含水古木构件脱水定形过程中水的扩散系数的测定方法

专利名称：含水古木构件脱水定形过程中水的扩散系数的测定方法
技术领域：
本发明属于含水古木脱水测定方法技术领域，主要涉及的是一种含水古木构件 脱水定形过程中水的扩散系数的测定方法。
背景技术：
古木构件，即指木质文物，自出土即被泡水保护，这仅是应急保护措施，必须 创造条件尽快地让其脱水干燥，否则木质构件会继续被腐蚀。而含水古木构件的脱 水定形过程非常漫长，只有这个过程完成后，木质文物才称得上得到合理有效的保 护。古木构件脱水干燥的快慢与自身盼性状和环境状况有关，扩散系数是描述这种 特性的技术参数，同时扩散系数也是反映木质文物性质的基本物理量。扩散系数不 但可以定性地评估古木构件地腐蚀程度，而且是计算古木构件脱水至稳定所需时间 必不可缺少的数据，同时亦为古木构件干燥过程的数字t莫拟提供理论参数，扩散系 数的测定为制定木质文物的保护工艺、方案提供重要的依据。但是如何测定古木构
件中水的扩散系数，目前却未见报道，因此无法得知^:质文物脱水至稳定的时间， 也无法进行古木构件干燥过程的数字模拟，难以选择合理的古木构件脱水方案。
对于新鲜木材已有测定其扩散系数的方法，但是这个方法不适用于古木构件。 因为新鲜木材与古木构件的材质是非常不同的，后者有不同程度的腐蚀，有的腐蚀 度甚至接近80%，腐蚀程度严重已不罕见。测试新鲜木材的扩散系数时，是用千燥 的木块作试件，而古木的扩散系数是以含水、甚至饱水的木块作试件。
因此发明新的方法来测定木质文物在脱水至稳定过程中水的扩散系数已迫在 眉睫。

发明内容
本发明的目的是提出一种含水古木构件脱水定形过程中水的扩散系数的测定 方法。该方法能够提供木质文物的基本物理参数扩散系数，为评估古木构件地腐蚀 程度提供重要参数，亦为古木构件干燥过程的数字模拟及计算古木构件脱水达到稳 定所需时间提供理论参数。
本发明实现上述目的采取的技术方案是对含水古木构件脱水定形过程中水的
扩散系数的测定方法按以下步骤进行
(1) 根据木质构件大小取一小块试件；
(2) 在相对湿度为90%以上的环境下，用细砂纸将小i央试件磨成一任意长方 体，在加工中不得挤压试块，以免影响试块的原始含水量；(3) 试i央制作好后，即刻称取小块试件的重量& (P:为小块试件的干重量和 起始所含水的重量)，读数精确至0. 001克；
(4) 称重后，即刻测量小块试件的厚度h，读数精确至0.01毫米；
(5) 用防水分扩散的密封材料封闭小块试件的五个平面，保留一个平面让
水分通过；
(6) 将密封后的小i央试件放入相对湿度为100%的保湿箱中养护24小时，使 密封材料与小块试件粘贴牢固；
(7) 从保湿箱中取出小±央试件称其重量，记为P2 (°)，读数精确至0. 001克， 并记下此时的时间作为开始脱水的时间起点t。，将小i央试件方iA室内在室温下让其 自发地脱水；
(8) 在小i央试件脱水过程中称其重量P2")(i《2， 3，……，n)，直至P2 ")不再减重，即P2 " "P2 (n)，并记录每次称重的重量及相应的时间。小±央试件脱 水达到恒重所需要的时间即为脱水至稳定的时间t;
(9) 拆除小i央试件表层的密封材料并称重，记为P3，读数精确至0. 001克；
(10) 将称重后的小i央试件放入干燥箱，在105"C下烘至恒重，即小块试件重 量不再变化；
(11) 将上述小i央试件放入干燥器冷却后称重，记为P"读数精确至0.001
克；
C = ^^xlOO%
(12) 用& 求出小±央试件脱水至稳定时的含水量；
C0 =尸1 —尸4 xlOO%
(13) 用 A 求出小块试件开始脱水时的含水量；
(14) 将h、 C、 C。、 t代入式:C = —(》'，求出扩散系数D。 本发明根据裴克(Fick)第二定律，提出了测定饱(含)水古木构件在脱水定
形过程中水的扩散系数的方法及步骤。发明原理是
饱(含)水古木构件脱水过程遵循裴克(Fick)第二定f聿。如图1所示，其为一 长方体ABCDA' B' C' D'试块，若仅开放A' B' C' D'平面，而其它五个平面均 封闭，即水仅沿图中x轴方向扩散，这是一维问题，即有
^ = 4 (1)
式(1)就是Fick第二定律，式(1)中C为木构件中水的含量，t为时间，x 为坐标，D为欲求的扩散系数。由物理常识可知在x=0处，水的含量不随坐标位置 而改变，即有边界条件<formula>formula see original document page 5</formula>
(2)
同时在x=h处(h为试块的厚度)是临空面，其水的含量视为0，即有边界条
件:
c , = 0
初始条件为:
q,=0=c。
(3)
(4)
式中C。为试块的初始含水量。 由式(1) (4)组成偏微分方程组，对该方程组求解得到满足该方程^
为:
C = ~^"Z^^"^~2A .cos
2" —1
(5)
式(5)的物理意义为在厚度为h的含水小i央试件的X处，起始含水量为C。，
经过t时间以后含水量降至C，禾,式(5)即可计算出扩散系数D。
为了计算方便，仅取fl，忽略其余次要项。则有
