影响木构件耐久性的因素

对木材而言，作为生物质材料，影响其耐久性往往是内部因素和外部因素共同作用的，二者之间也互相影响。例如，木构件的失效一般是由于腐朽、老化等内部因素造成的力学性能降低，但环境的温湿度、水分和养分含量等这些外部因素又直接决定了腐朽菌群的生长和繁殖条件。

表1：影响木构件耐久性的因素

由于其遗传因子、生长环境等因素的综合作用，会使树木产生生长缺陷，木材的生长缺陷主要包括节子、伤疤、形状缺陷、应力木等。可以说任何健康的树木都可能存在局部的生长缺陷，但这些缺陷则会对结构用木材的质量产生很大影响，影响的范围包括外观观感、力学强度、耐久性等方面，如果生长缺陷位于构件的关键受力部位，则影响会更加严重。

以节子为例，节子是对木材材质性能影响最大的生长缺陷（图1）。其造成的影响是：①在节子周围，木材纹理产生局部紊乱，且颜色较深，破坏了木材外观的一致性，影响其美观性；②节子的硬度非常高，且主轴方向一般偏离树干的主轴方向，从而增大加工的难度，而且极易造成加工刀具的损伤；③由于节子的密度和纹理方向与周围正常木材组织不同，在含水率降低时，会使节子附近产生裂纹，死节脱落，破坏完整性；④节子会降低木材的顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度和弯曲强度，而这三者恰恰是结构用木材最为关键的材质性能指标。

图1：木构件中的节子缺陷

古建筑所处地区大的环境气候条件和局地小气候，都会对木构件的耐久性能产生影响，包括温湿度、紫外线、酸雨、季风等因素。

（1）温湿度的影响

一般情况下，木材的各项强度指标会随环境温度的升高而降低。当温度从25℃升高到50℃时，针叶材的抗压强度一般降低20%~25%，抗拉强度一般降低10%~15%。当木材长期处于60~100℃的情况下，由于组织中水分的蒸发，各项强度指标会明显下降，而且由于气温的变化会使木材吸收的水分冻结或融化，使得开裂变形也会增大。

木材所处的湿度环境主要由雨水和空气中的湿气组成。湿度条件的变化可以影响木材含水率的高低，而作为亲水性材料，木材中的水分不仅在光化学反应中起到催化剂的作用而使风化速度加快，还能够对木材中微生物的生长繁殖产生重要的影响。温度和含水率对木材顺纹抗拉和抗压强度的影响规律见图2。

图2：温度和含水率对木材强度的影响

由于木结构古建筑长期处于变化的外界环境中，受到温湿度变化的影响非常明显。开裂现象是古建筑木构件由于环境温湿度变化而出现的最常见残损形式，如大梁劈裂、柱身开裂、柱头受压劈裂、普拍枋开裂等，有时还会由于构件的开裂而造成榫卯连接的松动。

（2）紫外线的影响

木材的化学构造决定其能够很好地吸收太阳光。太阳光线的波长范围为300~1200nm，其中400nm以下波长为紫外线，400~700nm波长为可见光，700nm波长以上为红外线，这其中紫外线对木材表面风化造成的影响最大。木材中的木质素成分具有极易吸收紫外线和可见光的芳香核结构，在280nm波长附近吸收能力最强。因此，太阳光长时间照射到木材表面，会引起光化学反应，使木材发生变色和分解，造成木材的表面风化（图3）。

图3：木构件的表面风化

（3）酸雨的影响

酸雨的学名为大气污染的酸性沉降物，指的是pH小于5.6的雨水、冻雨、雪、雹、露等大气降水。酸雨对金属、石材、木材、混凝土等建筑材料均有很强的腐蚀性。针对于木材而言，有研究指出，pH为3.0 的雨水对木材造成的风化速度比pH为7.0的雨水要快约10%。酸雨不仅会加速木材中纤维素和半纤维素的老化过程，使木材膨胀，继而令木材半纤维素中的多糖酸水解；还会使木材颜色变黑，表面产生小凹坑。长时间的酸雨侵蚀，会对木构件产生显著的影响，降低其力学性能，严重破坏其结构承载力。

（4）季风气候的影响

中国中东部地区都处于温带和亚热带季风气候带。季风性气候的显著特点就是夏季受来自海洋的暖湿气流影响，高温潮湿多雨，多东南风向；冬季受来自大陆的干冷气流影响，气候寒冷，干燥少雨，多西北风向，例如，北京地区的全年风向频率如图4所示。季风气候对古建筑木构件耐久性的影响主要体现在两个方面：

图4：北京地区风玫瑰图

①雨热同期加速腐朽

本文上节内容中已经阐述，温湿度对木构件的耐久性会产生较大影响，而且适宜的温湿度和空气环境，更是木材腐朽菌生长和繁殖的“天堂”。因此，夏秋两季受东南季风影响，盛行南风和东南风，使古建筑中东、南两面的构件会遭受更加严重的雨水冲刷，如遇排水或通风不畅，则极易引起木构件的腐朽变质。

②干冷同期加大火灾隐患

中国中东部地区冬春干燥多风且寒冷，取暖需求旺盛。而木材又是一种易燃材料，如遇用火不慎，极易引发火灾，加之天干物燥，将加速火灾的蔓延。很多木构件由于年代久远，普遍含水率极低且木质疏松，自身空隙较多，极容易受热，又能够分解出可燃气体，因此会大大加快木材燃烧的速度。

