故宫养心殿区古建筑望板老化状况分析

2021 年 6 月

林业机械与木工设备FORESTRY MACHINERY & WOODWORKING EQUIPMENTVol 49 No. 6Jun.2021研究与设计故宫养心殿区古建筑望板老化状况分析王辉J张典心，张文博S符瑞云S管成S张厚江2(1.故宫博物院，北京100001；2.北京林业大学，北京100083)摘要：以养心殿修缮为契机，对拆卸下的望板木构件在材种鉴定的基础上，对其进行化学组分定量分 析,测定各化学成分相对含量的状况;采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)以及热重(TG)等表征手段，分

析了望板木构件的相对结晶度及组分中化学基团的变化；结合力学性能试验评价望板的力学强度变化；比较

老化材与现代材的测试结果分析和评价望板的老化状况。结论如下：①望板综纤维素含量降解严重，仅为现 代材的1/2,而相对结晶度较高，推断该木构件降解机制为以多糖类化学组分为营养源的寄生性昆虫以及褐

腐菌为主;②随着腐朽程度的增加，由于多糖类组分的严重降解，构成望板高分子化合物之间的结合作用降

低，热稳定性降低，热解温度范围变窄，且残炭率大幅增加，约为现代材的2倍;③由于纤维素的降解，望板脆

性增加，强度和弹性模量大幅低于现代材。关键词：养心殿区古建筑；望板;化学组分；老化状况中图分类号:TS612

文献标识码:A

文章编号：2095 -2953(2021)06 -0059 -06Analysis of the Deterioration Condition of Roof Boarding of Ancient Buildings in the Hall of Mental Cultivation of the Forbidden CityWANG Hui1, ZHANG Dian1 * , ZHANG Wen-bo2, FU Rui-yun2, GUAN Cheng2, ZHANG Hou-jiang2(1. The Palace Museum, Beijing 100001, China ；2. Beijing Forestry University, Beijing 100083 , China)Abstract: Taking the repair of the Hall of Mental Cultivation as an opportunity, this paper involves quantitative analy­

sis of the chemical composition of the removed roof boarding components based on the wood species identification of

the wooden components, and determination of the relative content of each chemical composition. By means of charac­

terization methods such as X-ray diffraction (XRD) , infrared (IR) and thermal gravimetric (TG) ,the relative crystal­linity and change of chemical group in the composition of roof boarding wooden components were analyzed. The me­

chanical strength variation of roof boarding was evaluated coupled with the mechanical properties, with the experimen­tal results of aging wood and modem wood compared to analyze and evaluate the aging condition of roof boarding,收稿日期:2021 -01 -08基金项目：北京市科学计划公益应用类项目(Z090506016609002)；故宫博物院横向项目(2020HXFWGXY007)第一作者简介：王 辉(1970-),男，工程师，学士，主要从事古建筑修缮与保护研究,E-mail ：2827904490@ qq. como*通讯作者：张 典(1985 -)，女，高级工程师，硕士，主要从事古建筑研究与保护,E-mail：zhangdianl26@ 126. com060林业机械与木工设备第49卷with conclusions as follows: severe degradation of holocellulose was found in the roof boarding, of which the content of

cellulose was only 1/2 that of modem wood while the relative crystallinity of aging wood was relatively higher than

that of modem wood, based on which it was inferred that the deterioration mechanism of roof boarding wooden compo­nents mainly consisted of parasitic insects using the chemical components of polysaccharides as nutrition sources and brown-rot fungi. With the degree of decay increasing, due to the severe degradation of polysaccharide components, the binding effect between the macromolecular compounds const luting the roof boarding decreased, the thermal stability

decreased, the range of pyrolysis temperature became narrow and the rate of carbon residue increased dramatically, a-

bout twice as much as modem wood, to be about w让h increasing deterioration degree. W让h the degradation of cellu­lose ,the brittleness of roof boarding increased while the strength and the modulus of elasticity were significantly lower

than those of modem wood. Due to the degradation of cellulose, the biittleness of the roof boarding increased, with the

strength and elastic modulus significantly lower than those of modem wood.Key words: ancient buildings in the Hall of Mental Cultivation ； roof boarding structural lumber ； chemical composi­

tion ；degradation condition木材作为建筑材料在户外长期使用过程中，由 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

