基于红外成像技术研究和探讨石灰岩中的盐结晶模式

《Infrared Physics & Technology》：Study on the salt crystallization patterns of limestone based on infrared imaging

　　**摘要**
盐的结晶加速了多孔风化石灰岩的劣化过程，而传统的采样和测试方法无法充分揭示石材表面盐类的整体分布情况。本研究选择了类似洞穴表面的不规则风化石灰岩作为研究对象，进行了含盐水的循环毛细上升实验，并利用红外热成像技术监测了样品在盐结晶过程中的温度变化。通过对红外图像进行处理，绘制了等温线并进行了对比分析，以揭示风化石灰岩中温度分布与盐结晶之间的内在关系。结果表明， normalized infrared image processing（归一化红外图像处理）是一种有效的方法，可用于分析盐结晶的时间变化。与水分和盐沉积相关的归一化红外曲线显示出了显著的分布模式。盐结晶主要发生在凸起表面区域和毛细上升路径的末端，并随着循环次数的增加而逐渐扩展。红外热图揭示了不同阶段的特征：在沉积阶段，毛细上升后开始析盐区域的温度明显高于潮湿区域；在发展阶段，盐沉积区域的温度明显低于周围潮湿区域。结晶区和潮湿区之间的初始温差曲线有助于确定盐沉积的开始时间，而等温线的突变与毛细上升前沿高度一致，为确定结晶区域提供了重要依据。本研究表明了该方法在监测石材盐害方面的灵敏度和潜力，进一步拓展了其在文化遗产保护中的应用前景。

**引言**
盐害是导致石材文物劣化的主要原因之一，尤其是在风化石材中，盐结晶的破坏作用尤为显著[1]、[2]、[3]。风化石材的表面层具有高孔隙度，使得水分能够快速广泛迁移。此外，风化层具有良好的渗透性，从而促进了强烈的蒸发作用，使得表面极易发生盐结晶[4]、[5]。根据盐结晶的扩展机制，一旦在风化层中开始结晶，石材就会受到压缩应力损伤[6]、[7]。因此，了解盐结晶的规律对于有效保护洞穴文物至关重要，特别是提前预测盐结晶的范围和程度尤为重要[8]。目前关于盐结晶规律的研究主要集中在水-盐迁移路径、孔隙结构特征以及环境因素对结晶行为的影响上，逐步建立了盐害形成机制的理论框架[9]、[10]。然而，大多数研究基于平面和理想化的实验模型，未能充分考虑实际环境中因雕刻或风蚀作用形成的复杂表面结构[11]、[12]。尽管盐沉积现象在各种类型的石材文物中普遍存在，但其空间分布模式往往高度异质且复杂[13]、[14]。相关研究表明[15]、[16]，由于历史风化和雕刻痕迹，文物表面常常出现裂缝、凸起、凹陷等不规则复杂结构。这些结构不仅影响毛细水的迁移路径，还显著改变蒸发速率，从而导致不同区域的盐积累和结晶速率存在差异。这种空间异质性不仅增加了预测盐害的技术难度，也给传统的防治策略带来了挑战。在盐害造成可见的劣化之前，通常会经历一个漫长的潜伏发展阶段。如果在盐迁移或初始结晶阶段能够实现动态监测和及时识别，就可以有效避免不可逆的结构损伤[17]。近年来，一些研究尝试采用无损检测方法来实现盐害过程的动态识别和早期响应控制，初步显示出在复杂遗产环境中提高检测效率和干预准确性的潜力[18]、[19]。综上所述，开发基于红外成像的监测方法以全面识别和动态跟踪不规则石材表面上的盐结晶行为已成为亟待解决的科学问题。本研究以典型的洞穴石灰岩作为研究对象，验证了该方法在文化遗产保护中的潜在应用。

**红外热成像技术在石材损伤监测中的应用**
近年来，红外热成像（IRT）在监控石材劣化方面逐渐展现出独特的优势。通过捕捉材料表面的红外辐射温度分布，该技术能够在复杂环境条件下实现对材料状态的监测和快速识别[20]、[21]、[22]、[23]。在石材劣化检测中，IRT被广泛应用于裂纹、层离、水分保持和迁移路径以及盐害的识别，为文化遗产保护提供了可视化的无损技术支持[24]、[25]、[26]、[27]。其中，盐害是石材最常见的破坏形式之一，其形成过程通常涉及盐的溶解和水的传输、毛细迁移以及晶体沉积[28]。在此过程中，孔隙结构和表面热湿条件的局部变化常常导致热导率降低和蒸发速率不均，这表现为红外热图中的异常温度分布[29]。通过施加适当的热激励条件（包括自然或外部刺激），IRT可以识别潜在的富盐区域和劣化趋势[30]。先前的研究表明，主动红外热成像常用于盐沉积过程的实验室模拟和热响应分析。通过施加外部热激励，可以提取冷却曲线和热扩散率等参数，反映盐迁移和结晶对材料热性能的影响[31]。由于被动红外热成像不依赖于外部激励，并能响应环境温度和湿度的变化，因此被广泛用于长期监测和现场石材文物的早期检测[32]、[33]。该方法同样适用于实验室条件，尤其是在模拟毛细水迁移和盐结晶的过程中，能够有效捕捉热响应差异，展现出良好的灵敏度和稳定性[34]、[35]、[36]。通过连续记录和分析表面温度场，IRT可以识别由水分保持和盐积累引起的热异常，这些异常与盐含量变化密切相关[37]。然而，尽管IRT在识别盐迁移路径和热异常区域方面具有优势，但红外图像容易受到外部环境因素的影响，且盐结晶需要相对较长的时间。因此，揭示不同时间间隔获取的红外图像之间的内在联系仍然是其应用的关键挑战。

**研究方法与结果**
本研究选择了典型的洞穴风化石灰岩作为研究对象，进行了含盐水的循环毛细上升实验，并利用红外热成像技术监测盐沉积过程中的温度变化。结合归一化图像处理，构建了等温分布并提取了不同区域的温度变化曲线。通过比较不同区域的响应差异，识别出了盐结晶区域的分布模式。结果表明，红外热成像结合归一化分析在监测多孔石灰岩盐害方面具有有效性，并展示了其在文化遗产保护中的潜在应用。

**参考文献**
（此处应列出具体的参考文献列表）

**致谢**
我们衷心感谢河南省2023年 Key Research and Development Special Project（项目编号231111321100）和中国国家自然科学基金（项目编号12302149）的财政支持。

**作者贡献声明**
袁建伟：撰写、审稿与编辑、项目管理、调查
张硕：撰写、初稿撰写、数据整理、概念构思
张亚格：方法论设计、概念构思
郭志豪：项目管理、调查
秦凯丽：软件开发、正式分析
张春航：数据整理、概念构思
李俊杰：调查
李发强：软件开发、概念构思

**联系方式**
河南省土木工程与建筑学院，开封建市 475004，中国