古建筑軟木松舊木材內部腐朽狀況阻力儀檢測結果的定量分析
我國古建筑是以木結構為主的建筑體系，其主要承重構件柱、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，使木結構的安全性受到威脅。很多情況下木材腐朽從木材內部開始，但由于古建筑木結構不能輕易被拆解，因而必須采用無損檢測技術對木材內部的材質狀況進行勘測。目前世界各國開發的無損檢測或微損檢測方法很多，如超聲波、應力波、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公司開發的一種木材內部材質檢測儀器，檢測時需要將一根直徑1.5mm的探針刺入木材內部，屬類無損檢測，是目前歐洲、美國、日本和我國臺灣木結構材質狀況勘查的常用設備之一[5-9]。該儀器是在檢測時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。根據檢測得到的阻力曲線，只能定性地判斷木材內部的腐朽狀況，而不能定量地評價由腐朽引起的木材物理力學性質衰減程度。
本研究利用故宮維修時替換下來的局部腐朽的舊木構件，按照腐朽等級的劃分標準，將試件目視分等后，對其進行氣干密度、抗彎強度和順紋抗壓強度測定，并對抗彎試件進行阻力儀檢測，目的是找出檢測值與物理力學性質之間的關系，實現對阻力儀檢測結果的定量分析，為木結構材質狀況的定量評價提供科學依據。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
試驗試材取自故宮武英殿前殿維修時拆卸下來的單雙步梁瓜柱局部腐朽的舊木構件，木材樹種鑒定結果為軟木松（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年修建時所用的木材，距今約100~130年。
阻力儀是德國Rinntech公司開發的一種木材內部材質檢測儀器，檢測時需要將一根直徑1.5mm的探針刺入木材內部，屬類無損檢測，是目前歐洲、美國、日本和我國臺灣木結構材質狀況勘查的常用設備之一[5-9]。該儀器是在檢測時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。根據檢測得到的阻力曲線，只能定性地判斷木材內部的腐朽狀況，而不能定量地評價由腐朽引起的木材物理力學性質衰減程度。
本研究利用故宮維修時替換下來的局部腐朽的舊木構件，按照腐朽等級的劃分標準，將試件目視分等后，對其進行氣干密度、抗彎強度和順紋抗壓強度測定，并對抗彎試件進行阻力儀檢測，目的是找出檢測值與物理力學性質之間的關系，實現對阻力儀檢測結果的定量分析，為木結構材質狀況的定量評價提供科學依據。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
試驗試材取自故宮武英殿前殿維修時拆卸下來的單雙步梁瓜柱局部腐朽的舊木構件，木材樹種鑒定結果為軟木松（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年修建時所用的木材，距今約100~130年。
1.2 試材取樣和試驗方法
對采集的各個舊木構件試材，按照國標GB1929-91《木材物理力學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部分截取物理力學檢測用樣本，包括氣干密度、抗彎強度和順紋抗壓強度檢測樣本，共118組。不同腐朽程度的木材依據木材耐腐朽分級標準（GB/T13942.2－92）[13]劃分為5個等級，見表2。“0”表示未腐朽材，“1”、“2”、“3”、“4”分別表示4個腐朽等級。
1.3 阻力儀檢測原理
木材阻力儀主要包括探針及其保護裝置、微機系統和蓄電池幾個部分。木材阻力儀檢測的原理是在電動機的驅動下，將一根直徑1.5mm的探針，以均勻速度刺入木材內部，通過微機系統把探針刺入過程中受到的阻力數據記入存儲卡，同時打印輸出檢測圖譜。圖譜的橫坐標與探針刺入的深度等距離，且在圖譜中木材內部的密度分布、早晚材密度的變化及木材內部因腐朽引起的密度變化均可以直觀地表現出來，如圖1所示。試驗用阻力儀型號為Resistograph®3450-P/S，探針長度為45cm。
