石墨電極，第二電極4采用不銹鋼電極，即盛液桶、石墨電極、不銹鋼電極和電 源形成原電池，加固過程中進行原電池反應(yīng)，產(chǎn)生電滲現(xiàn)象。石墨電極需要伸入飽水古木8 的小孔9中，且與浸入修復(fù)液中，而不銹鋼電極在保證浸入修復(fù)液的前提下，可以采用多種 形式。本實施例中，不銹鋼電極被制作成環(huán)狀，且貼靠在盛液桶的內(nèi)壁上，此種結(jié)構(gòu)可增大 不銹鋼電極與修復(fù)液（電解液）的接觸面積，提高修復(fù)液中離子的運動速度，加快加固進 程。當(dāng)然，不銹鋼電極也可制作成其他形狀，例如：棒狀，或環(huán)繞在飽水古木8外圍的任意形 狀，但是，本實施例的設(shè)計方式最佳，效果最好。
[0041] 飽水古木8中心部位的小孔9除供第一電極3插入外，還需提供進水管管道插入 的空間。通過進水管將中轉(zhuǎn)槽5內(nèi)的修復(fù)液通入到盛液桶1中，再通過出水管11將盛液桶 1內(nèi)的修復(fù)液泵回中轉(zhuǎn)槽5中構(gòu)成了修復(fù)液的循環(huán)通路。中轉(zhuǎn)槽5中盛放著修復(fù)液，并設(shè)置 有潛水泵10,待加固工作開始后，即可通過潛水泵10將修復(fù)液通過出水管11泵入盛液桶1 中。本實施例加固裝置中，還設(shè)有水浴槽6,中轉(zhuǎn)槽5置入該水浴槽6內(nèi)，水浴槽6內(nèi)盛有冷 卻水，用于冷卻中轉(zhuǎn)槽5內(nèi)的修復(fù)液，并設(shè)有溫控系統(tǒng)，控制冷卻水的溫度。由于加固過程 中，盛液桶1中的修復(fù)液會因原電池反應(yīng)而放熱，而放熱過程會對古木造成損害，使古木斷 裂，對古木造成不可逆性的破壞。所以，需在加固進行過程中不斷為盛液桶1輸送冷卻的修 復(fù)液，保證盛液桶1中的修復(fù)液溫度不會過高。
[0042] 中轉(zhuǎn)槽5需通過進水管將冷卻后的修復(fù)液送入盛液桶1中，與此同時，還需將原電 池反應(yīng)后的高溫修復(fù)液通過出水管11泵回中轉(zhuǎn)槽內(nèi)。所以，在修復(fù)液循環(huán)通路中，設(shè)有循 環(huán)泵12,用于將高溫的修復(fù)液泵回中轉(zhuǎn)槽5內(nèi)；以及控制閥13,調(diào)控循環(huán)通路中修復(fù)液的流 速，確保循環(huán)通路中高溫的修復(fù)液和冷卻的修復(fù)液流量均衡，使盛液桶1內(nèi)修復(fù)液溫度保 持在常溫。
[0043] 為進一步確保從中轉(zhuǎn)槽5進入盛液桶1內(nèi)的古木中心部位小孔9的冷卻修復(fù)液的 溫度達(dá)到常溫，可以在中轉(zhuǎn)槽5與盛液桶1連通的管路上安裝冷卻器，安裝形式可以多樣。 本實施例直接將進水管改造成管狀的連通中轉(zhuǎn)槽5和盛液桶1的冷卻器7,從而提高修復(fù)液 與冷卻器7的接觸時間和接觸面積，提高冷卻效果，其中，冷卻器7的底部即為修復(fù)液進入 古木中心部位小孔9的出液口，而冷卻器7的頂部則與中轉(zhuǎn)槽連通。為進一步使冷卻效果 提高，可以將冷卻器7的出液口與第一電極相互貼靠，從而降低第一電極的溫度。冷卻器7 也可以是安裝于進水管路中間的一個冷卻裝置，或者包裹于進水管路外周的冷卻裝置；此 外，盛液桶1以及水浴槽6的外周也可包裹冷卻裝置，實現(xiàn)修復(fù)液的降溫。
[0044] 上述外電場原位加固裝置用于飽水木質(zhì)文物加固時的操作流程如下：
[0045] (1)將飽水古木置于盛液桶中，通過中轉(zhuǎn)槽向盛液桶通入第一修復(fù)液硅酸鈉溶液； 將第一電極石墨電極插入飽水古木中心部位的小孔內(nèi)，并與電源的正極連接，再將第二電 極不銹鋼電極與電源負(fù)極連接；將冷卻器的出液口接入小孔內(nèi)，出水管置于盛液桶的第一 修復(fù)液硅酸鈉溶液內(nèi)；
