石材的腐蚀、能量机理和破坏因素研究

　　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，研究石材腐蚀机理和破坏因素是十分必要的。

　　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首要议事日程上来，应当引起足够的重视。

　　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：

　　物理腐蚀

　　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。

　　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**重要的原因。盐的来源包括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/%）。