便攜式X射線熒光光譜儀在西藏寺廟木材防腐透入度檢測中的應用

王永進,齊 揚,周偉強,閻 敏,石美榮,相建凱,傅 鵬

(1. 陜西省文物保護研究院,陜西西安 710075; 2. 西北大學,陜西西安 710069)

0 引 言

中國西藏自治區(qū)內(nèi)遍布古寺廟、古建筑和古文化遺址,有很多被列為全國重點文物保護單位和世界文化遺產(chǎn)。寺廟的存在對西藏的政治、經(jīng)濟、教育、生活與習俗諸方面均有深刻的影響。西藏寺廟多為土、木、石混合結構,其中木構件約占整座建筑的一半以上,極易受到蛀干害蟲的侵害——寺廟中的許多木構件被蛀蟲啃嚙成粉末狀,表面布滿蟲眼(圖1),內(nèi)部還寄生蛀蟲的幼蟲和成蟲[1]。蛀蟲長期啃嚙柱子造成柱子內(nèi)部中空,強度降低,直接威脅到整座建筑的安全。

圖1 蟲蛀木構件Fig.1 Wood component damaged by insects

針對寺廟木構件的腐朽蟲蛀等問題,當?shù)匚奈锊块T非常重視,將建筑維修過程中木材的防腐處理作為一項必不可少的重要工作。木材的防腐一般采用密閉的真空罐對木材施壓將防腐劑打入木材纖維使其具有防腐防蟲的功能,造價高且工藝復雜,而西藏許多寺廟處在山上,修繕場地有限,維修需要替換的木材用量大,專業(yè)規(guī)范的木材防腐工藝很難在現(xiàn)場開展。木材的防腐處理效果得不到保障將影響古建維修的進度和質(zhì)量,如果僅通過簡單的表面防腐處理,過幾年蟲蛀會再次發(fā)生,給國家造成巨大的人力財力浪費。對于這種不便開展專業(yè)木材防腐的工程,質(zhì)量控制至關重要?，F(xiàn)有的木材防腐質(zhì)量主要通過載藥量和透入度進行評價。根據(jù)標準LY/T 1936—2005的要求,浸泡處理木材的載藥量≥3.5 kg/m3(干鹽)即為合格,但載藥量的計算存在一定局限性,不能確定防腐劑有效成分進入木材的深度——如果只是溶劑滲透較深,而防腐劑停留在木材表面,這樣經(jīng)防腐處理的木材耐病蟲害持久性差,所以要求防腐劑有效成分有一定的透入度。現(xiàn)有的木材防腐劑透入度的檢測方法主要有顯色法(GB/T 50329—2012《木結構試驗方法標準》)、濕灰化分析法、原子吸收光譜法、X射線熒光光譜法等。由于顯色劑自身帶有顏色,對顏色不敏感的人員操作難度較大。其他分析方法要求在實驗室進行,樣品前處理復雜,專業(yè)要求比較高,且配制試劑需要具備相關的化學知識,不適應于偏遠地區(qū)的現(xiàn)場檢測。因此,如何在現(xiàn)有條件下進行木材防腐工程并保證質(zhì)量成為本項工作的重點和難點。

本研究通過在工程現(xiàn)場建造防腐處理池、加水加壓浸泡的木材防腐處理方法,完成木材的加工、烘干、防腐處理工作,并利用便攜式X射線熒光光譜儀(pXRF)對處理后的木材橫截面進行防腐劑透入度的檢測,并結合載藥量評價木材的防腐處理效果及施工工藝的可行性,為西藏寺廟蟲蛀木構件維修防腐處理提供借鑒。

1 材料和方法

木材防腐采用科學的方法在木材內(nèi)加入防腐藥劑,使木材具有耐蟲蛀和耐腐的特性,從而延長木材的使用壽命。高質(zhì)量的防腐劑要具有防治效力大、耐候性強、不影響上漆、不降低木材強度的特性。CCA防腐劑是目前公認的使用范圍最廣、歷史最久、性能最佳的水溶復合防腐劑,可廣泛應用于各種工業(yè)用材和木制品的防腐、防蟲處理。但對于經(jīng)CCA處理的木材的使用,國內(nèi)外存在較大爭議,考慮到CCA中砷、鉻的潛在危害,一些國家已正式限制經(jīng)CCA防腐處理的木材在民用場合的使用,目前尚沒有案例證明使用CCA防腐木對人身或環(huán)境產(chǎn)生直接傷害。由于CCA木材防腐劑的優(yōu)良性能,我國在農(nóng)用材、園林用材等室外防腐木用材領域中對CCA防腐木的應用越來越廣泛[2]。

