古建筑木构件原位加固防腐研究.pdf

西北林学院学报2015，304 257 〜 262 Jo urnal o f No rthw est Fo restry Univ ersity d o i10. 3969/j . issn. 1001-7 461. 2015. 04. 42 古建筑木构件原位加固防腐研究 曹静\汪 娟 丽\李 玉 虎 〃 ， 王肃2， 杜 德 新 2， 董梅2 1.陕西师范大学材料科学与工程学院历史文化遗产保护教育部工程研究中心， 陕西西安7 10119; 2.西安唐皇城墙含光门遗址博物馆， 陕西西安7 1Q002 摘要 古 建 筑 是 以 木 结 构 为 主 的 建 筑 体 系 ， 木 材 是 其 主 要 承 重 构 件 ， 它 具 有 极 高 的 文 物 、 历史和艺 术 价 值 ， 它 不 仅 是 中 华 民 族 的 宝 贵 财 产 ， 也 是 世 界 建 筑 艺 术 的 珍 宝 。木 材 作 为 一 种 天 然 生 物 质 材 料 ， 主 要 由 纤 维 素 、 半 纤 维 素 、 木 质 素 及 少 量 的 果 胶 和 无 机 盐 组 成 ； 由 于 木 材 本 身 耐 久 性 差 ， 易受物 理 、 化 学 和 生 物 损 害 如 腐 朽 菌 、 虫 的 侵 蚀 ， 使 其 强 度 降 低 直 至 全 部 损 坏 。 以 含 光 门 古 建 筑 木 构 件 修 复 保 护 工 程 为 例 ， 旨 在 通 过 借 鉴 二 氧 化 硅/木 材 复 合 材 料 溶 胶-凝 胶 制 备 思 路 ， 根 据 生 物 矿 化 原 理 ， 通 过 无 机 复 合 材 料 、 防 腐 试 剂 原 位 对 古 建 筑 木 构 件 材 质 的 性 能 改 善 ， 从 而 起 到 原 位 加 固 防 腐 的 作 用 。 关 键 词 古 建 筑 ； 含 光 门 ； 木 构 件 ； 原位加固 中 图 分 类 号 S 7 8 1 . 1 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 1 0 0 1 - 7 4 6 1 2 0 1 5 0 4 - 0 2 5 7 - 0 6 In-situConsolidation and Restoration of Wooden Components in Historic Buildings C A O J i n g1 , W A N G J u a n - l i 1 , L I Y u - h u 1* , W A N G S u 2, D U D e - x i n 2, D O N G M e i 2 1. Eng ineering Research Center o / Hisfo ricaZ and Cu l tu ral He ritage P rote ction E6.777.65 OK\9M17.23 FK00.4904}. 36 SfK04.2102.10 C1K06.UU02.37 BuL03.05l t-orT*.“ClionZAr .DU 2-tHi .1.00 5.00 HncTfiVkcV J L i in if nt Ci64.97A4 OK26.C222.59 FK01.6101.15 S tK02.130 \ M Clk0-1.67 “1 M uln xCorrctiLn ,Z A F A 2M 3,00 AM 5.00 9, Etitffg y * ki； V EkmenEW i CK6,1,547-iA5 OK2.57 FK01.7i01.20 S K02,5201,25 CtK04.79UJ.9CI B LQ.l.KS fHi.-ao J \f oI rtxC orrib SiiMiz.u- Energ y * kV IO N 1.012 I Q SO LOOS l - _ 1,00-1 1.002 1.000 ■ 998 [*.996 4300 4000 3500 3000 25{H 2000 I 500 lOOti 500 W a v e n Li ill bn r cm 图3木材原位处理前后红外谱图 Fig . 