王 輝， 張 典*， 張文博， 符瑞云， 管 成， 張厚江

(1.故宮博物院，北京 100001；2.北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083)

木材作為建筑材料在戶外長(zhǎng)期使用過程中，由于光照、濕度、氧氣、微生物以及周圍空氣中的化合物等外部環(huán)境因素的影響，不可避免會(huì)出現(xiàn)變形、翹曲、開裂、蟲蛀、腐朽、變色以及化學(xué)組分降解等老化現(xiàn)象，導(dǎo)致木構(gòu)件力學(xué)性能下降，影響木建筑的安全性及使用性能[1]。評(píng)價(jià)木構(gòu)件的老化狀況，分析其成因，對(duì)于及時(shí)掌握古建筑的安全性，以及制定適宜的加固和保護(hù)等方面的科學(xué)方案，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施是非常必要的。古建木構(gòu)件老化狀況研究主要包含以下幾方面的意義：①正確掌握木構(gòu)件用材的屬性特點(diǎn)以及用材技巧；②正確把握影響自然環(huán)境中木構(gòu)件經(jīng)時(shí)老化的主要原因，為維修防護(hù)提供針對(duì)性的保護(hù)方案；③保護(hù)、繼承和發(fā)揚(yáng)承載著人類文明的精神文化財(cái)富。

故宮養(yǎng)心殿建成于16世紀(jì)，文獻(xiàn)記載曾于清雍正時(shí)重修，乾隆年間添建、改建，嘉慶年間修繕，以及后期多次小規(guī)模修繕。2018年故宮博物院正式啟動(dòng)養(yǎng)心殿修繕工程，距上次較大規(guī)模整體修繕已有200多年時(shí)間。養(yǎng)心殿木結(jié)構(gòu)建筑使用的木構(gòu)件中梁、柱、枋等承重木構(gòu)件的樹種以楠木、落葉松為主，飛椽、檐椽等輔助性木構(gòu)件主要使用馬尾松、杉木等小徑級(jí)材種。本次修繕時(shí)，從拆卸的梁、柱、枋等主要木構(gòu)件外觀上判斷，部分木構(gòu)件存在腐朽現(xiàn)象；而飛椽、望板等輔助性木構(gòu)件裸露或者半裸露在自然環(huán)境中，因真菌、蟲蛀等原因，外觀上同樣出現(xiàn)不同程度的腐朽狀況，部分木構(gòu)件需要進(jìn)行更換、補(bǔ)修等處理。

望板在木結(jié)構(gòu)建筑中主要平鋪覆蓋在椽子之間的空檔上，通常與椽子方向平行鋪設(shè)，然后鐵釘固定，其厚度一般為2.5～3.5 cm。鋪裝外觀整齊，便于室內(nèi)油飾、彩畫，多用在宮殿建筑上；飛椽上鋪設(shè)的望板多為橫向鋪設(shè)，板與板之間的接茬處刮成斜茬，以便搭接(工匠們稱之柳葉縫)。搭接鋪設(shè)后的望板施以防腐、保護(hù)層以后，主要起到承托屋面的灰背和瓦件的作用。另外，望板直接與屋頂接觸，長(zhǎng)期使用過程中由于雨水滲漏，真菌的侵蝕，外觀上腐朽狀況較其他木構(gòu)件更為嚴(yán)重。從取樣的望板木構(gòu)件樣品觀察到，絕大部分望板向外的一側(cè)出現(xiàn)不同程度的蛀蝕情況，嚴(yán)重的已經(jīng)粉末化，如圖1所示。

圖1 望板樣品實(shí)物照片

本研究以望板作為養(yǎng)心殿區(qū)古建筑木結(jié)構(gòu)老化狀況的代表性木構(gòu)件，在材種鑒定的基礎(chǔ)上，通過化學(xué)組分定量分析，紅外光譜、X射線衍射、熱重等定性分析方法，結(jié)合力學(xué)性能測(cè)試的結(jié)果，共同對(duì)木構(gòu)件的老化狀況展開分析。本文對(duì)老化狀況的分析主要指以望板腐朽程度展開研究。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 取樣樣品制備及材種識(shí)別

