石灰岩分析

欧洲教堂和城堡代表了一个时代的建筑成就，是“实用、坚固、美观”理性思想指导下，对形而上学思想的阐释。而“变黑的大教堂”恍惚间让你穿越到黑暗的中世纪，唤醒被压抑着的性灵，此时是不是疑惑：它们不应该是抚慰人心，及至天堂吗？ 我国著名建筑设计大师贝聿铭先生也曾说过“建筑是光与影的结合”，而教堂和城堡其实就是光与影的最佳体现形式之一。其中比较有代表性的教堂，如德国科隆大教堂、圣家族大教堂、TESCAN 4D原位CT起源地根特的圣尼古拉斯大教堂等。而说到城堡不得不提一下位于TESCAN总部捷克的布拉格城堡。虽然蔡依林的“布拉格广场”脍炙人口，其实布拉格只有老城广场并没有所谓的布拉格广场。 拿科隆大教堂来举例，在建成时其实是银白色的！耗时6个世纪于1880年竣工。为什么德国科隆大教堂现在是一副黑漆漆的样子？？？其实，这是所有大教堂和城堡都面临着的严峻问题。总部位于比利时根特的TESCAN XRE利用其高分辨率显微CT揭开其谜底。从“白马王子”到“邋遢大叔”，只需环境的改变首先是选材。在欧洲，特别是中、西欧，地处阿尔卑斯山脉附近，大理石储量丰富且优质。有多丰富呢，直到2000年以前欧洲大理石产量仍占全球80%以上，而大理石使用寿命高达上百年且极具美观。因此，大理石成为建造教堂的首选材料。科隆，是欧洲重要的工业城市，也是德国最大的褐煤（煤化程度最低的矿产煤，污染远超一般的煤）生产基地。由于长期受到工业废气和酸雨污染、腐蚀，大理石表面容易被溶解和变色，严重的会出现空洞和裂缝，导致强度降低，从而损坏建筑物。大教堂从原来的“白马王子”变成了现在的“邋遢大叔”。那建筑石材在酸性环境下，究竟是如何一步步变化的？在比利时根特大学X射线断层扫描中心TESCAN的高分辨率CoreTOM CT成像装置耗时4天，使用原位动态能力观察研究了石灰岩在酸性环境下反应的时间过程。在不破坏材料的情况下，详细记录了样品内外部的微观结构变化。最终用2D、3D图像以及动画形式在微米尺度上为大家揭秘。实验设计Tescan CoreTOM CT System4D原位CT实验选择一块直径为4毫米的石灰岩岩心为本次实验样品，将岩心固定在密闭容器内，并在底部加装释放酸性环境的原位设备，以此来模拟酸性城市环境。最后将原位装置的电源和数据信号接入CoreTOM系统特殊的原位载物台上，该载物台搭载专用的“无电缆缠绕”接口，可匹配市面上大部分原位装置，让载物台在旋转时无后顾之忧，自由自在地旋转而不用担心电缆数据线缠绕问题。让石灰岩岩心完全暴露在酸性环境中进行连续采集，然后对原始采集投影图像进行“实时”重建，每30分钟一次扫描，共扫描136次，扫描体素为5μm。第一次扫描得到差分图像（t=0h）为参考体积，一直记录到第68小时。实验挑战在数据处理和重建过程中，超长的采集时间和超多的扫描数量，使得数据总量甚至会超过1.5T。这个问题怎么解决？1.“实时”重建技术，CoreTOMCT系统配备了实时重建技术，实现边扫描边重建，合理运用计算机的算力并且节约时间成本。2.“关键节点”重建技术，在数据时间轴当中，利用差分成像，来观察时间节点。我们可以有选择的进行重建分析，选择某个时间节点前后，或者某个关键变化前后进行重建。以此来高效处理整个数据体。不遗漏任何一个变化的同时也可降低数据压力。3. 连续四天不间断采集。TESCAN动态显微 CT适用范围更广，性价比更高，目前，是市场上唯一一款介于传统实验室显微 CT（延时成像）和同步加速器显微 CT （可用范围有限、成本十分昂贵）之间的桥梁。实验结果石材的变质是一个复杂的过程，它涉及到物理、生物、化学等多种机制。首先我们选择观察样品的一个切片图，以t=0时的切片图为参考体积，做出随时间变化的差分图像，用更加直观的方法，展现样品的变化过程。样品内部的孔隙，不同成分的密度差，外部的形貌等等我们都可以清晰地观察测量到。不难发现随着时间的变化，石灰岩开始慢慢被腐蚀。在第68小时达到顶峰。随后我们在3D立体图像上，来展示整个样品的变化趋势，不同颜色代表不同时间段发生的变化。而在本次实验中主要发生了两个变化，一个是在酸性环境下方解石胶结物的溶解，另一个是石膏(CaSO4.2H2O)结晶过程，为了很好地展示两种变化的过程，我们分别对3D成像做了两种处理。而在中后期，则主要是石膏结晶过程。小结：大理石在使用和暴露于大气条件时，与其环境之间的相互作用和干扰，比如溶解、剥落、打磨、溶解、风化或结壳等，会导致侵蚀或沉积蚀变模式，这些模式的改变是复杂和动态的。其中，石膏结痂是污染城市环境中建筑石材上的硫酸盐结壳，主要由石膏晶体组成，由于混入空气中的灰尘和颗粒物，通常被称为黑色结痂。通过实验我们能清晰的观察到这一系列动态过程。为原位实验而生除此外，我们还使用Tescan DynaTOM CT设备对石膏材料进行了4D原位加温试验，不仅可观察到外部形状变化，还能完美地记录下内部孔隙率、孔隙形状、尺寸变化等数据。更多CT应用视频，请扫码进入B站：搜索”TESCAN中国“。

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