古建筑木结构无损检测内容与研究进展.pdf

DOI:10.12171/j.10001522.20240015古建筑木结构无损检测内容与研究进展张厚江李玉风（北京林业大学工学院，北京林业大学木材无损检测国际联合研究所，北京100083）摘要:中国拥有大量的木结构古建筑。合理有效地检测评估木结构的存在状况，是古建筑保护和修缮工作的重要需求。古建筑木结构无损检测是以无损检测和评估古建筑木结构安全性，以现场应用和实际需求为导向的木材材性检测评估技术，检测内容主要包括缺陷无损检测和木材物理力学性能无损检测两个方面。木结构、木构件隐藏缺陷的检测以及评估是古建筑木结构无损检测工作的重点和难点。本文首先介绍古建筑木结构的组成，总结其无损检测内容和目前常见无损检测方法；然后归纳总结古建筑木构件隐藏缺陷无损检测、古建筑木构件分等、腐朽对古建筑木材力学性能影响等应用和研究进展；最后归纳说明古建筑木材力学性能无损检测和自然老化对古建筑木材性质影响的研究状况。以期对从事木结构文物保护技术应用和科研工作的相关人员，有所启发和帮助。关键词：古建筑木结构；木构件；无损检测；缺陷；力学性能中图分类号：TU366.2；TN29；K928.71文献标志码：A文章编号：10001522(2024)04000113引文格式：张厚江，李玉风.古建筑木结构无损检测内容与研究进展 J.北京林业大学学报，2024，46(4)：113.ZhangHoujiang,LiYufeng.ContentandresearchprogressinnondestructivetestingofwoodenstructuresinancientarchitectureJ.JournalofBeijingForestryUniversity,2024,46(4):113.Content and research progress in nondestructive testing of wooden structures inancient architectureZhangHoujiangLiYufeng(SchoolofTechnology,BeijingForestryUniversity,JointInternationalResearchInstituteofWoodNondestructiveTestingandEvaluation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)Abstract:Chinahasalargenumberofancientwoodstructurebuildings.Totestandevaluatetheconditionofancientwoodstructuresreasonablyandeffectivelyisdemandedbyconditionassessmentofthewoodenstructuresforprotectionandrestorationofthebuildings.Nondestructivetestingofancientwoodstructuresisa test and evaluation technique to wood properties,oriented by inspecting and evaluation of woodenstructuresafety,andinsituapplicationandactualinspectiondemands.Thetestingcontentmainlyincludestwo aspects:nondestructive testing of defects and nondestructive testing of physical and mechanicalproperties.Assessing concealed defects of wooden structures and wood members is the main task anddifficultworkofthenondestructivetestingofancientwoodenstructures.Firstly,thispaperintroducesthecompositionofwoodenstructuresofancientbuildings,andsummarizesthenondestructivetestingcontentandcurrentcommonnondestructivetestingmethods.Then,theapplicationandresearchprogressoftheinspection