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古建筑旧木材材性变化及其无损检测研究 内蒙古农业大学硕士学位论文古建筑旧木材材性变化及其无损检测研究姓名:王晓欢申请学位级别:硕士专业:木材科学与技术指导教师:郑宏奎;黄荣凤20060501摘要本文以故宫武英殿正殿维修时替换下来的落叶松觑.、软木松.、和硬木松云杉 .个树种.、杉木旧木材为试验材料,研究了使用年后各树种未腐朽材物理力学性质的交化及不同程度腐朽落叶松和软木松木材的物理力学性质衰减,定量分析了落叶松腐朽旧木材的阻力仪检测结果,讨论了叮分析仪检测未腐朽旧木材的动态弹性模量与静态弹性模量及抗弯强度的关系,目的是为了把握古建筑木结构用材因长时间使用引起的物理力学性质变化和腐朽衰减,探索古建筑木结构材质状况无损检测结果定量化的分析方法和途径,为古建筑木结构的保护维修提供科学理论依据。研究主要结果如下:落叶松、软木松和杉木树种未腐朽旧木材各项材性下降;硬木松和云杉树种旧木材各项材性增大;年维修时使用的软木松新鲜健康材的材性与使用了年后的未腐朽软木松木材的材性相当。落叶松和软木松木材随着腐朽程度的加重,力学性能迅速衰减,其中抗弯强度降低最为明显,其次是抗压强度,密度变化最小。达到“”级腐朽时,个树种旧木材抗弯强度剩余率均为%左右,抗压强度的剩余率约为%和%。落叶松、软木松和云杉树种的密度与各项力学指标之间呈极显著相关,落叶松和软木松树种各自抗弯弹性模量与抗弯强度之间,也都达到了极显著相关,相关系数都在.以上。分析落叶松木材阻力仪检测值的变化时,将其划分为波峰区、平均值区和波谷区三个区域,并分别计算平均值。随着腐朽程度的加大,各检测平均值明显降低,尤其是从“”级至“”级腐朽降低最为明显,但波峰、波谷及加权平均值衰减率的差异不显著。波谷值与气干密度、抗弯强度及顺纹抗压强度之间极显著相关,波峰值和加权平均值与气干密度及抗弯强度极显著相关,与顺纹抗压强度显著相关。分析仪检测落叶松和软木松木材的纵向动态弹性模量与静态弯曲弹性模量及抗弯强度之间极显著线性相关,动、静态弹性模量比值接近,可采用动态检测法代替常规的机械检测方法获得木材的抗弯弹性模量,并用数学模型推算抗弯强度值。关键词:古建筑:木材物理力学性质:腐朽衰减;阻力仪;分析仪;定量分析 ., ., . .? , .:. , 、 ? 一., ; ,. %,% %. , .,., .,. , . . , , . .,. 证 , ,.;: ; ;:.:. ,. : , 内蒙古农业大学硕士学位论文绪论中国的古建筑,是一种内涵丰富的艺术品,她的文物类型体量最大、数量最多。我国古建筑以其独特的结构和形式著称,以木结构建筑为主而发展,是我国悠久文化遗产的重要组成部分。古代建筑的主要成就是在封建社会二千年漫长的岁月中形成的,明清是中国古建筑发展成熟的最后阶段,北京的故宫就是这个时期遗留的古代木结构建筑典范“。古建筑的保护维修,是文物保护极为重要的一项工作。随着国民经济的快速发展,名胜古迹和文物保护单位的开放点越来越多,文物保护事业不断地发展壮大,维修和保护古建筑工作的任务也明显增加。中国古建筑的构架大多数为木结构,这是由于木材很容易加工,因而成为了人类使用的最古老的建筑材料之一。但是木材的缺点在于它是一种生物材料,由各种纤维素、半纤维素和木质素等有机物组成,长期使用过程中,在合适的温、湿度条件下,为害生物容易迅速繁殖,使木材发生腐朽虫蛀,其物理力学性能降低,最终造成木结构的损毁,。目前木构件的残损程度及材质的内在变化大多是通过肉眼观察和敲击来判断的,这种方法受人为因素的影响较大,因此判断的准确性较低。为了实现古建筑木结构的维修和保护工程从宏观的目测评估转变为科学的定量化检测,首先应该在科学实验的基础上,把握古建筑旧木材物理力学性能的衰减变化规律:并通过大量实验,找出各种检测方法的检测结果与旧木材实测物理力学性质之间的关系,实现无损检测技术的定量评价,为今后古建筑木结构的材质状况勘查、维修方案制定和加固等保护性工程的实施提供科学依据。