故宫养心殿区古建筑望板老化状况分析

王 辉， 张 典*， 张文博， 符瑞云， 管 成， 张厚江

(1.故宫博物院，北京 100001；2.北京林业大学，北京 100083)

木材作为建筑材料在户外长期使用过程中，由于光照、湿度、氧气、微生物以及周围空气中的化合物等外部环境因素的影响，不可避免会出现变形、翘曲、开裂、虫蛀、腐朽、变色以及化学组分降解等老化现象，导致木构件力学性能下降，影响木建筑的安全性及使用性能[1]。评价木构件的老化状况，分析其成因，对于及时掌握古建筑的安全性，以及制定适宜的加固和保护等方面的科学方案，并采取相应的保护措施是非常必要的。古建木构件老化状况研究主要包含以下几方面的意义：①正确掌握木构件用材的属性特点以及用材技巧；②正确把握影响自然环境中木构件经时老化的主要原因，为维修防护提供针对性的保护方案；③保护、继承和发扬承载着人类文明的精神文化财富。

故宫养心殿建成于16世纪，文献记载曾于清雍正时重修，乾隆年间添建、改建，嘉庆年间修缮，以及后期多次小规模修缮。2018年故宫博物院正式启动养心殿修缮工程，距上次较大规模整体修缮已有200多年时间。养心殿木结构建筑使用的木构件中梁、柱、枋等承重木构件的树种以楠木、落叶松为主，飞椽、檐椽等辅助性木构件主要使用马尾松、杉木等小径级材种。本次修缮时，从拆卸的梁、柱、枋等主要木构件外观上判断，部分木构件存在腐朽现象；而飞椽、望板等辅助性木构件裸露或者半裸露在自然环境中，因真菌、虫蛀等原因，外观上同样出现不同程度的腐朽状况，部分木构件需要进行更换、补修等处理。

望板在木结构建筑中主要平铺覆盖在椽子之间的空档上，通常与椽子方向平行铺设，然后铁钉固定，其厚度一般为2.5～3.5 cm。铺装外观整齐，便于室内油饰、彩画，多用在宫殿建筑上；飞椽上铺设的望板多为横向铺设，板与板之间的接茬处刮成斜茬，以便搭接(工匠们称之柳叶缝)。搭接铺设后的望板施以防腐、保护层以后，主要起到承托屋面的灰背和瓦件的作用。另外，望板直接与屋顶接触，长期使用过程中由于雨水渗漏，真菌的侵蚀，外观上腐朽状况较其他木构件更为严重。从取样的望板木构件样品观察到，绝大部分望板向外的一侧出现不同程度的蛀蚀情况，严重的已经粉末化，如图1所示。

图1 望板样品实物照片

本研究以望板作为养心殿区古建筑木结构老化状况的代表性木构件，在材种鉴定的基础上，通过化学组分定量分析，红外光谱、X射线衍射、热重等定性分析方法，结合力学性能测试的结果，共同对木构件的老化状况展开分析。本文对老化状况的分析主要指以望板腐朽程度展开研究。

1 试验材料和方法

1.1 取样样品制备及材种识别

养心殿区古建筑拆卸的望板木构件，长度约1.5～2.5 m，厚度约2.5 cm，几乎都存在不同程度的腐朽，腐朽多见于屋顶一侧，朝室内一侧则保存良好。根据材面腐朽深度的差异，将腐朽程度(深度)>0.5 cm的望板定义为严重腐朽，其他定义为一般腐朽。随机选择其中20块两种腐朽程度不同的望板，使用圆锯锯制边长2 cm方块，用于材种识别。通过实验室传统的软化、切片、染色、显微镜观察、特征性解剖要素提取、标准图谱比对的方法，经鉴定严重腐朽及一般腐朽望板的树种均为落叶松(Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen.)，则选取现代材落叶松作为对照材。将鉴定剩余的两种不同腐朽程度的望板及现代材落叶松通过高速多功能粉碎机(304型，永康市铂欧五金制品有限公司)研磨，过筛得到60～80目木粉，分袋收集，用于后续化学组分、相对结晶度以及红外光谱等的分析与检测。将三种试样试验结果进行比较，以评价养心殿区古建筑望板木构件的老化状况。

1.2 化学组分分析

参照GB/T 10741-2008《纸浆苯醇抽出物的测定》测定苯醇抽出物含量；根据GB/T 2677.10-1995《造纸原料综纤维素的测定》和GB/T 744-1989《纸浆纤维素的测定》测定综纤维素和α-纤维素含量；酸不溶木质素的含量测定参照美国材料实验协会ASTM D1106-1996《木材中酸不溶木素的标准试验方法标准(Klason木质素)》进行。化学组分定量分析时每组样品进行三个平行试验，结果取平均值。