of concealed defects,the classification of wood members and the influence of decay onmechanical properties of ancient wood were summarized.Finally,the research status of nondestructivetestingofancientwoodmechanicalpropertiesandeffectofnaturalagingonwoodpropertiesofancientbuildingsweresummedup.Thepapershouldbeabletoinspireandhelprelevantpeoplewhoengagedintheinspectionapplicationandscientificresearchofprotectiontechnologyofancientbuildingwoodstructures.收稿日期:20240111修回日期:20240205基金项目:北京市科学计划公益应用类项目（Z090506016609002），金中都水关遗址木结构病害调查横向项目（2021HXFWGXY012）。第一作者:张厚江，博士，教授。主要研究方向：木材无损检测。Email：地址：100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学工学院。本刊网址:http:/；http:/第46卷第4期北京林业大学学报Vol.46，No.42024年4月JOURNALOFBEIJINGFORESTRYUNIVERSITYApr.，2024Key words:wooden structures of ancient architecture;wooden member;nondestructive testing;defect;mechanicalproperty作为世界四大文明古国之一，中国拥有大量的木结构古代建筑，如故宫建筑群、雍和宫、明十三陵、山西应县木塔、宁波保国寺等。这些古代建筑不仅是对中国历史文化的传承，也是中国乃至世界的重要文物和历史文化遗产。伴随着文物保护事业的不断发展壮大，保护和修缮木结构古建筑的任务也明显增加。木结构古建筑具有许多优势，除了对人体具有多重保护作用外，对于瞬间冲击、地震等也具有较好的抵抗能力。而作为一种生物材料，木材最主要的缺点就是在其充当古建筑主要承重构件且在长时间的服役过程中，很容易受到真菌和虫类等有害生物的侵害并导致木材发生裂纹、腐朽、孔洞等缺陷，从而影响木构件的承载能力和建筑使用安全性1。对木结构古建筑的保护和修缮原则为“尊重历史、尊重文物、不改变原状、最少干预”，即在条件允许的情况下尽可能保有原来的木构件，所以在木结构日常保护尤其是修缮之前需要进行检测工作来判断木结构及其各木构件的缺陷情况和保有力学性能。由于古建筑木结构的珍贵性和结构的复杂性，检测人员在不允许随意拆解木构件或进行任何破坏性检测等原则的情况下，如何合理有效地检测出各木构件存在状况，并使检测工作拥有较高效率和准确度就显得尤为重要。无损检测是指在不损害或不影响被检测对象使用性能，不伤害被检测对象内部组织的前提下，利用材料内部特性或缺陷存在特征，以物理或化学方法为手段，借助现代化的技术和设备器材，对被测对象内部及表面的性质、状态和缺陷进行检测的方法2。木材无损检测内容主要包括缺陷无损检测和物理力学性能无损检测两个方面。木结构缺陷有外观缺陷和隐藏缺陷两种形式，隐藏缺陷处在木构件或木结构内部，不能直接被看到，一直是无损检测的主攻对象34。本文首先介绍古建筑木结构的组成，总结其无损检测内容和目前常见无损检测方法，然后对木构件隐藏缺陷和力学性能无损检测、古建筑木材性质自然老化的研究状况等进行归纳说明。以期对从事木结构文物保护技术应用和科研工作的相关人员，有所启发和帮助。1古建筑木结构及其无损检测内容1.1 古建筑木结构类型与组成古建筑木结构是指古建筑中起承重作用的木材构件，以榫卯连接为主要方式连接而成的木结构。