養(yǎng)心殿區(qū)古建筑拆卸的望板木構(gòu)件，長(zhǎng)度約1.5～2.5 m，厚度約2.5 cm，幾乎都存在不同程度的腐朽，腐朽多見于屋頂一側(cè)，朝室內(nèi)一側(cè)則保存良好。根據(jù)材面腐朽深度的差異，將腐朽程度(深度)>0.5 cm的望板定義為嚴(yán)重腐朽，其他定義為一般腐朽。隨機(jī)選擇其中20塊兩種腐朽程度不同的望板，使用圓鋸鋸制邊長(zhǎng)2 cm方塊，用于材種識(shí)別。通過實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)的軟化、切片、染色、顯微鏡觀察、特征性解剖要素提取、標(biāo)準(zhǔn)圖譜比對(duì)的方法，經(jīng)鑒定嚴(yán)重腐朽及一般腐朽望板的樹種均為落葉松(Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen.)，則選取現(xiàn)代材落葉松作為對(duì)照材。將鑒定剩余的兩種不同腐朽程度的望板及現(xiàn)代材落葉松通過高速多功能粉碎機(jī)(304型，永康市鉑歐五金制品有限公司)研磨，過篩得到60～80目木粉，分袋收集，用于后續(xù)化學(xué)組分、相對(duì)結(jié)晶度以及紅外光譜等的分析與檢測(cè)。將三種試樣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以評(píng)價(jià)養(yǎng)心殿區(qū)古建筑望板木構(gòu)件的老化狀況。

1.2 化學(xué)組分分析

參照GB/T 10741-2008《紙漿苯醇抽出物的測(cè)定》測(cè)定苯醇抽出物含量；根據(jù)GB/T 2677.10-1995《造紙?jiān)暇C纖維素的測(cè)定》和GB/T 744-1989《紙漿纖維素的測(cè)定》測(cè)定綜纖維素和α-纖維素含量；酸不溶木質(zhì)素的含量測(cè)定參照美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM D1106-1996《木材中酸不溶木素的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(Klason木質(zhì)素)》進(jìn)行?；瘜W(xué)組分定量分析時(shí)每組樣品進(jìn)行三個(gè)平行試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

1.3 X 射線結(jié)晶衍射測(cè)量

試驗(yàn)中采用SHIMAZU9600型X射線衍射儀，X光管為銅靶，管電壓為45 kV，管電流為35 mA，步寬為0.2°，掃描速度為2°/min，樣品掃描范圍為5°～40°，得到三種試樣的X射線衍射圖譜，并采用峰面積法計(jì)算相對(duì)結(jié)晶度。

1.4 紅外光譜采集

試驗(yàn)采用Nicolet 6700的傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectrometer)進(jìn)行衰減全反射紅外光譜分析(attenuated total reflection Fourier transform IR，ATR-FTIR)，樣品槽為ZnSe晶體，入射角為45°，測(cè)試范圍4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32次。

1.5 熱重分析

試驗(yàn)設(shè)備采用WATERS Company Q50型熱重分析儀進(jìn)行熱重分析(Thermal gravimetric analysis，TGA)。樣品使用量為5～8 mg，鉑金坩堝，保護(hù)氣體為氮?dú)?，平衡氣體為40 mL/min，樣品氣體流量為60 mL/min，以10 ℃/min的速率從室溫升至650 ℃來獲得熱解過程曲線。