3 I R spectra fo r raw and treated w o o d H “ 311W itAi CK64.6372.67 OK2K.9024AH FKmi 744JW.53 SiK 02-28 01 .ICI CtK 03,4401.31 Uairtx iiCorrttliwn7..W- LOW 2.00 4Am 5,1 0 Kntrg v * kcV c m - 1处 的 强 峰 消 失 ， 说 明 羟 基 游 离 的 特 征 峰 消 失 ； 而 在3 30 0 c m 1处 有 一 个 强 峰 ， 说 明 出 现 了 的 羟 基 缔 合 峰 ， 说 明 发 生 了 羟 基 的 缩 合 。2 处 理 后 的 木 材/ 二 氧 化 硅 复 合 物 的 红 外 图 谱 在1 0 6 8和847 c m- 1 处 出 现 明 显 的S i - 0 - S i峰 ， 说 明 随 着 原 位 合 成 过 程 的 完 全 ，T E O S水 解 产 物 会 逐 渐 发 生 缩 聚 ， 形 成 二 氧 化 硅 复 合 物 。3 处 理 后 的 木 材 / 二 氧 化 硅 复 合 物 的 红 外 图 谱 在1 200 c m 1处 出 现 明 显 吸 收 峰 ， 说 明 有C - 0 伸 缩 或 者C - F伸 缩 发 生 ， 说 明 木 材 与 二 氧 化 硅 形 成 了 C - 0 - C共 价 交 联 结 构 ， 水 性 氟 也 被 修 饰 到 交 联 网 络 之 中 ， 或 二 氧 化 硅 凝 胶 通 过 游 离 羟 基 与 木 材 的 氢 键 和 部 分 化 学 键 结 合 ， 形 成 物 理 的 填 充 。 2. 4 X线 能 谱 （E D X A分析 通 过 原 位 防 腐 加 固 处 理 过 的 模 拟 样 试 材 纵 向 以 及 横 向 切 面 直 接E D X A图 可 以 看 出 （ 图4 ，Si、F以 及C l元 素 的 含 量 较 高 ， 说 明 加 固 试 剂 中 的S i元素 Fig . 4 E D X A o f thew o o d sd，2，3-lo ng itud inal sectio n，，5，6-transv erse sectio n 第4期曹 静 等 古建筑木构件原位加固防腐研究261 2 . 5水 性 氟 溶 液 的 浓 度 对 木 材 试 样 色 差 的 影 响 选 用6块 杉 木 材 试 样 ， 试 样 的 规 格 是 长X宽X 高 为120 m m X 50 m m X 30 m m， 分 别 用 质 量 浓 度 为 5 、7、1 0 、1 2 、1 5 、1 7 的 水 性 氟 水 溶 液 逐 滴 滴 渗 杉 木 材 试 样 横 截 面 ， 分 别 用 喷 雾 器 将 质 量 浓 度 为5 、7、1 0 、1 2 、1 5 、1 7 的 水 性 氟 溶 液 喷 洒 到 杉 木 材 试 样 表 面 。其 他 步 骤 与 试 验1相 同 。 观 察 记 录 水 性 氟 溶 液 的 渗 透 时 间 以 及 渗 透 深 度 ， 采 用1 9 76年C I E L * a* b *色 坐 标 体 系 来 评 价 （D C - P 3 型 全 自 动 色 差 计杉 木 材 试 样 处 理 前 后 色 差 值 ， 色差 值 按 下 式 计 算 △ E [ A L * 2 A a * △* 2] 1/2 式 中△为 色 差 值 、为 明 亮 度 差 、为红绿色 度 差 、为 黄 蓝 色 度 差 ，A E值 越 大 说 明 颜 色 改 变 越 大 ， 反 之 则 说 明 颜 色 改 变 越 小 。A E评 价 标 准 见 表1， 测 试 和 计 算 结 果 见 表2。 表1 A E评价标准 Table 1 Ev aluatio n stand ard s o f 等级△ E变色程度 10. 0〜2. 0无变色 22. 0〜4. 0很轻微变色 34. 0〜6. 0微小到中等； 在一些应用中可接受 46. 0〜8. 0中等； 可接受 58. 0〜10. 0较大变色； 勉强接受 610. 