古建筑落葉松木構件自然老化材性變化

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2021.272

基金項目：中國博士后科學基金（2018M641225）；故宮博物院科研項目（201909012）

作者簡介：張典?（1985-?），女，高級工程師，主要從事古建筑保護研究，E-mail：zhangdian126@126.com。

Received： 2021?10?22

Foundation items： China Postdoctoral Science Foundation （No. 2018M641225）; Project of the Palace Museum （No. 201909012）

Author brief： ZHANG Dian （1985-?）， senior engineer， main research interest： protection of ancient buildings， E-mail： zhangdian126@126.com.

（故宮博物院，北京?100009）

摘要：為探究古建筑木構件自然老化材性變化，以距今約350 a的一段古建筑華北落葉松木構件及與其具有相似年輪寬度的落葉松新材為研究對象，加工標準力學試件，測定試件的材性參數（顏色、全干密度、力學性能參數）及無損檢測參數（微鉆阻力值、超聲波波速），對比分析自然老化木材試件的無損檢測參數與材性參數的變化及分布規律，并基于所測得的新舊材兩類試件的材性及無損檢測參數建立落葉松木材物理力學性能參數的多元回歸模型；研究結果表明：所測老化木材試件物理力學參數及無損檢測參數均衰減明顯，且顏色具有極顯著差別；自然老化木材試件各參數變異系數均高于新材試件，但兩者均符合正態分布，建立的落葉松木構件物理力學性能參數的評估模型具有較高評估性能。

關鍵詞：古建筑；木構件；故宮養心殿；自然老化；材性；衰減

中圖分類號：TU531.15 ????文獻標志碼：A ????文章編號：2096-6717（2024）03-0144-08

Properties change under natural aging of ancient building larch members

ZHANG Dian

（The Palace Museum， Beijing 100009， P. R. China）

Abstract： In order to explore the change of wood properties of ancient building members under natural aging， a part of larch （Larix principis-rupprechtii Mayr）?timber member of ancient building， which is about 350 years old， and a new timber with the same species and similar annual wheel width were used in this study. Small clear specimens were processed to measure the material properties （color， dry density and material mechanics property parameters） and non-destructive testing （NDT） parameters （micro-drill resistance value and velocity of ultrasonic wave）. The nondestructive testing， physical and mechanical properties parameters of specimens were compared to analyze the variation and distribution， and then the multiple regression model for the physical and mechanical properties of ancient building timber were established based on the parameters measured in this study. The study results showed that the measured material property parameters and NDT parameters of the natural ageing wood specimens were significantly attenuated. And there is a highly significant difference in the color of natural aging specimens and new timber specimens. It was also found that the coefficients of variation of the parameters of natural aging specimens were all higher than those of new timber specimens， but both of them conformed to a normal distribution. Moreover， the developed model for the evaluation of physical and mechanical property parameters of larch timber members has a good evaluation performance.

Keywords： ancient building；?timber members；?Yangxin Hall of the Palace Museum；?natural aging；?property of wood；?attenuation

中國木結構建筑文化燦爛輝煌，在世界建筑歷史中占有重要地位。木構件是木結構古建筑的重要組成部分，其物理力學性能對古建筑穩定性和安全性具有重要影響。木構件材性主要包括木材外觀顏色及物理力學參數等，木構件在長時間的服役過程中，除受腐朽、蟲蛀等生物性明顯破壞外，還會受到光照、水分、持續載荷效應等的影響發生自然老化，導致未遭受生物破壞的木材材性發生變化，影響其力學性能與承載力。因此，進行自然老化對木材材性影響規律的研究對木結構古建筑的保護具有重要的意義。