1.6 力學(xué)性能檢測(cè)與分析

本研究分別對(duì)嚴(yán)重腐朽、一般腐朽望板木構(gòu)件及落葉松新材參照GB/T 1936.1-2009《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》與GB/T 1936.2-2009 《木材抗彎彈性模量測(cè)定方法》進(jìn)行力學(xué)性能(靜曲強(qiáng)度 MOR及靜態(tài)彈性模量 MOE)試驗(yàn)，將嚴(yán)重腐朽、一般腐朽望板分別加工尺寸為180 mm×20 mm×hmm(因望板腐朽狀態(tài)不同，以實(shí)際尺寸h為厚度計(jì)算力學(xué)性能)的試樣各150塊，并加工尺寸300 mm×20 mm×20 mm的落葉松新材試樣30塊，用于對(duì)比老化材和新材的力學(xué)性能。試驗(yàn)設(shè)備采用微機(jī)控制人造板試驗(yàn)機(jī)(MWW-50，濟(jì)南耐爾試驗(yàn)機(jī)有限公司)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 望板的X射線衍射分析

養(yǎng)心殿區(qū)古建筑望板鑒定材種為落葉松木材(Larix gmelinii(Rupr.)Kuzen.)。落葉松樹姿挺拔，紋理通直，力學(xué)強(qiáng)度性能優(yōu)越，還具有良好的防蟲防腐性能，在古代建筑中常用作承重木構(gòu)件結(jié)構(gòu)用材。一般腐朽和嚴(yán)重腐朽的養(yǎng)心殿區(qū)古建筑望板以及現(xiàn)代材落葉松的化學(xué)組分定量分析結(jié)果見表1。

表1 現(xiàn)代材落葉松與望板化學(xué)組分比較 %

從表1中養(yǎng)心殿區(qū)古建筑望板與現(xiàn)代材落葉松結(jié)果比較可以發(fā)現(xiàn)，腐朽程度加深，綜纖維素、α-纖維素的含量出現(xiàn)相應(yīng)的降低，其中α-纖維素的含量下降非常明顯，嚴(yán)重腐朽望板約為現(xiàn)代材的一半。此外，另一主要化學(xué)組分木質(zhì)素相對(duì)含量增加。在木材三種主要化學(xué)組分中，纖維素作為骨架物質(zhì)填充在以半纖維素和木質(zhì)素組成的基體物質(zhì)當(dāng)中，起到增強(qiáng)木材整體強(qiáng)度的作用。從化學(xué)分析結(jié)果來看，首先，長(zhǎng)期使用的望板木構(gòu)件纖維素降解/分解非常嚴(yán)重，意味著其力學(xué)強(qiáng)度下降至少為原落葉松構(gòu)件材料的50%以上。其次，纖維素通常是多種寄生性昆蟲的營(yíng)養(yǎng)源，望板木構(gòu)件覆蓋于瓦件及隔熱防潮層之下，陰涼潮濕，易于聚集蛀蝕寄居性昆蟲，從圖1的望板木構(gòu)件樣品照片可見，在木構(gòu)件端面發(fā)現(xiàn)直徑1～3 mm大小不等的蟲眼(活體昆蟲未見)。因此，可以判斷，木構(gòu)件中α-纖維素大量降解/分解的主要原因是寄生性昆蟲的蛀蝕所致。木質(zhì)素作為木材中的光敏成分，在望板中因不與日光直接作用，因此可以推斷其相對(duì)含量的增加原因與纖維素相對(duì)含量的下降有關(guān)，而非其絕對(duì)含量的增加所致。

2.2 望板的X射線衍射分析

養(yǎng)心殿區(qū)古建筑望板與現(xiàn)代材落葉松的結(jié)晶衍射圖譜如圖2所示?，F(xiàn)代材落葉松以及望板在衍射角14.6°、22.5°出現(xiàn)纖維素I型特征衍射峰[2]。另外，嚴(yán)重腐朽望板除了上述纖維素I型特征衍射峰外，還分別在2θ分別為12.3°、21.9°以及26.5°出現(xiàn)衍射峰，這些峰為纖維素II型特征衍射峰[3]，表明嚴(yán)重腐朽望板的纖維素晶型結(jié)構(gòu)為二相共存。通常木質(zhì)纖維素在強(qiáng)堿作用下其羥基重排能夠形成纖維素II型構(gòu)造。本研究中，嚴(yán)重腐朽望板中存在有纖維素II型晶型構(gòu)造，其成因有待于進(jìn)一步分析。