3、持续荷载效应因素

木材是一种在荷载作用下兼具弹性变形能力和塑性变形能力的黏弹性材料。木材在超过强度极限外力的长期作用下，会产生等速的蠕滑，发生蠕变变形，经过长时间累积，会产生连续变形从而降低其承载能力（图5）。大量试验结果表明，长时间的超负荷持续荷载会令木材内部产生组织纤维变形而造成缺陷，从而引发材质性能各项指标的降低，因此，理论上而言，超负荷使用的木材其长期承载力远低于短期承载力，见表2。一般将木材在长时间持续荷载作用下不被破坏的最大强度称为持久强度，而通常木材的持久强度仅为极限强度的50%~70%。古建筑中的任何木构件都长期处于某一种受力形式的持续荷载状态下数十年甚至数百年，因此如果构件的树种选择不合理，或工程设计不合理，或因各种原因造成的构架体系变形和构件残损等情况，都可能会造成构件的持续荷载效应，使构件内部产生缺陷而被破坏。

图5：木材的蠕变曲线

4、含水率变化因素

木材内部含水率变化的不均匀，会使得木材内部产生内应力而发生膨胀和收缩，当应力不平衡时就会造成开裂和翘曲等缺陷。含水率是木材重要的物理性质之一，当木材的含水率在纤维饱和点以下时，随含水率降低，吸附水减少，细胞壁趋于紧密，木材强度增大，反之则强度减小。

表2：长期持续荷载对木材力学性能的影响规律

木材的含水率在纤维饱和点以下时，其胀缩效应随含水率的变化最为明显，吸湿明显膨胀变形，蒸发则明显收缩变形。通常情况下，木材的纤维饱和点含水率在23%~33%之间，而古建筑木构件的含水率则根据使用年限的不同而差异很大，使用年代较久远的旧木构件含水率往往低于10%，因此，这也是即使微弱的含水率变化就会使旧木构件产生裂缝的原因。木材的干缩率随方向、部位和树种的不同而不同，顺纹方向干缩率最小，径向次之，弦向最大；髓心木质部干缩率较大；密度大、晚材多的树种干缩率大。

5、虫蛀与微生物侵蚀因素

木材害虫主要是食材性昆虫和食菌性昆虫。木材的含水率不一样，蛀入产卵的害虫种类也不相同，这其中又分湿材害虫和干材害虫，二者通常以木材的纤维饱和点为界限。因此，对于古建筑木构件而言，大部分面临威胁最大的是干材害虫。干材害虫在木材中蛀食的过程中形成蛀道，深度在10mm 以上大蛀道或深而密集的小蛀道，不仅会严重破坏木材的完整性，降低其力学性能，还会成为腐朽菌群进驻的重要通道（图6）

微生物侵蚀是木材腐朽的主要原因之一，造成腐朽的微生物通常是真菌。真菌分为霉菌、变色菌和腐朽菌，这其中寄生在木材细胞壁中的腐朽菌，对木材的影响最大。腐朽菌通过分泌一种酵素，把细胞壁分解为供其生存的养分，从而导致木材的腐朽，严重时甚至会遭到彻底破坏。

图6：木构件的腐朽和虫蛀

真菌在木材细胞中生存和繁殖通常需要具备三个条件：适宜的湿度、温度和氧气含量。当木材的含水率在35%~50%，环境温度在25~30℃，又有充足空气的情况下，最适宜腐朽菌的生存和繁殖，木材也最易腐朽。因此，预防木材遭受腐朽的有效途径就是破坏或抑制腐朽菌生存所必需的条件，当木材含水率低于20%，环境温度高于60℃时，腐朽菌就不能生存和繁殖。而通常情况下，环境温度高于60℃基本不可能实现，因此预防木构件的腐朽，最主要的途径就是控制其含水率，并注意通风和除湿，另外，也可使用化学溶剂的防腐方法。

6、人为因素

在木构件的生产加工和修缮过程中，人为的不当操作往往也会直接或者间接地造成木材的缺陷，从而降低构件的耐久性。例如，在中国木结构古建筑的修缮工程中，铁件加固是常用的构件修缮手法，其初衷是好的，对构件进行补强，提高构件的力学强度，以期延长其使用寿命，但有时的效果却可能适得其反。铁质加固构件在长期的酸雨腐蚀过程中会释放出三价铁离子，严重破坏木材的细胞壁组织，使木构件在铁件加固的接触部位颜色变深甚至变黑，木质变软，从而导致力材质性能降低（图7）。

图7：木构架的铁件加固

此外，人类战争对古建筑构件的破坏也不容小觑。例如应县木塔，其本身就坐落于历史上中原和北方少数民族相互争夺的“拉锯”地带，战乱频繁，虽得以保留，但也留下了明显的战争痕迹，造成严重的创伤。木塔三层就曾在遭受炮击后，造成柱头枋撕裂、柱脚榫断裂等构件伤痕。

文章来源：《古建筑木构件材质性能与残损检测关键技术研究》--李鑫，图片版权归属原作者，如侵权请联系删除。