古建筑軟木松舊木材內(nèi)部腐朽狀況阻力儀檢測(cè)結(jié)果的定量分析

瀏覽次數(shù)：3750　發(fā)布日期：2019-4-28　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

我國古建筑是以木結(jié)構(gòu)為主的建筑體系，其主要承重構(gòu)件柱、梁、檁、枋、椽等使用的都是木材。木材是生物材料，在長期的使用過程中，容易受到菌、蟲等生物性危害，引起木材腐朽和蟲蛀，使木結(jié)構(gòu)的安全性受到威脅。很多情況下木材腐朽從木材內(nèi)部開始，但由于古建筑木結(jié)構(gòu)不能輕易被拆解，因而必須采用無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)木材內(nèi)部的材質(zhì)狀況進(jìn)行勘測(cè)。目前世界各國開發(fā)的無損檢測(cè)或微損檢測(cè)方法很多，如超聲波、應(yīng)力波、X-射線、γ射線、皮羅釘（Pilodyn）、阻力儀(Resistograph)檢測(cè)等，其中超聲波、應(yīng)力波和阻力儀檢測(cè)是比較常用的方法。

　　阻力儀是德國Rinntech公司開發(fā)的一種木材內(nèi)部材質(zhì)檢測(cè)儀器，檢測(cè)時(shí)需要將一根直徑1.5mm的探針刺入木材內(nèi)部，屬類無損檢測(cè)，是目前歐洲、美國、日本和我國臺(tái)灣木結(jié)構(gòu)材質(zhì)狀況勘查的常用設(shè)備之一^[5-9]。該儀器是在檢測(cè)時(shí)記錄木材刺入過程中所受到的阻力，其大小隨各樹種密度的不同而變化。根據(jù)檢測(cè)得到的阻力曲線，只能定性地判斷木材內(nèi)部的腐朽狀況，而不能定量地評(píng)價(jià)由腐朽引起的木材物理力學(xué)性質(zhì)衰減程度。

　　本研究利用故宮維修時(shí)替換下來的局部腐朽的舊木構(gòu)件，按照腐朽等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將試件目視分等后，對(duì)其進(jìn)行氣干密度、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度測(cè)定，并對(duì)抗彎試件進(jìn)行阻力儀檢測(cè)，目的是找出檢測(cè)值與物理力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)阻力儀檢測(cè)結(jié)果的定量分析，為木結(jié)構(gòu)材質(zhì)狀況的定量評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料
　　試驗(yàn)試材取自故宮武英殿前殿維修時(shí)拆卸下來的單雙步梁瓜柱局部腐朽的舊木構(gòu)件，木材樹種鑒定結(jié)果為軟木松（Pinus sp.）。試材概況見表1。武英殿始建于明朝永樂年間，距今已有600多年的歷史。清同治八年（公元1869年），武英殿被火焚，燒毀正殿、后殿、殿門、東配殿和浴德堂等建筑共37間，同年重建^[10]。光緒二十六年（公元1900年），武英殿前殿、后殿再次被焚。由此推測(cè)本研究使用的材料是1869年或1900年修建時(shí)所用的木材，距今約100~130年。

1.2 試材取樣和試驗(yàn)方法
　　對(duì)采集的各個(gè)舊木構(gòu)件試材，按照國標(biāo)GB1929-91《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》^[12]分別在健康部分和不同腐朽程度的各個(gè)部分截取物理力學(xué)檢測(cè)用樣本，包括氣干密度、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度檢測(cè)樣本，共118組。不同腐朽程度的木材依據(jù)木材耐腐朽分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13942.2－92）^[13]劃分為5個(gè)等級(jí)，見表2。“0”表示未腐朽材，“1”、“2”、“3”、“4”分別表示4個(gè)腐朽等級(jí)。