1.4 阻力儀試驗和分析方法
由于每個樣本的物理力學性質檢測用密度試件、抗彎強度試件和順紋抗壓強度試件從同一根木條上截取，而且截取時盡可能保證3個試件的腐朽程度相同，所以只對做完抗彎強度試驗的試件進行了阻力儀檢測。檢測時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相吻合。應用阻力儀圖像處理軟件（DECOM-Professional）將儀器存儲信息導出，轉化為包含數據信息的EXCEL文件形式，根據儲存的數據畫出阻力變化圖（見圖1），并分析不同腐朽等級樣本的阻力儀檢測值的變化。
對采集的各個舊木構件試材，按照國標GB1929-91《木材物理力學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部分截取物理力學檢測用樣本，包括氣干密度、抗彎強度和順紋抗壓強度檢測樣本，共118組。不同腐朽程度的木材依據木材耐腐朽分級標準（GB/T13942.2－92）[13]劃分為5個等級，見表2。“0”表示未腐朽材，“1”、“2”、“3”、“4”分別表示4個腐朽等級。
1.3 阻力儀檢測原理
木材阻力儀主要包括探針及其保護裝置、微機系統和蓄電池幾個部分。木材阻力儀檢測的原理是在電動機的驅動下，將一根直徑1.5mm的探針，以均勻速度刺入木材內部，通過微機系統把探針刺入過程中受到的阻力數據記入存儲卡，同時打印輸出檢測圖譜。圖譜的橫坐標與探針刺入的深度等距離，且在圖譜中木材內部的密度分布、早晚材密度的變化及木材內部因腐朽引起的密度變化均可以直觀地表現出來，如圖1所示。試驗用阻力儀型號為Resistograph®3450-P/S，探針長度為45cm。
1.4 阻力儀試驗和分析方法
由于每個樣本的物理力學性質檢測用密度試件、抗彎強度試件和順紋抗壓強度試件從同一根木條上截取，而且截取時盡可能保證3個試件的腐朽程度相同，所以只對做完抗彎強度試驗的試件進行了阻力儀檢測。檢測時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相吻合。應用阻力儀圖像處理軟件（DECOM-Professional）將儀器存儲信息導出，轉化為包含數據信息的EXCEL文件形式，根據儲存的數據畫出阻力變化圖（見圖1），并分析不同腐朽等級樣本的阻力儀檢測值的變化。
1.5 數據處理和分析
軟木松是早晚材漸變樹種，從圖1可以看出，在同一個年輪內從早材到晚材阻力值變化很顯著。同時由于每個抗彎強度試件徑向長度為2cm，包含了數個年輪，在每個年輪中都有一個波峰和一個波谷，而且阻力儀檢測精度很高，每1mm測量100個數值。因此，為了消除早晚材密度差異對檢測結果的影響，同時避免阻力儀檢測時因遇到局部微量樹脂聚集出現峰值，或因微小腐朽出現的波谷值帶來的樣本測量誤差，在進行數據分析時，將每個樣本檢測結果的最大值和最小值區間平均分為三等分，分別稱為波峰區、平均值區和波谷區。分別計算出波峰區平均值、波谷區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頻率很低時對測量結果的影響。
以未腐朽木材的氣干密度、抗彎強度、順紋抗壓強度及檢測值為基準，計算各個腐朽等級木材的密度及抗彎、抗壓強度的殘存率。
采用相關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木材物理力學性質的關系。
2 結果與討論
2.1 不同腐朽等級木材的物理力學性質變化
