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

基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金（2018M641225）；故宮博物院科研項(xiàng)目（201909012）

作者簡(jiǎn)介：張典?（1985-?），女，高級(jí)工程師，主要從事古建筑保護(hù)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(gòu)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(gòu)件及與其具有相似年輪寬度的落葉松新材為研究對(duì)象，加工標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試件，測(cè)定試件的材性參數(shù)（顏色、全干密度、力學(xué)性能參數(shù)）及無(wú)損檢測(cè)參數(shù)（微鉆阻力值、超聲波波速），對(duì)比分析自然老化木材試件的無(wú)損檢測(cè)參數(shù)與材性參數(shù)的變化及分布規(guī)律，并基于所測(cè)得的新舊材兩類試件的材性及無(wú)損檢測(cè)參數(shù)建立落葉松木材物理力學(xué)性能參數(shù)的多元回歸模型；研究結(jié)果表明：所測(cè)老化木材試件物理力學(xué)參數(shù)及無(wú)損檢測(cè)參數(shù)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(shù)變異系數(shù)均高于新材試件，但兩者均符合正態(tài)分布，建立的落葉松木構(gòu)件物理力學(xué)性能參數(shù)的評(píng)估模型具有較高評(píng)估性能。

關(guān)鍵詞：古建筑；木構(gòu)件；故宮養(yǎng)心殿；自然老化；材性；衰減

中圖分類號(hào)：TU531.15 ????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ????文章編號(hào)：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(guó)木結(jié)構(gòu)建筑文化燦爛輝煌，在世界建筑歷史中占有重要地位。木構(gòu)件是木結(jié)構(gòu)古建筑的重要組成部分，其物理力學(xué)性能對(duì)古建筑穩(wěn)定性和安全性具有重要影響。木構(gòu)件材性主要包括木材外觀顏色及物理力學(xué)參數(shù)等，木構(gòu)件在長(zhǎng)時(shí)間的服役過(guò)程中，除受腐朽、蟲蛀等生物性明顯破壞外，還會(huì)受到光照、水分、持續(xù)載荷效應(yīng)等的影響發(fā)生自然老化，導(dǎo)致未遭受生物破壞的木材材性發(fā)生變化，影響其力學(xué)性能與承載力。因此，進(jìn)行自然老化對(duì)木材材性影響規(guī)律的研究對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑的保護(hù)具有重要的意義。

已有一些學(xué)者對(duì)木材自然老化后的物理力學(xué)性能的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。早在1976年Attar-Hassan^[1]就對(duì)始建于1834年的建筑上采集到的白松木構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其彎曲強(qiáng)度與抗彎彈性模量均降低。Cai等^[2]對(duì)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(cè)定其抗彎彈性模量，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明老化木構(gòu)件的彈性模量衰減率在14.22%～47.16%之間。但部分學(xué)者認(rèn)為自然老化對(duì)木材物理力學(xué)性能具有積極作用，如祝英明^[3]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)距今約50～100 a的舊杉木的順紋抗壓強(qiáng)度優(yōu)于新木材約7.47%；Ooka等^[4]對(duì)具有約130～375 a使用歷史的櫸木、雪松、柏樹(shù)進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，老化后木構(gòu)件的各項(xiàng)力學(xué)性能優(yōu)于新材。同時(shí)，部分研究者認(rèn)為自然老化對(duì)木材的物理力學(xué)性能沒(méi)有影響，如Katalin^[5]和Sonderegger等^[6]通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)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(xué)性能沒(méi)有明顯差異。由此可見(jiàn)，現(xiàn)階段雖對(duì)木材自然老化后物理力學(xué)性質(zhì)的變化情況進(jìn)行了一些研究，但結(jié)論仍具有一定的爭(zhēng)議，最主要的原因是缺少合適的研究對(duì)象，因?yàn)楣沤ㄖ心緲?gòu)件一般不允許進(jìn)行拆卸，使可得到的受自然老化效應(yīng)影響的木構(gòu)件數(shù)量很少，而人工加速老化實(shí)驗(yàn)所得木材和自然老化木材各方面參數(shù)又有較大差別，對(duì)新材進(jìn)行人工加速老化處理難以完全模擬實(shí)際自然老化的木材^[7]。

