木构件腐朽程度的试验研究

赵 柔，邱洪兴，陈孔阳

（东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏 南京210096）

木材是一种生物质材料，其腐朽主要是受到真菌的侵蚀，其中以木腐菌对木结构的破坏最为严重。木腐菌会改变所寄生木材的物理和化学性质，造成木材颜色的变化和比重、强度的显著降低。木材腐朽影响木构件承载力的主要原因是引起了木构件横截面的有效面积、弹性模量和强度的减小。针对腐朽对木构件受力性能及耐久性影响的研究，国外的起步较早研究且内容也较多，而国内对于腐朽的研究起步则略晚一些。

质量损失率是研究木材耐腐性常用的指标。Wilcox[1]认为，木材的初期腐朽可以定义为质量损失率小于或等于10%时的木材腐朽，木材的初期腐朽对木材力学性质的影响非常大，木结构腐朽的研究重点是初期腐朽。澳大利亚以Leicester R．H．[2-4]为首的CSIRO研究机构从上世纪九十年代开始进行这方面的研究，他们分别对地下埋置的木材、地面上的木材、在海洋环境下的木材的随时间变化的腐朽规律进行长期的系统的理论和试验研究，初步得到了木材腐朽规律。Curling等[5-7]采用一种新的模拟初期腐朽的试验方法，对腐朽初期木材质量损失率、力学强度与化学组成变化之间关系的进行了深入研究。在国内，中国林业科学研究院的杨忠和江泽慧等[8-9]对木材的初期腐朽规律进行了研究，并探究出木材加速腐朽的试验方法。王雪亮等[10]进行了为期6个月的加速腐朽试验，表明木材力学性能退化具有阶段性。

从上述研究可以看出，木材的初期腐朽阶段对于探究木构件的耐久性最具研究价值，但是国内外大量的木材腐朽研究都集中于腐朽条件、木材强度、弹性模量、腐朽后木构件承载力的影响上，而腐朽对于木构件力学性能的影响以及与时间的关系方面的研究则很少。

笔者通过一种室内加速腐朽试验方法，利用无损检测技术，以期找到适用于木构件的腐朽程度的衡量指标，并得出其与木材的强度退化以及木构件承载力退化之间的关系。探究木构件腐朽等级的评定方法以及分析木构件的腐朽速率及其发展规律，对木结构的寿命预测至关重要。

1 试验方法

1．1 试样选择及编号

采用樟子松作为试样材料，选用取自同一批次的两块木材，分别命名为A、B两组，所有小试样、饲木都要求无木节、腐朽、裂纹等缺陷。抗弯材性试样尺寸为20 mm（R）×20 mm（T）×300 mm（L），长度为顺纹方向；顺纹抗压材性试样尺寸为 20 mm（R）×20 mm（T）×30 mm（L），长度为顺纹方向。每组12个，共设4组。试样分组编号表如表1所列。在表1中，编号中的字母代表试件取自的木材；编号-1是抗弯材性试样，-2是顺纹抗压材性试样，-3是留作测定阻力曲线的试样。

试样饲木同样取自樟子松，尺寸500 mm×50 mm×5 mm，每组布置2块饲木，共需要 8 块，饲木编号为 S1-1，S1-2；S2-1，S2-2；S3-1，S3-2；S4-1，S4-2。加工好的试样如图1所示。

表1 试样分组及编号

1.2 菌种及培养基配制

试验用的绵腐卧孔菌菌种（编号：CFCC5608）购自中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所菌种保藏中心，使用PDA培养基进行扩大培养，如图2所示。

图1 加工好的试样

图2 扩大培养后的菌种

试样河砂培养基具体做法参考国家标准《木材耐久性能》（GBT 13942.1-2009）[12]。

本次试验共需4组培养基，每组培养基配比如下：

河沙：4 500 g；锯屑：450 g；玉米粉：255 g；红糖 30 g；6 瓶蒸馏水（500 mL 规格，已溶 13 g的 PD 粉；菌种接种每小组接半块培养皿的量）。

1.3 培养箱改造及试验环境箱

由于试样的尺寸较长,无法按照现有标准的要求选用玻璃瓶作为腐朽试验的容器，因此试验采用长×宽×高为380 mm×250 mm×200 mm的纸板箱作培养箱,用聚乙烯袋作为纸板箱的内衬层，如图3所示,并对袋口做特殊处理，既能保证试样的培养环境与外界环境隔离，又能保证袋内绵腐卧孔菌生长所必需的氧气供应。

试验环境箱采用恒温恒湿环境箱，如图4所示。

图3 未接种的干燥培养基

图4 恒温恒湿环境试验箱

2 试验过程

2.1 接种前准备

接种前，先将所有试样在50℃烘箱，如图5所示，中烘干6 h后在（103±2）℃下烘8 h后测质量，之后每隔2 h测一次，直至恒重（两次差值≤0.5%），称取质量m0，精确到0.001 g。

2.2 接种

如图6所示接种操作全过程在无菌条件下进行，把在培养皿生长8 d的菌丝，用无菌刀片切取为菌丝块（带有琼脂培养基），然后用酒精消毒过的镊子将菌丝块接入已拌匀的培养基的中间部位，如图7所示。