中国古建筑木结构经过几千年的演化，留存和延续下来的构造形式主要包括抬梁式、穿斗式、井干式3 种。中国现存的木结构古建筑中，明、清官式建筑占有相当大的比例，且北方古建筑木结构以抬梁式为主，南方古建筑木结构以穿斗式为主5。抬梁式古建筑依据等级不同，屋顶分为庑殿顶、歇山顶、攒尖顶、悬山顶、硬山顶、卷棚顶等形式。屋顶形式不同，木结构顶部结构形式有差异。其中，硬山顶是比较典型、常见的古建筑，其木结构形式也可认为是其他类型古建筑木结构的形成基础。图 1为硬山顶古建筑木结构示意图67，组成木结构的构件包括柱、梁、檩、枋、斗拱、椽子等。木结构古建筑自下而上可以分为台基、大木作框架和屋顶三大部分，其中大木作框架是整个建筑木结构最主要的部分，由柱、梁、檩、枋等大木作构件组成。木结构古建筑独特的结构形式，使其在竖向荷载的传递上与现代钢筋混凝土建筑有明显的不同，一般情况下，中国木结构古建筑的木构件框架与墙体是独立的，木结构古建筑从屋顶传来的竖向荷载由上至下的传递顺序为：屋顶屋架（檩三件）斗拱榫卯结构梁柱框架木柱台基。可见，柱、梁、檩、枋是木结构中的关键木构件。191817161514131211109876542311.檐柱 Eavecolumn,2.檐枋 Eavetiebeam,3.垫板 Cushionboard,4.角 柱 Corner column,5.金 柱 Hypostyle column,6.穿 插 枋Penetratingtie,7.抱头梁 Baotoubeam,8.瓜柱 Shortcolumn,9.随梁枋 Beam-followertiebeam,10.五架梁 5-purlinbeam,11.三架梁 3-purlinbeam,12.角背 Bracket,13.脊檩 Ridgedpurlin,14.脊瓜柱 Kingpost,15.上 金 檩 Upper intermediate purlin,16.下 金 檩 Lowerintermediatepurlin,17.檐椽 Eaverafter,18.檐檩 Eavepurlin,19.飞椽Flyingrafter图1硬山顶古建筑木结构示意图Fig.1Sketchofancienttimberstructuresofflushgableroofbuildings2北京林业大学学报第46卷1.2 古建筑木结构常见缺陷古建筑木结构缺陷也称为古建筑木结构病害，包括木结构缺陷和木构件缺陷两类（表 1），前者指木结构出现变形、残缺、损坏等不利于古建筑保护的现象，后者指组成木结构的木构件本身材质的败坏、降解、虫蛀等8。木结构或木构件缺陷根据是否能直接被肉眼观察到，可分为外观缺陷和隐藏缺陷两类。前者能被肉眼直接观察到，后者则无法直接通过肉眼观察到。对木构件来讲，隐藏缺陷又可分为木构件内部缺陷和被周围物体遮挡的木构件外部缺陷两种。隐藏缺陷的检测和评估是古建筑木结构无损检测工作的重点和难点。1.3 古建筑木结构无损检测基本流程古建筑木结构无损检测基本流程总的分为准备和检测两个阶段910（图 2）。准备阶段包括信息收集、实地观察、初步报告撰写 3 步，检测阶段包括几何测量、结构分析、详细检测、检测报告撰写 4 步。表1古建筑木结构常见缺陷形式Tab.1Commondefectsofancienttimberstructures分类Type缺陷形式Defectform木结构缺陷Woodstructuredefect歪斜、拔榫、脱榫、下沉、坍塌、构件缺失等Deflection,tenonloosing,tenonseparating,sinking,collapse,componentmissing,etc木构件缺陷Woodmemberdefect腐朽、空洞、裂纹、变形、虫蛀、节子、材料缺失等Decay,hollow,crack,deformation,insectdamage,knot,materialdeficiency,etc信息收集Desk survey图纸、照片、文字记述等Drawings,photos,textual descriptions,etc实地观察木结构型式、明显的病害，进一步检查需要的工作条件等Wood structure type,obvious defects,further inspection of required workingconditions,etc初步报告撰写前述工作总结、下一步工作规划等Summary of the previous work,planning