0以上严重变色； 不可接受 表2用水性氟处理杉木材试样后对色差的影响 Table 2The influence o f the co lo r d ifference after treated by aqueo us fluo rid e so lutio n 质量浓度 / 渗透时间 /s 渗透深度 AI 7 /cm 52921.0 3.51 72261.4 3.57 10 2431. 6 3. 67 12 27 61. 5 4. 92 15 3000.9 6.48 17 3640.7 8.65 由 表2可 见 ， 用 质 量 浓 度 为5 〜1 5 的水性 氟 水 溶 液 的 对 杉 木 试 样 的 渗 透 深 度 为0. 9〜1. 6， 色 差 值A E为3. 5 1〜6. 4 8， 最 佳 质 量 浓 度 为1 0 ， 色 差 值 6， 符 合 古 建 筑 修 复 色 差 要 求 。 2 . 6百 菌 清 乙 醇 溶 液 处 理 木 材 试 样 前 后 的 耐 腐 性 测试 选 用6块 杉 木 材 试 样 ， 试 样 的 规 格 与 试 验1相 同 ， 分 别 用 质 量 浓 度 为1 0 的 水 性 氟 水 溶 液 进 行 处 理 ， 处 理 方 法 与 试 验1相 同 。 分 别 用0. 0 1 、 0. 0 3 , 0 . 0 5 , 0 . 0 7 , 0 . 1 0 的 百 菌 清 乙 醇 溶 液 ， 用 喷 雾 器 将 百 菌 清 乙 醇 溶 液 喷 洒 在 古 建 筑 木 构 件 的 外 表 面 ， 每 平 方 米 喷 洒2 000 m L百 菌 清 乙 醇 溶 液 ， 反 复 操 作3次 ， 自 然 放 置1 h。将 处 理 前 后6块杉木 材 试 样 进 行 耐 腐 性 检 测 ， 计 算 重 量 损 失 率 ， 记录检测 结 果 见 表3。 表3杉木材试样原位防腐加固处理前后对耐腐性的影响 Table 3 The influence o f the resistance to co rro sio n after treated 百菌清乙醇 溶液浓度/ 供养菌试验 重量损失率 / 0. 01白腐菌未处理7 6. 0 防腐加固处理 1126 褐腐菌未处理86. 0 防腐加固处理9. 7 0. 03白腐菌未处理7 6. 0 防腐加固处理9. 4 褐腐菌未处理 86. 0 防腐加固处理8. 7 0. 05白腐菌未处理7 6. 0 防腐加固处理3. 4 褐腐菌未处理 86. 0 防腐加固处理2. 6 0. 07白腐菌未处理7 6. 0 防腐加固处理7 . 6 褐腐菌未处理86. 0 防腐加固处理6. 4 0. 10白腐菌未处理7 6. 0 防腐加固处理7 . 8 褐腐菌未处理86. 0 防腐加固处理6. 3 对 照 国 家 标 准G B / T 1 3 9 4 2 . 1 - 9 2天 然 耐 腐 性 等 级 表 （ 表4 ， 由 表3可 见 ， 用 质 量 浓 度 为0. 0 1 〜 0. 1 0 的 百 菌 清 乙 醇 溶 液 处 理 杉 木 材 试 样 ， 白腐菌 处 理 后 的 重 量 损 失 率 、 褐 腐 菌 处 理 后 的 重 量 损 失 率 符 合 文 物 修 复 的 要 求 ， 其 中 百 菌 清 乙 醇 溶 液 质 量 浓 度 最 佳 为0. 0 5 ， 白 腐 菌 处 理 后 的 重 量 损 失 率 为 3. 4， 褐 腐 菌 处 理 后 的 重 量 损 失 率 为2. 6， 重 量 损 失 率 最 小 。重 量 损 失 率 越 小 ， 防 腐 性 能 越 好 。 表4木材耐腐朽性质分级标准 Table 4 Classificatio n stand ard w o o d d ecay resistance pro perties 腐朽等级 腐朽程度 0 材质完好， 肉眼下无腐朽症状 1 表层有轻微腐朽 2 中度腐朽， 深度2〜5 m m， 面积达1/3 3 严重腐朽， 深度5〜10 m m， 面积达2/3 4 腐朽到损毁程度， 能轻易折断 2 . 7正 硅 酸 乙 酯 乙 醇 溶 液 处 理 木 材 试 样 前 后 的 色 差变化 选 用5块 杉 木 材 试 样 ， 试 样 的 规 格 与 试 验1相 同 ， 分 别 用 质 量 浓 度 为1 0 的 水 性 氟 水 溶 液 进 行 处 理 ， 处 理 方 法 与 试 验1相 同 ， 分 别 用 质 量 浓 度 为 0. 