本章将从古建筑旧木材的物理力学性质研究、木材无损检测应用等方面,对国内外的研究进行归纳总结,阐述研究古建筑旧木材物理力学性质和无损检测结果定量分析的目的和重要意义,并简要说明本论文的研究内容和方法。.古建筑旧木材的研究现状.古建筑旧木材物理力学性质研究木结构古建筑历经几百年甚至上千年后,由于受所处环境的生物、物理和化学等外部因子的影响,木结构用材经常会发生腐朽,从而引起物理力学性能衰减,最终导致古建筑木结构的残损和力学强度降低。所以木材材性的变化与木结构古建筑的寿命息息相关,是影响木结构强度的内在因素。为了弄清木材的材质变化对古建筑结构变形的影响,我国学者陈国莹曾分别在年和年利用古建筑维修时换下来的旧木构件进行了物理力学性能的试验。年试验用的旧木材取自建于公元年的应县木塔,使用近年,树种为落叶松;年试验用的材料取自晋祠内元代修建的景清门,使用近多年,树种为杨木。检测了顺纹和横纹抗压强度、硬度、拉弯、抗剪、冲击等项力学性能指标。研究报告中,为考察木材强度的下降程度,将以上两个试验结果分别与现代木材强度做了古建筑旧木材材性变化及其无损检测研究对比,发现旧木材的材质变化情况基本是相同的,即硬度及剪切强度微有增加,其他物理力学性能都有不同程度的降低。其中抗拉强度及横纹抗压强度衰减百分比最大,无论是松木还是杨木其抗拉强度都降低了%,横纹抗压强度降低了%多,而硬度增加了%,剪切强度增加了%左右。两项实验结果表明,木材经过年使用后,木材物理力学性质会发生不同程度的变化,而正是由于旧木材材质的逐渐下降造成了古建筑主要木构件产生弯曲、劈裂、折断等破坏。在制订古建筑木结构维护与加固技术规范,时,规范编制组对】个省、直辖市和自治区的古建筑旧木构件进行实地勘查。并借古建筑修缮的机会,进行取样试验,对云杉河北曲阳县北狱庙大殿,柱,余年、柏木河北易县昌陵大碑楼,柱,约年和落叶松山西应县佛宫寺释迦塔二层,柱,约年个树种做了新鲜材和旧木材的项材性指标的对比试验。结果表明,云杉木材力学指标中抗弯强度降低约为%,弹性模量降低约为%,顺纹抗压强度降低约为%:柏木的力学指标中抗弯强度降低约%,弹性模量和顺纹抗压强度降低约%;落叶松的力学指标中抗弯强度降低约%,弹性模量和顺纹抗压强度降低约%“。日本学者平螅义彦等对建筑上使用了年的榉木和使用年、年还有年赤松两个树种的旧木材以及新鲜木材分别测试了力学强度,包括抗拉强度、弹性模量、抗压强度、剪切强度和硬度等指标。比较了新鲜木材与旧木材各强度的大小差异,并逐个分析了各个年代木材的密度与其各力学强度指标的相关关系。其中与新鲜材各力学指标相比,榉木的抗压强度和弹性模量分别减少.%和.%,剪切强度降低.%,三个方向的硬度即轴向、径向和弦向增加.%。三个年代的赤松材抗压强度增加.?.%,弹性模量增加.%。使用年的赤松轴向硬度增加.%。使用年赤松材的剪切强度增加.%,三个方向的硬度增加了.%”。以上两个树种的各项指标中弹性模量和抗压强度的变化比较明显,三个不同年代的赤松各指标变化程度没有明显规律。日本千叶大学对古代几处庙宇中的扁柏使用年和榉树使用年的旧木构件和不同产地的新鲜木材使用年分别做了物理力学性能的对比试验,其中包括含水率、基本密度、顺压强度、静曲强度、弹性模量、冲击韧性、顺剪强度和抗劈力等指标,得出了木材力学强度的变化,用于不同建筑的同一种旧木材的强度降低程度不等。经计算除个别数据外,扁柏的顺压强度、静曲强度和弹性模量均高于新鲜木材对应指标,顺压强度变化最明显,增加范围在%内,静曲强度和弹性模量增加的最大值分别为%和%。而日本榉木的各项指标绝大多数是低于新鲜材,静曲强度变化最为明显,最大降低了%,静曲强度和弹性模量降低不%。试验结果分析表明,因木材的树种不同,相对于新鲜本材来说,旧木材的各项指标变化不一,榉木强度较低,变形加大,木材材性变脆,而扁柏木材强度较高,材质较好。内蒙古农业大学硕士学位论文木构件经过数百年甚至上千年使用后,其木材材性的变化是古建工作者最关心的问题,由于古建筑木构件试样取材具有特殊性,材料一般不容易获得,限制了旧木材材性变化的研究,更主要的是木材本身性质的变异大,很难取得可供对比的现代试材,并且木构件所处的环境条件对其使用寿命,起着极大的影响,而不同木材对使用环境的反应又往往有很大的差别和变化,这就使得研究工作更为复杂和困难,所以国内外有关旧木材物理力学性质的研究报道迄今尚不多见。