for the next steps,etc几何测量Geometric survey木结构、关键木构件、节点等尺寸Dimensions of wood structures,key wood members,nodes,etc准备阶段Preparatory phase结构分析Structural analysis确定木结构及木构件承载关键部位Determining the key load-bearing partsof wood structures and members详细检查Detailed survey木结构缺陷，木构件外部缺陷、内部缺陷，木构件实木保有力学性能、含水率、树种鉴定等Defects in wood structures,external andinternal defects in wood members,mechanical properties of solid wood inwood members,moisture content,and treespecies identification检查报告撰写Diagnostic report记录检查过程和结果，给出修复建议等Recording of inspection process and results,检测阶段Testing phasePreliminary reportField surveygiving recommendations for repair,etc图2古建筑木结构无损检测基本流程Fig.2Stepsofnondestructivetestingofancienttimberstructures第4期张厚江等：古建筑木结构无损检测内容与研究进展3信息收集内容包括被测古建筑的图纸、照片、文字记述、始建和历史修复信息，以及建筑物管理方对该古建筑维护及使用的规划等。在信息收集的同时或之后，检测者需要到古建筑现场初步实地观察，明确木结构的形式、易出问题区域，记录木结构的明显病害缺陷，确定进一步详细检测需要具备的脚手架、梯子等辅助条件。信息收集和实地观察后，一般应撰写一份初步报告给建筑物管理方，对前两步工作给予汇总，并对下一步检测工作提出规划。在检测阶段，首先应补齐、验证图纸上的关键尺寸，如木结构、关键木构件、节点（榫卯结构）等的尺寸；如果没有收集到图纸，则要测绘木结构形式，测量尺寸，形成木结构图。然后，对木结构给予载荷、应力分布分析，明确木结构和木构件的承载关键部位、最大应力出现部位等，这些部位将是下一步详细检测的重点部位。详细检测是古建筑木结构无损检测与评估工作的核心和重点，包括木结构缺陷详细检测和单个木构件缺陷详细检测，如木结构整体歪斜、坍塌、木构件缺失、拔榫、脱榫，以及木构件的内外部腐朽、内部空洞、裂纹、损伤、虫蛀、变形等。在详细检测完成后，需要撰写检测报告，内容包括检测过程、方法、发现的问题以及原因推测、修复建议等，供古建筑物管理者和结构工程师参考，并作为他们确定保护和修缮方案的依据。1.4 古建筑木结构详细检测基本方法1.4.1外观检测外观检测是指对能够用肉眼直接观察到的木结构及其构件的外观结构和缺陷进行的检测。外观检测内容包括：木结构整体（木结构歪斜、下沉、坍塌、木构件缺失、漏雨迹象等）、榫卯结构节点（拔榫、脱榫、腐朽等）、木构件（外观腐朽、裂纹、损伤、木构件变形等）、虫害（蠹虫、木蜂、天牛、白蚁等的蛀孔）。外观检测方法包括肉眼观察、敲击1112、尺子测量、探针探查、拍照、激光扫描等，在检测过程中，做好记录。1.4.2含水率检测对易潮湿和工作应力较大的木结构部位进行含水率检测，如木柱下部、木构件靠近墙壁部位、梁中部、檩中部、枋中部、木结构有漏雨迹象的部位、建筑拐角处木构件等。含水率测量仪器一般采用双针式木材含水率测量仪。含水率数值有助于判断该处木材是否容易发生或存在腐朽13，一般情况下，当木材含水率低于 20%时，木材不发生腐朽，已存在腐朽的木构件部位，腐朽发展也会停止。1.4.3微钻阻力检测微钻阻力检测是以小型电机将检测钢针（直径23mm）均匀地钻入木材内部，通过检测钢针在钻入过程产生的微钻阻力来反映木材密度。通过测量被测试材的微钻阻力，结合其阻力曲线图谱，可以判断木材内部缺陷，甚至年轮数等。古建筑木构件隐藏缺陷检测的依据就是这一原理。因为密度是与木材力学性能密切正相关的一个参数，所以微钻阻力也可用于木材力学性能的检测。这种方法会在木材表面和内部留下微小孔痕，但由于对木构件本身功能没有影响，也被划入无损检测范围。