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古建筑軟木松舊木材內(nèi)部腐朽狀況阻力儀檢測結(jié)果的定量分析

瀏覽次數(shù):3823 發(fā)布日期:2019-4-28  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
我國古建筑是以木結(jié)構(gòu)為主的建筑體系,其主要承重構(gòu)件柱、梁、檁、枋、椽等使用的都是木材。木材是生物材料,在長期的使用過程中,容易受到菌、蟲等生物性危害,引起木材腐朽和蟲蛀,使木結(jié)構(gòu)的安全性受到威脅。很多情況下木材腐朽從木材內(nèi)部開始,但由于古建筑木結(jié)構(gòu)不能輕易被拆解,因而必須采用無損檢測技術(shù)對(duì)木材內(nèi)部的材質(zhì)狀況進(jìn)行勘測。目前世界各國開發(fā)的無損檢測或微損檢測方法很多,如超聲波、應(yīng)力波、X-射線、γ射線、皮羅釘(Pilodyn)、阻力儀(Resistograph)檢測等,其中超聲波、應(yīng)力波和阻力儀檢測是比較常用的方法。

  阻力儀是德國Rinntech公司開發(fā)的一種木材內(nèi)部材質(zhì)檢測儀器,檢測時(shí)需要將一根直徑1.5mm的探針刺入木材內(nèi)部,屬類無損檢測,是目前歐洲、美國、日本和我國臺(tái)灣木結(jié)構(gòu)材質(zhì)狀況勘查的常用設(shè)備之一[5-9]。該儀器是在檢測時(shí)記錄木材刺入過程中所受到的阻力,其大小隨各樹種密度的不同而變化。根據(jù)檢測得到的阻力曲線,只能定性地判斷木材內(nèi)部的腐朽狀況,而不能定量地評(píng)價(jià)由腐朽引起的木材物理力學(xué)性質(zhì)衰減程度。

  本研究利用故宮維修時(shí)替換下來的局部腐朽的舊木構(gòu)件,按照腐朽等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn),將試件目視分等后,對(duì)其進(jìn)行氣干密度、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度測定,并對(duì)抗彎試件進(jìn)行阻力儀檢測,目的是找出檢測值與物理力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)阻力儀檢測結(jié)果的定量分析,為木結(jié)構(gòu)材質(zhì)狀況的定量評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料
  試驗(yàn)試材取自故宮武英殿前殿維修時(shí)拆卸下來的單雙步梁瓜柱局部腐朽的舊木構(gòu)件,木材樹種鑒定結(jié)果為軟木松(Pinus sp.)。試材概況見表1。武英殿始建于明朝永樂年間,距今已有600多年的歷史。清同治八年(公元1869年),武英殿被火焚,燒毀正殿、后殿、殿門、東配殿和浴德堂等建筑共37間,同年重建[10]。光緒二十六年(公元1900年),武英殿前殿、后殿再次被焚。由此推測本研究使用的材料是1869年或1900年修建時(shí)所用的木材,距今約100~130年。
 
1.2  試材取樣和試驗(yàn)方法
  對(duì)采集的各個(gè)舊木構(gòu)件試材,按照國標(biāo)GB1929-91《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》[12]分別在健康部分和不同腐朽程度的各個(gè)部分截取物理力學(xué)檢測用樣本,包括氣干密度、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度檢測樣本,共118組。不同腐朽程度的木材依據(jù)木材耐腐朽分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T13942.2-92)[13]劃分為5個(gè)等級(jí),見表2。“0”表示未腐朽材,“1”、“2”、“3”、“4”分別表示4個(gè)腐朽等級(jí)。

