历史建筑木柱防腐措施研究

陈 彦，陈 琳，戴仕炳

(1. 温州职业技术学院，浙江温州 325000； 2. 同济大学，上海 200092)

0 引 言

经调查研究发现，温州地区历史木构建筑木柱根部腐朽数量和比例非常惊人，甚至在有些木构历史建筑中，几乎所有的木柱都需要进行墩接和更换处理。例如温州文成谢林大宅，在2010—2014年修复中，多达30余根柱子的根部进行了墩接等处理(图1)。为研究木柱根部腐朽的原因，选取了温州永嘉渠口乡的叶氏大宗和永嘉岩头镇苍坡村的官祠堂作为研究对象，详细记录腐朽情况，分析木柱含水率的变化规律，经过实验分析，提出保护措施。

图1 古建筑修缮中大量采用墩接Fig.1 A large number of columns in ancient buildings using timber-to-timber repair

1 现状评估

1.1 现状概况

1.1.1叶氏大宗 叶氏大宗位于浙江省温州市永嘉县渠口乡下方村，占地面积约1200m2，座北朝南。宗祠由照壁、山门、前厅、戏台、两厢和正厅组成，主体平面呈日字形两进院落(图2)。文革期间遭到一定程度破坏，现存建筑整体呈现明代特征。

图2 叶氏大宗平面图Fig.2 The plan of the Yes’ ancestral hall

1.1.2笔街官祠堂 笔街官祠堂位于温州市永嘉县岩头镇苍坡村，建于明代，现存台门与主堂均木构建筑，保存完好，保留了明代建筑的特点，构建简洁，屋脊升起，两山出际大，减柱造，与清代建筑风格差异较大(图3)。其柱础形式也采用木质方柱础(图4)。

1.2测试技术与结果2014年8月，在调研中对选取了永嘉渠口乡叶氏大宗和岩头镇苍坡村官祠堂中几个比较有代表性的柱子进行了无损检测和含水率测试。测试仪器为德国产温湿度仪(testo 610)和德国产微钻阻力仪(IML-RESI PD400)。

图4 官祠堂的木柱础Fig.4 The wooden base of ancestral hall in Brush Street

1.2.1叶氏大宗 进行实验的8月份是永嘉地区最为炎热的季节，太阳暴晒使得木材的含水率明显低于梅雨季节。即便如此，在一些通风和日照条件不利的木柱根部，测得的木柱表层含水率已大于16%，甚至大于20%。木柱的损毁情况与木柱在建筑中的平面位置关联密切。实验数据显示，同根柱子的背阴面比朝阳面含水率更高，更易受到霉菌的腐蚀。通风良好的柱子比墙角或墙内不易受到光照和通风的柱子的含水率显著降低，也更少受到病虫害影响。这也间接证明，木材含水率过高是导致木材腐朽的关键原因(表1)。虽然叶氏大宗所用木料为永嘉当地所产硬木苦槠，不宜虫腐，保存状况基本完好，但木柱根部均有较大腐蚀。

而在2016年4月份的梅雨季节，当再次对这些木柱子检测时发现，很多柱子底部的含水率已经高达49.5%， 且含水率依然符合从木柱根部到顶端递

表1 2014/08/07温州叶氏大宗木柱含水率

减的规律。含水率越高的部分，腐烂情况越严重。随后，选取了祠堂平面中比较有代表性的几个方位的柱子，这些柱子分别位于祠堂东南西北中5个方位。针对每个柱子，对其南北方向(N)和东西方向(W)分别在离木柱底端0，50，100和150cm这4个高度利用德国产微钻阻力仪(IML-RESI PD400)进行无损检测。检测结果表明，几乎所有被检测的柱子都出现木柱底端腐朽远比木柱上部严重的现象(图5)。这完全符合在现场的直观判断，并且与含水率的检测也相互印证，即木柱的含水率从柱子底端到顶端递减。

如何降低木柱根部的含水率是解决木柱根部腐烂的关键所在。那么木柱根部的水是从哪里来的？

木柱底部所接触的石柱础多半是青石或者花岗岩制成，能够基本阻隔地下毛细水的上升。所以，基本可以断定，木柱根部的水分来自于空气中水蒸气遇冷形成的冷凝水。

图5 木柱阻抗仪数据图Fig.5 IML data of wooden columns

1.2.2笔街官祠堂 为了研究木柱础对地下毛细水的阻隔作用和对木柱的影响，选取了官祠堂的若干便于检测的木柱础及木柱，测定其含水率。含水率数据显示，除了D-1木柱，其他木柱础底部到顶部基本呈现含水率下降的趋势，且含水率一般低于30%。木柱础与木柱的纤维方向垂直，所以木柱础中的水分并不会沿纤维方向进入木柱内，这样就基本保证了木柱的含水率在20%以下，大大延长了木柱的寿命(图6)。实际调研确定，D-1木柱位于祠堂门口处，旁边堆积了很多村民遗留的啤酒瓶，很多啤酒瓶中还有大量残存的啤酒，，可能是这些洒落的啤酒不断浸润着木柱， 所以大大增加了此柱的含水率。这也从另一角度说明，木柱础相对于石柱础能较好地避免冷凝水的产生和上升。但是，对于地下毛细水的阻隔作用较弱。