故宮養(yǎng)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(guó)皇家木結(jié)構(gòu)古建筑的典型代表。2015年養(yǎng)心殿啟動(dòng)了百余年來(lái)首次研究性保護(hù)大修，拆卸了少量木構(gòu)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(dú)立木柱，是受光、熱、水分、持續(xù)載荷效應(yīng)等自然老化因素影響的典型木構(gòu)件，也是研究自然老化影響木材材性變化的良好對(duì)象，極具研究?jī)r(jià)值。

木構(gòu)件保有密度及力學(xué)性能是古建筑木結(jié)構(gòu)修繕?lè)桨付ㄖ频闹匾罁?jù)，而鑒于古建筑的珍貴性，無(wú)損檢測(cè)方法是對(duì)古建筑木構(gòu)件保有材性評(píng)估的主要方法，其中微鉆阻力法和波速法是現(xiàn)場(chǎng)使用的主要無(wú)損檢測(cè)方法^[8]。但無(wú)損檢測(cè)參數(shù)如何隨木材自然老化而改變，現(xiàn)階段這一問(wèn)題尚未引起學(xué)者關(guān)注，缺少無(wú)損檢測(cè)參數(shù)在新、舊木材間變化情況的研究。

筆者以故宮養(yǎng)心殿在修繕過(guò)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(duì)象，加工標(biāo)準(zhǔn)試件并分別測(cè)定無(wú)損檢測(cè)參數(shù)及物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，分析其材性變化與分布規(guī)律，并最終基于所測(cè)的無(wú)損檢測(cè)參數(shù)建立物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的多元線性回歸模型。

1 研究對(duì)象與試驗(yàn)方法

1.1 研究對(duì)象

自然老化木構(gòu)件來(lái)自故宮養(yǎng)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(xù)載荷等自然老化效應(yīng)的影響，屬于典型的自然老化木構(gòu)件，如圖1（a）所示。該木構(gòu)件在使用過(guò)程中，與地面接觸的根部發(fā)生了局部腐朽，為避免該檐柱腐朽對(duì)建筑整體造成更為嚴(yán)重的破壞，在養(yǎng)心殿的修繕過(guò)程中，對(duì)其進(jìn)行了墩接，拆修下的部分用于研究。拆修下的部分長(zhǎng)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(jù)故宮博物院修繕記錄與樹(shù)種鑒定確定該木構(gòu)件樹(shù)種為華北落葉松（Larix principis-rupprechtii Mayr），樹(shù)種鑒定委托北京林業(yè)大學(xué)木材學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，樹(shù)種顯微結(jié)構(gòu)照片如圖1（c）所示。

為確定該木構(gòu)件的服役時(shí)間，通過(guò)加速器質(zhì)譜儀對(duì)該木構(gòu)件進(jìn)行了年代測(cè)定。加速器質(zhì)譜（AMS）碳-14測(cè)定木構(gòu)件年代的主要原理為樹(shù)木被砍伐后與外界的¹⁴C交換停止，¹⁴C的含量會(huì)通過(guò)放射衰變逐步減少，¹⁴C的半衰期約為5 730 a，因此這個(gè)衰變可以用于計(jì)量生物停止與外界碳交流的時(shí)間；而由于1950年以來(lái)大規(guī)模的核爆炸試驗(yàn)造成¹⁴C放射性水平增大^[9]。故而可以首先測(cè)定被砍伐停止碳交換到1950年的¹⁴C年代t₁，并計(jì)算1950年至今的時(shí)間t₂，便可計(jì)算得到木材被砍伐至今的時(shí)間t，t=t₁+t₂。

加速質(zhì)譜儀（AMS）碳-14測(cè)試委托北京大學(xué)考古文博學(xué)院科技考古實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，結(jié)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(gòu)件距今約有（350±20）a的歷史。

首先對(duì)所獲取的試材（圖1（b））進(jìn)行初步處理，去除腐朽區(qū)域，然后于其心材位置加工尺寸為20 mm×20 mm×300 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，長(zhǎng)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(wú)疵標(biāo)準(zhǔn)試件，記為A類試件，編號(hào)依次為A₁-A₂₇。另外，使用華北落葉松新材的心材位置加工標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件，并選取年輪方向符合要求的無(wú)疵試件30根進(jìn)行對(duì)比研究，記為N類試件，編號(hào)為N₁-N₃₀，如圖2（b）所示。