1.3  阻力儀檢測原理
  木材阻力儀主要包括探針及其保護(hù)裝置、微機(jī)系統(tǒng)和蓄電池幾個(gè)部分。木材阻力儀檢測的原理是在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,將一根直徑1.5mm的探針,以均勻速度刺入木材內(nèi)部,通過微機(jī)系統(tǒng)把探針刺入過程中受到的阻力數(shù)據(jù)記入存儲(chǔ)卡,同時(shí)打印輸出檢測圖譜。圖譜的橫坐標(biāo)與探針刺入的深度等距離,且在圖譜中木材內(nèi)部的密度分布、早晚材密度的變化及木材內(nèi)部因腐朽引起的密度變化均可以直觀地表現(xiàn)出來,如圖1所示。試驗(yàn)用阻力儀型號(hào)為Resistograph®3450-P/S,探針長度為45cm。

1.4  阻力儀試驗(yàn)和分析方法
  由于每個(gè)樣本的物理力學(xué)性質(zhì)檢測用密度試件、抗彎強(qiáng)度試件和順紋抗壓強(qiáng)度試件從同一根木條上截取,而且截取時(shí)盡可能保證3個(gè)試件的腐朽程度相同,所以只對(duì)做完抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)的試件進(jìn)行了阻力儀檢測。檢測時(shí)探針沿徑向穿過試樣,并要求刺入的位置盡量與其腐朽等級(jí)相吻合。應(yīng)用阻力儀圖像處理軟件(DECOM-Professional)將儀器存儲(chǔ)信息導(dǎo)出,轉(zhuǎn)化為包含數(shù)據(jù)信息的EXCEL文件形式,根據(jù)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)畫出阻力變化圖(見圖1),并分析不同腐朽等級(jí)樣本的阻力儀檢測值的變化。

1.5  數(shù)據(jù)處理和分析
  軟木松是早晚材漸變樹種,從圖1可以看出,在同一個(gè)年輪內(nèi)從早材到晚材阻力值變化很顯著。同時(shí)由于每個(gè)抗彎強(qiáng)度試件徑向長度為2cm,包含了數(shù)個(gè)年輪,在每個(gè)年輪中都有一個(gè)波峰和一個(gè)波谷,而且阻力儀檢測精度很高,每1mm測量100個(gè)數(shù)值。因此,為了消除早晚材密度差異對(duì)檢測結(jié)果的影響,同時(shí)避免阻力儀檢測時(shí)因遇到局部微量樹脂聚集出現(xiàn)峰值,或因微小腐朽出現(xiàn)的波谷值帶來的樣本測量誤差,在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí),將每個(gè)樣本檢測結(jié)果的最大值和最小值區(qū)間平均分為三等分,分別稱為波峰區(qū)、平均值區(qū)和波谷區(qū)。分別計(jì)算出波峰區(qū)平均值、波谷區(qū)平均值和樣本的平均值,這樣可以減小最大值和最小值出現(xiàn)頻率很低時(shí)對(duì)測量結(jié)果的影響。
  以未腐朽木材的氣干密度、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度及檢測值為基準(zhǔn),計(jì)算各個(gè)腐朽等級(jí)木材的密度及抗彎、抗壓強(qiáng)度的殘存率。
  采用相關(guān)分析法分析阻力儀檢測值的平均值、波峰平均值和波谷平均值與各項(xiàng)木材物理力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同腐朽等級(jí)木材的物理力學(xué)性質(zhì)變化
  不同腐朽等級(jí)木材的物理力學(xué)性質(zhì)測定結(jié)果如表3所示。由于“4”級(jí)腐朽木材無法加工成試樣,所以無“4”級(jí)腐朽木材的物理力學(xué)性質(zhì)檢測結(jié)果。舊木材中未腐朽部分(“0”級(jí))的平均密度為0.439 g•cm-3,抗彎強(qiáng)度為61.04MPa,抗壓強(qiáng)度為32.39MPa,與新鮮健康的紅松木材很接近。
  隨著木材腐朽程度的加深,木材密度、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都明顯降低,其中抗彎強(qiáng)度的降低最為顯著,“1”級(jí)腐朽時(shí)抗彎強(qiáng)度降低到41.44MPa,到“3”級(jí)腐朽時(shí),抗彎強(qiáng)度僅為7.71MPa,此時(shí)木材的抗彎強(qiáng)度僅為未腐朽木材的13%(見圖2)。隨著腐朽程度的加深,順紋抗壓強(qiáng)度和氣干密度降低也很顯著,達(dá)到“3”級(jí)腐朽時(shí),順紋抗壓強(qiáng)度降低到18.41MPa,約為未腐朽材的57%;氣干密度降低到0.353 g•cm-3,約為未腐朽材的80%。
 