从以上有关新旧木材物理力学性质的对比研究来看,由于树种的不同,旧木材的各项力学指标与新鲜材相比变化不一,有些树种增大,有些则减小。如上文所述,赤松和日本扁柏旧木材与新鲜材相比,强度增加了,而杨木、云杉、柏木、落叶松和榉木的各项强度指标中,除了其中部分树种的硬度和剪切强度有所增加外,其他强度指标基本都有减小的趋势。另外,同树种木材各力学性能指标的变化幅度不同,以上与新鲜材相比较的研究中发现扁柏和赤松旧木材变化比较大,这可能与这两个树种使用的时间比较长有直接关系。因此,由于树种不同,各力学性能指标的变化情况不同。由于目前对各个树种木材使用后力学性能变化的研究还不够充分,很难发现其变化规律。为了能够科学地把握不同树种木材使用后各项性能指标的变化规律和特点,必须加强对古建筑各树种旧木材性能变化的研究。.无损检测技术及其在木材领域中的应用无损检测.是以不破坏被检测对象的性质和使用效果为前提,对材料进行有效的检验和测试,借以评价材料的完整性缺陷分析或其它物理力学特性的综合性应用科学技术方法的统称。二十世纪初,人们是以材料为无缺陷的连续均匀介质为前提来计算构件承载能力的,考虑到材料或制件中实际上可能存在缺陷,为适应制造部门保证产品使用可靠性的要求,开始发展无损检测技术。木材作为当今世界四大材料钢筋、水泥、塑料、木材中一种最具有亲和力的天然材料,具有其他材料无法比拟的优点,因而被广泛应用于各个领域。常规的木材物理力学性质检测是采用力学试验机,对规定尺寸的木材试样进行先加载后烘干的方式,这种检测方式所用时间长,受诸多条件的限制,并且有些指标的测定是在破坏木材试样的基础上完成:以前木材缺陷的检测多采用人工的方法根据有关标准进行,很大程度是凭经验判断,这种方法稳定性差且准确性低。因此,常规方法已经不能达到对木材进行非破坏性快速准确检验的要求。国外发达国家如美国、日本、德国等对木材检测技术十分重视,而且在将超声波、射线、微波等无损检测技术应用到木材物理性质、生长特性、力学性质及木材缺陷等检测方面已经取得定的成绩,研究出了多种无损检测手段,并通过实验取得了较好的成果。我国木材无损检测技术在世纪年代后逐步兴起,世纪年代末期开始古建筑旧木材材性变化及其无损检测研究应用射线检测方法对木材缺陷检测进行了试验性研究。在世纪年代末期,对木材物理性质、生长特性等进行了无损检测的初步基础理论和试验研究?。随着电子、在木材水分光学和计算机技术的不断发展,木材无损检测技术已取得很大的成就,测定、干燥控制、温湿度钡定、密度、内结合强度、强度与弹性模量、木材缺陷的检测等物理力学性质方面得到了广泛的应用“”。木材无损检测技术在木材加工业的主要应用有:结构成材力学分等,成材力学应力分等,成材力学评估,超声波技术在木质复合材生产中的应用,单板层积材的分层检验,刨花板、中密度纤维板、定向刨花板、胶合板的鼓泡检验,激光射线扫描系统缺陷探伤检测,应力波在木材结构方面的检验,声发射、振动法的测定”。在古建筑的木材保护中,无损检测的应用主要在以下几个方面:木构件含水率的检测,古建筑木构件腐朽状况的现场勘查,以及古树名木的健康状况评价等等“”。目前应用到木材性质检测的无损检测技术已达几十种,如射线检测、超声波检测、核磁共振检测、微波检测、机械应力检测、木材阻力仪检测及声发射检测等。但目前这些检测方法获得的检测结果,只能定性地评价木材的腐朽程度,还不能达到定量分析的水平。综上所述,无损检测技术在成材的应力分等、为提高木材综合利用率的速生材合理加工处理、人造板质量的检验、古建筑的维修、木质复合材料的开发利用等方面得到了广泛的应用。无损检测技术作为正在迅速发展的学科,在木材材质检测和木材加工利用等领域发挥着极其重要的作用。虽然木材及木质材料无损检测技术正日趋成熟,但还存在一些问题,尤其是在利用无损检测技术进行古建筑材质状况勘查的过程中,很多问题尚未得到解决。