1.3 阻力儀檢測(cè)原理
　　木材阻力儀主要包括探針及其保護(hù)裝置、微機(jī)系統(tǒng)和蓄電池幾個(gè)部分。木材阻力儀檢測(cè)的原理是在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，將一根直徑1.5mm的探針，以均勻速度刺入木材內(nèi)部，通過微機(jī)系統(tǒng)把探針刺入過程中受到的阻力數(shù)據(jù)記入存儲(chǔ)卡，同時(shí)打印輸出檢測(cè)圖譜。圖譜的橫坐標(biāo)與探針刺入的深度等距離，且在圖譜中木材內(nèi)部的密度分布、早晚材密度的變化及木材內(nèi)部因腐朽引起的密度變化均可以直觀地表現(xiàn)出來，如圖1所示。試驗(yàn)用阻力儀型號(hào)為Resistograph®3450-P/S，探針長度為45cm。

1.4 阻力儀試驗(yàn)和分析方法
　　由于每個(gè)樣本的物理力學(xué)性質(zhì)檢測(cè)用密度試件、抗彎強(qiáng)度試件和順紋抗壓強(qiáng)度試件從同一根木條上截取，而且截取時(shí)盡可能保證3個(gè)試件的腐朽程度相同，所以只對(duì)做完抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)的試件進(jìn)行了阻力儀檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)探針沿徑向穿過試樣，并要求刺入的位置盡量與其腐朽等級(jí)相吻合。應(yīng)用阻力儀圖像處理軟件（DECOM-Professional）將儀器存儲(chǔ)信息導(dǎo)出，轉(zhuǎn)化為包含數(shù)據(jù)信息的EXCEL文件形式，根據(jù)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)畫出阻力變化圖（見圖1），并分析不同腐朽等級(jí)樣本的阻力儀檢測(cè)值的變化。

1.5 數(shù)據(jù)處理和分析
　　軟木松是早晚材漸變樹種，從圖1可以看出，在同一個(gè)年輪內(nèi)從早材到晚材阻力值變化很顯著。同時(shí)由于每個(gè)抗彎強(qiáng)度試件徑向長度為2cm，包含了數(shù)個(gè)年輪，在每個(gè)年輪中都有一個(gè)波峰和一個(gè)波谷，而且阻力儀檢測(cè)精度很高，每1mm測(cè)量100個(gè)數(shù)值。因此，為了消除早晚材密度差異對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，同時(shí)避免阻力儀檢測(cè)時(shí)因遇到局部微量樹脂聚集出現(xiàn)峰值，或因微小腐朽出現(xiàn)的波谷值帶來的樣本測(cè)量誤差，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，將每個(gè)樣本檢測(cè)結(jié)果的最大值和最小值區(qū)間平均分為三等分，分別稱為波峰區(qū)、平均值區(qū)和波谷區(qū)。分別計(jì)算出波峰區(qū)平均值、波谷區(qū)平均值和樣本的平均值，這樣可以減小最大值和最小值出現(xiàn)頻率很低時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
　　以未腐朽木材的氣干密度、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度及檢測(cè)值為基準(zhǔn)，計(jì)算各個(gè)腐朽等級(jí)木材的密度及抗彎、抗壓強(qiáng)度的殘存率。
　　采用相關(guān)分析法分析阻力儀檢測(cè)值的平均值、波峰平均值和波谷平均值與各項(xiàng)木材物理力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同腐朽等級(jí)木材的物理力學(xué)性質(zhì)變化
　　不同腐朽等級(jí)木材的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定結(jié)果如表3所示。由于“4”級(jí)腐朽木材無法加工成試樣，所以無“4”級(jí)腐朽木材的物理力學(xué)性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果。舊木材中未腐朽部分（“0”級(jí)）的平均密度為0.439 g•cm^-3，抗彎強(qiáng)度為61.04MPa，抗壓強(qiáng)度為32.39MPa，與新鮮健康的紅松木材很接近。