已有一些學者對木材自然老化后的物理力學性能的變化規律進行了研究。早在1976年Attar-Hassan^[1]就對始建于1834年的建筑上采集到的白松木構件進行力學試驗，發現其彎曲強度與抗彎彈性模量均降低。Cai等^[2]對服役90 a的火炬松木梁與具有相似密度和含水率的新材木梁分別測定其抗彎彈性模量，進行對比試驗，結果表明老化木構件的彈性模量衰減率在14.22%～47.16%之間。但部分學者認為自然老化對木材物理力學性能具有積極作用，如祝英明^[3]通過試驗發現距今約50～100 a的舊杉木的順紋抗壓強度優于新木材約7.47%；Ooka等^[4]對具有約130～375 a使用歷史的櫸木、雪松、柏樹進行物理力學試驗發現，老化后木構件的各項力學性能優于新材。同時，部分研究者認為自然老化對木材的物理力學性能沒有影響，如Katalin^[5]和Sonderegger等^[6]通過力學試驗分析發現具有約230～250 a使用歷史的云杉、冷杉及橡木等自然老化木材與新材的物理力學性能沒有明顯差異。由此可見，現階段雖對木材自然老化后物理力學性質的變化情況進行了一些研究，但結論仍具有一定的爭議，最主要的原因是缺少合適的研究對象，因為古建筑中木構件一般不允許進行拆卸，使可得到的受自然老化效應影響的木構件數量很少，而人工加速老化實驗所得木材和自然老化木材各方面參數又有較大差別，對新材進行人工加速老化處理難以完全模擬實際自然老化的木材^[7]。

故宮養心殿始建于明代嘉靖年間，約有500 a歷史，具有特殊的政治、文化、歷史意義，是我國皇家木結構古建筑的典型代表。2015年養心殿啟動了百余年來首次研究性保護大修，拆卸了少量木構件，其中包括西配殿明間北擎檐柱。該檐柱位于西配殿最前端，屬于暴露于室外的獨立木柱，是受光、熱、水分、持續載荷效應等自然老化因素影響的典型木構件，也是研究自然老化影響木材材性變化的良好對象，極具研究價值。

木構件保有密度及力學性能是古建筑木結構修繕方案定制的重要依據，而鑒于古建筑的珍貴性，無損檢測方法是對古建筑木構件保有材性評估的主要方法，其中微鉆阻力法和波速法是現場使用的主要無損檢測方法^[8]。但無損檢測參數如何隨木材自然老化而改變，現階段這一問題尚未引起學者關注，缺少無損檢測參數在新、舊木材間變化情況的研究。

筆者以故宮養心殿在修繕過程中獲得的西配殿明間北擎檐柱及與其具有相似年輪寬度的落葉松新材為研究對象，加工標準試件并分別測定無損檢測參數及物理力學性質參數，分析其材性變化與分布規律，并最終基于所測的無損檢測參數建立物理力學性質參數的多元線性回歸模型。

1 研究對象與試驗方法

1.1 研究對象

自然老化木構件來自故宮養心殿西配殿。該擎檐柱位于室外，直接與光、熱、水分等接觸并受持續載荷等自然老化效應的影響，屬于典型的自然老化木構件，如圖1（a）所示。該木構件在使用過程中，與地面接觸的根部發生了局部腐朽，為避免該檐柱腐朽對建筑整體造成更為嚴重的破壞，在養心殿的修繕過程中，對其進行了墩接，拆修下的部分用于研究。拆修下的部分長度約為1 000 mm，寬度與高度均約為217 mm，呈階梯狀，如圖1（b）所示。根據故宮博物院修繕記錄與樹種鑒定確定該木構件樹種為華北落葉松（Larix principis-rupprechtii Mayr），樹種鑒定委托北京林業大學木材學實驗室進行，樹種顯微結構照片如圖1（c）所示。

為確定該木構件的服役時間，通過加速器質譜儀對該木構件進行了年代測定。加速器質譜（AMS）碳-14測定木構件年代的主要原理為樹木被砍伐后與外界的¹⁴C交換停止，¹⁴C的含量會通過放射衰變逐步減少，¹⁴C的半衰期約為5 730 a，因此這個衰變可以用于計量生物停止與外界碳交流的時間；而由于1950年以來大規模的核爆炸試驗造成¹⁴C放射性水平增大^[9]。故而可以首先測定被砍伐停止碳交換到1950年的¹⁴C年代t₁，并計算1950年至今的時間t₂，便可計算得到木材被砍伐至今的時間t，t=t₁+t₂。

