趙 柔，邱洪興，陳孔陽

（東南大學(xué) 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，江蘇 南京210096）

木材是一種生物質(zhì)材料，其腐朽主要是受到真菌的侵蝕，其中以木腐菌對木結(jié)構(gòu)的破壞最為嚴(yán)重。木腐菌會改變所寄生木材的物理和化學(xué)性質(zhì)，造成木材顏色的變化和比重、強度的顯著降低。木材腐朽影響木構(gòu)件承載力的主要原因是引起了木構(gòu)件橫截面的有效面積、彈性模量和強度的減小。針對腐朽對木構(gòu)件受力性能及耐久性影響的研究，國外的起步較早研究且內(nèi)容也較多，而國內(nèi)對于腐朽的研究起步則略晚一些。

質(zhì)量損失率是研究木材耐腐性常用的指標(biāo)。Wilcox[1]認(rèn)為，木材的初期腐朽可以定義為質(zhì)量損失率小于或等于10%時的木材腐朽，木材的初期腐朽對木材力學(xué)性質(zhì)的影響非常大，木結(jié)構(gòu)腐朽的研究重點是初期腐朽。澳大利亞以Leicester R．H．[2-4]為首的CSIRO研究機構(gòu)從上世紀(jì)九十年代開始進(jìn)行這方面的研究，他們分別對地下埋置的木材、地面上的木材、在海洋環(huán)境下的木材的隨時間變化的腐朽規(guī)律進(jìn)行長期的系統(tǒng)的理論和試驗研究，初步得到了木材腐朽規(guī)律。Curling等[5-7]采用一種新的模擬初期腐朽的試驗方法，對腐朽初期木材質(zhì)量損失率、力學(xué)強度與化學(xué)組成變化之間關(guān)系的進(jìn)行了深入研究。在國內(nèi)，中國林業(yè)科學(xué)研究院的楊忠和江澤慧等[8-9]對木材的初期腐朽規(guī)律進(jìn)行了研究，并探究出木材加速腐朽的試驗方法。王雪亮等[10]進(jìn)行了為期6個月的加速腐朽試驗，表明木材力學(xué)性能退化具有階段性。

從上述研究可以看出，木材的初期腐朽階段對于探究木構(gòu)件的耐久性最具研究價值，但是國內(nèi)外大量的木材腐朽研究都集中于腐朽條件、木材強度、彈性模量、腐朽后木構(gòu)件承載力的影響上，而腐朽對于木構(gòu)件力學(xué)性能的影響以及與時間的關(guān)系方面的研究則很少。

筆者通過一種室內(nèi)加速腐朽試驗方法，利用無損檢測技術(shù)，以期找到適用于木構(gòu)件的腐朽程度的衡量指標(biāo)，并得出其與木材的強度退化以及木構(gòu)件承載力退化之間的關(guān)系。探究木構(gòu)件腐朽等級的評定方法以及分析木構(gòu)件的腐朽速率及其發(fā)展規(guī)律，對木結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測至關(guān)重要。

1 試驗方法

1．1 試樣選擇及編號

采用樟子松作為試樣材料，選用取自同一批次的兩塊木材，分別命名為A、B兩組，所有小試樣、飼木都要求無木節(jié)、腐朽、裂紋等缺陷?？箯澆男栽嚇映叽鐬?0 mm（R）×20 mm（T）×300 mm（L），長度為順紋方向；順紋抗壓材性試樣尺寸為 20 mm（R）×20 mm（T）×30 mm（L），長度為順紋方向。每組12個，共設(shè)4組。試樣分組編號表如表1所列。在表1中，編號中的字母代表試件取自的木材；編號-1是抗彎材性試樣，-2是順紋抗壓材性試樣，-3是留作測定阻力曲線的試樣。

試樣飼木同樣取自樟子松，尺寸500 mm×50 mm×5 mm，每組布置2塊飼木，共需要 8 塊，飼木編號為 S1-1，S1-2；S2-1，S2-2；S3-1，S3-2；S4-1，S4-2。加工好的試樣如圖1所示。

表1 試樣分組及編號

1.2 菌種及培養(yǎng)基配制

試驗用的綿腐臥孔菌菌種（編號：CFCC5608）購自中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所菌種保藏中心，使用PDA培養(yǎng)基進(jìn)行擴大培養(yǎng)，如圖2所示。

