木材材性退化的試驗研究進展綜述★

高悅文 呼夢潔 俞君寶

(揚州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 揚州 225000)

中國是最早應用木結構的國家之一，現已有幾千年的歷史。在此期間，這些建筑中的木材經歷了自然環(huán)境的影響，如溫濕度變化會使木材產生開放性干縮裂紋，而日光暴曬將使木材表面發(fā)生碳化。這些外觀變化在木結構建筑中，特別是古木建筑中十分常見。例如，山西飛云樓的立柱即存在開裂、表層碳化等損傷[1]，如圖1所示。不難想象，這些損傷使相關構件的力學性能發(fā)生退化，從而影響木結構建筑的安全性。

為了探明溫濕度交替環(huán)境和光照條件導致木材材性退化的機理，國內外學者針對不同的損傷類型提出了不同的研究方法，并為開展古木材老化性能的研究提供借鑒。

1 溫濕度交替作用下木材退化的試驗研究

環(huán)境溫濕度的變化也是影響木材的力學性能的因素之一，特別是濕度的變化將極大的影響木材的力學性能，如當木材產生干縮現象后，將極大的影響古建筑木結構的結構性能。而所謂干縮現象，即為含水率低于纖維飽和點的濕木材，其尺寸將隨著其含水率降低而縮小。溫度的變化則對木材的影響不大，當加熱溫度低于100 ℃時，木材性質不會發(fā)生明顯的改變，僅木材全干質量略有微量減少[2]。

國內外學者對在濕度作用下木材的退化性能與強度做了相關研究，并提出了能夠準確評價在濕度作用下木材干縮程度的指標。苗平，王松林[3]通過引入尺寸變化率，考察了白樺木材在不同濕度環(huán)境下的尺寸穩(wěn)定性。他們通過試驗過程中樣件厚度的尺寸變化比上樣件初始厚度的尺寸計算得到尺寸變化率。通過比較不同試驗結果，他們發(fā)現在自然環(huán)境下樣件能夠在1 d～2 d內與周圍環(huán)境的濕度達到一致。徐明剛，邱洪興[4]通過干縮試驗探討了新木和舊木對干縮率的影響規(guī)律。在試驗中，他們按照新木和舊木將試驗分組，分別將樣件的含水率先調至20%后降低至氣干含水率，隨后測量樣件的徑向平均干縮率、弦向平均干縮率和體積平均干縮率。結果表明，舊木的抗干縮變形能力強于新木的抗干縮變形能力。

王雪亮，瞿偉廉[5]認為溫濕度也是一種荷載，因此他們將長時期的溫濕度變化等效為木結構所受的外部荷載，并基于miner線性損傷累積理論，將等效后的外部荷載帶入強度損傷積累模型，從而建立了能夠分析溫濕度變化的木結構損傷模型。通過對該模型的求解計算，他們得到在溫濕度變化條件下木結構強度的變化規(guī)律。Harris[6]將木材樣件置于26 ℃的環(huán)境下，通過設定濕度循環(huán)來研究木材在該條件下的水分吸著和干縮濕脹性能。具體的，樣件將在濕度為65%和95%的環(huán)境中先后靜置24 h，并進行3次循環(huán)，且在每次改變濕度時測定樣件的含水率和弦向尺寸變化。Wu等[7]將定向刨花板制作成試驗樣件，研究了樣件受到濕度波動作用下的膨脹滯后，變形速率及殘余變形等情況。他們首先將試驗樣件置于溫度約20 ℃、濕度約為65%的環(huán)境中，待樣件的含水率達到穩(wěn)定狀態(tài)后，將其取出并置于水中浸泡24 h，通過對樣件的尺寸進行測量發(fā)現，樣件的厚度增長了約30%。Xie Y等[8]探索了干濕交替循環(huán)作用下的木材吸濕能力和外形尺寸的變化規(guī)律。在他們的試驗中，濕—干水分循環(huán)的背景溫度為50 ℃，濕度變化范圍從90%至無水，循環(huán)周期為6 d，循環(huán)次數為5次。同時在每次循環(huán)前后的3個不同濕度條件下測量木材的弦、徑向尺寸大小以及含水率。結果表明，在如此的濕—干水分循環(huán)處理過程中，樣件的吸濕能力將逐漸下降，外形尺寸變化率將逐漸減小。Droin-Josserand A等[9]將西岸云杉置于20 ℃的溫度環(huán)境下，將相對濕度設定為在45%～75%間按照正弦曲線進行周期變化，周期時長分別設置為1 h,6 h和24 h，試驗總時長為144 d，在試驗過程中他們對試件的含水量和弦、徑向尺寸的變化情況進行了記錄。