　　隨著木材腐朽程度的加深，木材密度、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都明顯降低，其中抗彎強(qiáng)度的降低最為顯著，“1”級(jí)腐朽時(shí)抗彎強(qiáng)度降低到41.44MPa，到“3”級(jí)腐朽時(shí)，抗彎強(qiáng)度僅為7.71MPa，此時(shí)木材的抗彎強(qiáng)度僅為未腐朽木材的13％（見圖2）。隨著腐朽程度的加深，順紋抗壓強(qiáng)度和氣干密度降低也很顯著，達(dá)到“3”級(jí)腐朽時(shí)，順紋抗壓強(qiáng)度降低到18.41MPa，約為未腐朽材的57％；氣干密度降低到0.353 g•cm-3，約為未腐朽材的80％。

2.2 不同腐朽等級(jí)木材的阻力儀檢測(cè)值變化
　　阻力儀檢測(cè)值表示為Resi，變化范圍在0~500之間。由于阻力儀檢測(cè)值因樹種及木材含水率的不同差異很大，因此阻力儀在出廠時(shí)，并沒有對(duì)其進(jìn)行定量標(biāo)記。如果直接使用阻力儀檢測(cè)，只能得到定性分析結(jié)果，不能對(duì)物理力學(xué)性質(zhì)做出定量評(píng)價(jià)。為實(shí)現(xiàn)阻力儀檢測(cè)結(jié)果的定量評(píng)價(jià)，對(duì)以上進(jìn)行過物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定的樣本，進(jìn)行了阻力儀檢測(cè)。
　　在古建筑木結(jié)構(gòu)腐朽狀況勘查時(shí)，發(fā)現(xiàn)木材腐朽多數(shù)從早材開始，阻力檢測(cè)值劃分的3個(gè)區(qū)段中，波峰值區(qū)接近于晚材部分，波谷值區(qū)接近于早材部分。由于木材的腐朽具有不均勻性，這樣劃分考慮了各個(gè)數(shù)值出現(xiàn)的頻率，能夠更客觀地反映出每個(gè)樣本的實(shí)際材質(zhì)狀況。

2.3 物理力學(xué)性質(zhì)與木材阻力儀檢測(cè)結(jié)果的相關(guān)分析
　　將以上阻力儀檢測(cè)值與氣干密度、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度的測(cè)定結(jié)果做相關(guān)性分析，并分別建立了阻力儀檢測(cè)值與氣干密度、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的線性回歸模型，表示在圖4中，共15個(gè)模型，樣本數(shù)n = 118。阻力儀檢測(cè)值與氣干密度、抗彎強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度之間均存在著極顯著的線性相關(guān)關(guān)系（P﹤0.01），相關(guān)系數(shù)在0.29～0.52之間，因此，用阻力儀檢測(cè)值和線性回歸模型預(yù)測(cè)木材的密度、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度是可行的。