[0046] (2)開啟電源和冷卻器，修復(fù)液中的硅酸根離子向飽水古木中心部位的小孔內(nèi)移 動，并快速滲透到飽水古木的木纖維結(jié)構(gòu)中；隨著運行時間的延長，盛液桶內(nèi)的溫度升高， 與此同時，經(jīng)水浴槽冷卻的中轉(zhuǎn)槽內(nèi)的冷卻的第一修復(fù)液硅酸鈉通過修復(fù)液循環(huán)通路經(jīng)過 冷卻器后進入盛液桶中，而盛液桶內(nèi)的部分修復(fù)液經(jīng)管路被泵回中轉(zhuǎn)槽中，形成修復(fù)液循 環(huán)；
[0047] (3)運行結(jié)束后，用水泵將盛液桶中的第一修復(fù)液全部抽出，并將盛液桶與盛有第 二修復(fù)液的中轉(zhuǎn)槽連接，再通過中轉(zhuǎn)槽向盛液桶中通入第二修復(fù)液硝酸鈣溶液；將第一電 極石墨電極與電源負(fù)極連接，將第二電極不銹鋼電極與電源正極連接；開啟電源和冷卻器， 修復(fù)液中的鈣離子向飽水古木中心部位的小孔內(nèi)移動，與硅酸根離子結(jié)合，在小孔內(nèi)形成 穩(wěn)定的硅酸鈣沉淀；運行一段時間后，完成整個加固過程。
[0048] 實施例1
[0049] 針對田螺山遺址中的飽水古木采用實施例1所述裝置進行加固試驗，具體操作步 驟如下：
[0050] (1)選取半徑為8cm、高度為7cm的田螺山遺址飽水古木；
[0051] (2)將中心部位挖有小孔的飽水古木置于盛液桶中，通過中轉(zhuǎn)槽向盛液桶中通入 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的硅酸鈉溶液，將石墨電極插入飽水古木中心部位的小孔內(nèi)，并與電源的 正極連接，再將不銹鋼電極與電源負(fù)極連接；將冷卻器的出液口接入小孔內(nèi)，出水管置于盛 液桶的硅酸鈉溶液；開啟直流電源，電壓設(shè)置為30V，同時開啟修復(fù)液循環(huán)通路，處理2天； 處理過程中娃酸鈉溶液的溫度為20°C ;
[0052] (3)運行結(jié)束后，用水泵將盛液桶中的硅酸鈉溶液全部抽出，并將盛液桶與盛有 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的硝酸鈣溶液的中轉(zhuǎn)槽連接，再通過中轉(zhuǎn)槽向盛液桶中通入硝酸鈣溶液； 將石墨電極與電源負(fù)極連接，將不銹鋼電極與電源正極連接；開啟直流電源，電壓設(shè)置為 30V，同時開啟修復(fù)液循環(huán)通路，處理4天；處理過程中硝酸鈣溶液的溫度為20°C，處理結(jié)束 后，用水泵抽出盛液桶中的硝酸鈣溶液，完成加固過程。
[0053] 將固化處理后的飽水古木按照標(biāo)準(zhǔn)程序檢測順紋抗壓強度和硅鈣元素含量，同時 檢測未處理古木的抗壓強度和硅鈣元素含量，以判斷硅化程度和機械強度。將處理后飽水 古木與為處理的古木干燥三天后對比尺寸變化，在SEM下觀測處理前后微觀形貌變化。
[0054] 飽水古木經(jīng)硅化處理后，順紋抗壓強度由0. 9MPa提升至2. 045MPa，鈣元素質(zhì)量分 數(shù)由0. 73%達(dá)到12%，硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0. 21 %達(dá)到3. 2%。未處理古木在干燥后，體積 干縮至原體積的25. 2%，而處理后古木體積干縮至原體積的93. 3% (如圖2)。在SEM下觀 測，古木經(jīng)處理后表面被細(xì)小顆粒物完全覆蓋而心部被大量形狀不規(guī)則的顆粒物附著（圖 中，a為未處理樣的表面，b為處理樣的表面，c為未處理樣的心部，d為處理樣的心部）。
[0055] 實施例2~6
[0056] 選取半徑為6cm、高度為7cm的田螺山遺址飽水古木；采用與實施例1的加固方法 相同，僅對加固條件做相應(yīng)修改，固化后的飽水古木按照標(biāo)準(zhǔn)程序檢測順紋抗壓強度和硅 鈣元素含量，同時檢測未處理古木（對照）順紋抗壓強度和硅鈣元素含量。處理條件和結(jié) 果如表1所示。
[0057] 表 1
[0058]
【主權(quán)項】