1.4.4应力波检测应力波是应力和应变扰动的传播形式，在可变形固体介质中机械扰动表现为质点速度的变化和相应的应力、应变状态的变化。应力、应变状态的变化以波的方式传播，称为应力波。通常将扰动区域与未扰动区域的界面称为波阵面，波阵面的传播速度称为波速。物质受撞击之后产生冲击应力波，固体中的声波和超声波等都是常见的应力波14。应力波既可用于木构件材料力学性能的检测，又可用于其内部缺陷筛查。根据使用传感器的数量不同，应力波无损检测古建筑木构件的应用形式分为应力波波速法和应力波断层成像法3。（1）应力波波速法。两个传感器置于木构件不同部位，其中一个传感器发出应力波，另一个传感器接收；通过传感器间距和传播时间可以计算出应力波波速。将两个传感器沿木构件长度方向布置，通过波速测量可以间接知道木材的弹性模量，弹性模量E 与应力波波速 C 和密度 的关系为 E=C2。将两个传感器沿木构件横截面对称布置，如果波速比正常波速明显偏小，说明两传感器之间存在腐朽、空洞或开裂等形式的缺陷。（2）应力波断层成像法。在木构件外截面上布置多个应力波传感器，可以获得该截面多个路径（两两传感器之间）上的波速及其异常，进而可以通过计算机处理形成该截面的包含缺陷信息的截面图像。这种方法存在两个方面的不足：一个是古建筑木构件内部多存在裂纹，对腐朽和空洞缺陷在图像中的位置、尺寸造成误差；另一个是除露明柱外的大多数古建筑木构件没有操作空间。1.4.5木构件树种鉴定通常一个木结构中由几种不同树种的木构件组成，木构件树种关系到木结构安全计算和木构件腐朽缺陷的判断等。在古建筑现场，一般在木构件非关键部位，用小刀等工具截取一小段材料，一般尺寸为 1cm1cm2cm。试样取得后，放入小塑料袋，并标记。鉴定工作程序包括切片、浸泡、显微镜观察、拍摄显微照片等。采集的样品经热水煮沸软化3 天后，依据 GB/T298942013木材鉴别方法通4北京林业大学学报第46卷则将样品制作成为横向、径向、弦向这 3 个面的切片，然后在彩色光学显微成像系统下观察。通过特征提取，对照中国木材志中记载的材种特征、木材识别特征和图谱确定树种。2古建筑木构件缺陷无损检测与评估古建筑木构件缺陷可分为外部缺陷和内部缺陷两种。木构件外部缺陷发生在木构件外部，通常包括裂纹、表面腐朽、材料缺失和机械损伤等。根据外部缺陷是否能够被肉眼直接观察到，将其分为外观缺陷和非外观缺陷两种，非外观缺陷例如半露明柱与墙体接触部位存在的外部缺陷等。在古建筑木结构检测工作当中，外观缺陷的检测工作相对较为容易。检测人员通过目测和一些简单的尺寸测量工具就可以对外观缺陷的类型和大小进行判断。木构件内部缺陷主要包括内部腐朽和内部孔洞3。内部腐朽是由于木构件受到细菌、病虫等侵害从内部产生的材质变异，内部腐朽发展到一定程度就会变成内部孔洞。本文将木构件内部缺陷和被隐藏的外部缺陷（非外观外部缺陷）统称为木构件的隐藏缺陷。由于木结构古建筑的珍贵性和结构的复杂性，检测人员通常在不允许随意拆解木构件或进行任何破坏性操作的情况下进行检测工作，所以相对外观缺陷来说，隐藏缺陷的检测工作更麻烦，难度更大。目前，检测人员需要使用一些无损检测技术进行木构件隐藏缺陷的检测工作。2.1 古建筑木构件隐藏缺陷无损检测过程及检测技术研究进展目前，古建筑木构件隐藏缺陷无损检测过程通常包括初步筛查、验证性筛查和精确检测 3 个步骤。初步筛查是指对木构件隐藏缺陷的快速系统性排查，即以整个木结构为对象，初步快速判断出可能存在隐藏缺陷的木构件和缺陷可能的位置。验证性筛查是指对可能存在隐藏缺陷的木构件进行缺陷确认和大小的估算。精确检测是指精确判断出隐藏缺陷的形状和尺寸。2.1.1初步筛查针对一个特定的古建筑木构件，其隐藏缺陷的初步筛查主要采用外部观察和敲击检测两种方法。这两种方法主要是依靠检测人员的经验和感觉，通过目测木构件外观和听取小锤敲击木构件表面发出的声音来初步判断木构件可能存在隐藏缺陷的位置。例如：目测发现木构件表面有菌类生物或木构件表面有塌陷，则其内部或隐藏部位很可能有腐朽存在；小锤敲击有明显的空洞声，则木构件内部很可能有孔洞或严重的腐朽存在11。鉴于其对经验和感觉的依赖性，目前木构件隐藏缺陷初步筛查的准确度还有待提高。2.1.2验证性筛查验证性筛查是指利用一些木材无损检测技术对初步筛查中判断出的可能存在内部和隐藏缺陷的部位进行进一步的确认检测工作。目前，国内外主要是使用微钻阻力和应力波检测技术对古建筑木构件隐藏缺陷进行验证性筛查。