古建筑软木松旧木材内部腐朽状况阻力仪检测结果的定量分析

我国古建筑是以木结构为主的建筑体系，其主要承重构件柱、梁、檩、枋、椽等使用的都是木材。木材是生物材料，在长期的使用过程中，容易受到菌、虫等生物性危害，引起木材腐朽和虫蛀，使木结构的安全性受到威胁。很多情况下木材腐朽从木材内部开始，但由于古建筑木结构不能轻易被拆解，因而必须采用无损检测技术对木材内部的材质状况进行勘测。目前世界各国开发的无损检测或微损检测方法很多，如超声波、应力波、X-射线、γ射线、皮罗钉（Pilodyn）、阻力仪(Resistograph)检测等，其中超声波、应力波和阻力仪检测是比较常用的方法^[1-5]。

　　阻力仪是德国Rinntech公司开发的一种木材内部材质检测仪器，检测时需要将一根直径1.5mm的探针刺入木材内部，属类无损检测，是目前欧洲、美国、日本和我国台湾木结构材质状况勘查的常用设备之一^[5-9]。该仪器是在检测时记录木材刺入过程中所受到的阻力，其大小随各树种密度的不同而变化。根据检测得到的阻力曲线，只能定性地判断木材内部的腐朽状况，而不能定量地评价由腐朽引起的木材物理力学性质衰减程度。

　　本研究利用故宫维修时替换下来的局部腐朽的旧木构件，按照腐朽等级的划分标准，将试件目视分等后，对其进行气干密度、抗弯强度和顺纹抗压强度测定，并对抗弯试件进行阻力仪检测，目的是找出检测值与物理力学性质之间的关系，实现对阻力仪检测结果的定量分析，为木结构材质状况的定量评价提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

　　试验试材取自故宫武英殿前殿维修时拆卸下来的单双步梁瓜柱局部腐朽的旧木构件，木材树种鉴定结果为软木松（Pinus sp.）。试材概况见表1。武英殿始建于明朝永乐年间，距今已有600多年的历史。清同治八年（公元1869年），武英殿被火焚，烧毁正殿、后殿、殿门、东配殿和浴德堂等建筑共37间，同年重建^[10]。光绪二十六年（公元1900年），武英殿前殿、后殿再次被焚^[11]。由此推测本研究使用的材料是1869年或1900年修建时所用的木材，距今约100~130年。

1.2  试材取样和试验方法

　　对采集的各个旧木构件试材，按照国标GB1929-91《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》^[12]分别在健康部分和不同腐朽程度的各个部分截取物理力学检测用样本，包括气干密度、抗弯强度和顺纹抗压强度检测样本，共118组。不同腐朽程度的木材依据木材耐腐朽分级标准（GB/T13942.2－92）^[13]划分为5个等级，见表2。“0”表示未腐朽材，“1”、“2”、“3”、“4”分别表示4个腐朽等级。

1.3  阻力仪检测原理

　　木材阻力仪主要包括探针及其保护装置、微机系统和蓄电池几个部分。木材阻力仪检测的原理是在电动机的驱动下，将一根直径1.5mm的探针，以均匀速度刺入木材内部，通过微机系统把探针刺入过程中受到的阻力数据记入存储卡，同时打印输出检测图谱。图谱的横坐标与探针刺入的深度等距离，且在图谱中木材内部的密度分布、早晚材密度的变化及木材内部因腐朽引起的密度变化均可以直观地表现出来，如图1所示。试验用阻力仪型号为Resistograph®3450-P/S，探针长度为45cm。

1.4  阻力仪试验和分析方法

　　由于每个样本的物理力学性质检测用密度试件、抗弯强度试件和顺纹抗压强度试件从同一根木条上截取，而且截取时尽可能保证3个试件的腐朽程度相同，所以只对做完抗弯强度试验的试件进行了阻力仪检测。检测时探针沿径向穿过试样，并要求刺入的位置尽量与其腐朽等级相吻合。应用阻力仪图像处理软件（DECOM-Professional）将仪器存储信息导出，转化为包含数据信息的EXCEL文件形式，根据储存的数据画出阻力变化图（见图1），并分析不同腐朽等级样本的阻力仪检测值的变化。