　　木材阻力儀檢測(cè)值的大小與木材早晚材的分布和腐朽程度有關(guān)，波峰值出現(xiàn)在未腐朽的晚材區(qū)域，波谷值出現(xiàn)在早材區(qū)域或腐朽嚴(yán)重的早材和晚材區(qū)域。從平均值、波峰值、波谷值、最大值和最小值來看，平均值與氣干密度和抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系最大，分別為0.52和0.41，與抗彎強(qiáng)度之間的相關(guān)系數(shù)較小，為0.34。波峰值與抗彎強(qiáng)調(diào)及抗壓強(qiáng)度間的相關(guān)系數(shù)很小，分別為0.32和0.35，但與密度間的相關(guān)系數(shù)很大，為0.51。波谷值與密度、抗彎強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)系數(shù)均比較高，分別為0.47、0.43和0.46。最大值與抗彎強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度間的相關(guān)系數(shù)最小，分別為0.29和0.32，但與密度間的相關(guān)系數(shù)很大，為0.51。最小值與密度、抗彎強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)系數(shù)均比較高，分別為0.40、0.41和0.44。因此，在預(yù)測(cè)木材密度時(shí)，使用阻力儀平均值與密度模型、阻力儀波峰值與密度模型及阻力儀最大值與密度模型都比較準(zhǔn)確；在預(yù)測(cè)木材抗彎強(qiáng)度時(shí)，使用阻力儀波谷值與抗彎強(qiáng)度模型或阻力儀最小值與抗彎強(qiáng)度模型都有較好的效果；在預(yù)測(cè)抗壓強(qiáng)度時(shí)最好使用抗壓強(qiáng)度與平均值、波谷值或最小值模型。
　　目前，我國的木材腐朽等級(jí)劃分國家標(biāo)準(zhǔn)中只對(duì)各個(gè)腐朽等級(jí)的木材做了定性描述，沒有對(duì)不同腐朽等級(jí)木材的力學(xué)性質(zhì)變化進(jìn)行定量分析，因此在木結(jié)構(gòu)材腐朽狀況現(xiàn)場(chǎng)勘查中，無法對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)腐朽的木構(gòu)件的物理力學(xué)性質(zhì)做出判斷。從以上試驗(yàn)結(jié)果看，各個(gè)腐朽等級(jí)木材的物理力學(xué)性質(zhì)衰減十分顯著，因此分別對(duì)不同樹種的各個(gè)腐朽等級(jí)的木材做出定量評(píng)價(jià)是可行的。
　　以上對(duì)不同腐朽等級(jí)軟木松木材的物理力學(xué)性質(zhì)變化、阻力儀檢測(cè)值變化以及兩種之間的相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果表明，各個(gè)腐朽等級(jí)木材的氣干密度、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度以及阻力儀檢測(cè)值均表現(xiàn)出隨著腐朽程度的加深，特征值降低的趨勢(shì)，且各個(gè)腐朽等級(jí)間差異極顯著。同時(shí)，阻力儀檢測(cè)值與氣干密度、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度之間存在著極顯著相關(guān)關(guān)系。因此，在使用阻力儀進(jìn)行古建筑舊木材內(nèi)部腐朽狀況檢測(cè)時(shí)，對(duì)于軟木松木材，利用建立的數(shù)學(xué)模型和被檢測(cè)材料阻力儀檢測(cè)值能夠定量地評(píng)估被檢測(cè)木材的材質(zhì)狀況。

3 結(jié)論
　　軟木松結(jié)構(gòu)材使用100~130年后，未腐朽木材（“0”級(jí)）的平均氣干密度為0.439g•cm^-3，抗彎強(qiáng)度為61.04MPa，順紋抗壓強(qiáng)度為32.39MPa。隨著木材腐朽程度的加深，抗彎強(qiáng)度降低最顯著，其次是順紋抗壓強(qiáng)度、氣干密度。不同腐朽等級(jí)木材的氣干密度、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度均存在顯著差異。木材達(dá)到 “3”級(jí)腐朽時(shí)，抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度和氣干密度分別為未腐朽木材的13％、57％和80％。
　　同一腐朽等級(jí)的軟木松木材阻力儀檢測(cè)值的波峰值和波谷值之差在35~55之間，最大值和最小值的差值在55~85之間，但波峰值、波谷值、最大值、最小值及平均值的殘存率差異不顯著。未腐朽材檢測(cè)值的平均值為179.08，隨著腐朽程度的加深，檢測(cè)值降低，特別是達(dá)到“3”級(jí)時(shí)，檢測(cè)值降低最為明顯，平均值降低到135.51，約為未腐朽材的76％。各個(gè)腐朽等級(jí)木材的阻力儀檢測(cè)值存在顯著差異。
　　阻力儀檢測(cè)值（最小值除外）與氣干密度間的相關(guān)系數(shù)最大。平均值及波峰值、波谷值、最大值、最小值與氣干密度、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度之間均表現(xiàn)出極顯著的線性相關(guān)關(guān)系（P﹤0.01），其相關(guān)系數(shù)在0.29～0.52之間。因此，對(duì)于軟木松木材，利用建立的數(shù)學(xué)模型和被檢測(cè)材料阻力儀檢測(cè)值能夠定量地評(píng)估木材的材質(zhì)狀況。

本文來源：北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 年，卷（期）：2007，29（6）
作者：黃榮鳳　劉秀英　李華　王曉歡　

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