微钻阻力检测技术是目前国内外木结构古建筑无损检测技术中适用性最高、应用最广泛的无损检测技术。它能够很快地检测出木构件内部的材质状况，易操作并且仪器方便携带。Frank15在 1993 年利用微钻阻力对多个树种的木构件进行了检测实验，用来评估各木材阻力值与内部腐朽的关系，发现当木材内部出现腐朽、裂纹、孔洞等缺陷时，微钻阻力曲线会明显下降；根据阻力值的变化可以对被测木构件在钻针路径上的缺陷有无及大小做出判断。李华等16在 2004 年利用微钻阻力仪对北京故宫保和殿内部的木构件缺陷进行了检测，根据微钻阻力可以比较准确地检测出钻针路径上的缺陷及其尺寸，能够在一定程度上提高木构件缺陷检测的准确度。黄荣凤等17在 2007 年对北京故宫武英殿的部分旧木构件进行了微钻阻力检测，发现不同腐朽等级的木材对应的微钻阻力值存在明显的不同，从而证明微钻阻力可以很好地评价木构件的腐朽状况。张典等18在 2021 年对故宫养心殿墙体木柱隐藏缺陷进行了检测评估，研究中微钻阻力检测起到了关键作用。应力波检测技术是近些年被应用到古建筑木构件检测中的无损检测技术之一。当木材受到冲击力的作用时，其内部会相应地产生应力波并向周围传播，这时利用两个传感器来感应并接收该应力波信号获得两点之间的应力波传播的时间差，再根据应力波传播速度的变化来判断被测木材内部的缺陷状况。Lee 等19在 1964 年首次在现场使用超声应力波检测古建筑木构件，检测了英国 18 世纪建造的某古建筑屋顶各木构件横向与纵向的应力波传播速度，并初步判断了木构件的材质状况。Ross 等3在 1982年利用应力波检测了华盛顿州立大学足球场看台连接结构，通过对各木构件的检测发现，外观相同的情况下，木构件内部严重腐朽部位的应力波传播速度远远小于正常部位的传播速度，从而证明了应力波用于古建筑木构件内部腐朽无损检测的效果。Perllerin 等20在 1996 年对美国俄勒冈州东部的两座木桥使用应力波来检测和评估其木构件的材质状况，通过检测发现存在多处木构件腐朽。段新芳等21在 2007 年使用应力波检测西藏木结构古建筑的虫第4期张厚江等：古建筑木结构无损检测内容与研究进展5蛀和腐朽问题，发现古建筑部分木构件存在明显的表面和内部腐朽，并且木构件表面检测的结果和目测结果基本一致。在利用应力波进行木构件内部缺陷验证性筛查过程中，临界波速值是一个关键判据，它会因树种、检测位置的不同而不同，所以国内外一些学者2223进行了这方面研究。在古建筑现场检测过程中，应力波检测需要操作人员能同时接触到被测木构件截面的两个对称侧面，而微钻阻力检测只需要操作人员接触一个侧面即可，所以后者在操作空间上优势更明显。例如，对单面外露的半露明柱来讲，只能用微钻阻力来检测（图 3）18。微钻检测路径Micro-drilling detection path木柱Wood column墙体 Wall引自参考文献 18。Citedfromreference18.图3单面外露的半露明柱微钻检测示意图Fig.3Sketchofmicro-drillinginspectiononsingleexposedcolumns单独使用微钻阻力或应力波，都只能大致判断木构件内部缺陷的位置和尺寸。所以，在可能的条件下将微钻阻力和应力波结合使用，可以取得更精确的检测效果24。2.1.3精确检测在经过初步筛查和验证性筛查之后，根据需要可以对木构件上关键部位的内部缺陷的确切形状和尺寸再进行精确检测。主要方法包括应力波断层成像法和 X 射线 CT 法3,25。应力波断层成像技术是利用计算机处理多个传感器之间检测的应力波传播速度，从而通过软件直接显示出检测截面内部的情况，这种技术对应的仪器起初是针对活立木设计的，由于古建筑木构件的含水率与活立木相差较大，再加上目前计算方法的局限性，导致检测结果一直不太理想。X 射线 CT 技术对木材内部缺陷检测的精度很高，但在现场实际检测中不能保障检测人员身体的安全，所以该检测技术并未广泛应用。另外，应力波断层成像法和X 射线 CT 法应用到古建筑现场检测中，除周围空间开阔的露明柱外，其他木构件几乎都缺乏合适的操作空间。也就是说，古建筑木构件隐藏缺陷精确检测技术仍处在一个待完善的科研发展阶段。2.2 古建筑木构件分等GB501652020古建筑木结构维护与加固技术标准26、DB11/T1190.12015古建筑结构安全性鉴定技术规范（第 1 部分：木结构）27中，对古建筑木构件和木结构状况均分为 4 等。