通過總結木材在溫濕度交替作用下的性能分析研究，我們發(fā)現學者們主要是利用實驗環(huán)境中的溫濕度周期變化模擬自然環(huán)境中的溫濕度變化，進而進行老化實驗。但很少有學者對實驗環(huán)境和自然環(huán)境下木材老化的相關性進行研究，此外，對于木材溫濕度交替老化程度與物理力學指標、化學成分變化的相關性方面研究較少。

2 光作用下木材退化的試驗研究

當木材處于室外環(huán)境時，光照、氧氣、菌腐、蟲蛀以及溫濕度變化將直接對其表面造成影響，它們的表面形貌和內在性能均會發(fā)生不可逆的變化。一般來說，這種變化會使木材如彈性模量等力學性能大幅降低，從而縮短木結構建筑的使用壽命。其中，光照因素導致木材材性退化是最普遍的現象。因此，研究人員針對光致木材損傷模擬及損傷機理方面開展了大量工作。

光老化試驗的核心問題在于如何通過人工光源模擬自然日光。王春川[10]將光譜能量、試驗條件、后續(xù)性能測試等作為變量，并將其進行組合編排。他們通過考察試驗條件與試驗結果的關系，探究了人工加速老化與自然曝光老化間的相關性，提出了光致損傷模擬試驗應以輻照總量為考察標準這一結論。因此，研究人員能夠通過短時間高輻照量的試驗環(huán)境來模擬長時間低輻照量的自然環(huán)境，從而極大的縮短光致損傷模擬試驗的時間。德國ATLAS材料測試中心[11]也從試驗的角度證明了人造光源能夠縮短光致損傷試驗的時間。例如他們先對木材進行了26 d的人造光源照射，隨后將之與在自然光下暴曬的樣件比較，結果表明，26 d照射產生的木材損傷相當于歐洲中部日光暴曬一年產生的木材損傷。此外，他們還發(fā)現木材的種類對光致損傷也存在著重大影響。例如同樣在室內環(huán)境下利用UVA-351燈進行照射，針葉材照射16 d后的損傷程度與自然光照射5年的損傷程度相近，而竹材照射32 d的損傷與其在自然光下照射22年的損傷程度相當。

通過總結木材光老化方面的研究，我們發(fā)現學者們的主要研究手段是利用人工光源來代替自然光進行加速老化，主要研究內容是通過分析木材化學成分和微構造討論光老化過程中木材材性的改變。

3 問題與展望

本文通過歸納國內外學者對兩大木材老化作用下的試驗研究情況總結出，在溫濕度作用下的木材材性老化研究方面，相關學者采用人工溫濕度交替環(huán)境來模擬自然老化過程，但很少有學者建立起人工模擬時間與自然溫濕度老化時間的相關性。在木材光老化研究方面，相關學者尋求利用人工光源來代替自然光進行加速老化，并在人工加速老化與自然曝曬時間的相關性方面做出了探索。

綜上所述，國內外研究人員探索并提出了多種木材損傷模擬方法，并以此為基礎分析相關因素對木材力學性能的影響規(guī)律，但在木材力學性能退化機理方面的研究還十分薄弱。因此，還需要針對一些問題進一步有效開展研究，為科學評價古建木構性能、研究修復加固技術、保護珍貴的建筑文化遺產提供理論基礎，具有重要理論與應用價值。