為確保所對(duì)比新材N類試件與老化木構(gòu)件A類試件具有相似的初始材性性質(zhì)，基于《木材年輪寬度和晚材率測(cè)定方法》^[10]，分別測(cè)定了兩類試件的平均年輪寬度，測(cè)得舊木構(gòu)件A類試件平均年輪寬度為0.782 7 mm，測(cè)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(xué)性能的主要因素之一^[11]，所使用的兩種試件均取自相同樹(shù)種且試件取樣位置及年輪寬度相似，因此，可以認(rèn)定新材的材性與舊材的初始材性相同，可用于自然老化對(duì)木材物理力學(xué)性能參數(shù)影響的對(duì)比研究。

1.2 試驗(yàn)方法

在進(jìn)行試件無(wú)損檢測(cè)參數(shù)及材性參數(shù)測(cè)定前，首先通過(guò)恒溫恒濕箱（CTHI 100B，STIK，美國(guó)）將所有試件含水率調(diào)整為12%，且所有試驗(yàn)均在該含水率下進(jìn)行。

1.2.1 無(wú)損檢測(cè)參數(shù)測(cè)試

微鉆阻力法和超聲波波速法是評(píng)估古建筑木構(gòu)件保有密度及力學(xué)性能的常用無(wú)損檢測(cè)方法。首先對(duì)所加工兩種試件在12%含水率下分別進(jìn)行微鉆阻力檢測(cè)及超聲波波速檢測(cè)，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(gè)無(wú)損檢測(cè)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所加工新舊試件無(wú)損檢測(cè)參數(shù)的對(duì)比研究。

首先使用超聲波微秒計(jì)（UltraSonic Timer，F(xiàn)akopp BT.，匈牙利）測(cè)量超聲波在試件內(nèi)的傳播時(shí)間T_us，并根據(jù)試件長(zhǎng)度L= 30 cm計(jì)算該試件的V_us，最終取3次測(cè)量平均值為該試件的V_us。

使用微鉆阻力儀（Resistograph 4452-P，RinnTech，德國(guó)）對(duì)試件在不影響力學(xué)試驗(yàn)的兩端部沿徑向進(jìn)行微鉆阻力檢測(cè)，檢測(cè)深度為所加工試件的寬度（20 mm），獲得微鉆阻力曲線后，根據(jù)式（1）計(jì)算該試件的微鉆阻力值M_mr，3次測(cè)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(duì)應(yīng)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(cè)定

木材材性主要包括外觀顏色參數(shù)及物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，為得到新舊落葉松木材材性的變化情況，對(duì)所加工試件的顏色、全干密度ρ₀、力學(xué)性質(zhì)（抗彎強(qiáng)度M_OR、抗彎彈性模量M_OE及順紋抗壓強(qiáng)度C_SPG）分別進(jìn)行測(cè)定。

通過(guò)Colormeter Pro裝置（杭州彩譜科技有限公司，中國(guó)）基于CIElab顏色標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所有試件的顏色進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定每個(gè)試件長(zhǎng)度方向的4個(gè)面，獲取其顏色參數(shù)（L^*、a^*、b^*）值，3次測(cè)定取其平均值。

物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)測(cè)定中，首先測(cè)定試件的抗彎性能參數(shù)M_OR及M_OE，根據(jù)GB/T 1936.1—2009及?GB/T 1936.2—2009對(duì)所加工試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)（圖3（a）），試驗(yàn)儀器為瑞格爾RGM-4050型萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，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(yàn)的位移-載荷曲線，并通過(guò)式（2）、式（3）計(jì)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(duì)應(yīng)載荷的變形值；P_max為試件破壞時(shí)的載荷。

在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后，從兩端完好區(qū)域分別截取縱向長(zhǎng)度分別為20 mm和30 mm的試件，測(cè)定試件的全干密度ρ₀和順紋抗壓強(qiáng)度C_SPG。

試件的C_SPG基于GB/T 1935—2009標(biāo)準(zhǔn)利用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)使用球面滑動(dòng)支座進(jìn)行測(cè)定（圖?3（b）），試驗(yàn)加載速度為2 mm/min，試件被壓潰后獲取試件試驗(yàn)時(shí)的位移-載荷曲線，通過(guò)式（4）計(jì)算試件的C_SPG。 （4）