加速質譜儀（AMS）碳-14測試委托北京大學考古文博學院科技考古實驗室進行，結果表明該擎檐柱碳-14年代t₁為（280±20）a，故而可以得到該木構件距今約有（350±20）a的歷史。

首先對所獲取的試材（圖1（b））進行初步處理，去除腐朽區域，然后于其心材位置加工尺寸為20 mm×20 mm×300 mm的標準試件，長度為順紋方向，如圖2（a）所示，并從中選取年輪方向與試件棱邊垂直的27根無疵標準試件，記為A類試件，編號依次為A₁-A₂₇。另外，使用華北落葉松新材的心材位置加工標準尺寸試件，并選取年輪方向符合要求的無疵試件30根進行對比研究，記為N類試件，編號為N₁-N₃₀，如圖2（b）所示。

為確保所對比新材N類試件與老化木構件A類試件具有相似的初始材性性質，基于《木材年輪寬度和晚材率測定方法》^[10]，分別測定了兩類試件的平均年輪寬度，測得舊木構件A類試件平均年輪寬度為0.782 7 mm，測得N類試件平均年輪寬度為0.806 8 mm，兩種試件的平均年輪寬度僅相差3.08%。年輪寬度是影響木材初始力學性能的主要因素之一^[11]，所使用的兩種試件均取自相同樹種且試件取樣位置及年輪寬度相似，因此，可以認定新材的材性與舊材的初始材性相同，可用于自然老化對木材物理力學性能參數影響的對比研究。

1.2 試驗方法

在進行試件無損檢測參數及材性參數測定前，首先通過恒溫恒濕箱（CTHI 100B，STIK，美國）將所有試件含水率調整為12%，且所有試驗均在該含水率下進行。

1.2.1 無損檢測參數測試

微鉆阻力法和超聲波波速法是評估古建筑木構件保有密度及力學性能的常用無損檢測方法。首先對所加工兩種試件在12%含水率下分別進行微鉆阻力檢測及超聲波波速檢測，分別獲取微鉆阻力值M_mr（rel）及超聲波波速V_us（m/s）這兩個無損檢測參數，以實現對所加工新舊試件無損檢測參數的對比研究。

首先使用超聲波微秒計（UltraSonic Timer，Fakopp BT.，匈牙利）測量超聲波在試件內的傳播時間T_us，并根據試件長度L= 30 cm計算該試件的V_us，最終取3次測量平均值為該試件的V_us。

使用微鉆阻力儀（Resistograph 4452-P，RinnTech，德國）對試件在不影響力學試驗的兩端部沿徑向進行微鉆阻力檢測，檢測深度為所加工試件的寬度（20 mm），獲得微鉆阻力曲線后，根據式（1）計算該試件的微鉆阻力值M_mr，3次測試的平均值作為該試件的M_mr。 （1）

式中：M_mr為微鉆阻力曲線所對應的微鉆阻力值，rel；R為試件徑向方向尺寸，mm。

1.2.2 試件材性測定

木材材性主要包括外觀顏色參數及物理力學性質參數，為得到新舊落葉松木材材性的變化情況，對所加工試件的顏色、全干密度ρ₀、力學性質（抗彎強度M_OR、抗彎彈性模量M_OE及順紋抗壓強度C_SPG）分別進行測定。

通過Colormeter Pro裝置（杭州彩譜科技有限公司，中國）基于CIElab顏色標準對所有試件的顏色進行測定，測定每個試件長度方向的4個面，獲取其顏色參數（L^*、a^*、b^*）值，3次測定取其平均值。

物理力學性質參數測定中，首先測定試件的抗彎性能參數M_OR及M_OE，根據GB/T 1936.1—2009及?GB/T 1936.2—2009對所加工試件進行三點彎曲試驗（圖3（a）），試驗儀器為瑞格爾RGM-4050型萬能力學試驗機，兩端支座及壓頭端部的曲率半徑均為30 mm，兩支座跨距l為240 mm，加載速度為5 mm/min，直至試件被彎曲破壞，獲取試件試驗的位移-載荷曲線，并通過式（2）、式（3）計算試件M_OE及M_OR。 （2） （3）