图5 烘干试样

图6 接种全过程

图7 未接种的干燥培养基

2.3 培养及试样受菌腐朽

待培养基（约20 mm厚）和饲木表面长满菌丝，约7～10 d后，放入1-4组试样开始受菌侵染，如图8和图9所示。将袋口用消毒纱布包扎紧后放入温度为（25±2）℃，相对湿度75%～85%的恒温恒湿试验箱中开始受菌侵染，环境箱设置为温度25℃、相对湿度RH80%。

图8 长满菌丝的培养基

图9 放入试样后的培养基

2.4 检测

腐朽时间从接种后开始计时，分别在第2、4、6、8周分别取1、2、3、4组试样进行检测。每次检测内容包括目测腐朽等级、木材阻抗仪无损检测、失重率测定以及试样力学性能测试等。

2．4．1 目测

每次取一组试样，首先目测腐朽情况并记录。

常用的腐朽程度分级方式是根据 《木材天然耐久性试验方法：木材天然耐久性野外试验方法》[13]进行划分的，具体划分如表2所列。

2．4．2 无损检测

采用木材阻抗仪IML．Resi F400S（如图10所示）对一个抗压试样（每组的-3）进行检测，如图11所示，垂直于年轮方向向髓心钻针，得到阻力曲线。部分阻力曲线如图12所示。

表2 木材腐朽等级划分

图10 木材阻抗仪

图11 木材阻抗仪进行检测

图12 阻力曲线

2．4．3 失重率测定

试样取出后，轻轻刮去试样表面菌丝和杂质，在50℃烘箱中烘干6 h后在（103±2）℃下烘8 h后测质量，之后每隔2 h测一次，直至恒重（两次差值≤0．5%），称取质量m1，测定其失重率，见下式

2．4．4 力学性能测试

质量测定完成后将小试件放置在20℃、65%相对湿度中，调节回平衡含水率9%～15%（需21天左右），然后参照 《木材抗弯强度试验方法 （GB/T 1936．1-2009）》[14]、《木材抗弯弹性模量测定方法 （GB/T 1936．2-2009）》[15]以及《木材顺纹抗压强度试验方法（GB/T 1935-2009）》[16]，进行相应的材性试验，测得抗弯弹性模量、抗弯强度（每组的-1）、顺纹抗压强度（每组的-2）。根据木材材性测定标准，可以采用同一试样，先测定抗弯弹性模量，后进行抗弯强度试验。

采用WDW-50E电子万能试验机测定小试件的抗弯弹性模量、抗弯强度以及顺纹抗压强度，见图13。

2.5 试验结果及分析

2．5．1 目测结果

每次取一组试样，首先目测腐朽情况并记录。腐朽2、4、6、8周的四组试样目测腐朽情况分别见图14-17。

图13 试样材性试验

图14 第1组腐朽情况

图15 第2组腐朽情况

图16 第3组腐朽情况

图17 第4组腐朽情况

通过目测可以明显看出，随着腐朽时间的增长，其表面的腐朽面积明显增大，腐朽状况明显加深。由木材腐朽等级划分的目测结果如表3所列。

2．5．2 失重率结果

四组试样的失重率测定结果（包括最大值、最小值、平均值）如表4所列，其中失重率平均值的变化情况如图18所示。可以看出，A组木材试样的失重率随腐朽时间增长而增大，但第四组的失重率增大不明显；B组木材试样在腐朽前四周失重率显著增大，而在腐朽四至八周失重率略有减小。这可能是由于木材试样本身的离散性较大，样本数量不够大，且称重过程受环境因素影响较大，因此其失重率测定结果的误差以及离散性较大。但总体上，A、B两组试样的失重率均随腐朽时间的增长有明显的增大趋势。

表3 目测结果

表4 失重率结果

2．5．3 材性试验结果

四组试样的力学性能测试，包括顺纹抗压强度、抗弯强度以及抗弯弹性模量，其降低百分比的平均值分别如图19-21所示。可以看出：无论顺纹抗压强度、抗弯强度还是抗弯弹性模量的平均值均随着腐朽时间的增长有明显的下降趋势，且在腐朽第4～8周下降显著。可以推测，在一定的腐朽时间范围内，试样的力学性能下降程度与时间可能不是成线性关系，而是呈指数关系。这也与目测结果相对应。

图18 四组试样失重率平均值的变化

图19 四组试样顺纹抗压强度降低百分比

图20 四组试样抗弯强度降低百分比

图21 四组试样抗弯弹性模量降低百分比

3 结论

通过试验研究，得到以下结论：

（1）采用的恒温恒湿环境箱内加速腐朽试验方法用于探究木构件腐朽程度随时间的变化情况是可行的。

（2）随着腐朽时间的增长，木构件的顺纹抗压强度、抗弯强度以及抗弯弹性模量均呈明显的下降趋势，且后段时间下降更为显著，这也与目测评定结果相对应。

（3）木构件的失重率随腐朽时间增长大体呈增大趋势，尤其是腐朽的前段时间，失重率显著增大。但可能由于木材本身的离散性较大，且称重受环境因素影响较大，后段时间变化并不显著。