埃、地下湿气、海水和不当的清洁材料等通过石材微孔带人的盐。盐在石材微孔中结晶会产生很大的压力，即结晶压力，一些常见盐的结晶压力见表lI9J，结晶压力决定于结晶温度和饱和度(c／％)。 　　在一定的条件下，有些盐还可以重结晶生成新的水合物，占据更大的体积，产生额外的压力，即水合压力，例如石膏(CAISO4•1／2H20)和泻盐(~agSO,•6H20)的水合压力见表2[9]。水

8、合压力与温度、湿气浓度有关。　　盐的破坏力是很大的，例如，英国一座教堂的石基上涂抹了一层食盐(NaCI)，其原意是为了保护石材，其效果却恰恰相反，使石材表面呈壳状剥落。盐结晶破坏在许多情况下借助于风的作用。内层的盐溶解在水中扩散到表面，风使得水蒸发加快，从而促进盐积累。环境干湿循环的变化也加速盐结晶的循环，重复的盐的溶解和结晶使石材微孔的表面呈粉末状或鳞片状脱落，石材的表面呈糖状风化，在雨淋到之处风