2.2 不同腐朽等級(jí)木材的阻力儀檢測值變化
  阻力儀檢測值表示為Resi,變化范圍在0~500之間。由于阻力儀檢測值因樹種及木材含水率的不同差異很大,因此阻力儀在出廠時(shí),并沒有對(duì)其進(jìn)行定量標(biāo)記。如果直接使用阻力儀檢測,只能得到定性分析結(jié)果,不能對(duì)物理力學(xué)性質(zhì)做出定量評(píng)價(jià)。為實(shí)現(xiàn)阻力儀檢測結(jié)果的定量評(píng)價(jià),對(duì)以上進(jìn)行過物理力學(xué)性質(zhì)測定的樣本,進(jìn)行了阻力儀檢測。
  在古建筑木結(jié)構(gòu)腐朽狀況勘查時(shí),發(fā)現(xiàn)木材腐朽多數(shù)從早材開始,阻力檢測值劃分的3個(gè)區(qū)段中,波峰值區(qū)接近于晚材部分,波谷值區(qū)接近于早材部分。由于木材的腐朽具有不均勻性,這樣劃分考慮了各個(gè)數(shù)值出現(xiàn)的頻率,能夠更客觀地反映出每個(gè)樣本的實(shí)際材質(zhì)狀況。

2.3 物理力學(xué)性質(zhì)與木材阻力儀檢測結(jié)果的相關(guān)分析
  將以上阻力儀檢測值與氣干密度、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度的測定結(jié)果做相關(guān)性分析,并分別建立了阻力儀檢測值與氣干密度、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的線性回歸模型,表示在圖4中,共15個(gè)模型,樣本數(shù)n = 118。阻力儀檢測值與氣干密度、抗彎強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度之間均存在著極顯著的線性相關(guān)關(guān)系(P﹤0.01),相關(guān)系數(shù)在0.29~0.52之間,因此,用阻力儀檢測值和線性回歸模型預(yù)測木材的密度、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度是可行的。
  木材阻力儀檢測值的大小與木材早晚材的分布和腐朽程度有關(guān),波峰值出現(xiàn)在未腐朽的晚材區(qū)域,波谷值出現(xiàn)在早材區(qū)域或腐朽嚴(yán)重的早材和晚材區(qū)域。從平均值、波峰值、波谷值、最大值和最小值來看,平均值與氣干密度和抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系最大,分別為0.52和0.41,與抗彎強(qiáng)度之間的相關(guān)系數(shù)較小,為0.34。波峰值與抗彎強(qiáng)調(diào)及抗壓強(qiáng)度間的相關(guān)系數(shù)很小,分別為0.32和0.35,但與密度間的相關(guān)系數(shù)很大,為0.51。波谷值與密度、抗彎強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)系數(shù)均比較高,分別為0.47、0.43和0.46。最大值與抗彎強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度間的相關(guān)系數(shù)最小,分別為0.29和0.32,但與密度間的相關(guān)系數(shù)很大,為0.51。最小值與密度、抗彎強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)系數(shù)均比較高,分別為0.40、0.41和0.44。因此,在預(yù)測木材密度時(shí),使用阻力儀平均值與密度模型、阻力儀波峰值與密度模型及阻力儀最大值與密度模型都比較準(zhǔn)確;在預(yù)測木材抗彎強(qiáng)度時(shí),使用阻力儀波谷值與抗彎強(qiáng)度模型或阻力儀最小值與抗彎強(qiáng)度模型都有較好的效果;在預(yù)測抗壓強(qiáng)度時(shí)最好使用抗壓強(qiáng)度與平均值、波谷值或最小值模型。
  目前,我國的木材腐朽等級(jí)劃分國家標(biāo)準(zhǔn)中只對(duì)各個(gè)腐朽等級(jí)的木材做了定性描述,沒有對(duì)不同腐朽等級(jí)木材的力學(xué)性質(zhì)變化進(jìn)行定量分析,因此在木結(jié)構(gòu)材腐朽狀況現(xiàn)場勘查中,無法對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)腐朽的木構(gòu)件的物理力學(xué)性質(zhì)做出判斷。從以上試驗(yàn)結(jié)果看,各個(gè)腐朽等級(jí)木材的物理力學(xué)性質(zhì)衰減十分顯著,因此分別對(duì)不同樹種的各個(gè)腐朽等級(jí)的木材做出定量評(píng)價(jià)是可行的。
  以上對(duì)不同腐朽等級(jí)軟木松木材的物理力學(xué)性質(zhì)變化、阻力儀檢測值變化以及兩種之間的相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果表明,各個(gè)腐朽等級(jí)木材的氣干密度、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度以及阻力儀檢測值均表現(xiàn)出隨著腐朽程度的加深,特征值降低的趨勢,且各個(gè)腐朽等級(jí)間差異極顯著。同時(shí),阻力儀檢測值與氣干密度、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度之間存在著極顯著相關(guān)關(guān)系。 因此,在使用阻力儀進(jìn)行古建筑舊木材內(nèi)部腐朽狀況檢測時(shí),對(duì)于軟木松木材,利用建立的數(shù)學(xué)模型和被檢測材料阻力儀檢測值能夠定量地評(píng)估被檢測木材的材質(zhì)狀況。