<formula>formula see original document page 5</formula>
(6)
当整块木±央脱水至稳定时，即^0处的含水量不会再变化了，令^0，代入式
(6)得
<formula>formula see original document page 5</formula>
(7)
式(7)即为直接应用于计算扩散系数D的公式。
在试验中曾取一小块木构件，它经聚乙二醇、脲和二甲基脲溶液浸泡至饱和， 依上述方法记录得
试块的初始含水量C。二49. 2%，经过/ = 1.73"06秒后，其含水量下降至〔=34. 5%， 取x二O， n=l，代入式(5)得扩散系数D为
经检索，类似的现代木的扩散系数D=1.40Xl(T5Cm2/S，此值与本发明实测的 扩散系数D二5.32X10—7cmVs相差很大，这是合理的。因为按化学热力学的常识可 知溶液中水的蒸汽压较纯水中的为低，其化学势也较低，所以其脱水的速率也应低， 因此对应的扩散系数也应小些。
由于含水的木质构件，在大气中7K会沿各个方向扩散，这样脱水的速度会很快。而木质文物脱水的原则是越慢越好，只有这样才能尽量 咸少它在脱7jC过程中的收縮 变形，因此本发明采用封闭小±央试件的五个面，仅保留一个平面与大气进行气体交 换的方式解决木质文物脱水速度过快的问题，使木质文物在这种状态下脱7K后形状 固定，再不会产生干縮变形，甚至开裂等不良现象。同时经过这样处理的脱水方法， 其脱水过程也由三维问题简化为一维问题，便于计算。本发明原理明确，方法可信; 操作简便、易行；不需要复杂的仪器设备。采用该方法获得的扩散系数能够提供木 质文物的基本物理参数，为评估古木构件地腐蚀程度提供重要参数，亦为古木构件 干燥过程的数字模拟及计算古木构件脱水达到稳定所需时间提供理论参数。


图1是本发明的长方体试块及脱水过程的原理图。
图2是本发明的脱水至稳定时间的确定方法图。
具体实施例方式
现采用实施例的方式对本发明进行详细的说明，但是需要说明的是，本发明并 不局限于下面的实施例。
本实施例对含水古木构件脱水定形过程中水的扩散系数的测定方法按以下步
骤进行
1、 根据木质构件大小取一小块试件，试件越大越好；
2、 在相对湿度为90%以上的环境下，用细砂纸将小i央试件磨成一任意长方体， 在加工中不得挤压试块，以免影响试块的原始含水量；
3、 试土央制作好后，艮陔嫩取小土央试件的重量R (P,为小块试件的干重量和起 始所含水的重量)，读数精确至0. 001克；
4、 称重后，即刻测量小块试件的厚度h，读数精确至0.01毫米；
5、 用502硅橡胶或能阻止水分从小块试件中扩散出来的材料封闭小块试件的 五个平面，保留一个平面可以让水分通过；
6、 将涂胶后的小i央试件放入相对湿度为100°/。的保湿箱中养护24小时，使硅 橡胶固化并与小块试件粘贴牢固；
7、 从保湿箱中取出小i央试件称其重量，记为P/"，读数精确至0.001克，并 记下此时的时间作为开始脱水的时间起点to，将小块试件放入室内无光照并且避风 的地方，在室温下让其自发地脱水；
8、 在小块试件脱水过程中称其重量&(1)(1=1， 2， 3，……，n)，直至&")不 再减重，即P,""P.,，并记录每次称重的重量及相应的时间，如图2所示。从记 录的小i央试件的重量和时间数据可以看出，随着时间t的增长，P2 (i)越来越小， 最终达到恒重，小±央试件脱水达到恒重所需要的时间即为脱水至稳定的时间t;
9、 拆除小i央试件表层的封护硅橡胶并称重，记为&，读数精确至0.001克；10、将称重后的小i央试件放入干燥箱，在105t:下烘至疸重，即小块试件重 量不再变化；
11 、 将上述小±央试件放入干燥器冷却后称重，记为P4，读数精确至0. 001克;
p _ p C = ^~~^xlOO%
12、 用 A 求出小块试件脱水至稳定时的含水量；
C0 =尸1 _户4 xlOO% 用 A 求出小块试件开始脱水时的含水量；
13、 将h、 C、 CQ、 t代入式C二^e—。、'中，求出扩散系数D。
权利要求
1、一种含水古木构件脱水定形过程中水的扩散系数的测定方法，其特征是对含水古木构件脱水定形过程中水的扩散系数的测定方法按以下步骤进行(1)根据木质构件大小取一小块试件；(2)在相对湿度为90％以上的环境下，用细砂纸将小块试件磨成一任意长方体，在加工中不得挤压试块，以免影响试块的原始含水量；(3)试块制作好后，即刻称取小块试件的重量P1(P1为小块试件的干重量和起始所含水的重量)，读数精确至0.001克；(4)称重后，即刻测量小块试件的厚度h，读数精确至0.01毫米；(5)用阻止水分扩散的密封材料封闭小块试件的五个平面，保留一个平面让水分通过；(6)将密封后的小块试件放入相对湿度为100％的保湿箱中养护24小时，使密封材料与小块试件粘贴牢固；(7)从保湿箱中取出小块试件称其重量，记为P2(0)，读数精确至0.001克，并记下此时的时间作为开始脱水的时间起点t0，将小块试件放入室内在室温下让其自发地脱水；(8)在小块试件脱水过程中称其重量P2(i)(i＝1，2，3，……，n)，直至P2(i)不再减重，即P2(n-1)≈P2(n)，并记录每次称重的重量及相应的时间。