式中：l為兩支座跨距；p為試件彈性階段的上下載荷差；R、T分別為試件的徑向及弦向尺寸；f為對應載荷的變形值；P_max為試件破壞時的載荷。

在三點彎曲試驗后，從兩端完好區域分別截取縱向長度分別為20 mm和30 mm的試件，測定試件的全干密度ρ₀和順紋抗壓強度C_SPG。

試件的C_SPG基于GB/T 1935—2009標準利用萬能力學試驗機使用球面滑動支座進行測定（圖?3（b）），試驗加載速度為2 mm/min，試件被壓潰后獲取試件試驗時的位移-載荷曲線，通過式（4）計算試件的C_SPG。 （4）

試件的全干密度ρ₀基于GB/T 1933—2009標準進行測定，測定首先時使用烘干箱在（103±2）?℃的溫度下烘干8 h，之后每0.5 h測定其質量，當測量前后質量差不超過0.002 g時認定試件達到全干，并測定此時的全干質量m₀，然后通過排水法測定試件體積v₀，通過式（5）計算試件的全干密度ρ₀。 （5）

2 結果與分析

2.1 物理力學性能對比分析

為對老化后木材的物理力學性能進行對比研究，如表1所示，對A類試件及N類試件的物理力學參數的測定結果進行對比分析。因年輪寬度、含水率等是影響木材初始物理力學性能的重要因素^[11]，為滿足對老化后木材的物理力學性能衰減研究的合理性與嚴謹性，所加工新材試件來自具有相似年輪寬度（相差3.08%）的落葉松，且均在12%含水率下進行的測定試驗，因此，以所加工落葉松新材N類試件的物理力學參數為參考，對老化后養心殿舊木構件A類試件的衰減情況進行分析合理有效。

從所測得結果的衰減情況分析。全干密度與順紋抗壓強度衰減率相似，分別為14.40%、14.80%；而抗彎性能參數衰減率相似，抗彎強度衰減20.18%，抗彎彈性模量衰減23.46%，老化后木材在垂直年輪方向上力學性能衰減明顯，該結論與Yokoyama等^[12]的研究相一致，即抗彎強度及抗彎彈性模量的衰減高于順紋抗壓強度的衰減。

從所得結果的變異系數分析，兩類試件的變異系數COV不同，A類試件的COV明顯高于N類新材試件；且A類試件中抗彎強度及彈性模量的COV明顯高于全干密度ρ₀及順紋抗壓強度CSPG。主要原因分析為：A類試件各物理力學參數的變異系數均高于落葉松新材N類試件的COV，擎檐柱中不同區域受自然老化效應的影響不同，導致該擎檐柱內部區域的老化程度不同，因而相對新材各物理力學性質具有較高COV；受自然老化效應影響的木材，其韌性降低而脆性增大^[11]，因此，在三點彎曲試驗中，試件受彎曲荷載時，斷裂的隨機性增大，導致所加工A類試件的抗彎性能參數（MOR、MOE）的變異系數明顯高于ρ₀及CSPG的變異系數。

另外，為得到所測新舊木材試件物理力學性能結果的分布規律，對物理力學性能檢測結果給予統計分析，如表2所示，繪制分布直方圖如圖4所示。按已有文獻所述計算方法^[13]，對物理力學性能參數結果進行K-S正態分布檢驗，發現K-S檢驗值均低于K-S臨界值，同時p值均高于0.05，說明ρ₀、M_OR、M_OE及C_SPG均符合正態分布，可以用正態分布函數對物理力學性能參數的分布進行描述。由圖4還可以發現，N類試件全干密度ρ₀結果分布明顯較A類試件結果更加集中，而兩種試件的力學性能參數的分布情況較為相似。

2.2 外觀顏色對比分析

CIElab顏色標準是現階段最常用的測色標準，是一種基于生理特征的系統，用數字化的方法來描述人的視覺感受。其中：L^*分量用于表示像素的亮度，取值范圍是[0， 100]，表示從純黑到純白；a^*表示從紅色到綠色的范圍，取值范圍是[127， -128]；b^*表示從黃色到藍色的范圍，取值范圍是[127， -128]。為對兩類試件的顏色進行比較分析，分別基于CIElab標準測定了試件的L^*、a^*、b^*。