目前通过多数检测手段只能定性地分析古建筑木结构内部的腐朽状况,还不能定量地判断腐朽木构件的力学强度。因此在无损检测结果的定量化方面还有待于进一步研究。.古建筑木结构物理力学性能无损检测存在的问题及发展方向古建筑勘查中,旧木构件材质检测存在很多亟待解决的问题:虽然各种木材无损检测的方法在特定的环境和特殊条件下具有各自的优势,但由于木结构建筑具有复杂性,因而限制了有些无损检测方法在实际勘查中的应用和推广:很多种无损检测仪器对木材的检测还是处于定性分析阶段,不能实现物理力学性能指标的定量检测,尚不能为古建筑木结构的维修加固提供更准确的数据信息;设备成本太高,需要保护措施,有些仪器的使用只是停留在实验室研究阶段,还没有在实际应用中实现对木材缺陷的检测,如活立木或者古建筑旧木构件的木材腐朽检测。内蒙古农业大学硕士学位论文随着无损检测技术、计算机技术及人工神经网络技术的迅速发展,木材无损检测技术将向着智能化、小型化、自动化和联机化方向发展。古建筑旧木材无损检测技术的发展趋势主要体现在以下几个方面:由于古建筑木结构材质勘查的特殊性,尽量保证检测结果准确可靠的同时还要求木材无损检测系统具有方便、简单、灵活等特性,因而必然要加强便携式木材性质检测系统的研制;无损检测技术以其独特的优势在实际应用领域中发挥着重要的作用,但在木材检测中应用无损检测技术时,首先要考虑木材结构的复杂性以及树种的多样性,所以必须要针对木材的特点,进行无损检测技术和设备的开发与改进。这就要求木材检测技术开发人员与研究木材性质的专家联合起来,共同完成这项工作,以实现木材的检测结果由定性分析转变为定量计算,最终达到能迅速判断和分析各树种被检测木材的有关性质,提高古建筑木构件材质状况勘查的速度和准确度;利用多种检测手段对木材材质进行综合检测,即基于某种无损检测方法所存在的问题,利用其它检测方法补充,保证预测模型的精确度。此外,还要考虑模型的通用性,在大量试验数据积累的基础上建立更大范围内适用的模型。.研究目的和意义由于古建筑长年受自然因素及人为因素的影响,不可避免地会发生腐朽、虫蛀等损坏。为了对现存的古建筑木结构实施科学的保护,首先必须对古建筑木构件的材质状况进行勘查和分析,对发生腐朽、虫蛀及残损严重的木构件进行修补或替换。如何在尽量在不破坏原有木构件的前提下,科学定量地检测木构件是否存在腐朽或虫蛀以及水材使用若干年后其材性的腐朽衰减,这是古建筑勘察设计和制定古建筑维修设计方案时急需解决的一个难题,同时也对木材无损检测技术的研究提出了新的要求。在古建筑木结构维修方案制定时,首先要了解其材质状况。目前对木构件的材质进行检查,多采用目视鉴别与简单敲击方来确定木材的腐朽状况,或用各种无损检测设备进行定性检测,缺乏定量的测试技术。因此利用我国很多古建筑正在或将要进行维修,有很多旧木构件需要替换,容易取材的条件,应加强对使用多年后的旧木材进行物理力学性质衰减变化的研究。同时,应该在应用无损检测技术对其进行安全测试后,实测相应木材的物理力学性质,对仪器检测结果与常规力学实验测定结果的相关性进行分析讨论,获得两者之间的数学模型,以实现仪器检测的定量评价。另一方面,当前古建筑修缮过程中面临着选择木材困难的问题,树种、规格和材质方面都很难达到要求,从前常选用的树种木材如楠木、柏木和油松等现在都很难得到。通过定量无损检测,能够在不破坏古建筑的情况下,获得其木结构的材质状况和木材的物理力学性能。因此,应该加强研究古建筑旧木材物理力学性质的古建筑旧木材材性变化及其无损检测研究衰减变化及其无损检测结果的定量分析,以达到指导古建筑木结构材质状况勘查、替换木材的选择及古建筑维修方案制定的目的。故宫是目前世界上保存最完整的木结构古建筑,从始建至今近有年的历史,曾多次进行修缮。目前,有一部分殿宇的构件已经出现了开裂、腐朽、虫蛀和变形等现象。为了保护文物古建,使故宫再现古代建筑的辉煌和雄伟壮丽,国家已经启动了百年以来最大的一次维修工程。故宫武英殿建筑群的修缮作为维修工程的试点,于年开始进行现场勘查和维修,年已经全面完成了维修工作。