試件的全干密度ρ₀基于GB/T 1933—2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定首先時(shí)使用烘干箱在（103±2）?℃的溫度下烘干8 h，之后每0.5 h測(cè)定其質(zhì)量，當(dāng)測(cè)量前后質(zhì)量差不超過(guò)0.002 g時(shí)認(rèn)定試件達(dá)到全干，并測(cè)定此時(shí)的全干質(zhì)量m₀，然后通過(guò)排水法測(cè)定試件體積v₀，通過(guò)式（5）計(jì)算試件的全干密度ρ₀。 （5）

2 結(jié)果與分析

2.1 物理力學(xué)性能對(duì)比分析

為對(duì)老化后木材的物理力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比研究，如表1所示，對(duì)A類試件及N類試件的物理力學(xué)參數(shù)的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。因年輪寬度、含水率等是影響木材初始物理力學(xué)性能的重要因素^[11]，為滿足對(duì)老化后木材的物理力學(xué)性能衰減研究的合理性與嚴(yán)謹(jǐn)性，所加工新材試件來(lái)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(jìn)行的測(cè)定試驗(yàn)，因此，以所加工落葉松新材N類試件的物理力學(xué)參數(shù)為參考，對(duì)老化后養(yǎng)心殿舊木構(gòu)件A類試件的衰減情況進(jìn)行分析合理有效。

從所測(cè)得結(jié)果的衰減情況分析。全干密度與順紋抗壓強(qiáng)度衰減率相似，分別為14.40%、14.80%；而抗彎性能參數(shù)衰減率相似，抗彎強(qiáng)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(xué)性能衰減明顯，該結(jié)論與Yokoyama等^[12]的研究相一致，即抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量的衰減高于順紋抗壓強(qiáng)度的衰減。

從所得結(jié)果的變異系數(shù)分析，兩類試件的變異系數(shù)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(qiáng)度及彈性模量的COV明顯高于全干密度ρ₀及順紋抗壓強(qiáng)度CSPG。主要原因分析為：A類試件各物理力學(xué)參數(shù)的變異系數(shù)均高于落葉松新材N類試件的COV，擎檐柱中不同區(qū)域受自然老化效應(yīng)的影響不同，導(dǎo)致該擎檐柱內(nèi)部區(qū)域的老化程度不同，因而相對(duì)新材各物理力學(xué)性質(zhì)具有較高COV；受自然老化效應(yīng)影響的木材，其韌性降低而脆性增大^[11]，因此，在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，試件受彎曲荷載時(shí)，斷裂的隨機(jī)性增大，導(dǎo)致所加工A類試件的抗彎性能參數(shù)（MOR、MOE）的變異系數(shù)明顯高于ρ₀及CSPG的變異系數(shù)。

另外，為得到所測(cè)新舊木材試件物理力學(xué)性能結(jié)果的分布規(guī)律，對(duì)物理力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果給予統(tǒng)計(jì)分析，如表2所示，繪制分布直方圖如圖4所示。按已有文獻(xiàn)所述計(jì)算方法^[13]，對(duì)物理力學(xué)性能參數(shù)結(jié)果進(jìn)行K-S正態(tài)分布檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)K-S檢驗(yàn)值均低于K-S臨界值，同時(shí)p值均高于0.05，說(shuō)明ρ₀、M_OR、M_OE及C_SPG均符合正態(tài)分布，可以用正態(tài)分布函數(shù)對(duì)物理力學(xué)性能參數(shù)的分布進(jìn)行描述。由圖4還可以發(fā)現(xiàn)，N類試件全干密度ρ₀結(jié)果分布明顯較A類試件結(jié)果更加集中，而兩種試件的力學(xué)性能參數(shù)的分布情況較為相似。

2.2 外觀顏色對(duì)比分析

CIElab顏色標(biāo)準(zhǔn)是現(xiàn)階段最常用的測(cè)色標(biāo)準(zhǔn)，是一種基于生理特征的系統(tǒng)，用數(shù)字化的方法來(lái)描述人的視覺(jué)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(lán)色的范圍，取值范圍是[127， -128]。為對(duì)兩類試件的顏色進(jìn)行比較分析，分別基于CIElab標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定了試件的L^*、a^*、b^*。