对木构件状况的评估分级是古建筑木结构无损检测的核心，因为木构件分级是木结构状况分等的核心依据。在实际操作中，柱、梁、檩（桁）、枋等单个木构件一般分为A、B、C、D 这 4 等，其中 A 等木构件为状况良好木构件，B 等木构件为有较小缺陷但不必干预加固的木构件，C 等木构件为有一定缺陷，修复加固后可继续使用的木构件，D 等木构件为不宜继续使用，建议更换的木构件。木构件分等中可重点依据木构件表面腐朽与材料缺失、内部缺陷、裂纹、弯曲这 4 个方面的检测结果18,28。2.3 古建筑木材腐朽原因及其对力学性能的影响腐朽是古建筑木构件最主要和最常见的缺陷形式。木材腐朽是指木材受到真菌作用，发生纤维素、半纤维素、木质素等成分降解，导致其腐烂和解体的现象。侵蚀木材的真菌被称为腐朽菌或者木腐菌，通常分为 3 种类型：褐腐菌、白腐菌和软腐菌。褐腐菌常见于针叶材中，多分解木质部中的多糖物质，留下被修饰的木质素剩余物；褐腐菌在早期腐朽时，半纤维素降解速率快于纤维素；被褐腐菌腐朽的木材松软易碎，腐朽后期木材表面呈现出大小不一的筛孔形态。白腐菌活跃于阔叶材中，以细胞壁上的碳水化合物和木质素为养分，主要侵蚀木质素和半纤维素，并产生少量降解纤维素的酶。软腐菌通常生存在非常潮湿的极端环境中，型软腐菌攻击木材次生壁中层（S2）上的碳水化合物和少量脱甲氧基木质素，形成纵向孔洞；型软腐菌侵蚀阔叶材整个细胞壁或针叶材次生壁的 S2层，形成腔孔。木材发生腐朽需要同时具备 4 个前提条件：20%含水率80%；暴露在空气中（有氧气）；温度 438（最佳温度 2430）；未经防腐处理。对一般古建筑木结构来讲，后三个条件是具备的，且、两个条件很难避免，所以第一个条件的控制就成为避免古建筑木构件腐朽的关键因素，也就是说，要保持古建筑木构件的干燥，需要把含水率控制在 20%以下。木材腐朽可分为初期腐朽、中期腐朽和后期腐朽 3 个阶段，其中初期腐朽是木材腐朽最开始的阶段，Wilcox29将木材质量损失率在 10%以下的木材腐朽认定为初期腐朽。处于初期腐朽阶段的木材，外表上与正常木材没有明显区别。目前初期腐朽检6北京林业大学学报第46卷测的方法主要包括显微观察法、强度测试法、荧光显微镜法、培养菌法、红外光谱法等，其中最权威的判断木材初期腐朽的方法是显微镜观察法，通过显微镜观察法可以观察到初期腐朽木材表面的轻微腐朽，该方法对质量损失率为 5%10%的初期腐朽木材有较为理想的准确度30。木材在初期腐朽时其各项力学指标均有不同程度地下降。Richard31在研究木腐菌对针叶材材性的影响时发现：针叶材在质量损失率为 1%时，其冲击韧性下降了 50%；当质量损失率达到了 10%时，所有木材的冲击韧性均下降了 65%80%。同年，Mulholland32研究了初期腐朽时针叶材抗弯强度和弹性模量的变化，研究结果显示：当质量损失率在 2%时，抗弯强度和弹性模量分别下降了 13%和4%。随后，Kennedy33研究了初期腐朽对木材最大荷载的影响，研究发现：当质量损失率在 2%时，木材的最大荷载下降了 30%50%；质量损失率达到 5%后，木材的最大荷载下降了 40%75%。Mizumoto等34对木材初期腐朽时顺纹抗压强度、顺纹剪切强度和弦切面硬度变化进行了补充研究，结果发现：木材质量损失率在 2%5%时，其顺纹抗压强度下降了 10%22%，顺纹剪切强度下降了 3%，弦切面硬度下降了 7%；质量损失率在 7%9%时，木材的顺纹抗压强度下降了 42%，木材顺纹剪切强度下降了13%，木材的弦切面硬度下降了 21%。Toole35研究了初期腐朽对木材横纹抗压强度的影响，研究发现：针叶材的质量损失率在 2%8%时，强度降低了18%48%；阔叶材的质量损失率在 2%5%时，强度下降了 10%23%。Wilcox36通过研究发现：木材的质量损失率在 5%10%时，木材的冲击韧性、抗弯强度和弹性模量等力学性质均有较大程度地下降，其中木材的冲击韧性下降最多，达到 60%80%，其次是木材弹性模量，下降了 60%70%，下降最少的是木材抗弯强度，也下降了 50%70%。综上可知，初期腐朽对木材的力学性能影响很大，在初期腐朽时就会造成木材力学性能的极度下降。当木材处于肉眼可辨识的中期和后期腐朽，可以认为其完全丧失了力学性能。