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1、古建筑旧木材材性变化及其无损检测研究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
2、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
3、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,
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