不同腐朽等級木材的物理力學性質測定結果如表3所示。由于“4”級腐朽木材無法加工成試樣，所以無“4”級腐朽木材的物理力學性質檢測結果。舊木材中未腐朽部分（“0”級）的平均密度為0.439 g•cm-3，抗彎強度為61.04MPa，抗壓強度為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、抗彎強度和抗壓強度都明顯降低，其中抗彎強度的降低最為顯著，“1”級腐朽時抗彎強度降低到41.44MPa，到“3”級腐朽時，抗彎強度僅為7.71MPa，此時木材的抗彎強度僅為未腐朽木材的13％（見圖2）。隨著腐朽程度的加深，順紋抗壓強度和氣干密度降低也很顯著，達到“3”級腐朽時，順紋抗壓強度降低到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，并沒有對其進行定量標記。如果直接使用阻力儀檢測，只能得到定性分析結果，不能對物理力學性質做出定量評價。為實現阻力儀檢測結果的定量評價，對以上進行過物理力學性質測定的樣本，進行了阻力儀檢測。
在古建筑木結構腐朽狀況勘查時，發現木材腐朽多數從早材開始，阻力檢測值劃分的3個區段中，波峰值區接近于晚材部分，波谷值區接近于早材部分。由于木材的腐朽具有不均勻性，這樣劃分考慮了各個數值出現的頻率，能夠更客觀地反映出每個樣本的實際材質狀況。
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，并沒有對其進行定量標記。如果直接使用阻力儀檢測，只能得到定性分析結果，不能對物理力學性質做出定量評價。為實現阻力儀檢測結果的定量評價，對以上進行過物理力學性質測定的樣本，進行了阻力儀檢測。
在古建筑木結構腐朽狀況勘查時，發現木材腐朽多數從早材開始，阻力檢測值劃分的3個區段中，波峰值區接近于晚材部分，波谷值區接近于早材部分。由于木材的腐朽具有不均勻性，這樣劃分考慮了各個數值出現的頻率，能夠更客觀地反映出每個樣本的實際材質狀況。
2.3 物理力學性質與木材阻力儀檢測結果的相關分析
將以上阻力儀檢測值與氣干密度、抗彎強度和順紋抗壓強度的測定結果做相關性分析，并分別建立了阻力儀檢測值與氣干密度、抗彎強度和抗壓強度的線性回歸模型，表示在圖4中，共15個模型，樣本數n = 118。阻力儀檢測值與氣干密度、抗彎強度及抗壓強度之間均存在著極顯著的線性相關關系（P﹤0.01），相關系數在0.29～0.52之間，因此，用阻力儀檢測值和線性回歸模型預測木材的密度、抗彎強度和抗壓強度是可行的。
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，波峰值出現在未腐朽的晚材區域，波谷值出現在早材區域或腐朽嚴重的早材和晚材區域。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度之間的相關關系最大，分別為0.52和0.41，與抗彎強度之間的相關系數較小，為0.34。波峰值與抗彎強調及抗壓強度間的相關系數很小，分別為0.32和0.35，但與密度間的相關系數很大，為0.51。波谷值與密度、抗彎強度及抗壓強度之間的相關系數均比較高，分別為0.47、0.43和0.46。最大值與抗彎強度及抗壓強度間的相關系數最小，分別為0.29和0.32，但與密度間的相關系數很大，為0.51。最小值與密度、抗彎強度及抗壓強度之間的相關系數均比較高，分別為0.40、0.41和0.44。因此，在預測木材密度時，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確；在預測木材抗彎強度時，使用阻力儀波谷值與抗彎強度模型或阻力儀最小值與抗彎強度模型都有較好的效果；在預測抗壓強度時最好使用抗壓強度與平均值、波谷值或最小值模型。
目前，我國的木材腐朽等級劃分國家標準中只對各個腐朽等級的木材做了定性描述，沒有對不同腐朽等級木材的力學性質變化進行定量分析，因此在木結構材腐朽狀況現場勘查中，無法對已經出現腐朽的木構件的物理力學性質做出判斷。從以上試驗結果看，各個腐朽等級木材的物理力學性質衰減十分顯著，因此分別對不同樹種的各個腐朽等級的木材做出定量評價是可行的。