兩類試件顏色的測定結果如表3所示。可以發現，相對于落葉松新材，A類試件的明度差?L^*約減小10.37%，表明試件顏色朝黑色方向變化，亮度降低，而紅綠色度差?a^*增大，變化幅度達到88.92%，表明試件朝紅色方向變化，黃藍色度?b^*同樣增大，表明試件朝黃色方向發展，增幅達到了23.18%。由此可見，以落葉松新材試件顏色為參考，落葉松木材在老化后顏色朝紅、黃的方向發展且亮度降低，其中紅色參數的變化最為明顯。

色度差?E是指用數值的方法表示兩種顏色的差別，CIElab標準下色度差?E可用式（6）計算，其中?E低于0.5時可以認為兩者沒有區別，在?E在0.5～1.5之間時，兩顏色為稍有區別，而?E在1.5～3之間時，顏色表現為具有明顯差別，當3E< 6時，表現為兩者間具有顯著差異，而當6E<12時，表明兩者具有極顯著差異，當12E時，表明兩者具有不同的顏色差異^[5]。以測得30根新材試件表面顏色參數的平均值（L_n^*=70.42，a_n^*=7.04，b_n^*=25.80）為參考，計算27根A類試件的色度差?E，以獲取試件顏色的變化情況。 ?（6）

27根A類試件色度差?E的分布直方圖如圖5所示，通過圖5可以發現，A類試件與落葉松新材試件的色度差?E均較大，其中所有試件的總色差?E超過6，表明所有A類試件顏色與新材顏色產生了極顯著差別，同時48.15%的試件色度差?E超過12，表明A類試件已經與落葉松新材N試件具有了明顯不同的顏色。

已有研究^[14-15]表明，木材顏色主要受其化學成分控制，色度差?E與木材木質素含量呈顯著正相關，同時?L^*、?a^*與?b^*與木質素中存在的黃酮、酚和芪類結構的相對含量有關，在老化效應的持續影響下，纖維素和半纖維素等多糖類物質含量相對降低，生成更多的羰基和羧基，木素含量的相對增加以及氧化反應等變化最終導致木材顏色逐步向紅、黃及暗的方向變化。

2.3 無損檢測參數的變化規律

2.3.1 新舊試件無損檢測參數對比

表4所示為舊木構件A類和新材N類試件的無損檢測結果?？梢园l現，A類試件的平均微鉆阻力值M_mr的平均值為22.12 rel，而新材N類試件的平均微鉆阻力值M_mr值為39.74 rel，A類試件的M_mr明顯低于N類試件約44.34%。進一步對新舊試件M_mr的變異系數COV進行分析發現，養心殿舊木構件A類試件的COV（48.08%）顯著高于新材N類試件M_mr的COV（9.4%）。其主要原因為：對木構件來說，自然老化過程中受光、熱及含水率變化等的影響，所加工木構件為養心殿擎檐柱，服役時雖包裹有地仗層，但在夏季陽光直射下產生的光、熱效應與含水率變化及其互作效應使得該檐柱內不同區域自然老化程度有較大區別；外部區域在長期的自然老化效應下會導致纖維素和半纖維素發生較為嚴重降解，相對含量降低，同時力學強度相對較低的木質素含量相對增大，因而該區域所加工試件的M_mr較低，而受自然老化效應的影響較小的內部區域所測得M_mr相對較高，這造成了舊木構件所加工試件的M_mr具有較大COV。

超聲波在試件內的傳播屬于一維波動方程，其波速V_us與材料的密度ρ及動態彈性模量相關^[16]，因此，V_us可用試件物理力學性能的評估。對兩種試件的V_us進行分析，發現養心殿舊木構件試件V_us略低于落葉松新材試件（7.71%），且舊木構件試件的變異系數略大于新材試件，但兩者變異性均較?。ㄐ∮?0%），差別不大。

