高悅文 呼夢(mèng)潔 俞君寶

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

中國(guó)是最早應(yīng)用木結(jié)構(gòu)的國(guó)家之一，現(xiàn)已有幾千年的歷史。在此期間，這些建筑中的木材經(jīng)歷了自然環(huán)境的影響，如溫濕度變化會(huì)使木材產(chǎn)生開(kāi)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(jié)構(gòu)建筑中，特別是古木建筑中十分常見(jiàn)。例如，山西飛云樓的立柱即存在開(kāi)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(guān)構(gòu)件的力學(xué)性能發(fā)生退化，從而影響木結(jié)構(gòu)建筑的安全性。

為了探明溫濕度交替環(huán)境和光照條件導(dǎo)致木材材性退化的機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同的損傷類型提出了不同的研究方法，并為開(kāi)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(yàn)研究

環(huán)境溫濕度的變化也是影響木材的力學(xué)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(xué)性能，如當(dāng)木材產(chǎn)生干縮現(xiàn)象后，將極大的影響古建筑木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能。而所謂干縮現(xiàn)象，即為含水率低于纖維飽和點(diǎn)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(duì)木材的影響不大，當(dāng)加熱溫度低于100 ℃時(shí)，木材性質(zhì)不會(huì)發(fā)生明顯的改變，僅木材全干質(zhì)量略有微量減少[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)在濕度作用下木材的退化性能與強(qiáng)度做了相關(guān)研究，并提出了能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)在濕度作用下木材干縮程度的指標(biāo)。苗平，王松林[3]通過(guò)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(guò)試驗(yàn)過(guò)程中樣件厚度的尺寸變化比上樣件初始厚度的尺寸計(jì)算得到尺寸變化率。通過(guò)比較不同試驗(yàn)結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)在自然環(huán)境下樣件能夠在1 d～2 d內(nèi)與周圍環(huán)境的濕度達(dá)到一致。徐明剛，邱洪興[4]通過(guò)干縮試驗(yàn)探討了新木和舊木對(duì)干縮率的影響規(guī)律。在試驗(yàn)中，他們按照新木和舊木將試驗(yàn)分組，分別將樣件的含水率先調(diào)至20%后降低至氣干含水率，隨后測(cè)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(jié)果表明，舊木的抗干縮變形能力強(qiáng)于新木的抗干縮變形能力。

王雪亮，瞿偉廉[5]認(rèn)為溫濕度也是一種荷載，因此他們將長(zhǎng)時(shí)期的溫濕度變化等效為木結(jié)構(gòu)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(qiáng)度損傷積累模型，從而建立了能夠分析溫濕度變化的木結(jié)構(gòu)損傷模型。通過(guò)對(duì)該模型的求解計(jì)算，他們得到在溫濕度變化條件下木結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化規(guī)律。Harris[6]將木材樣件置于26 ℃的環(huán)境下，通過(guò)設(shè)定濕度循環(huán)來(lái)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(jìn)行3次循環(huán)，且在每次改變濕度時(shí)測(cè)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(yàn)樣件，研究了樣件受到濕度波動(dòng)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(yàn)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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，將其取出并置于水中浸泡24 h，通過(guò)對(duì)樣件的尺寸進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)，樣件的厚度增長(zhǎng)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(yàn)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(wú)水，循環(huán)周期為6 d，循環(huán)次數(shù)為5次。同時(shí)在每次循環(huán)前后的3個(gè)不同濕度條件下測(cè)量木材的弦、徑向尺寸大小以及含水率。結(jié)果表明，在如此的濕—干水分循環(huán)處理過(guò)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(duì)濕度設(shè)定為在45%～75%間按照正弦曲線進(jìn)行周期變化，周期時(shí)長(zhǎng)分別設(shè)置為1 h,6 h和24 h，試驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)為144 d，在試驗(yàn)過(guò)程中他們對(duì)試件的含水量和弦、徑向尺寸的變化情況進(jìn)行了記錄。