小块试件脱水达到恒重所需要的时间即为脱水至稳定的时间t；(9)拆除小块试件表层的密封材料并称重，记为P3，读数精确至0.001克；(10)将称重后的小块试件放入干燥箱，在105℃下烘至恒重，即小块试件重量不再变化；(11)将上述小块试件放入干燥器冷却后称重，记为P4，读数精确至0.001克；(12)用<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mn>3</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>P</mi> <mn>4</mn></msub> </mrow> <msub><mi>P</mi><mn>4</mn> </msub></mfrac><mo>&times;</mo><mn>100</mn><mo>%</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100657150002C1.tif" wi="33" he="10" top= "187" left = "49" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>求出小块试件脱水至稳定时的含水量；(13)用<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>C</mi> <mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>P</mi> <mn>4</mn></msub> </mrow> <msub><mi>P</mi><mn>4</mn> </msub></mfrac><mo>&times;</mo><mn>100</mn><mo>%</mo> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2009100657150002C2.tif" wi="35" he="10" top= "201" left = "49" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>求出小块试件开始脱水时的含水量；(14)将h、C、C0、t代入式<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>4</mn><msub> <mi>C</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <mi>&pi;</mi></mfrac><msup> <mi>e</mi> <mrow><mo>-</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mi>&pi;</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>h</mi> </mrow></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mi>Dt</mi> </mrow></msup><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="A2009100657150002C3.tif" wi="31" he="9" top= "217" left = "96" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>求出扩散系数D。
2、 根据权利要求1所述的含水古木构件脱水定形过程中水的扩散系数的测定 方法，其特征是所述的阻止水分扩散的密封材料为502硅橡胶。
全文摘要
本发明公开的含水古木构件脱水定形过程中水的扩散系数的测定方法是取一小块试件；磨成一任意长方体；称其重量P₁；测其厚度h；封闭其五个平面；在保湿箱中养护24小时后，在室温下让其自发地脱水直至恒重，所需时间为脱水至稳定的时间t；拆除密封材料并称重为P3；放入干燥箱烘至恒重，冷却后称重为P4；用C＝(P₃-P₄)/P₄×100％求出小块试件脱水至稳定时的含水量；用C₀＝(P₁-P₄)/P₄×100％求出小块试件开始脱水时的含水量；将h、C、C0、t代入式(Ⅰ)，求出扩散系数D。该方法能够提供木质文物的基本物理参数扩散系数，为评估古木构件地腐蚀程度提供重要参数，亦为古木构件干燥过程的数字模拟及计算古木构件脱水达到稳定所需时间提供理论参数。
文档编号G01N5/00GK101614644SQ20091006571
公开日2009年12月30日 申请日期2009年8月11日 优先权日2009年8月11日
发明者丁梧秀, 王鸿毅, 扬 程, 程昌炳 申请人:洛阳理工学院