0 5百 菌 清 乙 醇 溶 液 处 理 杉 木 木 材 试 样 的 方 法 与 试 验2相 同 。分 别 用 质 量 浓 度 为1 0 、3 0 、5 0 、 70 , 9 0 的 正 硅 酸 乙 酯 乙 醇 溶 液 滴 渗 杉 木 材 试 样 262西北林学院学报 3 0卷 横 截 面 ， 用 喷 雾 器 分 别 将 质 量 浓 度 为1 0 、30 、 5 0、70、9 0 的 正 硅 酸 乙 酯 乙 醇 溶 液 均 匀 喷 洒 在 杉 木 材 试 样 表 面 ， 观 察 记 录 处 理 前 后 色 差 变 化 以 及 渗 透 时 间 的 改 变 ， 测 试 和 计 算 结 果 见 表5。 表5正硅酸乙酯乙醇溶液对杉木材试样处理后 色差及渗透时间的影响 Table 5 T h e influence o f co lo r d ifference and infiltratio n time after treated by T E O S 浓度 / 渗透时间渗透深度 △E 10 408 398 243 252 27 6 由 表5可 见 ， 用 质 量 浓 度 为1 0 〜9 0 的正硅 酸 乙 酯 乙 醇 溶 液 对 杉 木 试 样 的 渗 透 深 度 为1 . 6〜 2 . 9， 色 差 值AE为0 . 0 4〜1 . 2 3， 正 硅 酸 乙 酯 乙 醇 溶 液 的 最 佳 质 量 浓 度 为70， 色 差 值6， 符 合 文 物 修 复 要 求 ， 质 量 浓 度 为7 0 的 正 硅 酸 乙 酯 乙 醇 溶 液 处 理 杉 木 试 样 ， 渗 透 深 度 为2 . 9 c m。本 发 明 选 择 正 硅 酸 乙 酯 乙 醇 溶 液 的 质 量 浓 度 为5 0 〜9 0 ， 最 佳 质 量 浓 度 为7 0 。 结 合 以 上 测 试 数 据 分 析 发 现 ， 按 照 本 文 所 述 古 建 筑 木 构 件 原 位 防 腐 加 固 方 法 处 理 后 的 古 建 筑 木 构 件 表 现 出 优 良 的 防 腐 和 加 固 效 果 本 文 所 述 的 古 建 筑 木 构 件 防 腐 加 固 复 合 材 料 原 位 防 腐 加 固 处 理 过 程 简 单 ， 反 应 条 件 容 易 实 现 、 原 位 合 成 的 二 氧 化 硅 / 木 材 复 合 材 料 的 稳 定 性 能 好 ， 既 能 保 持 木 材 外 观 特 性 ， 木 材 处 理 前 后 色 差 变 化 不 大 ， 又 有 良 好 的 尺 寸 稳 定 性 ， 而 且 大 大 增 强 了 古 建 筑 木 构 件 的 表 面 硬 度 ， 有效 地 将 防 腐 加 固 试 剂 固 定 在 木 材 基 质 中 ， 从 而 实 现 了 对 古 建 筑 木 构 件 的 原 位 防 腐 加 固 。 2 . 8修 复前 后 对 比照 以 西 安 唐 皇 城 墙 含 光 门 博 物 馆 馆 藏 古 建 筑 木 构 件 金 柱 为 例 ， 参 照 本 文 所 述 原 位 防 腐 加 固 方 法 处 理 后 前 后 对 比 效 果 如 图5所 示 。 3结 论 木 材 细 胞 壁 作 为 木 材 骨 架 ， 它 为T E OS的硅化 提 供 了 一 个 结 构 上 的 框 架 ， 使 得 木 材/ 二氧化 硅 复 合 物 在 木 材 的 微 毛 细 管 系 统 的 纳 米 空 间 内 形 成 。其 次 ， 木 材 细 胞 壁 最 基 本 的 结 构 物 质 是 纤 维 素 ， 纤维素 等 具 有 活 性 基 团 的 组 分 直 接 参 与 并 控 制 二 氧 化 硅 成 核 和 生 长 ， 原 位 复 合 。腐 朽 木 材 经 过 调 湿 和 防 腐 试 剂 预 处 理 后 ， 再 采 用 截 面 浇 注 、 喷 涂 、 L注 射 的 方 式 使T E OS进 人 木 材 细 胞 壁 后 ， 通 过 扩 散 达 到 浓 度 平 图5修复效果图 Fig . 