通過(guò)總結(jié)木材在溫濕度交替作用下的性能分析研究，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)者們主要是利用實(shí)驗(yàn)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(jìn)而進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)。但很少有學(xué)者對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和自然環(huán)境下木材老化的相關(guān)性進(jìn)行研究，此外，對(duì)于木材溫濕度交替老化程度與物理力學(xué)指標(biāo)、化學(xué)成分變化的相關(guān)性方面研究較少。

2 光作用下木材退化的試驗(yàn)研究

當(dāng)木材處于室外環(huán)境時(shí)，光照、氧氣、菌腐、蟲(chóng)蛀以及溫濕度變化將直接對(duì)其表面造成影響，它們的表面形貌和內(nèi)在性能均會(huì)發(fā)生不可逆的變化。一般來(lái)說(shuō)，這種變化會(huì)使木材如彈性模量等力學(xué)性能大幅降低，從而縮短木結(jié)構(gòu)建筑的使用壽命。其中，光照因素導(dǎo)致木材材性退化是最普遍的現(xiàn)象。因此，研究人員針對(duì)光致木材損傷模擬及損傷機(jī)理方面開(kāi)展了大量工作。

光老化試驗(yàn)的核心問(wèn)題在于如何通過(guò)人工光源模擬自然日光。王春川[10]將光譜能量、試驗(yàn)條件、后續(xù)性能測(cè)試等作為變量，并將其進(jìn)行組合編排。他們通過(guò)考察試驗(yàn)條件與試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系，探究了人工加速老化與自然曝光老化間的相關(guān)性，提出了光致?lián)p傷模擬試驗(yàn)應(yīng)以輻照總量為考察標(biāo)準(zhǔn)這一結(jié)論。因此，研究人員能夠通過(guò)短時(shí)間高輻照量的試驗(yàn)環(huán)境來(lái)模擬長(zhǎng)時(shí)間低輻照量的自然環(huán)境，從而極大的縮短光致?lián)p傷模擬試驗(yàn)的時(shí)間。德國(guó)ATLAS材料測(cè)試中心[11]也從試驗(yàn)的角度證明了人造光源能夠縮短光致?lián)p傷試驗(yàn)的時(shí)間。例如他們先對(duì)木材進(jìn)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(jié)果表明，26 d照射產(chǎn)生的木材損傷相當(dāng)于歐洲中部日光暴曬一年產(chǎn)生的木材損傷。此外，他們還發(fā)現(xiàn)木材的種類對(duì)光致?lián)p傷也存在著重大影響。例如同樣在室內(nèi)環(huán)境下利用UVA-351燈進(jìn)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(dāng)。

通過(guò)總結(jié)木材光老化方面的研究，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)者們的主要研究手段是利用人工光源來(lái)代替自然光進(jìn)行加速老化，主要研究?jī)?nèi)容是通過(guò)分析木材化學(xué)成分和微構(gòu)造討論光老化過(guò)程中木材材性的改變。

3 問(wèn)題與展望

本文通過(guò)歸納國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)兩大木材老化作用下的試驗(yàn)研究情況總結(jié)出，在溫濕度作用下的木材材性老化研究方面，相關(guān)學(xué)者采用人工溫濕度交替環(huán)境來(lái)模擬自然老化過(guò)程，但很少有學(xué)者建立起人工模擬時(shí)間與自然溫濕度老化時(shí)間的相關(guān)性。在木材光老化研究方面，相關(guān)學(xué)者尋求利用人工光源來(lái)代替自然光進(jìn)行加速老化，并在人工加速老化與自然曝曬時(shí)間的相關(guān)性方面做出了探索。

綜上所述，國(guó)內(nèi)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(chǔ)分析相關(guān)因素對(duì)木材力學(xué)性能的影響規(guī)律，但在木材力學(xué)性能退化機(jī)理方面的研究還十分薄弱。因此，還需要針對(duì)一些問(wèn)題進(jìn)一步有效開(kāi)展研究，為科學(xué)評(píng)價(jià)古建木構(gòu)性能、研究修復(fù)加固技術(shù)、保護(hù)珍貴的建筑文化遺產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)，具有重要理論與應(yīng)用價(jià)值。