圖1 加工好的試樣

圖2 擴大培養(yǎng)后的菌種

試樣河砂培養(yǎng)基具體做法參考國家標(biāo)準(zhǔn)《木材耐久性能》（GBT 13942.1-2009）[12]。

本次試驗共需4組培養(yǎng)基，每組培養(yǎng)基配比如下：

河沙：4 500 g；鋸屑：450 g；玉米粉：255 g；紅糖 30 g；6 瓶蒸餾水（500 mL 規(guī)格，已溶 13 g的 PD 粉；菌種接種每小組接半塊培養(yǎng)皿的量）。

1.3 培養(yǎng)箱改造及試驗環(huán)境箱

由于試樣的尺寸較長,無法按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的要求選用玻璃瓶作為腐朽試驗的容器，因此試驗采用長×寬×高為380 mm×250 mm×200 mm的紙板箱作培養(yǎng)箱,用聚乙烯袋作為紙板箱的內(nèi)襯層，如圖3所示,并對袋口做特殊處理，既能保證試樣的培養(yǎng)環(huán)境與外界環(huán)境隔離，又能保證袋內(nèi)綿腐臥孔菌生長所必需的氧氣供應(yīng)。

試驗環(huán)境箱采用恒溫恒濕環(huán)境箱，如圖4所示。

圖3 未接種的干燥培養(yǎng)基

圖4 恒溫恒濕環(huán)境試驗箱

2 試驗過程

2.1 接種前準(zhǔn)備

接種前，先將所有試樣在50℃烘箱，如圖5所示，中烘干6 h后在（103±2）℃下烘8 h后測質(zhì)量，之后每隔2 h測一次，直至恒重（兩次差值≤0.5%），稱取質(zhì)量m0，精確到0.001 g。

2.2 接種

如圖6所示接種操作全過程在無菌條件下進(jìn)行，把在培養(yǎng)皿生長8 d的菌絲，用無菌刀片切取為菌絲塊（帶有瓊脂培養(yǎng)基），然后用酒精消毒過的鑷子將菌絲塊接入已拌勻的培養(yǎng)基的中間部位，如圖7所示。

圖5 烘干試樣

圖6 接種全過程

圖7 未接種的干燥培養(yǎng)基

2.3 培養(yǎng)及試樣受菌腐朽

待培養(yǎng)基（約20 mm厚）和飼木表面長滿菌絲，約7～10 d后，放入1-4組試樣開始受菌侵染，如圖8和圖9所示。將袋口用消毒紗布包扎緊后放入溫度為（25±2）℃，相對濕度75%～85%的恒溫恒濕試驗箱中開始受菌侵染，環(huán)境箱設(shè)置為溫度25℃、相對濕度RH80%。

圖8 長滿菌絲的培養(yǎng)基

圖9 放入試樣后的培養(yǎng)基

2.4 檢測

腐朽時間從接種后開始計時，分別在第2、4、6、8周分別取1、2、3、4組試樣進(jìn)行檢測。每次檢測內(nèi)容包括目測腐朽等級、木材阻抗儀無損檢測、失重率測定以及試樣力學(xué)性能測試等。

2．4．1 目測

每次取一組試樣，首先目測腐朽情況并記錄。

常用的腐朽程度分級方式是根據(jù) 《木材天然耐久性試驗方法：木材天然耐久性野外試驗方法》[13]進(jìn)行劃分的，具體劃分如表2所列。

2．4．2 無損檢測

采用木材阻抗儀IML．Resi F400S（如圖10所示）對一個抗壓試樣（每組的-3）進(jìn)行檢測，如圖11所示，垂直于年輪方向向髓心鉆針，得到阻力曲線。部分阻力曲線如圖12所示。

表2 木材腐朽等級劃分

圖10 木材阻抗儀

圖11 木材阻抗儀進(jìn)行檢測

圖12 阻力曲線

2．4．3 失重率測定

試樣取出后，輕輕刮去試樣表面菌絲和雜質(zhì)，在50℃烘箱中烘干6 h后在（103±2）℃下烘8 h后測質(zhì)量，之后每隔2 h測一次，直至恒重（兩次差值≤0．5%），稱取質(zhì)量m1，測定其失重率，見下式

