秦振芳,吳夢若,韓向娜,韓劉楊

(北京科技大學科技史與文化遺產(chǎn)研究院,北京 100083)

0 引 言

木材具有力學性能高、資源豐富、加工簡單和易于運輸?shù)葍?yōu)點,是我國古代最常用的建筑材料和日用品制備原料[1]。隨著各地考古工作的蓬勃開展,出土了大量木質(zhì)文物,如棺槨、黃腸題湊、舟船、家具、木牘、漆木器、彩繪木俑等?？脊懦鐾?出水的木材,其含水率、基本密度、化學組分和力學強度等理化性能已和新鮮健康木材迥然不同,相當一部分木質(zhì)文物處于飽水糟朽狀態(tài)。以瑞典Vasa沉船和我國南宋沉船“南海Ⅰ號”為例,沉船在海洋埋藏過程中,木材中纖維素、半纖維素發(fā)生降解流失,造成木材基本密度下降,孔隙率及滲透性增大,木材含水量高達200%～700%,力學強度急劇下降[2-3]。木材的力學性能關系到文物本體的保存狀況評估和保護材料篩選以及效果評價,是木質(zhì)文物保護中關鍵物理性能指標之一[4-5]。但是木材作為復雜天然高分子材料,自身具有顯著的各向異性和不均一性,加上考古木材的降解程度差異較大,文物保護原則對取樣數(shù)量和尺寸的限制,造成考古木材,尤其飽水木質(zhì)文物力學性能表征較為困難。

目前文獻報道過的木材力學性能表征方法有以下幾種:1)分米尺寸上的力學測試,依據(jù)GB/T 1936.1—2009《木材抗彎強度試驗方法》,使用萬能材料試驗機測試,所需木材試樣尺寸為300 mm×20 mm×20 mm,樣品數(shù)量在30個以上。該方法曾用于老化程度低、木材強度較高的藏式古建筑木結(jié)構測試[6]。但是國標推薦的力學測試方法所需試樣尺寸較大,數(shù)量較多,絕大多數(shù)考古出土飽水木質(zhì)文物不能滿足其取樣要求[7]。2)納米尺度上的力學表征方法,典型代表如納米壓痕測試技術,曾用于小白礁Ⅰ號沉船出水飽水木質(zhì)文物測試[8]。納米壓痕技術通過計算機控制載荷連續(xù)變化,并在線監(jiān)測壓入深度,可在納米尺度上測量木材的力學性質(zhì)。但納米壓痕技術測試成本高,前期樣品制備程序繁瑣,試樣尺寸過小容易受到木質(zhì)文物差異性影響,難以反映木材宏觀層面的力學性能[9]。3)便攜式測試技術,如硬度計,用來檢測木材局部抵抗硬物壓入其表面的能力。硬度計的優(yōu)點是測量迅速簡便,對樣品的破壞小,可測定尺寸較小的樣品,常用于現(xiàn)場檢測和快速評估保護效果[10]。但硬度計測量精度低,讀數(shù)受主觀影響較大。綜合可知,因為考古出土飽水木材的材質(zhì)不均一、數(shù)據(jù)離散性大,取樣受限,現(xiàn)有技術尚不能完全滿足測試需求,亟需開發(fā)試樣尺寸在厘米或毫米級別,儀器較為精密,數(shù)據(jù)準確率較高,重復性好的力學測試方法。

靜態(tài)熱機械分析(thermomechanical analysis,TMA)是一種在程序控溫和非震動載荷作用下,測量物質(zhì)的形變與溫度時間函數(shù)關系的技術,可以精確測量試樣在熱、力作用下的形變量。測試模式有壓縮、針入、拉伸或彎曲等不同形式。TMA具有精度高,重復性好,準確率高的優(yōu)勢,主要用于復合材料、玻璃、聚合物、陶瓷和金屬等領域。TMA測試所需樣品量少,靈敏度高(載荷分辨率在9.8 μN,形變分辨率在0.01 μm),可實現(xiàn)微小載荷(載荷范圍±1.8 N)下的力學測試,剛好可以滿足飽水木質(zhì)文物對微損力學測試的特殊需求。受此啟發(fā),將TMA嫁接到木質(zhì)文物保護領域,對來自“南海Ⅰ號”的飽水木材開展適用性研究,以期開發(fā)出一種微損精確測試脆弱飽水木質(zhì)文物抗彎強度的新方法,目前少見相關方法的文獻報道。