1.3 X 射线结晶衍射测量

试验中采用SHIMAZU9600型X射线衍射仪，X光管为铜靶，管电压为45 kV，管电流为35 mA，步宽为0.2°，扫描速度为2°/min，样品扫描范围为5°～40°，得到三种试样的X射线衍射图谱，并采用峰面积法计算相对结晶度。

1.4 红外光谱采集

试验采用Nicolet 6700的傅里叶变换红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectrometer)进行衰减全反射红外光谱分析(attenuated total reflection Fourier transform IR，ATR-FTIR)，样品槽为ZnSe晶体，入射角为45°，测试范围4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描次数为32次。

1.5 热重分析

试验设备采用WATERS Company Q50型热重分析仪进行热重分析(Thermal gravimetric analysis，TGA)。样品使用量为5～8 mg，铂金坩埚，保护气体为氮气，平衡气体为40 mL/min，样品气体流量为60 mL/min，以10 ℃/min的速率从室温升至650 ℃来获得热解过程曲线。

1.6 力学性能检测与分析

本研究分别对严重腐朽、一般腐朽望板木构件及落叶松新材参照GB/T 1936.1-2009《木材抗弯强度试验方法》与GB/T 1936.2-2009 《木材抗弯弹性模量测定方法》进行力学性能(静曲强度 MOR及静态弹性模量 MOE)试验，将严重腐朽、一般腐朽望板分别加工尺寸为180 mm×20 mm×hmm(因望板腐朽状态不同，以实际尺寸h为厚度计算力学性能)的试样各150块，并加工尺寸300 mm×20 mm×20 mm的落叶松新材试样30块，用于对比老化材和新材的力学性能。试验设备采用微机控制人造板试验机(MWW-50，济南耐尔试验机有限公司)。

2 试验结果与分析

2.1 望板的X射线衍射分析

养心殿区古建筑望板鉴定材种为落叶松木材(Larix gmelinii(Rupr.)Kuzen.)。落叶松树姿挺拔，纹理通直，力学强度性能优越，还具有良好的防虫防腐性能，在古代建筑中常用作承重木构件结构用材。一般腐朽和严重腐朽的养心殿区古建筑望板以及现代材落叶松的化学组分定量分析结果见表1。

表1 现代材落叶松与望板化学组分比较 %

从表1中养心殿区古建筑望板与现代材落叶松结果比较可以发现，腐朽程度加深，综纤维素、α-纤维素的含量出现相应的降低，其中α-纤维素的含量下降非常明显，严重腐朽望板约为现代材的一半。此外，另一主要化学组分木质素相对含量增加。在木材三种主要化学组分中，纤维素作为骨架物质填充在以半纤维素和木质素组成的基体物质当中，起到增强木材整体强度的作用。从化学分析结果来看，首先，长期使用的望板木构件纤维素降解/分解非常严重，意味着其力学强度下降至少为原落叶松构件材料的50%以上。其次，纤维素通常是多种寄生性昆虫的营养源，望板木构件覆盖于瓦件及隔热防潮层之下，阴凉潮湿，易于聚集蛀蚀寄居性昆虫，从图1的望板木构件样品照片可见，在木构件端面发现直径1～3 mm大小不等的虫眼(活体昆虫未见)。因此，可以判断，木构件中α-纤维素大量降解/分解的主要原因是寄生性昆虫的蛀蚀所致。木质素作为木材中的光敏成分，在望板中因不与日光直接作用，因此可以推断其相对含量的增加原因与纤维素相对含量的下降有关，而非其绝对含量的增加所致。

2.2 望板的X射线衍射分析

养心殿区古建筑望板与现代材落叶松的结晶衍射图谱如图2所示。现代材落叶松以及望板在衍射角14.6°、22.5°出现纤维素I型特征衍射峰[2]。另外，严重腐朽望板除了上述纤维素I型特征衍射峰外，还分别在2θ分别为12.3°、21.9°以及26.5°出现衍射峰，这些峰为纤维素II型特征衍射峰[3]，表明严重腐朽望板的纤维素晶型结构为二相共存。通常木质纤维素在强碱作用下其羟基重排能够形成纤维素II型构造。本研究中，严重腐朽望板中存在有纤维素II型晶型构造，其成因有待于进一步分析。

图2 现代材落叶松及望板纤维素结晶衍射分析

木材细胞壁中纤维素结晶结构的变化影响其晶区大小、晶胞参数和结晶度。木材的相对结晶度实质就是纤维素结晶区占纤维素整体的百分率。结晶度的变化与木材的尺寸稳定性、硬度、纤维的抗拉强度及密度有着密切的关系[4]。通过峰面积法计算木构件望板及现代材落叶松中的相对结晶度含量如图3所示。现代材落叶松和望板中的相对结晶度分别为32.7%、27.4%和38.4%，一般腐朽望板的相对结晶度最低，仅为27.4%。一般腐朽望板在降解过程中，部分结晶区转变为无定形状态，导致相对结晶度的下降。相比于一般腐朽望板，严重腐朽望板中的无定形区降解量明显高于一般腐朽望板，相对结晶度随着纤维素含量的下降而增加明显。纤维素含量下降、纤维素相对结晶度增加，是木构件变脆、力学性能降低的主要原因。