兩類試件顏色的測(cè)定結(jié)果如表3所示。可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)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(dá)到88.92%，表明試件朝紅色方向變化，黃藍(lán)色度?b^*同樣增大，表明試件朝黃色方向發(fā)展，增幅達(dá)到了23.18%。由此可見(jiàn)，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(fā)展且亮度降低，其中紅色參數(shù)的變化最為明顯。

色度差?E是指用數(shù)值的方法表示兩種顏色的差別，CIElab標(biāo)準(zhǔn)下色度差?E可用式（6）計(jì)算，其中?E低于0.5時(shí)可以認(rèn)為兩者沒(méi)有區(qū)別，在?E在0.5～1.5之間時(shí)，兩顏色為稍有區(qū)別，而?E在1.5～3之間時(shí)，顏色表現(xiàn)為具有明顯差別，當(dāng)3E< 6時(shí)，表現(xiàn)為兩者間具有顯著差異，而當(dāng)6E<12時(shí)，表明兩者具有極顯著差異，當(dāng)12E時(shí)，表明兩者具有不同的顏色差異^[5]。以測(cè)得30根新材試件表面顏色參數(shù)的平均值（L_n^*=70.42，a_n^*=7.04，b_n^*=25.80）為參考，計(jì)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(guò)圖5可以發(fā)現(xiàn)，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(guò)6，表明所有A類試件顏色與新材顏色產(chǎn)生了極顯著差別，同時(shí)48.15%的試件色度差?E超過(guò)12，表明A類試件已經(jīng)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(xué)成分控制，色度差?E與木材木質(zhì)素含量呈顯著正相關(guān)，同時(shí)?L^*、?a^*與?b^*與木質(zhì)素中存在的黃酮、酚和芪類結(jié)構(gòu)的相對(duì)含量有關(guān)，在老化效應(yīng)的持續(xù)影響下，纖維素和半纖維素等多糖類物質(zhì)含量相對(duì)降低，生成更多的羰基和羧基，木素含量的相對(duì)增加以及氧化反應(yīng)等變化最終導(dǎo)致木材顏色逐步向紅、黃及暗的方向變化。

2.3 無(wú)損檢測(cè)參數(shù)的變化規(guī)律

2.3.1 新舊試件無(wú)損檢測(cè)參數(shù)對(duì)比

表4所示為舊木構(gòu)件A類和新材N類試件的無(wú)損檢測(cè)結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，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(jìn)一步對(duì)新舊試件M_mr的變異系數(shù)COV進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)心殿舊木構(gòu)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?yàn)椋簩?duì)木構(gòu)件來(lái)說(shuō)，自然老化過(guò)程中受光、熱及含水率變化等的影響，所加工木構(gòu)件為養(yǎng)心殿擎檐柱，服役時(shí)雖包裹有地仗層，但在夏季陽(yáng)光直射下產(chǎn)生的光、熱效應(yīng)與含水率變化及其互作效應(yīng)使得該檐柱內(nèi)不同區(qū)域自然老化程度有較大區(qū)別；外部區(qū)域在長(zhǎng)期的自然老化效應(yīng)下會(huì)導(dǎo)致纖維素和半纖維素發(fā)生較為嚴(yán)重降解，相對(duì)含量降低，同時(shí)力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低的木質(zhì)素含量相對(duì)增大，因而該區(qū)域所加工試件的M_mr較低，而受自然老化效應(yīng)的影響較小的內(nèi)部區(qū)域所測(cè)得M_mr相對(duì)較高，這造成了舊木構(gòu)件所加工試件的M_mr具有較大COV。

超聲波在試件內(nèi)的傳播屬于一維波動(dòng)方程，其波速V_us與材料的密度ρ及動(dòng)態(tài)彈性模量相關(guān)^[16]，因此，V_us可用試件物理力學(xué)性能的評(píng)估。對(duì)兩種試件的V_us進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)心殿舊木構(gòu)件試件V_us略低于落葉松新材試件（7.71%），且舊木構(gòu)件試件的變異系數(shù)略大于新材試件，但兩者變異性均較?。ㄐ∮?0%），差別不大。

