本文以磷石膏为原料蒸压制备半水硫酸钙晶须, 采用数字显微镜、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等微观测试方法对Mg2+作用下的半水硫酸钙晶须微观形貌、组成及晶面发育情况等进行试验研究, 运用分子动力学技术模拟计算Mg2+在半水硫酸钙晶体晶面的相互作用能和径向分布函数, 两者结合探讨Mg2+对半水硫酸钙晶体不同晶面结晶习性的影响。结果表明, Mg2+和半水硫酸钙晶体不同晶面的相互作用能从小到大顺序为: ΔE(200)<ΔE(002)<ΔE(400)<ΔE(020)<ΔE(204), 即Mg2+主要吸附在半水硫酸钙晶体的(200)、(002)、(400)晶面上。Mg2+与SO2-4间的作用距离小于Ca2+与SO2-4间的作用距离, Mg与S之间产生了明显的电子效应, 且电子效应随硫酸镁掺量的增加而增强, XRD衍射峰位置随硫酸镁掺量的增多向右偏移变得更加明显, 说明有少量的Mg2+嵌入半水硫酸钙晶格。在硫酸镁掺量0.15%(质量分数, 下同)时, 优先促进晶体c轴方向的生长, 使半水硫酸钙晶须呈细长针状, 平均长度为47.29 μm, 平均长径比为36.07; 在硫酸镁掺量为0.30%时, 抑制晶体沿c轴和径向的生长, 使半水硫酸钙晶须呈细短针状, 平均长度为39.72 μm, 平均长径比为28.91。

传统宫殿建筑的红色灰浆常用天然矿物红土作为显色剂, 但由于红土矿被限制开采等原因, 目前古建筑修缮常用工业合成氧化铁红替代红土, 但出现了红灰防水性差、 开裂剥落等现象。 为探究该现象出现的原因, 采集故宫养心殿中三座殿所(正殿、 西围房、 后殿)屋顶的红色夹垄灰样品, 通过X射线衍射(XRD)确定样品的主要物相组成, 结果表明: 各殿样品的主要组成皆为方解石、 氧化铁及石英, 此外含有少量的钠长石及埃洛石。 由于各殿样品色度差异较大, 因此结合粉末微观形貌及Mapping测试, 对比微观颗粒的形态、 颜色及文物样品断面元素分布情况, 结果表明正殿及后殿样品的粉末微观形貌显示为色泽均匀、 饱满的深红色颗粒, 伴有黑色或棕黄色矿物颗粒, 且由元素分布结果可知样品内Fe元素分布不均匀, 且与Al和Si元素分布不一致; 而西围房样品的粉末微观形貌显示为浅色颗粒, 伴有其余矿物组成存在。 元素分布结果表明样品内Fe元素分布均匀, 与Al和Si元素分布一致, 得出正殿、 后殿的红灰样品所用原料及显色物质为白灰、 红土、 氧化铁红; 西围房的红灰样品所用原料及显色物质为白灰、 红土, 首次提出了红土与氧化铁间的鉴别方法。 通过扫描电子显微镜(SEM)探究显色物质对样品微观形貌的影响, 结果表明仅含红土的样品结构连续且致密, 添加氧化铁红后两相结合较差, 孔隙较多。 为进一步探究红土、 氧化铁红对样品性能的影响, 分别制备了添加红土、 氧化铁红的模拟试样, 结合文物样品及分别添加红土、 氧化铁的模拟试样物理力学性能测试结果可知, 用氧化铁红替代红土制作夹垄灰, 相对于用红土制作的夹垄灰, 其物理力学性能较差。