图3 现代材落叶松及望板相对结晶度比较

斋藤等[5]分析了始建于1 500年的木建筑暴露于室外的承重木柱，结晶度为10%～13%之间。该木构件因裸露于自然环境中，日光对木质素的降解是该木构件老化的主要原因，未出现纤维素蛀蚀降解等现象。本研究中，望板老化主要由于木材高分子材料中多糖类组分降解所致，与斋藤等的研究结果明显不同。因此，木构件室内与室外暴露使用时，光照、雨水等自然条件对木材物理性质的影响差异非常大。此外，袁诚等[6]对发掘古木化学组分分析结果的研究表明，长期埋藏的古木，木材的纤维素和半纤维素降解严重。本研究中通过对木构件望板和现代材落叶松的化学组分定量分析，发现相对于现代材，望板中纤维素和半纤维素均出现不同程度降解，与袁诚等的研究结果类似。

2.3 望板的红外光谱分析

2.4 望板的热重分析

热重分析法是分析生物质热解特性的常用方法，木材的热解过程本质上是木材主要化学组分的热分解，微观上反映有机物化合物分子间结合的强弱，宏观上体现木材的力学强度。在木材的各主要组分中，与纤维素和半纤维素相比，构成木质素的芳香族分子构造具有更多的“碳”，在热解过程中更倾向于形成残炭剩余物。本研究通过热解对比不同腐朽程度的望板热解特性差异，分析长期使用木构件化学组分间的相互作用。望板木构件与落叶松现代升温速率10 ℃/min下的失重率TG曲线如图5所示。木材中主要化学组分中，热稳定性依次为：半纤维素<木质素<纤维素。由化学组分定量分析结果可知，望板中含有更高的木质素以及更低的α-纤维素含量，由图5中可以看出望板热解开始温度明显低于现代材。本研究中，落叶松、一般腐朽以及严重腐朽望板试样热解温度分别为265 ℃、239 ℃和209 ℃，落叶松现代材热解温度(图中箭头处)明显高于望板木构件，而三者的热解结束温度则分别为380 ℃、364 ℃以及351 ℃。以上结果表明，随腐朽程度的增加，热解温度范围变窄，表明望板木构件化学组分因纤维素的降解而减弱。热解完成后，落叶松残炭率约为20%，而腐朽严重望板则为40%左右，约为落叶松现代材的2倍，这是由于腐朽严重望板中具有更高的木质素含量所致，该结果与化学组分分析的结果相对应。红外光谱分析结果显示，望板木质素大分子与现代材相比含有较少侧链和甲氧基(-OCH3)。研究表明，木质素大分子的侧链越丰富，热稳定较差的醚键、甲氧基越多，木素大分子的热稳定性也就越差[10]。

图5 现代材落叶松及望板热重分析比较

2.5 望板的力学性能

望板试样力学测试结果如图6所示。图6(a)为三种试样MOR和MOE的相关性，图6(b)为严重腐朽望板力学强度MOR和MOE相关性的扩大图，图6(a)显示所有试样强度和MOE之间呈现较好的相关性。腐朽严重望板力学强度损失较大，约为落叶松现代材的1/6。与落叶松现代材相比，严重腐朽望板强度与MOE相关性具有更大的一次回归系数，表明其脆性更大。纤维素组分作为木材天然高分子材料力学强度的增强相，是木材力学性能的骨架物质。木构件中综纤维素含量下降、纤维素相对结晶度增加，半纤维素的降解导致纤维素半结晶区的相互作用减弱，使得纤维素微纤丝构造变得松散，这也是木构件变脆力学性能降低的主要原因。因此，严重腐朽的望板具有较低的纤维素以及较高的相对结晶度，宏观上表现为力学强度降低，脆性增加。

图6 现代材落叶松及望板力学性能及严重腐朽望板力学性能

3 结论

本研究通过对养心殿区古建筑望板木构件的木材解剖观察，材种鉴定为落叶松；选取两种腐朽程度不同的望板木构件与现代材落叶松进行老化状况分析，得到如下结论：

(1)随着腐朽程度的增加，望板中的综纤维素、α-纤维素相对含量逐渐降低，进而严重腐朽望板的相对结晶度随着纤维素含量的下降而明显增加；

(2)纤维素的降解使严重腐朽望板的力学强度损失最大，强度和弹性模量大幅低于现代材；

(3)养心殿区古建筑望板长期使用在阴冷、潮湿的环境中，主要受到环境中酸、碱、盐以及细菌、软腐真菌的影响，推断该木构件的腐朽主要原因可能为寄生性昆虫以及褐腐菌等以纤维素和半纤维素为营养源的生物、微生物腐朽为主。