表 2 为 Senalik 等37汇总的表2初期腐朽对木材力学性能的影响汇总Tab.2Effectsofdecayofearlystagesonmechanicalpropertylossesofwood菌类Fungi木材类型Woodtype质量损失率Massloss/%力学性能损失Mechanicalpropertyloss/%韧性Toughness冲击韧性Impactbending静态弯曲Staticbending横纹抗压强度Compressionstrengthperpendiculartograin顺纹抗压强度Compressionstrengthparalleltograin顺纹抗拉强度Tensionstrengthparalleltograin顺纹抗剪强度Shearstrengthparalleltograin弦面硬度Tangentialhardness一般弯曲强度Generalbendingstrength最大载荷MximumloadMOR MOE褐腐Brown-rot针叶材Coniferouswood157203822205052713504551824102340475255525356766272166166482560878486050152110853670664520阔叶材Broadleavedwood162723631505432610564607069496807561162589891334198210607092白腐White-rot针叶材Coniferouswood155210204384843675326110498145810852063阔叶材Broadleavedwood12142262835 13144522424704438201744675504553 202710122714125818814491085605824143520205025注：表中数据源于参考文献37。Note：datainthetablearecitedfromreference37.第4期张厚江等：古建筑木结构无损检测内容与研究进展7初期腐朽对木材力学性能影响数据。3古建筑木材性质检测与评估研究进展3.1 古建筑木材力学性能无损检测与评估方法研究古建筑木构件经过几十到几百年的服役，其中未发生腐朽等缺陷的正常木材，在自然老化作用下其力学性能不可避免地会发生变化。通过无损检测快速检测评估出古建筑正常木材保有的主要力学性能，也是近些年研究的关注点。段新芳等38对应力波检测古建筑木构件残余弹性模量进行了初步研究，发现应力波波速与木构件的弹性模量之间存在关系。Ceraldi 等39发现古建筑木构件材料强度与微钻阻力相关。经过进一步研究发现，结合应力波波速和微钻阻力两种参数检测评价古建筑木材保有力学性能，比单纯用一种方法的检测精度更高4041。这种检测方法已被列入到北京市古建筑结构安全性鉴定技术规范中27。除了利用应力波波速和微钻阻力检测评价古建筑木材保有力学性能外，有学者发现利用握钉力也可实现这一目标3,42。3.2 自然老化对古建筑木材性质的影响研究现阶段关于自然老化对古建筑木材的影响研究主要集中于自然老化对古建筑木材宏观性质、微观结构的变化和化学组分的影响这 3 个角度。最新研究表明，自然老化对古建筑木材力学性质的影响存在着“宏观微观化学组分”联系链条43，即：自然老化木材力学性质的变化是由木材微观结构变化引起的，而微观结构变化又是由于化学组分变动引起的。3.2.1宏观力学性质的变化古建筑木构件在自然老化的影响下，其宏观物理力学性能会发生明显变化，主要表现在木构件的材料力学性能参数、表面颜色和吸湿行为的改变。自然老化后古建筑木材力学性能的变化规律是学者最为关注的研究领域之一，早在 20 世纪 50 年代，日本研究学者就开始了老化对木材力学性能的影响研究44，欧美在这方面的研究主要开始于6070 年代，而我国就自然老化对木材力学性能的相关研究开始于 20 世纪 90 年代45。较多研究表明自然老化对木材的力学性能有消极作用。Cai 等46对建于 1909 年建筑中拆修下的南方松（Pinusspp.）木构件与相应新材进行抗弯弹性模量（modulusofelastic，MOE）的比较，发现老化木构件的 MOE 低于新材约 30%。Yokoyama 等47对老化扁柏（Platycladus orientalis）木构件及相应新材进行力学试验发现静曲强度（modulusofrupture，MOR）随着时间而显著下降，且老化后木材的断裂形式更加趋于脆性断裂。Yoshihiko 等48对具有超过 200 年树龄的不同树种的木构件进行力学性能测定，发现不同