為對木材無損檢測參數的分布規律進行研究，繪制無損檢測參數的分布直方圖如圖6所示，測定結果的K-S檢驗與p值計算結果如表4所示。可以發現，N類試件的M_mr及V_us的檢測結果分布更加集中，這與新舊材試件測定結果的COV分析一致。K-S檢驗與p值計算結果顯示4組無損檢測參數的p值均大于0.05，且K-S檢驗值高于K-S臨界值，說明4組試驗結果均符合正態分布，可以通過正態分布函數對無損檢測參數進行描述。

綜上可見，自然老化后木材無損檢測參數均降低，其中，平均微鉆阻力值M_mr降低明顯，達到44.34%，超聲波波速V_us略低于N類新材試件約7.71%；且A類試件無損檢測參數的變異系數COV均高于新材N類試件，但兩類試件的無損檢測參數均符合正態分布。

2.3.2 保有密度及力學性能的多元線性回歸評估

以上研究表明，木材在自然老化效應下，物理力學性能會發生較為嚴重衰減，尤其是抗彎性能參數的衰減接近25%，對古建筑的安全性與穩定性帶來了隱患。為對落葉松木材物理力學性能進行評估，基于所測的新舊落葉松木材試件的無損檢測參數平均微鉆阻力值M_mr及超聲波波速V_us建立落葉松保有密度及力學性能多元線性回歸模型如式（7）～式（10）。 （7） （8） （9） （10）

式中：x₁為平均微鉆阻力值M_mr，rel；x₂為超聲波波速V_us，m/s。

為對所擬合落葉松木材物理力學性能參數公式進行擬合優度分析，計算了所建立模型的決定系數R²并進行了顯著性檢驗，如表5所示。結果顯示，全干密度ρ₀、抗彎強度M_OR、抗彎彈性模量M_OE與順紋抗壓強度C_SPG的決定系數R²分別為0.679 2、0.534 9、0.484 8和0.599 6，同時模型顯著性檢驗結果顯示所建立4個評估模型均在0.01水平顯著（p< 0.01），說明所建立4個模型的擬合效果均較好。綜上所述，基于平均微鉆阻力值M_mr及超聲波波速V_us使用多元線性回歸方法對落葉松木材物理力學參數（ρ₀、M_OR、M_OE與C_SPG）進行評估有效可行。

3 結論

為探究古建筑木材材性變化情況，以故宮養心殿西配殿修繕中獲得的距今（350±20）a的華北落葉松擎檐柱為研究對象，以年輪寬度及試件加工位置與之相似的華北落葉松新材作為對比，分別加工標準試件，對自然老化后試件的無損檢測參數及外觀顏色和物理力學性能參數的變化情況進行試驗研究與分析，并基于無損檢測參數建立落葉松保有密度及力學性能多元線性回歸模型，得到以下結論：

1）所測的自然老化木材試件物理力學參數與無損檢測參數衰減明顯，其中全干密度ρ₀、抗彎強度M_OR、抗彎彈性模量M_OE及順紋抗壓強度C_SPG的衰減率分別為14.40%、20.18%、23.46%及14.80%，抗彎性能衰減明顯；平均微鉆阻力M_mr相對新材試件降低約44.34%，而超聲波波速V_us降低約7.71%。同時A類試件各參數的變異系數COV均高于N類新材試件，但兩類試件的物理力學性能參數及無損檢測參數均符合正態分布。

2）老化木材顏色朝紅、黃的方向發展且亮度降低，其中紅色參數a^*的變化最為明顯，相對新材a^*增大88.92%；老化試件與落葉松新材試件相比，外觀顏色發生了極為顯著的差別。

3）基于無損檢測參數建立了落葉松材質物理力學性能參數的多元線性回歸模型全干密度ρ₀、抗彎強度M_OR、抗彎彈性模量M_OE及順紋抗壓強度C_SPG的決定系數R²分別為0.679 2、0.534 9、0.484 8和0.599 6，表明建立多元回歸模型可用于落葉松物理力學參數的無損評估。

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（編輯??胡玲）