2．4．4 力學(xué)性能測試

質(zhì)量測定完成后將小試件放置在20℃、65%相對濕度中，調(diào)節(jié)回平衡含水率9%～15%（需21天左右），然后參照 《木材抗彎強度試驗方法 （GB/T 1936．1-2009）》[14]、《木材抗彎彈性模量測定方法 （GB/T 1936．2-2009）》[15]以及《木材順紋抗壓強度試驗方法（GB/T 1935-2009）》[16]，進(jìn)行相應(yīng)的材性試驗，測得抗彎彈性模量、抗彎強度（每組的-1）、順紋抗壓強度（每組的-2）。根據(jù)木材材性測定標(biāo)準(zhǔn)，可以采用同一試樣，先測定抗彎彈性模量，后進(jìn)行抗彎強度試驗。

采用WDW-50E電子萬能試驗機測定小試件的抗彎彈性模量、抗彎強度以及順紋抗壓強度，見圖13。

2.5 試驗結(jié)果及分析

2．5．1 目測結(jié)果

每次取一組試樣，首先目測腐朽情況并記錄。腐朽2、4、6、8周的四組試樣目測腐朽情況分別見圖14-17。

圖13 試樣材性試驗

圖14 第1組腐朽情況

圖15 第2組腐朽情況

圖16 第3組腐朽情況

圖17 第4組腐朽情況

通過目測可以明顯看出，隨著腐朽時間的增長，其表面的腐朽面積明顯增大，腐朽狀況明顯加深。由木材腐朽等級劃分的目測結(jié)果如表3所列。

2．5．2 失重率結(jié)果

四組試樣的失重率測定結(jié)果（包括最大值、最小值、平均值）如表4所列，其中失重率平均值的變化情況如圖18所示?？梢钥闯觯珹組木材試樣的失重率隨腐朽時間增長而增大，但第四組的失重率增大不明顯；B組木材試樣在腐朽前四周失重率顯著增大，而在腐朽四至八周失重率略有減小。這可能是由于木材試樣本身的離散性較大，樣本數(shù)量不夠大，且稱重過程受環(huán)境因素影響較大，因此其失重率測定結(jié)果的誤差以及離散性較大。但總體上，A、B兩組試樣的失重率均隨腐朽時間的增長有明顯的增大趨勢。

表3 目測結(jié)果

表4 失重率結(jié)果

2．5．3 材性試驗結(jié)果

四組試樣的力學(xué)性能測試，包括順紋抗壓強度、抗彎強度以及抗彎彈性模量，其降低百分比的平均值分別如圖19-21所示?？梢钥闯觯簾o論順紋抗壓強度、抗彎強度還是抗彎彈性模量的平均值均隨著腐朽時間的增長有明顯的下降趨勢，且在腐朽第4～8周下降顯著?？梢酝茰y，在一定的腐朽時間范圍內(nèi)，試樣的力學(xué)性能下降程度與時間可能不是成線性關(guān)系，而是呈指數(shù)關(guān)系。這也與目測結(jié)果相對應(yīng)。

圖18 四組試樣失重率平均值的變化

圖19 四組試樣順紋抗壓強度降低百分比

圖20 四組試樣抗彎強度降低百分比

圖21 四組試樣抗彎彈性模量降低百分比

3 結(jié)論

通過試驗研究，得到以下結(jié)論：

（1）采用的恒溫恒濕環(huán)境箱內(nèi)加速腐朽試驗方法用于探究木構(gòu)件腐朽程度隨時間的變化情況是可行的。

（2）隨著腐朽時間的增長，木構(gòu)件的順紋抗壓強度、抗彎強度以及抗彎彈性模量均呈明顯的下降趨勢，且后段時間下降更為顯著，這也與目測評定結(jié)果相對應(yīng)。

（3）木構(gòu)件的失重率隨腐朽時間增長大體呈增大趨勢，尤其是腐朽的前段時間，失重率顯著增大。但可能由于木材本身的離散性較大，且稱重受環(huán)境因素影響較大，后段時間變化并不顯著。