1.1 CCA木材防腐劑

CCA木材防腐劑的有效成分為銅、鉻、砷的氧化物或鹽類[3]。這三種主要成分在木材防腐處理中起到不同的作用:銅可以抵制腐朽菌的侵入;砷可以抗蟲蟻以及抵制一些具有耐銅性的腐朽菌的侵入;鉻可以增強處理材的耐光性和疏水性。這幾種成分與木材組織結合,賦予木材以高效的防腐、防蟲、防白蟻以及防海蛆的性能,經(jīng)處理的木材使用壽命是普通木材的10倍[4]。CCA木材防腐劑(江西鷹潭木材防腐劑)的產(chǎn)品質(zhì)量指標如表1所示。

表1 CCA產(chǎn)品質(zhì)量指標Table 1 Quality indicators of CCA

1.2 儀器設備

便攜式X射線熒光光譜儀SEA 200(日本精工盈司),X光管電壓50 kV,X光管電流200 μA,分析方法為塊體FP法,準直器φ=2 mm,測量時間60 s;德圖Testo 606-2木材水分測試儀。

1.3 木材防腐處理方法

對于木材化學保護是否成功,有效的藥劑和適當?shù)奶幚矸椒ㄊ莾蓚€缺一不可的關鍵因素。常見的方法有加壓浸注法、常壓浸泡法和噴涂法,根據(jù)文物保護的最小干預原則和腐朽程度的差異對寺廟中的木構件采用不同的處理工藝使其達到防腐防蟲的目的:對于不可拆卸更換的或蟲蛀不嚴重的木構件采用噴涂法;對于可拆卸更換的木構件采用浸泡法。由于建筑年久失修,大多數(shù)木構件需要重新更換,只有少量采用噴涂法,噴涂法操作工藝簡單,但透入度淺,難以起到長期的防護作用。本研究主要介紹適用于西藏地區(qū)古建維修木材防腐處理的加壓浸泡法。

1.3.1前期準備 主要工作包括木材烘干、挖浸泡池、配制防腐劑。

1) 木材烘干。在采用化學防腐處理之前,木材含水率是影響防腐處理成敗的重要因素,所以新砍伐的或潮濕的木材,必須經(jīng)干燥后,方能進行防腐處理。不同樹種干燥速率不同,所以每批次選擇相同樹種的木材烘干,一般干燥到木材纖維含水率飽和點(約30%)以下,在處理前應做好必要的加工(如鋸割、鑿孔、刨光等)。

2) 挖浸泡池。浸泡池的尺寸以處理木材的長度及處理量作為參考,本次需要處理木材的最大長度不超過6 m,池子的長度至少為6 m,寬度為1.5 m左右,整個池子呈倒梯形結構。要求池子必須具有一定的強度,因為加壓處理過程中將產(chǎn)生巨大的壓力,加水后對木材產(chǎn)生的壓強比常壓增加約35 000 Pa,壓力過大會使池壁產(chǎn)生裂紋,藥液流失,污染環(huán)境。

3) 防腐劑配制。CCA原液的有效活性成分為60%,加壓浸泡使用濃度為有效成分5%,與水的比例為:1∶11,濃度太低不能起到毒殺作用。

1.3.2加壓浸泡法 1)將烘干后的木材放入浸泡池中,并用鋼架管固定,防止木材加入防腐劑后受浮力作用漂浮在藥液上面,導致木材暴露在空氣中不能完全浸泡,影響浸泡效果。池中浸泡木材的擺放高度不超過池子的1/2。本批次處理的木材樹種為紅松,同時準備三個長度為60 cm的紅松試驗樣塊稱重后一起放入池子中。

2) 木材擺放完成后,用厚度為1 mm的塑料將整個池子覆蓋,并在池子的一角放置直徑為20 cm的塑料管作為進液口。在塑料的上方加水(圖2),隨著水量的增加,壓力逐漸增大,當塑料下木材印痕明顯時,將配好的防腐劑通過進液口緩慢注入池中,觀察液面的高度直到將木材全部浸沒。

圖2 木材加壓浸泡防腐處理Fig.2 Anticorrosion treatment for wood by pressure immersion

3) 浸泡的前6 h藥劑吸收量大,要隨時觀察液面的高度,當液面下降需及時添加防腐劑,直到液面不再降低;24 h后將塑料上的水抽掉,揭開塑料,然后把剩余的藥液抽出回收備用。