图6 官祠堂部分木柱础的含水率Fig.6 Moisture content of part of the wooden bases in ancestral hall of the Brush Street

在本祠堂案例中，可以将木柱础看作是牺牲性材料，它吸收了地下毛细水，但水分并不沿木材纤维直接传导至木柱，实际上是牺牲了木柱础，保护了木柱。木柱础先于木柱腐朽。因此，在修缮过程中，将木柱础直接替换掉，便可解决腐朽问题，极大地保护了木柱及以上部分的安全。相反，当石柱础与木柱接触时，冷凝水对石材几乎没有损害，但水分直接沿木材纤维进入木柱内，导致木柱的腐朽，在这个过程中，木柱成为了牺牲性材料，率先腐朽，实在可惜。所以，木柱础比石柱础能更好地保护木柱及整个木建筑，是应该大力提倡的。

2 机理分析

由于材料的导热系数不同，所以当空气中的各种物质材料在热量传递或者接受辐射时，会呈现不同的温度变化。以红松顺纹方向为例，它的导热系数是0.11～0.13w/(m·k)，冷杉木的导热系数，全干状态为0.09w/(m·k)，12%含水率状态时为0.11w/(m·k)；而砖石材的导热系数一般在2.00w/(m·k)以上[1]。这也就可以解释，为什么在冬天用手触摸同样室外环境下，同样温度的木板和石材，会觉得石材更冰冷，而木板更温暖。因为石材的导热系数大，能迅速地将体表的热量传走，从而使手的表面温度降低。当木建筑环境一旦遭遇暖湿气流时，空气中的水蒸气就会在导热系数较大的石材表面先于木材表面凝结， 形成冷凝水。图7显示， 当环境温度下降到时，相对湿度不变，绝对湿度下降，空气中的水分析出。而这部分冷凝析出的水分的去向也非常关键。

图7 空气中绝对湿度与相对湿度关系[5]Fig.7 The relationship between absolute humidity and relative humidity in air

在某一特定温度下， 各种材料的等温吸湿率是不同的。图8显示以下6种不同材料在20℃时的吸湿率。其分别对应为1.实心黏土砖； 2.砂岩； 3.天然轻质混凝土； 4.煤渣； 5.灰砂砖； 6.木(云杉)。从图中可以看到，这6种材料的等温吸湿能力是不同的。在同样的相对湿度情况下， 从6.杉木到1.实心黏土砖的吸湿率(含水率)一一递减。

图8 不同材料的等温吸湿率[7]Fig.8 The isothermal moisture absorption of different materials

考虑到石材的吸水率非常低，被石材本身吸收的水分几乎可以忽略不计。因此，石柱础表面产生的冷凝水主要有3个去向，1)顺着木材纤维上升，到木柱中去；2)在风和热的作用下蒸发，回到空气中；3)被石柱础的底部的地面层吸收。如果木建筑所处的环境通风良好，或者温度较高，那么冷凝水可以通过渠道，迅速回到空气中。相应的进入木柱，并保留在木柱中的水分就非常少。如果石柱础底部的地面层材料属于易吸水材料，且吸水率高于木材的话，那么，很多冷凝水可以通过渠道3进去地面层，从而使进入木材内部的水分相应减少。如果在通风不利，或者水分不易蒸发的环境下，地面层的吸水率远小于木材的含水率(例如，地面层为青石铺砌)，那么石柱础表面的冷凝水自然会更多地通过渠道1进入木材内部。阻抗仪对木材勘测情况证明了木柱的腐朽程度也基本呈现从根部严重到顶部渐渐轻微的变化(图5)，与直观的观察结果完全相符。

除此之外，红外摄像也佐证了判断结果。从图9可以看出石柱础上方直接接触的木柱根部较之木柱上部温度略低而湿度略高。木柱底部的水分来源于石柱础表面的冷凝水的毛细作用。这些冷凝水通过毛细作用顺着木材纤维内部的导管向上流动，所以木柱从根部到顶部会出现含水率递减的情况。过多水分导致真菌引起的腐烂，霉菌引起斑点，昆虫破坏，以及其他动物受木材中水分的吸引造成破坏等等。当含水量达到30%时，便达到了满足真菌和霉菌的孢子生殖要求的条件[2]。

那么，如何避免冷凝水的产生，或者如何防止冷凝水的上升就成为防治木柱根部腐朽的关键所在。

图9 石柱础表面冷凝水的去向Fig.9 The presence of condensate on the surface of the stone-base

3 木柱端头处理防治实验

除了避免冷凝水的产生，防止冷凝水上升也是解决木柱腐朽的可靠办法。对此，做了以下调研和实验研究。实验证明：防护材料可以较好阻隔毛细水上升。

在德国砖木混合结构的规范中和中国砖石建筑施工做法中，都有为了避免地下毛细水上升而设置水平防潮层的做法。在德国DIN 18195-4规范中[3]规定，木梁离室外地面应高于30cm，若室外地面是沙石等透水材料时，木梁与室外高差应大于15cm。或者当木梁接触砖石等材料时，其中间应设置不小于5cm的水平隔离层。