圖2 現(xiàn)代材落葉松及望板纖維素結(jié)晶衍射分析

木材細(xì)胞壁中纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化影響其晶區(qū)大小、晶胞參數(shù)和結(jié)晶度。木材的相對(duì)結(jié)晶度實(shí)質(zhì)就是纖維素結(jié)晶區(qū)占纖維素整體的百分率。結(jié)晶度的變化與木材的尺寸穩(wěn)定性、硬度、纖維的抗拉強(qiáng)度及密度有著密切的關(guān)系[4]。通過峰面積法計(jì)算木構(gòu)件望板及現(xiàn)代材落葉松中的相對(duì)結(jié)晶度含量如圖3所示。現(xiàn)代材落葉松和望板中的相對(duì)結(jié)晶度分別為32.7%、27.4%和38.4%，一般腐朽望板的相對(duì)結(jié)晶度最低，僅為27.4%。一般腐朽望板在降解過程中，部分結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形狀態(tài)，導(dǎo)致相對(duì)結(jié)晶度的下降。相比于一般腐朽望板，嚴(yán)重腐朽望板中的無定形區(qū)降解量明顯高于一般腐朽望板，相對(duì)結(jié)晶度隨著纖維素含量的下降而增加明顯。纖維素含量下降、纖維素相對(duì)結(jié)晶度增加，是木構(gòu)件變脆、力學(xué)性能降低的主要原因。

圖3 現(xiàn)代材落葉松及望板相對(duì)結(jié)晶度比較

齋藤等[5]分析了始建于1 500年的木建筑暴露于室外的承重木柱，結(jié)晶度為10%～13%之間。該木構(gòu)件因裸露于自然環(huán)境中，日光對(duì)木質(zhì)素的降解是該木構(gòu)件老化的主要原因，未出現(xiàn)纖維素蛀蝕降解等現(xiàn)象。本研究中，望板老化主要由于木材高分子材料中多糖類組分降解所致，與齋藤等的研究結(jié)果明顯不同。因此，木構(gòu)件室內(nèi)與室外暴露使用時(shí)，光照、雨水等自然條件對(duì)木材物理性質(zhì)的影響差異非常大。此外，袁誠(chéng)等[6]對(duì)發(fā)掘古木化學(xué)組分分析結(jié)果的研究表明，長(zhǎng)期埋藏的古木，木材的纖維素和半纖維素降解嚴(yán)重。本研究中通過對(duì)木構(gòu)件望板和現(xiàn)代材落葉松的化學(xué)組分定量分析，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于現(xiàn)代材，望板中纖維素和半纖維素均出現(xiàn)不同程度降解，與袁誠(chéng)等的研究結(jié)果類似。

2.3 望板的紅外光譜分析

2.4 望板的熱重分析

熱重分析法是分析生物質(zhì)熱解特性的常用方法，木材的熱解過程本質(zhì)上是木材主要化學(xué)組分的熱分解，微觀上反映有機(jī)物化合物分子間結(jié)合的強(qiáng)弱，宏觀上體現(xiàn)木材的力學(xué)強(qiáng)度。在木材的各主要組分中，與纖維素和半纖維素相比，構(gòu)成木質(zhì)素的芳香族分子構(gòu)造具有更多的“碳”，在熱解過程中更傾向于形成殘?zhí)渴Ｓ辔铩１狙芯客ㄟ^熱解對(duì)比不同腐朽程度的望板熱解特性差異，分析長(zhǎng)期使用木構(gòu)件化學(xué)組分間的相互作用。望板木構(gòu)件與落葉松現(xiàn)代升溫速率10 ℃/min下的失重率TG曲線如圖5所示。木材中主要化學(xué)組分中，熱穩(wěn)定性依次為：半纖維素<木質(zhì)素<纖維素。由化學(xué)組分定量分析結(jié)果可知，望板中含有更高的木質(zhì)素以及更低的α-纖維素含量，由圖5中可以看出望板熱解開始溫度明顯低于現(xiàn)代材。本研究中，落葉松、一般腐朽以及嚴(yán)重腐朽望板試樣熱解溫度分別為265 ℃、239 ℃和209 ℃，落葉松現(xiàn)代材熱解溫度(圖中箭頭處)明顯高于望板木構(gòu)件，而三者的熱解結(jié)束溫度則分別為380 ℃、364 ℃以及351 ℃。以上結(jié)果表明，隨腐朽程度的增加，熱解溫度范圍變窄，表明望板木構(gòu)件化學(xué)組分因纖維素的降解而減弱。熱解完成后，落葉松殘?zhí)柯始s為20%，而腐朽嚴(yán)重望板則為40%左右，約為落葉松現(xiàn)代材的2倍，這是由于腐朽嚴(yán)重望板中具有更高的木質(zhì)素含量所致，該結(jié)果與化學(xué)組分分析的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。紅外光譜分析結(jié)果顯示，望板木質(zhì)素大分子與現(xiàn)代材相比含有較少側(cè)鏈和甲氧基(-OCH3)。研究表明，木質(zhì)素大分子的側(cè)鏈越豐富，熱穩(wěn)定較差的醚鍵、甲氧基越多，木素大分子的熱穩(wěn)定性也就越差[10]。