3 結(jié)論
  軟木松結(jié)構(gòu)材使用100~130年后,未腐朽木材(“0”級(jí))的平均氣干密度為0.439g•cm-3,抗彎強(qiáng)度為61.04MPa,順紋抗壓強(qiáng)度為32.39MPa。隨著木材腐朽程度的加深,抗彎強(qiáng)度降低最顯著,其次是順紋抗壓強(qiáng)度、氣干密度。不同腐朽等級(jí)木材的氣干密度、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度均存在顯著差異。木材達(dá)到 “3”級(jí)腐朽時(shí),抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度和氣干密度分別為未腐朽木材的13%、57%和80%。
  同一腐朽等級(jí)的軟木松木材阻力儀檢測值的波峰值和波谷值之差在35~55之間,最大值和最小值的差值在55~85之間,但波峰值、波谷值、最大值、最小值及平均值的殘存率差異不顯著。未腐朽材檢測值的平均值為179.08,隨著腐朽程度的加深,檢測值降低,特別是達(dá)到“3”級(jí)時(shí),檢測值降低最為明顯,平均值降低到135.51,約為未腐朽材的76%。各個(gè)腐朽等級(jí)木材的阻力儀檢測值存在顯著差異。
  阻力儀檢測值(最小值除外)與氣干密度間的相關(guān)系數(shù)最大。平均值及波峰值、波谷值、最大值、最小值與氣干密度、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度之間均表現(xiàn)出極顯著的線性相關(guān)關(guān)系(P﹤0.01),其相關(guān)系數(shù)在0.29~0.52之間。因此,對(duì)于軟木松木材,利用建立的數(shù)學(xué)模型和被檢測材料阻力儀檢測值能夠定量地評(píng)估木材的材質(zhì)狀況。


本文來源: 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)      年,卷(期):2007,29(6)
作者:黃榮鳳 劉秀英 李華 王曉歡 
 
來源:點(diǎn)將(上海)科技股份有限公司
聯(lián)系電話:18988436267
E-mail:zqq@dianjiangtech.com

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