本论文是以故宫武英殿维修替换下来的旧木材为对象展开研究工作。论文中关于古建筑旧术材的物理力学性质衰减变化研究是在测定木构件样本气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量及顺纹抗压强度的基础上,对所得数据进行统计分析,诣在找出旧木材使用多年后其材质的变化以及因腐朽引起的木材物理力学性质的衰减变化,为古建筑木结构的勘查和选择适宜的代用木材树种提供科学依据。采用木材阻力仪无损检测设备检测旧木材试样,将检测结果与物理力学性质的实测值结合起来,对其进行定量分析,使木构件的腐朽程度及材质变化从宏观目测评估和定性评价向定量化分析迈进。用分析仪检测木材的动态弹性模量,诣在古建筑旧木构件材质状况勘查过程中能够实现该设备的抗弯弹性模量和抗弯强度的现场检测,替代实验室检测物理力学性能的试验。此项工作不断深入,其成果将对古建筑木结构的维修与加固等古建筑保护工作具有重要意义和参考价值。.研究内容和方法本研究是中国国家文物局课题故宫古建筑木构件树种配置模式及物理力学性质的变异性和中国科技部课题古建筑木结构防护和无损检测评价新技术研究两大课题中的一部分内容。本论文以故宫武英殿维修时拆卸下来的具有局部腐朽的旧木构件为研究对象,检测了未腐朽和不同程度腐朽木材的物理力学性质,并对部分样本进行了木材阻力傻检测和分析仪检测,重点研究了未见腐朽以及不同腐朽程度旧木材的物理力学性质的变化和衰减、木材阻力仪检测结果定量化以及分析仪检测动态弹性模量预测木材抗弯弹性模量和抗弯强度的可靠性。本试验采用常规物理力学性质检测方法与先进的科学仪器检测相结合的手段,对木材性质进行研究,运用数学及数理统计学方法对仪器检测数据进行分析,并用相关分析方法分析各试验结果之间的相关关系,为建立新的定量化木材腐朽等级划分标准和在古建筑保护维修中定量评价古建筑旧木材材质状况积累基础数据。内蒙古农业大学硕士学位论文古建筑旧木材物理力学性质变化我国传统建筑的形式是以术构架为其骨干,这种木质框架结构建筑,历经数千年的发展演变,已经形成了它独立、完整的系统。由于木材是生物材料,其性能会随着时间的变化和生物侵害等因素发生力学强度的衰减。故宫是古代木结构建筑的典范,经过数百年之后,部分木构件已经出现腐朽、挠曲、及开裂等现象,在制定修缮方案时,能否定量地判断木构件的材质状况是确定木构件是否需要更换的重要依据。目前在不同树种物理力学性质实验测定和理论研究方面,国内外木材科学工作者都已做了大量工作?,但是由于古建筑保护工作具有特殊性,即对一般构件只能维修加固不能拆卸,使古建工作者对旧木材性质的研究很难实现,所以关于故宫古建筑旧木材的物理力学性能方面的研究还未见报道。木材物理性质是不借任何化学反应,也不用破坏试样的完整性即可测得的木材性质:木材力学性质是度量木材抵抗外力的能力,是结构用材的主要材性指标。木材气干密度是影响木材最终产品质量的重要因子,用它可以估计木材的品质、工艺性质和物理力学性质如硬度、强度、干缩、湿胀等。木材的弹性模量、抗弯强度、抗压强度和顺纹抗压强度是评价木材力学性质的基本参数。本研究利用故宫维修时替换下来的局部腐朽旧木构件,对各木构件的物理力学性质进行测定,包括气干密度,抗弯弹性模量、抗弯强度及顺纹抗压强度,综合分析古建筑旧木构件不同树种上述各指标的变化,找出各树种气干密度和各项力学指标之间的关系及抗弯弹性模量和抗弯强度间的相关关系,目的是能够根据木材的密度估计其力学性质,即以简单易测的材性指标推算需要破坏木材才能得到的抗弯强度,并预测抗弯弹性模量,以减少测试工作量。同时,分析了不同程度腐朽旧木材的物理力学性质衰减变化及剩余率,目的是为古建筑术构件材质状况勘查以及古建筑维修时选择替代树种提供科学依据。.材料与方法.试验材料试验试材取自故宫武英殿正殿,包括柱、瓜柱、五架梁、五架梁随梁、天花梁、顺爬梁、角梁、柁墩、拖斗枋等旧木构件,选择未腐朽木材和不同程度的腐朽木材共根,同时还收集根年维修时使用的软木松红松木材,以进行物理力学性质的对比分析。据木材树种鉴定结果报告,这些旧木构件共包含落叶松、云杉、杉木、硬木松和软木松个树种。