圖5 現(xiàn)代材落葉松及望板熱重分析比較

2.5 望板的力學(xué)性能

望板試樣力學(xué)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。圖6(a)為三種試樣MOR和MOE的相關(guān)性，圖6(b)為嚴(yán)重腐朽望板力學(xué)強(qiáng)度MOR和MOE相關(guān)性的擴(kuò)大圖，圖6(a)顯示所有試樣強(qiáng)度和MOE之間呈現(xiàn)較好的相關(guān)性。腐朽嚴(yán)重望板力學(xué)強(qiáng)度損失較大，約為落葉松現(xiàn)代材的1/6。與落葉松現(xiàn)代材相比，嚴(yán)重腐朽望板強(qiáng)度與MOE相關(guān)性具有更大的一次回歸系數(shù)，表明其脆性更大。纖維素組分作為木材天然高分子材料力學(xué)強(qiáng)度的增強(qiáng)相，是木材力學(xué)性能的骨架物質(zhì)。木構(gòu)件中綜纖維素含量下降、纖維素相對(duì)結(jié)晶度增加，半纖維素的降解導(dǎo)致纖維素半結(jié)晶區(qū)的相互作用減弱，使得纖維素微纖絲構(gòu)造變得松散，這也是木構(gòu)件變脆力學(xué)性能降低的主要原因。因此，嚴(yán)重腐朽的望板具有較低的纖維素以及較高的相對(duì)結(jié)晶度，宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)強(qiáng)度降低，脆性增加。

圖6 現(xiàn)代材落葉松及望板力學(xué)性能及嚴(yán)重腐朽望板力學(xué)性能

3 結(jié)論

本研究通過對(duì)養(yǎng)心殿區(qū)古建筑望板木構(gòu)件的木材解剖觀察，材種鑒定為落葉松；選取兩種腐朽程度不同的望板木構(gòu)件與現(xiàn)代材落葉松進(jìn)行老化狀況分析，得到如下結(jié)論：

(1)隨著腐朽程度的增加，望板中的綜纖維素、α-纖維素相對(duì)含量逐漸降低，進(jìn)而嚴(yán)重腐朽望板的相對(duì)結(jié)晶度隨著纖維素含量的下降而明顯增加；

(2)纖維素的降解使嚴(yán)重腐朽望板的力學(xué)強(qiáng)度損失最大，強(qiáng)度和彈性模量大幅低于現(xiàn)代材；

(3)養(yǎng)心殿區(qū)古建筑望板長(zhǎng)期使用在陰冷、潮濕的環(huán)境中，主要受到環(huán)境中酸、堿、鹽以及細(xì)菌、軟腐真菌的影響，推斷該木構(gòu)件的腐朽主要原因可能為寄生性昆蟲以及褐腐菌等以纖維素和半纖維素為營(yíng)養(yǎng)源的生物、微生物腐朽為主。