1 樣品和方法

1.1 實驗樣品

樣品取自“南海Ⅰ號”沉船船板,整體上質(zhì)地較軟,內(nèi)部疏松多孔,力學性能明顯下降。樣品最大含水率為452%,基本密度為0.19 g/cm3,屬于高度降解狀態(tài)。根據(jù)木材的解剖結(jié)構(圖1)鑒定其為馬尾松。

圖1 “南海Ⅰ號”木材樣品的顯微解剖圖片

1.2 實驗方法

1.2.1樣品制備 使用Leica M205C滑走切片機(Leica,德國)沿考古木材樣品徑切面走刀,制備0.3 mm厚的徑切面薄片。將考古木材薄片夾在兩片載玻片之間,用橡皮筋扎緊,在扎孔密封袋中緩慢干燥。干燥后,選取木材試樣均勻、無明顯裂隙處裁切成8 mm×2 mm×0.3 mm的標準試樣32個。

1.2.2熱機械分析儀 使用TMA7100熱機械分析儀(HITACHI,日本)及配套的石英彎曲探針和三點彎曲夾具對考古木材試樣進行抗彎試驗,儀器結(jié)構及測試原理如圖2所示。將木材試樣放置在三點彎曲夾具上,在常溫條件下進行試驗,設置初始載荷為0.1 mN,加載速度5 mN/min。樣品斷裂時,儀器記錄探針位移、載荷隨時間變化的曲線(圖3a,以一個試樣為例)。通過式(1)計算試樣的應力(σf),通過式(2)計算試樣的應變(εf),獲得試樣的應力應變曲線(圖3b)并記錄斷裂時的抗彎強度、斷裂載荷。式(1)和式(2)中,L是夾具跨度為5 mm;b為試樣干燥后的寬度,通過VHX-6000超景深三維視頻顯微鏡(KEYENCE,日本)測量,精度為0.01 mm;d為試樣斷裂面厚度,同樣使用超景深顯微鏡測量;P為TMA記錄的實時載荷;D為TMA記錄的實時位移。

圖2 TMA結(jié)構與測試原理

圖3 考古木材試樣的TMA力學性能測試曲線

(1)

(2)

2 結(jié)果與討論

對由取自“南海Ⅰ號”沉船的木質(zhì)文物制成的32個標準試樣進行TMA測試,所得抗彎強度-斷裂應變數(shù)據(jù)見表1。求95%置信區(qū)間,獲得置信水平0.95以上的有效數(shù)據(jù)共31個,可知TMA測試考古木材的數(shù)據(jù)重復性較好,可信度高。根據(jù)表1可知,考古木材斷裂應變集中在0.50%～1.75%,平均抗彎強度僅為5.64 MPa,而現(xiàn)代馬尾松健康材的抗彎強度為30 MPa以上[11],與一般健康木材相比,考古木材的抗彎強度大幅降低。考古木材力學強度下降較多的原因與木材細胞結(jié)構改變有關?！澳虾＂裉枴背链诼L的海洋埋藏過程中,木材中起重要支撐作用的細胞壁次生壁受到微生物侵蝕和化學降解,基底物質(zhì)半纖維素大量降解流失,纖維素骨架結(jié)構完整性受損,以至于細胞壁減薄、孔隙率增大,力學性能嚴重劣化[12-13]。此外,現(xiàn)代馬尾松的萬能材料試驗機數(shù)據(jù)在90 MPa以上[14],與TMA測出的數(shù)據(jù)差距極大,說明兩種測試方法測出的力學數(shù)據(jù)沒有可比性,不能在這兩種測試方法所得數(shù)據(jù)之間進行直接地參照或?qū)Ρ取Ｎ磥韺⒗^續(xù)探索大尺寸試樣和微小尺寸試樣之間力學強度的關聯(lián)規(guī)律。