以上對不同腐朽等級軟木松木材的物理力學性質變化、阻力儀檢測值變化以及兩種之間的相關關系分析結果表明，各個腐朽等級木材的氣干密度、抗彎強度、順紋抗壓強度以及阻力儀檢測值均表現出隨著腐朽程度的加深，特征值降低的趨勢，且各個腐朽等級間差異極顯著。同時，阻力儀檢測值與氣干密度、抗彎強度和順紋抗壓強度之間存在著極顯著相關關系。 因此，在使用阻力儀進行古建筑舊木材內部腐朽狀況檢測時，對于軟木松木材，利用建立的數學模型和被檢測材料阻力儀檢測值能夠定量地評估被檢測木材的材質狀況。
3 結論
軟木松結構材使用100~130年后，未腐朽木材（“0”級）的平均氣干密度為0.439g•cm-3，抗彎強度為61.04MPa，順紋抗壓強度為32.39MPa。隨著木材腐朽程度的加深，抗彎強度降低最顯著，其次是順紋抗壓強度、氣干密度。不同腐朽等級木材的氣干密度、抗彎強度和順紋抗壓強度均存在顯著差異。木材達到 “3”級腐朽時，抗彎強度、順紋抗壓強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，特別是達到“3”級時，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％。各個腐朽等級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系數最大。平均值及波峰值、波谷值、最大值、最小值與氣干密度、抗彎強度和順紋抗壓強度之間均表現出極顯著的線性相關關系（P﹤0.01），其相關系數在0.29～0.52之間。因此，對于軟木松木材，利用建立的數學模型和被檢測材料阻力儀檢測值能夠定量地評估木材的材質狀況。
本文來源： 北京林業大學學報 年，卷（期）：2007，29（6）
作者：黃榮鳳 劉秀英 李華 王曉歡
目前，我國的木材腐朽等級劃分國家標準中只對各個腐朽等級的木材做了定性描述，沒有對不同腐朽等級木材的力學性質變化進行定量分析，因此在木結構材腐朽狀況現場勘查中，無法對已經出現腐朽的木構件的物理力學性質做出判斷。從以上試驗結果看，各個腐朽等級木材的物理力學性質衰減十分顯著，因此分別對不同樹種的各個腐朽等級的木材做出定量評價是可行的。
以上對不同腐朽等級軟木松木材的物理力學性質變化、阻力儀檢測值變化以及兩種之間的相關關系分析結果表明，各個腐朽等級木材的氣干密度、抗彎強度、順紋抗壓強度以及阻力儀檢測值均表現出隨著腐朽程度的加深，特征值降低的趨勢，且各個腐朽等級間差異極顯著。同時，阻力儀檢測值與氣干密度、抗彎強度和順紋抗壓強度之間存在著極顯著相關關系。 因此，在使用阻力儀進行古建筑舊木材內部腐朽狀況檢測時，對于軟木松木材，利用建立的數學模型和被檢測材料阻力儀檢測值能夠定量地評估被檢測木材的材質狀況。
3 結論
軟木松結構材使用100~130年后，未腐朽木材（“0”級）的平均氣干密度為0.439g•cm-3，抗彎強度為61.04MPa，順紋抗壓強度為32.39MPa。隨著木材腐朽程度的加深，抗彎強度降低最顯著，其次是順紋抗壓強度、氣干密度。不同腐朽等級木材的氣干密度、抗彎強度和順紋抗壓強度均存在顯著差異。木材達到 “3”級腐朽時，抗彎強度、順紋抗壓強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，特別是達到“3”級時，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％。各個腐朽等級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系數最大。平均值及波峰值、波谷值、最大值、最小值與氣干密度、抗彎強度和順紋抗壓強度之間均表現出極顯著的線性相關關系（P﹤0.01），其相關系數在0.29～0.52之間。因此，對于軟木松木材，利用建立的數學模型和被檢測材料阻力儀檢測值能夠定量地評估木材的材質狀況。
本文來源： 北京林業大學學報 年，卷（期）：2007，29（6）
作者：黃榮鳳 劉秀英 李華 王曉歡
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