1. 一種用于飽水木質(zhì)文物的外電場原位加固裝置，其特征在于，包括： 盛液桶，處在木質(zhì)文物外圍用以盛裝修復(fù)液； 第一電極，插入木質(zhì)文物內(nèi)； 第二電極，浸入盛液桶內(nèi)的修復(fù)液中； 電源，電源兩極分別連接第一電極和第二電極； 冷卻器，插入木質(zhì)文物內(nèi)且靠近第一電極； 中轉(zhuǎn)槽，通過管路與冷卻器、盛液桶構(gòu)成修復(fù)液循環(huán)通路。
2. 如權(quán)利要求1所述的外電場原位加固裝置，其特征在于，還設(shè)有水浴槽，所述中轉(zhuǎn)槽 置入該水浴槽內(nèi)。
3. 如權(quán)利要求1所述的外電場原位加固裝置，其特征在于，在修復(fù)液循環(huán)通路中設(shè)有 循環(huán)泵以及控制閥。
4. 如權(quán)利要求1所述的外電場原位加固裝置，其特征在于，所述冷卻器為管狀，冷卻器 底部為出液口，頂部與中轉(zhuǎn)槽連通。
5. 如權(quán)利要求1所述的外電場原位加固裝置，其特征在于，所述第二電極為環(huán)狀，繞木 質(zhì)文物外圍布置。
6. -種利用如權(quán)利要求1~5任一項所述的外電場原位加固裝置加固飽水木質(zhì)文物的 方法，其特征在于，將木質(zhì)文物浸入第一修復(fù)液中，在木質(zhì)文物和第一修復(fù)液之間施加第一 電壓，保持預(yù)定時間后將木質(zhì)文物浸入第二修復(fù)液中，在木質(zhì)文物和第二修復(fù)液之間施加 第二電壓，保持預(yù)定時間后完成修復(fù)；所述第一修復(fù)液為硅酸鈉水溶液，所述第二修復(fù)液為 硝酸鈣水溶液。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，將木質(zhì)文物浸入第一修復(fù)液中時，保持木質(zhì) 文物在現(xiàn)場不動，在木質(zhì)文物外圍限定出一盛液空間，再向該盛液空間內(nèi)加入第一修復(fù)液。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在木質(zhì)文物和第一修復(fù)液之間施加第一電 壓時，向木質(zhì)文物內(nèi)插入第一電極，在第一修復(fù)液內(nèi)浸入第二電極，再向第一電極和第二電 極施加第一電壓。
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，將木質(zhì)文物浸入第二修復(fù)液中時，先將第一 修復(fù)液移出盛液空間，再向盛液空間內(nèi)加入第二修復(fù)液。
10. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，施加第一電壓以及第二電壓時，保持第一 修復(fù)液或第二修復(fù)液的外循環(huán)，且在外循環(huán)時利用返回的第一修復(fù)液或第二修復(fù)液對第一 電極進行冷卻。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于飽水木質(zhì)文物的外電場原位加固裝置及方法，該裝置包括盛裝修復(fù)液的盛液桶、插入木質(zhì)文物內(nèi)的第一電極、浸入修復(fù)液中的第二電極、電源以及冷卻器和中轉(zhuǎn)槽，中轉(zhuǎn)槽通過管路與冷卻器、盛液桶構(gòu)成修復(fù)液循環(huán)通路。該方法將木質(zhì)文物浸入第一修復(fù)液中，在木質(zhì)文物和第一修復(fù)液之間施加第一電壓，保持預(yù)定時間后將木質(zhì)文物浸入第二修復(fù)液中，在木質(zhì)文物和第二修復(fù)液之間施加第二電壓，保持預(yù)定時間后完成修復(fù)；所述第一修復(fù)液為硅酸鈉水溶液，所述第二修復(fù)液為硝酸鈣水溶液。該裝置簡單易行，可在常溫常壓下操作；且無需移動木質(zhì)文物，可對木質(zhì)文物進行原位保護；采用該方法加固后的木質(zhì)文物抗壓強度、保水性顯著提高。
【IPC分類】B27K3-02
【公開號】CN104626304
【申請?zhí)枴緾N201510044681
【發(fā)明人】張溪文, 黃正峰
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月28日