4) 木材撈出后自然風干,防止雨淋。將試驗樣塊撈出,待表面不再流掛藥液時稱重,記錄其重量,然后將其鋸開,觀察其剖面滲透深度。

1.4 防腐處理效果檢測

國內(nèi)列入標準的經(jīng)木材防腐劑處理的木材需要確保的指標包括載藥量和透入度[5]:載藥量是指木材經(jīng)防腐處理后單位體積的木材中所保留的防腐劑的數(shù)量,一般用kg/m3(木材)表示;透入度是指采用浸泡、涂刷、噴淋等手工處理工藝時防腐劑進入木材的深度[6]。影響木材載藥量的重要因素是木材的材質(zhì)和含水率,不同樹種的木材對防腐劑的吸收差別很大,有些容易進行防腐處理,有些則不容易,應用在工程中的防腐木材均應達到GB 50828—2012《防腐木材工程應用技術規(guī)范》規(guī)定的指標[7]。

1.4.1防腐劑載藥量檢測 載藥量可以通過木材浸泡前后稱重測得,并用單位體積木材吸收防腐劑的質(zhì)量來表示,水溶性藥劑由溶液濃度換算成干藥重量。

1.4.2防腐劑透入度檢測 載藥量只能說明防腐劑溶液的吸收量達到要求,真正起防腐作用的是防腐劑的有效成分,只有有效成分到達木材的深部才能起到長期的防護效果。根據(jù)CCA防腐劑中含有銅、鉻、砷元素的特點,通過檢測木材中不同部位所含的銅、鉻、砷元素即可知道防腐劑的滲透深度,元素檢測最常用的方法是X射線熒光分析法[8]。便攜式X射線熒光光譜儀是為野外現(xiàn)場X射線熒光分析應用專門開發(fā)的儀器,并具有臺式X射線熒光光譜儀的全部功能,操作快速方便,在短時間內(nèi)可同時完成多種元素的常量、微量的定性和半定量分析,不受試樣形狀和大小的限制,不破壞試樣。

2 結果和討論

2.1 防腐劑載藥量檢測

將三塊試驗樣塊撈出后靜置到無明顯液體滴落后稱重,根據(jù)浸泡前后木材重量的增加換算成防腐劑載藥量,結果表明三個樣塊的防腐劑載藥量均大于國家標準要求的C1類使用環(huán)境≥4.0 kg/m3(表2)。

表2 木材防腐劑載藥量Table 2 Preservative contents of the wood samples

2.2 透入度檢測

實驗樣塊自然風干后從中間鋸開,對樣塊橫向截面用X射線熒光光譜儀(XRF)從邊材向心材方向每隔5 mm寬度逐層檢測,光斑直徑φ=2 mm,直到檢測不到CCA所含的元素銅、鉻、砷,即為CCA的最大滲透深度。除了實驗樣塊外還對兩個大型的木構件抽檢(φ=250 mm),檢測結果顯示CCA滲透到的木材深度最大可達到22 mm。XRF檢測結果見圖3、圖4和表3。

圖3 XRF檢測視圖Fig.3 View of XRF testing

圖4 防腐木材XRF光譜圖Fig.4 XRF spectrum of preservative wood

表3 防腐木材透入度XRF檢測結果Table 3 XRF testing results of wood penetration

3 結 論

西藏地區(qū)寺廟多,古建維修工程量大,且個別地方交通不便,對于木材的防腐防蟲處理工作只能選擇因地制宜的原則,利用寺廟場地開闊的特點在現(xiàn)場建造木材烘房、浸泡池,在現(xiàn)有的條件下完成木材的防腐防蟲處理并達到合格的標準。經(jīng)現(xiàn)場試驗防腐處理的木材載藥量和透入度都達到了國家標準規(guī)定C1級要求,透入深度不小于15 mm。該項工作的難點在于木材含水率的控制和防腐劑透入度的檢測,主要體現(xiàn)在以下兩方面。

1) 木材含水率的控制。木材含水率是影響木材載藥量的重要因素,用水溶性或油性防腐劑都要求木材含水率在25%以下,最高不能超過30%,木材必須烘干達到含水率要求才能入池處理,要達到含水率要求必須保證足夠的烘干時間。

2) 防腐劑透入度的檢測。防腐效果最終都由透入度決定,防腐劑只有達到一定的滲透深度才能起到長久的防腐效果。防腐劑透入度檢測是一項專業(yè)性很強的工作,也是木材防腐處理成敗的重要指標,在施工現(xiàn)場要求時間短、效率高、操作簡單。便攜式X射線熒光光譜儀通過檢測木材中銅、鉻、砷元素的位置可確定防腐劑滲透的深度,且儀器使用不受時間地點的限制,可做到隨抽隨檢,只需簡單的培訓就可讓施工人員單獨操作,便于施工單位自檢和質(zhì)量控制。