武英殿始建于明朝永乐年间,距今已有多年的历史,清同治八年公元年和光绪二十六年公元年,武英殿正殿被焚?,后来也进行过修缮,由此推测本试验所使用的材料是年、年或后来维修时所用的木材,其使用年限为?年。详见试验材料一览表表。 古建筑旧木材材性变化及其无损检测研究.试材取样及样本制备本研究所用的材料来源于古建筑维修时拆卸下来的旧木构件,有形状各异、材质状况不同的特点,因而试材加工方法与一般采集的新鲜原木的不尽相同,如图所示。锯解方法为:首先将锯得的各个构件截取试验用三段,长度为,再制成中心板,然后在中心板沿着树心向树皮方向制备规格为的毛坯,按照国标?木材物理力学试材锯解及试样截取方法分别在健康部分和不同腐朽程度的各部分截取物理力学检测用样本,包括密度、抗弯弹性模量、抗弯强度和顺纹抗压强度试样。未腐朽木材的和测定使用同一批试样,测定完后的试样全部用来测。制取担任 口向 方向图试材锯解示意图截取腐朽试件时尽可能保证同一编号每组试条上的个试件的腐朽程度相同。不同腐朽程度的木材依据木材耐腐朽分级标准/.”划分为个等级,见表。 ?级表示未腐朽,“”、“”、?、“”级分别表示个程度的腐朽。由于“”级腐朽木材无法加工成试样,所以没有?级腐朽木材的物理力学性质的检测数据。本试验所测定的物理性质包括原始含水率、气干含水率、原始密度、气干密度和全干密度,试样的尺寸均为;力学性质包括抗弯弹性模量、抗弯强度和顺纹抗压强度,抗弯弹性模量抗弯强度为同一试样尺寸为,顺纹抗压强度的试样尺寸为。内蒙古农业大学硕士学位论文表试验材料一览裹样本编号 构件名称 构件尺寸/ 使用年代 树种 腐朽状况:宝 柱 落叶松 局部腐朽同治八年辅:耋 ××东南角顺爬梁 落叶松 局部腐朽同治八年年:窆 西缝五架粱 ×落叶松 局部腐朽同治八年年一:宝 西缝五架梁上部长方形 × 落叶松 局部腐朽同治八年年:耋西缝五架粱 落叶松 局部腐朽同治八年年石 西缝五架梁上部长方形 落叶松 局部腐朽同治八年年 拖斗枋 年软木松 局部腐朽舟 ×东北角老角梁 年 落叶松 局部腐朽:宝 西缝天花粱 软木松 局部腐朽同治八年年复 ¨ 西缝五架梁随梁 ×软术松 局部腐朽同治八年年吨 东北角子角梁 ×落叶松 局部腐朽同治八年年 柁墩上 ×芷 云杉 局部腐朽¨ 柁墩中 芷 云杉 局部腐朽巧柁埘下 × 芷硬木松 局部腐朽笛西南顺粱上瓜柱 云杉 局部腐朽同治八年年】”西北顺梁上瓜柱 云杉 局部腐朽同治八年年窆 巧三五架梁瓜柱杉术 局部腐朽同治八年年铂 三五架粱瓜柱软木松 局部腐朽同治八年年:窆” 三五架粱瓜柱 软术松 局部腐朽同治八年年鲳单双步梁柱 × 云杉 局部腐朽同治八年年曲 单双步梁瓜柱 ×软木松同治八年年 完全腐朽 单双步梁瓜柱 ×软木松同治八年年 完全腐朽记 单双步梁瓜柱 软木松同治八年年 完全腐朽船单双步梁瓜柱 × 云杉同治八年年 局部腐朽甜单双步粱瓜柱 软木松 局部腐朽同治八年年酪 单双步梁瓜柱 软木松同治八年年 局部腐朽:窖酶 五架梁瓜柱 云杉同治八年年 局部腐朽.现使用材 年软木扮红松 未腐朽 古建筑旧木材材性变化及其无损检测研究.试验方法试样含水率的调整按照国标.木材物理力学试验方法总则进行。将气干的试条毛坯制成的试样,置于相当于木材平衡含水率为%的环境条件中,调整试样含水率到平衡。室温为,相对湿度保持在%±%,满足了木材平衡含水率%环境条件的要求;当室温低于或高于时,需相应降低或升高相对湿度,以保证达到所需环境条件。含水率的测定参照 .,测得调湿前和试验时试件的质量后,对试件进行烘干并称重,计算出原始含水率、气干含水率和全干含水率。气干密度和全干密度的测试参照.进行,分别测得两个状态下的弦向、径向和顺纹尺寸,然后按国标公式计算出结果。和的试样经含水率调整后,采用弦向中央加荷方式,每个试样先参照.测,后按.?测试方法进行试验。对于腐朽试样无法测定,只测定。顺纹抗压强度的测定参照进行。根据国标中的公式计算气干密度、和顺纹抗压强度,并统一转化成含水率为%时的结果。力学指标的测试在木材万能试验机上进行。.