表1 木材試樣的抗彎強度和斷裂應變

31個考古木材試樣中,9號試樣抗彎強度最小為2.17 MPa,3號試樣最大為12.24 MPa,抗彎強度數(shù)據(jù)的變異系數(shù)為49.1%。為探究抗彎數(shù)據(jù)變異系數(shù)的原因,對比出現(xiàn)極端值的2個試樣9號和3號的斷面結(jié)構,如圖4所示。9號試樣細胞腔大壁薄,材質(zhì)密度較小,材色淺,說明來自樹木的早材部位;3號試樣細胞腔小壁厚,材質(zhì)較致密,材色深,符合木材的晚材特征。一般而言,早材和晚材密度不同,其性質(zhì)和力學性能具有較大差異。國標規(guī)定的健康木材抗彎測試試樣尺寸為300 mm×20 mm×20 mm,該尺寸能夠覆蓋5～10個生長輪,早晚材比例造成的影響較小。而TMA測試中考古木材試樣尺寸寬度僅為2 mm,無法消除早、晚材自身材性差異造成的變異性。因此可判斷本實驗中TMA測試考古木材抗彎強度數(shù)據(jù)較大的變異性主要是因為木材自身先天的不均勻性,晚材區(qū)域比例高的試樣強度普遍高于早材試樣。觀察全部為早材的10號、26號木材試樣和全部為晚材的6號、23號、31號試樣,其抗彎強度亦符合此規(guī)律。其他試樣中早材、晚材比例不一,抗彎強度分布在兩極值之間。同時,也不排除考古木材在埋藏過程中遭受的侵蝕程度不同,降解程度不同造成木材材性不均勻。例如,飽水木質(zhì)文物孔隙內(nèi)部大量無機沉積物[15-16]對測試結(jié)果可能有一定的影響。

圖4 考古木材試樣的斷裂面顯微照片

通過本次探索性研究可知,采用TMA能夠微損精確地測出考古木材樣品的抗彎強度,由于其測試精度高,對于強度極低的脆弱木質(zhì)文物亦有較好的測試數(shù)據(jù)。同時,此方法樣品需求量很小,能夠在避免對文物造成較大破壞的前提下開展重復性試驗,樣本量為20個以上時均值即可達到穩(wěn)定,重復性良好,初步可以達到微損表征木質(zhì)文物力學性能的目的。

3 結(jié) 論

本工作提出了一種微損精確測試飽水木質(zhì)文物抗彎強度的新方法。將來自“南海Ⅰ號”沉船出水的馬尾松木質(zhì)文物制成8 mm×2 mm×0.3 mm的試樣,在32個測試樣本中置信水平0.95以上的有效數(shù)據(jù)有31個,測得沉船木質(zhì)文物的平均抗彎強度僅為5.64 MPa,相較健康馬尾松30 MPa的強度大幅降低。結(jié)合試樣斷裂面的顯微結(jié)構發(fā)現(xiàn),考古木材的抗彎強度與木材細胞壁結(jié)構有關,早材區(qū)的細胞壁薄,抗彎強度小;晚材區(qū)的細胞壁厚,抗彎強度大。TMA測試精度高、樣品需求量小,對于強度極低、尺寸極小的脆弱飽水考古木材樣品能夠測出有效數(shù)據(jù),達到20個試樣以上可部分消除變異系數(shù)大的問題,說明具有可行性。TMA作為試樣尺寸在毫米級別的測試手段,有力填補了現(xiàn)有木質(zhì)文物力學測試微觀納米和宏觀分米尺寸之間的空白,不僅可以用于測試木質(zhì)文物,也可測試考古漆膜、紡織品、紙張等較脆弱且取樣困難的文物。進一步開發(fā)可將TMA用于評價脆弱有機質(zhì)文物加固后的力學強度,尤其在篩選性能相近的加固材料時,可進行精確地科學化測試,對精準遴選最優(yōu)保護方案具有較強應用價值。但需要注意,TMA作為熱分析領域的通用設備,常規(guī)應用是用來測試材料的線膨脹系數(shù)等,并非被當做室溫下的“微型拉力機”使用,如果嫁接到脆弱文物力學測試上還需要克服不少難題。如制樣困難、樣品微小是否具有代表性,數(shù)據(jù)解讀,與其他力學測試數(shù)據(jù)的關聯(lián)規(guī)律,具體案例中文物的適用性等問題,這些都需要未來繼續(xù)研究。