5 Pro tectiv e effect o f resto ratio n 衡 ， 在 细 胞 壁 纳 米 空 间 内 形 成 其 过 饱 和 溶 液 ， 纤维素 等 分 子 的 羟 基 与T E OS的 羟 基 相 互 作 用 连 接 后 ， 以 [ S i O . , ]为 基 本 组 成 单 元 ， 通 过 不 同 键 角 的S i O 31键 连 接 而 成 的 网 络 结 构 ， 这 种 二 氧 化 硅 空 间 三 维 网 络 与 木 材 纤 维 素 等 一 起 构 成 了 木 材 的 硬 化 组 织 ， 从 而 起 到 加 固 作 用 ， 并 有 效 地 固 定 了 防 腐 试 剂 ， 实现 古 建 筑 木 构 件 原 位 加 固 防 腐 。此 外 ， 前 期 研 究 工 作 表 明 ， 在 古 建 筑 木 构 件 加 固 之 前 ， 通 过 有 效 地 复 合 防 腐 试 剂 进 行 预 先 防 腐 处 理 ， 以 及 木 构 件 表 面 陈 旧 霉 斑 的 去 除 ， 不 但 有 利 于 下 一 步 加 固 试 剂 的 渗 透 处 理 ， 而 且 通 过 反 复 加 固 处 理 之 后 ， 对 防 腐 试 剂 与 木 构 件 基 质 的 相 互 作 用 也 起 到 了 加 固 稳 定 的 作 用 ， 实现了 木 材 与 无 机 复 合 材 料 在 分 子 水 平 上 的 原 位 复 合 ， 并 且 保 留 了 古 建 筑 木 构 件 原 有 的 优 良 环 境 学 特 性 ， 改 善 了 木 构 件 的 尺 寸 稳 定 性 ， 使 得 木 构 件 的 硬 度 和 防 腐 性 能 显 著 增 强 。 参 考 文 献 []张永禄.西安古城墙[ M ] .西安 西安出版社，2007 . 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Jo urnal o fNo rthw est Fo restry Univ ersity， 2 0 0 8， 23617 5-17 8. inChinese 下 转 第2 6 6贺 266西北林学院学报3 0卷 维 方 向 的 宏 观 纵 向 拉 伸 弹 性 模 量 表 达 式 一 致 [ 1 3]， 另 外 梁 的 弯 曲 模 量 和 纵 向 拉 伸 弹 性 模 量 近 似 相 等 [ 1 3]。 因 此 ， 可 推 导 出 垂 直 加 载 和 平 行 加 载 条 件 下 的 弹 性 模 量 相 同 。试 验 发 现 ， 马 尾 松 单 板 层 积 材 垂 直 加 载 和 平 行 加 载 条 件 下 的 弹 性 模 量 基 本 相 同 。说明理论 推 导 和 试 验 结 果 相 吻 合 。 马 尾 松 单 板 层 积 材 平 行 加 载 下 的 水 平 剪 切 强 度 大 于 垂 直 加 载 条 件 下 的 水 平 剪 切 强 度 。 由于木材剪 切 强 度 大 于 胶 层 剪 切 强 度 ， 马 尾 松 单 板 层 积 材 平 行 加 载 下 的 水 平 剪 切 强 度 大 于 垂 直 加 载 条 件 下 的 水 平 剪 切 强 度 。 参 考 文 献 [ 1 ]佘光.马尾松家具用材改性处理的几个问题[j]. 林业科技开 发，2 004，181 41-42. []李素瑕， 刘文金. 几种连接方式对脱脂马尾松家具结构强度的 影响[ ] .西北林学院学报，2014,291169-17 3. LI S X ，L I U W J. Effects o f j o int metho d s o n the structural streng th o f Pinus煎isso nicrna furniture [J]. Jo urnal o f No rth w est Fo restry Univ ersity，2 0 1 4，291 169-17 3. inChinese []孙静， 吴智慧， 黄秋陆， 等.层积材家具造型设计初探[ ]. 西北 林学院学报，2 0 1 2，27 1 251-254. S U N J ，W U Z H， H U A N G Q L ，et al . 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