结果与讨论分别在每个旧木构件的健康部分和不同腐朽程度的各部分截取样本,未腐朽旧木材是指从局部腐朽木构件中加工而来的“”等级健康旧木材,包含有落叶松,软木松,云杉,杉木和硬木松个树种;腐朽木材按照腐朽程度的轻重分为个等级,其物理力学性质随着腐朽等级不同而变化。表和列出了各个树种的物理力学性质检测结果。从两个方面分析讨论其变化,一是未腐朽旧木材使用多年后其物理力学性质的变化,二是不同程度腐朽木材的物理力学性质衰减变化及剩余率。.未腐朽旧木材的物理力学性质变化.未腐朽旧木材密度的变化内蒙古农业大学硕士学位论文数据来源于中国木材志表列出了未腐朽各树种旧木材的密度检测值和参考对比数据。落叶松木材的气干密度在.?。之间,平均值为. ?一。落叶松属有兴安落叶松、黄花落叶松、新疆落叶松等很多种,不同产地间的木材物理力学性能差异很大,来自东北的落叶松木材物理力学强度都很大,其中黄花落叶松最低,来自新疆的落叶松的物理力学性能相对较差“。据推断木材来自新疆的可能性很小、所以选择东北的落叶松中性能最低的黄花落叶松数据与试验数据进行比较。结果发现,旧木材经目视观察后虽然没有腐朽,但是经过多年使用后密度已经降低了.%。软木松木材获得了的个使用年代即年、年和年的检测值,其气干密度的平均值分别为.?、?和, ?。年的树种为红松,因而选择中国木材志中的红松数据进行比较,结果发现。和落叶松木材的结论一致,密度也是降低。而且年武英殿维修时替换的软木松红松材的密度要比武英殿正殿前两次年和年维修时使用的木材密度低,可能是现在使用的人工林木材比以前使用的天然林木材的性质差的缘故。云杉获得了年和年个使用年代的检测值,其气干密度的平均值分别为.?和.,同一树种不同年代的密度平均值相近。两个年代古建筑旧木材材性变化及其无损检测研究各密度平均值比物理力学性质各项指标相对较高的鱼鳞云杉的还要高,后者的平均气干密度是.?。古建筑旧木材的密度变大,这与陈国莹对古建筑旧木材材质变化的研究结论相一致,原因是古建筑修建时森林资源丰富,充分选用了材性较好的天然林木材,而且木材经过长期的使用细胞组织更加密实、水分减少到极少程度的缘故。构件中只有一根三五架梁瓜柱是杉木树种,气干密度在.。之间平均值为.。杉木是我国南方地区主要栽培树种,木材蓄积量较为丰富,木材产量占全国商品材%左右,而且大多来自人工林。杉木生长快,干形通直、圆满,材质轻,易加工,色泽纹理美观,板材不易变形翘裂,被广泛用于建筑、家具、桥梁、船舶和造纸工业等。由于建筑修建时从广东乐昌采集木材的可能性很小,因而选择资料中性能指标除了产地是广东乐昌之外最低的安徽岳西的树种资料,结果表明,密度降低。试验测得的硬木松气干密度在.?.?之间,平均值为. ?。,是一根柁墩木构件。硬木松有来自不同产地的马尾松、樟子松和油松。权衡检测各项物理力学性质指标的大小选择参考数据湖北秭归的油松?,结果发现两者密度相差不大,这可能与该木构件是非承重部件和部件在古建筑中所处环境有关。.未腐朽日木材力学性质的变化表和表中列出了未腐朽各树种旧木材的力学性能检测值和供参考的对比数据。落叶松木材平均抗弯弹性模量为.,平均抗弯强度为. ,平均顺纹抗压强度为. 。与力学性能参考数据相比,除了抗弯弹性模量之外的其它物理力学指标强度都有所下降。三个不同年代的软木松树种中,年木材和年维修时使用的新鲜木材力学性质相近,年木材的力学性质项指标均相应地高于其它两个年代和参考数据的木材,这可能是由于人工林和天然林的差异导致,其比较结果如图所示。年木材性能差,可能是由于经过多年的使用,其各项力学性能出现衰减的结果。两个年代云杉的力学性质比较,个年代的数据要比选择的参考数据高,其中年的低于年,与密度的比较结果相一致,这说明数据可靠。杉木的各项力学性质比其它树种低,与参考数据相比各项指标均有所降低。硬木松的力学强度较大,抗弯弹性模量平均值为.,抗弯强度为.,顺纹抗压强度是. ,前两项与参考数据大小相当,只有顺纹抗压强度数值偏高。内蒙古农业大学硕士学位论文表武英殿正殿木结构未腐朽木材的力学性质测试结果抗弯强度抗弯弹性模量料种 使用时间变异系数平均值/ 变异系数仃矗 平均值, . . 