為對(duì)木材無(wú)損檢測(cè)參數(shù)的分布規(guī)律進(jìn)行研究，繪制無(wú)損檢測(cè)參數(shù)的分布直方圖如圖6所示，測(cè)定結(jié)果的K-S檢驗(yàn)與p值計(jì)算結(jié)果如表4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，N類試件的M_mr及V_us的檢測(cè)結(jié)果分布更加集中，這與新舊材試件測(cè)定結(jié)果的COV分析一致。K-S檢驗(yàn)與p值計(jì)算結(jié)果顯示4組無(wú)損檢測(cè)參數(shù)的p值均大于0.05，且K-S檢驗(yàn)值高于K-S臨界值，說(shuō)明4組試驗(yàn)結(jié)果均符合正態(tài)分布，可以通過(guò)正態(tài)分布函數(shù)對(duì)無(wú)損檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行描述。

綜上可見(jiàn)，自然老化后木材無(wú)損檢測(cè)參數(shù)均降低，其中，平均微鉆阻力值M_mr降低明顯，達(dá)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(wú)損檢測(cè)參數(shù)的變異系數(shù)COV均高于新材N類試件，但兩類試件的無(wú)損檢測(cè)參數(shù)均符合正態(tài)分布。

2.3.2 保有密度及力學(xué)性能的多元線性回歸評(píng)估

以上研究表明，木材在自然老化效應(yīng)下，物理力學(xué)性能會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重衰減，尤其是抗彎性能參數(shù)的衰減接近25%，對(duì)古建筑的安全性與穩(wěn)定性帶來(lái)了隱患。為對(duì)落葉松木材物理力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估，基于所測(cè)的新舊落葉松木材試件的無(wú)損檢測(cè)參數(shù)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(xué)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(duì)所擬合落葉松木材物理力學(xué)性能參數(shù)公式進(jìn)行擬合優(yōu)度分析，計(jì)算了所建立模型的決定系數(shù)R²并進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，如表5所示。結(jié)果顯示，全干密度ρ₀、抗彎強(qiáng)度M_OR、抗彎彈性模量M_OE與順紋抗壓強(qiáng)度C_SPG的決定系數(shù)R²分別為0.679 2、0.534 9、0.484 8和0.599 6，同時(shí)模型顯著性檢驗(yàn)結(jié)果顯示所建立4個(gè)評(píng)估模型均在0.01水平顯著（p< 0.01），說(shuō)明所建立4個(gè)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(duì)落葉松木材物理力學(xué)參數(shù)（ρ₀、M_OR、M_OE與C_SPG）進(jìn)行評(píng)估有效可行。

3 結(jié)論

為探究古建筑木材材性變化情況，以故宮養(yǎng)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(duì)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(duì)比，分別加工標(biāo)準(zhǔn)試件，對(duì)自然老化后試件的無(wú)損檢測(cè)參數(shù)及外觀顏色和物理力學(xué)性能參數(shù)的變化情況進(jìn)行試驗(yàn)研究與分析，并基于無(wú)損檢測(cè)參數(shù)建立落葉松保有密度及力學(xué)性能多元線性回歸模型，得到以下結(jié)論：

1）所測(cè)的自然老化木材試件物理力學(xué)參數(shù)與無(wú)損檢測(cè)參數(shù)衰減明顯，其中全干密度ρ₀、抗彎強(qiáng)度M_OR、抗彎彈性模量M_OE及順紋抗壓強(qiáng)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(duì)新材試件降低約44.34%，而超聲波波速V_us降低約7.71%。同時(shí)A類試件各參數(shù)的變異系數(shù)COV均高于N類新材試件，但兩類試件的物理力學(xué)性能參數(shù)及無(wú)損檢測(cè)參數(shù)均符合正態(tài)分布。

2）老化木材顏色朝紅、黃的方向發(fā)展且亮度降低，其中紅色參數(shù)a^*的變化最為明顯，相對(duì)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(fā)生了極為顯著的差別。

3）基于無(wú)損檢測(cè)參數(shù)建立了落葉松材質(zhì)物理力學(xué)性能參數(shù)的多元線性回歸模型全干密度ρ₀、抗彎強(qiáng)度M_OR、抗彎彈性模量M_OE及順紋抗壓強(qiáng)度C_SPG的決定系數(shù)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(xué)參數(shù)的無(wú)損評(píng)估。

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（編輯??胡玲）