1.5  数据处理和分析

　　软木松是早晚材渐变树种，从图1可以看出，在同一个年轮内从早材到晚材阻力值变化很显著。同时由于每个抗弯强度试件径向长度为2cm，包含了数个年轮，在每个年轮中都有一个波峰和一个波谷，而且阻力仪检测精度很高，每1mm测量100个数值。因此，为了消除早晚材密度差异对检测结果的影响，同时避免阻力仪检测时因遇到局部微量树脂聚集出现峰值，或因微小腐朽出现的波谷值带来的样本测量误差，在进行数据分析时，将每个样本检测结果的最大值和最小值区间平均分为三等分，分别称为波峰区、平均值区和波谷区。分别计算出波峰区平均值、波谷区平均值和样本的平均值，这样可以减小最大值和最小值出现频率很低时对测量结果的影响。

　　以未腐朽木材的气干密度、抗弯强度、顺纹抗压强度及检测值为基准，计算各个腐朽等级木材的密度及抗弯、抗压强度的残存率。

　　采用相关分析法分析阻力仪检测值的平均值、波峰平均值和波谷平均值与各项木材物理力学性质的关系。

2 结果与讨论

2.1 不同腐朽等级木材的物理力学性质变化

　　不同腐朽等级木材的物理力学性质测定结果如表3所示。由于“4”级腐朽木材无法加工成试样，所以无“4”级腐朽木材的物理力学性质检测结果。旧木材中未腐朽部分（“0”级）的平均密度为0.439 g•cm^-3，抗弯强度为61.04MPa，抗压强度为32.39MPa，与新鲜健康的红松木材很接近。

　　随着木材腐朽程度的加深，木材密度、抗弯强度和抗压强度都明显降低，其中抗弯强度的降低最为显著，“1”级腐朽时抗弯强度降低到41.44MPa，到“3”级腐朽时，抗弯强度仅为7.71MPa，此时木材的抗弯强度仅为未腐朽木材的13％（见图2）。随着腐朽程度的加深，顺纹抗压强度和气干密度降低也很显著，达到“3”级腐朽时，顺纹抗压强度降低到18.41MPa，约为未腐朽材的57％；气干密度降低到0.353 g•cm-3，约为未腐朽材的80％。

2.2 不同腐朽等级木材的阻力仪检测值变化

　　阻力仪检测值表示为Resi，变化范围在0~500之间。由于阻力仪检测值因树种及木材含水率的不同差异很大，因此阻力仪在出厂时，并没有对其进行定量标记。如果直接使用阻力仪检测，只能得到定性分析结果，不能对物理力学性质做出定量评价。为实现阻力仪检测结果的定量评价，对以上进行过物理力学性质测定的样本，进行了阻力仪检测。

　　在古建筑木结构腐朽状况勘查时，发现木材腐朽多数从早材开始，阻力检测值划分的3个区段中，波峰值区接近于晚材部分，波谷值区接近于早材部分。由于木材的腐朽具有不均匀性，这样划分考虑了各个数值出现的频率，能够更客观地反映出每个样本的实际材质状况。

　　表4表示各个腐朽等级木材的阻力仪检测值计算结果。 同一腐朽等级的软木松木材波峰值和波谷值的差值在35~55之间，最大值和最小值的差值在55~85之间，但波峰值、波谷值、最大值、最小值及平均值的残存率差异不显著（见图3）。未腐朽材（“0”级）阻力仪检测值的平均值为179.08，随着腐朽程度的加深，检测值降低，特别是达到“3”级时降低最为明显，平均值分别为135.51，约为未腐朽材的76%。 

    
2.3 物理力学性质与木材阻力仪检测结果的相关分析

　　将以上阻力仪检测值与气干密度、抗弯强度和顺纹抗压强度的测定结果做相关性分析，并分别建立了阻力仪检测值与气干密度、抗弯强度和抗压强度的线性回归模型，表示在图4中，共15个模型，样本数n = 118。阻力仪检测值与气干密度、抗弯强度及抗压强度之间均存在着极显著的线性相关关系（P﹤0.01），相关系数在0.29～0.52之间，因此，用阻力仪检测值和线性回归模型预测木材的密度、抗弯强度和抗压强度是可行的。