在GB 50165—1992《古建筑木结构维护与加固技术规范》[4]第6.3.4条规定“用作承重构件或小木作工程的木材，使用前应经干燥处理，含水率应符合下列规定：一、原木或方木构件，包括梁、枋、柱、檩、椽等不应大于20%。为便于测定原木和方木的含水率，可采用按表层检测的方法，但其表层20mm深处的含水率不应大于16%。而针对已建成木结构中木构件的含水率超过20%的情况，国内规范仍属空白。

鉴于木柱根部冷凝水的毛细作用会直接引起木材的腐烂和国外规范对毛细水采用防水隔离层进行阻隔的经验，特地选取了一些防水材料进行试验，论证防水材料对木材性能的影响和作用。

1) 木材选择。杉木，是南方地区，特别是温州地区在古建筑修复中最常用的木材，造价适中，材料易于购买和施工，有一定的防腐防虫效果。因此，在试验中选取直径为16～22cm，高度为25cm的杉木柱墩。

2) 防水材料选择。市面上常见，施工中又比较常用的防水材料主要有聚氨脂类，丙烯酸脂类，“纳米防水剂”，环氧树脂，生桐油，熟桐油，亚麻籽油，生漆，油性沥青，醇酸清漆，石蜡油等防水材料。本着环保无害的原则，实验最终选择了较为现代的防水材料：A组聚氨脂类防水材料，B组丙烯酸脂类(BXS)防水材料，C组纳米防水剂，F组环氧树脂；同时也选取了较为传统的防水材料：D组桐油，E组大漆，还有未经过任何防水处理的O组作为对照。

为了能更直观地比较不同处理方式下木材的吸水能力，特地将自来水中加入了同样浓度的红色墨水。为保证每个木柱的底面能够和液体充分接触，将所有的木柱置于高度为3.1cm的不锈钢支架上，浸泡液面的垂直高度为3.5cm，保证木材浸泡在液面以下的深度为0.4cm(图10)。

试验数据显示，除去空气流动使得木材本身含水率降低的因素，经A组聚氨脂类防水材料，E组大漆，F组环氧树脂处理的木材吸水率接近于0，防水性能非常优异。而未经任何防水处理的O组木材吸水明显，8天时间内3个样品分别吸水增重23.8%，21.1%，22.0%。且未经防水处理的O组，大半部分已被染红，底部出现明显的霉菌(图11～12)。

图10 杉木柱墩浸泡于试液中Fig.10 Cedar pillars immersed in the test solution

图11 经过不同试剂处理的木柱吸水图例Fig.11 A sample of the pillars treated with different test solutions

图12 各组实验木柱吸水染红对比结果Fig.12 The results of the compared samples

4 结论与展望

实践中观察到温州众多古建筑中木柱根部严重腐朽的情况与一处明末清初的笔街官祠堂中木柱保存良好形成的巨大反差是本研究的缘起。通过现场勘查、木柱及木柱础的含水率测定、阻抗无损检测，印证了木材腐朽程度与木柱含水率高低的直接关系。进而通过研究木柱的水分来源与去向，厘清了引起木柱腐朽的关键因素——冷凝水。

实验数据说明，木柱础与石柱础比较而言，前者更不易生成冷凝水，更易于吸收冷凝水，从而阻止冷凝水上升，避免了木柱腐朽。因此，木柱础作为牺牲性材料，保护了木柱，保护了古建筑。

除了牺牲性材料，防水材料对木柱的保护也是本研究的一个重点。研究证明利用大漆、聚氨酯、环氧树脂等防水材料对木柱底部进行处理的办法也可以有效地降低木柱的吸水率，从而解决木柱根部易吸水腐朽的问题。其中，大漆类材料来源于自然界，古代中国和当代的日本也一直沿用大漆制作的漆器作为餐具等，经实践证明非常安全。只是大漆类材料经氧化之后，显示墨黑色。如果直接用于裸露不施油漆类装饰涂料的木构件，其黑色对于视觉美观有一定影响。树脂类材料与木材贴合紧密，在宁波保国寺的案例中，也发现很多木柱于二三十年前，采用树脂材料对腐朽的木柱空洞进行修补，目前的勘察结果显示，木柱与树脂还是能较好地连接，没有明显的老化特征。聚氨酯类的防水材料弹性较好，木柱底部与柱础产生较大的摩擦力，不易拔榫，较为牢固。这三种材料具有良好的防水性能，希望能对此三种材料做长期监测，研究其耐久性等其他性能，以便更好地解决木柱根部防水的问题。

致谢： 感谢温州永嘉地区文物主管部门积极配合我们在实验现场的工作，特致以感谢。

参考文献：

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[3] DIN 18195-4.2000.5.2.1.2[S].

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