年落叶松. .落叶松. .软术松 年. .软术松 年. . . .软木松 年 .软术松样本数一.云杉 年. .云杉 年.云杉. .杉木 年. .杉木 . . .硬木松 年.硬木松表武英殿正殿木结构未腐朽木材的力学性质测试结果数据来源于中国术材志古建筑旧木材材性变化及其无损检测研究圈年一目年?图日参考数据?一黧 自?瓣镧盯 勰霞 雾 雾抗弯弹性模量/ 抗弯强/蔓/ 顺纹抗压强度/图不同年代软木松旧木材的力学性质比较当木材在作为结构材使用时,力学性质是最重要的性能,在选材时有必要考核一些相关指标。在木材强度值的参考方面,对于已经确定用途的木材,可根据不同类型构件在使用中的特点,来考虑应该特别重视性质中的哪些项目,见表。对于不同木构件要有重点的考核顺纹抗压强度、抗弯弹性模量和抗弯强度指标,如本试验中构件主要有柱、梁、瓜柱短柱、角梁和柁檄等,瓜柱主要侧重顺纹抗压强度,柱主要侧重抗弯弹性模量,梁要以抗弯弹性模量和抗弯强度指标为重点。只有这样才能有的放矢地评定木材品质,在古建筑维修时最终满足对木材材质的要求。对于不同构件,由于长期承载强度不同,会引起术材材性发生不同的变化。不同种类的构件所对应的各参考性质如各力学强度指标的大小是否达到木构件使用标准等问题,在今后应该深入研究。表木材的主要强度性质.未腐朽旧木材的主要物理力学性质之间相关分析.未腐朽旧木材的气干密度与力学性质的相关性木材的力学性质,与构成本材物质的数量及构造有关,且以木材物质的数量最为主要。木材密度是单位体积物质数量的标志,因此与力学性质有密切的关系。木材密内蒙古农业大学硕士学位论文度是木材的一个非常重要又易于测定的物理指标,所用的试材少,试样小,甚至可以不砍树而用生长锥从立木上取样即可。这就不仅只适用于工程用材的检验,甚至可借以预测、比较林木的材质,以利于取材。所以根据木材的密度估计其力学性质,在经济上和科学研究上均有意义。和年指出密度与力学性质间存在着的关系以来仕町,很多学者相继研究了木材密度对木材力学强度的影响,认为二者存在着紧密的关系“,不同的研究者就木材密度与术材力学强度之间采用何种函数式的问题意见未达统一。美国木材手册中,抗弯弹性模量、顺纹抗压强度与密度间关系采用一元线性回归,其它强度性质与密度间关系则采用幂函数回归。胡慕任对国产种木材,分针叶材和阔叶材两类,进行木材密度与力学性质关系表达式的比较,指出以直线或曲线回归效果基本接近,为简便计以采用直线回归为宜。本文采用直线回归形式,对落叶松和软木松以及云杉树种的密度与力学关系进行回归分析,如表所示。结果表明,各树种的密度与其力学性质之间均在.水平下呈现极显著相关,但据现有数据还不能确定气干密度对哪一项指标影响最为显著。回归效果明显可能是木材源于天然林的结果,这与多项研究结果相一致”。密度和力学性质都呈正相关,这样将密度的测定值带入回归方程即可直接推算出某一强度指标。木材的品质系数即木材的强重比,即木材的强度与相应条件下密度的比值。对于建筑用材,除考虑其具有一定的强度之外,更注重其比强度和比弹性模量等强度品质系数。”。前苏联别列雷金把顺纹抗压强度和抗弯强度两项品质系数之和顺纹抗压强度抗弯强度/气干密度】作为标准,将木材分为类:第一类小于的为品质系数低的树种,第二类的为品质系数中等的树种,第三类大于的为品质系数较高的树种?。经计算,落叶松木材抗弯弹性模量与其气干密度的比值即比弹性模量高达,木材顺纹抗压强度和抗弯强度与其气干密度的比值即比强度分别为和,木材的该品质系数为;软木松木材比弹性模量高达,木材顺纹抗压强度和抗弯强度与其气干密度的比值分别为和,木材的该品质系数为;云杉木材比弹性模量高达,木材顺纹抗压强度和抗弯强度与其气干密度的比值分别为和,木材的该品质系数为。以上数据看,经过年使用之后未腐朽的落叶松、软木松和云杉木材的强度品质系数都很高,都属于第三类高品质木材,适宜作为承重结构材料。表落叶松术材密度与力学性质之间的相关分析古建筑旧木材材性变化及其无损检测研究注:”表示相关系数检验在 水平显著性含水率为%时的抗弯弹性模量,:含水率为%时的抗弯强度,:气干密度,.未