　　木材阻力仪检测值的大小与木材早晚材的分布和腐朽程度有关，波峰值出现在未腐朽的晚材区域，波谷值出现在早材区域或腐朽严重的早材和晚材区域。从平均值、波峰值、波谷值、最大值和最小值来看，平均值与气干密度和抗压强度之间的相关关系最大，分别为0.52和0.41，与抗弯强度之间的相关系数较小，为0.34。波峰值与抗弯强调及抗压强度间的相关系数很小，分别为0.32和0.35，但与密度间的相关系数很大，为0.51。波谷值与密度、抗弯强度及抗压强度之间的相关系数均比较高，分别为0.47、0.43和0.46。最大值与抗弯强度及抗压强度间的相关系数最小，分别为0.29和0.32，但与密度间的相关系数很大，为0.51。最小值与密度、抗弯强度及抗压强度之间的相关系数均比较高，分别为0.40、0.41和0.44。因此，在预测木材密度时，使用阻力仪平均值与密度模型、阻力仪波峰值与密度模型及阻力仪最大值与密度模型都比较准确；在预测木材抗弯强度时，使用阻力仪波谷值与抗弯强度模型或阻力仪最小值与抗弯强度模型都有较好的效果；在预测抗压强度时最好使用抗压强度与平均值、波谷值或最小值模型。

　　目前，我国的木材腐朽等级划分国家标准中只对各个腐朽等级的木材做了定性描述，没有对不同腐朽等级木材的力学性质变化进行定量分析，因此在木结构材腐朽状况现场勘查中，无法对已经出现腐朽的木构件的物理力学性质做出判断。从以上试验结果看，各个腐朽等级木材的物理力学性质衰减十分显著，因此分别对不同树种的各个腐朽等级的木材做出定量评价是可行的。

　　以上对不同腐朽等级软木松木材的物理力学性质变化、阻力仪检测值变化以及两种之间的相关关系分析结果表明，各个腐朽等级木材的气干密度、抗弯强度、顺纹抗压强度以及阻力仪检测值均表现出随着腐朽程度的加深，特征值降低的趋势，且各个腐朽等级间差异极显著。同时，阻力仪检测值与气干密度、抗弯强度和顺纹抗压强度之间存在着极显著相关关系。 因此，在使用阻力仪进行古建筑旧木材内部腐朽状况检测时，对于软木松木材，利用建立的数学模型和被检测材料阻力仪检测值能够定量地评估被检测木材的材质状况。

3 结论

　　软木松结构材使用100~130年后，未腐朽木材（“0”级）的平均气干密度为0.439g•cm^-3，抗弯强度为61.04MPa，顺纹抗压强度为32.39MPa。随着木材腐朽程度的加深，抗弯强度降低最显著，其次是顺纹抗压强度、气干密度。不同腐朽等级木材的气干密度、抗弯强度和顺纹抗压强度均存在显著差异。木材达到 “3”级腐朽时，抗弯强度、顺纹抗压强度和气干密度分别为未腐朽木材的13％、57％和80％。

　　同一腐朽等级的软木松木材阻力仪检测值的波峰值和波谷值之差在35~55之间，最大值和最小值的差值在55~85之间，但波峰值、波谷值、最大值、最小值及平均值的残存率差异不显著。未腐朽材检测值的平均值为179.08，随着腐朽程度的加深，检测值降低，特别是达到“3”级时，检测值降低最为明显，平均值降低到135.51，约为未腐朽材的76％。各个腐朽等级木材的阻力仪检测值存在显著差异。

　　阻力仪检测值（最小值除外）与气干密度间的相关系数最大。平均值及波峰值、波谷值、最大值、最小值与气干密度、抗弯强度和顺纹抗压强度之间均表现出极显著的线性相关关系（P﹤0.01），其相关系数在0.29～0.52之间。因此，对于软木松木材，利用建立的数学模型和被检测材料阻力仪检测值能够定量地评估木材的材质状况。

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