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 茬，以便搭接（工匠们称之柳叶缝）。搭接铺设后的

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⑴。评价木构件的老化状况,分析其

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

成因，对于及时掌握古建筑的安全性，以及制定适宜 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

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

样品观察到，绝大部分望板向外的一侧出现不同程

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

度的蛀蚀情况，严重的已经粉末化，如图1所示。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、杭

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、柿等主要木构件外

图1望板样品实物照片观上判断,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

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

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

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

的空档上，通常与椽子方向平行铺设，然后铁钉固

要指以望板腐朽程度展开研究。第6期王 辉，等:故宫养心殿区古建筑望板老化状况分析611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（Larix gmelinii （ Ru-

pr. ^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，永康市钳欧五金

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a-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 Fou­

rier 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\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）O样品使用量为5 ~8 mg,钳金圮竭，保护气体

为氮气，平衡气体为40 mI7min,样品气体流量为

60 mL/min,以10 %：/min的速率从室温升至650 °C

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M0R及静

态弹性模量M0E）试验，将严重腐朽、一般腐朽望板 分另！I加工尺寸为180 mm x20 mm X h mm（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 X 20 mm x 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 %化学组分现代材落叶松一般腐朽望板严重腐朽望板苯醇抽提物5. 6923. 8245.088综纤维素70. 6662. 5449.532纤维素46. 3042. 2823.92木质素22. 9926. 7234. 20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、a-纤维

素的含量出现相应的降低，其中a-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

62林业机械与木工设备第49卷整体强度的作用。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a-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⑵。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2。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⑶，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轻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。mW

逗

5

25

35

40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⑷。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% o 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。6020现代材落叶松一般腐朽望板 重腐朽望板图3现代材落叶松及望板相对结晶度比较斋藤等㈤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,袁诚等同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现代材落叶松及望板的红外光谱如图4所示。

红外光谱分析为有机物分子结构的常用分析方法, 通过红外光谱分析,能够揭示腐朽程度不同木材的

化学成分变化。图4中,4 000 ~3 300 cm\"是一处很 强的0—H伸缩振动吸收峰,3 000 ~2 800 cm\"处是第6期王 辉，等:故宫养心殿区古建筑望板老化状况分析63C-H伸缩振动吸收峰,这两个峰是木材在红外光谱 中的基本特征峰［\"。在红外光谱的指纹区（1 800 ~

800 cm\"）内提供了木材各种官能团的有用信息。

位于 1 730 cm'1 J 630 cm\"、l 360 cm\"、893 cm'1 分别归属于半纤维素中乙酰基或竣酸的C—0伸 缩振动、半纤维素中共辄双键上的c =0拉伸以 及纤维素、半纤维的C-H变形以及纤维素C-H的 弯曲振动⑷。由这四处的吸收峰可以发现，现代材 落叶松的吸收峰明显高于其他两种腐朽望板的吸收

峰，并且随着腐朽程度的增加，这四处吸收峰强度逐 渐降低,尤其在严重腐朽望板中，这些吸收峰几乎检 测不到，这说明随着腐朽程度的增加,综纤维素受到

严重降解。1 590 cm \\l 510 cm\"处的吸收峰分别

归属于木质素中苯环骨架振动以及芳香环振动⑼，

在1 590 cm\"处为木质素上甲氧基（-OCH3）伸缩 振动峰，严重腐朽和一般腐朽望板试样中,均能检测 到此处吸收峰，而现代材落叶松此处的吸收峰相对 不明显。此外，由图4还可以看出，严重腐朽试样在

该峰的吸收强度高于一般腐朽试样，类似的这一现 象在1510 cm\"处的吸收峰也可观察到。由以上的

红外光谱分析可知,随着腐朽程度的增加,综纤维素 降解严重,而木质素的含量相对较高,结果与以上化

学组分定量分析结果一致。另外，腐朽试材的表面 均呈深褐色，并发现其横截面出现大小不一的蛀蚀

空洞，因此认为望板的腐朽为生物（真菌）降解,主要 是褐腐菌破坏所致。这是因为褐腐菌主要破坏纤维

素，也会分解少量木质素,被其破坏的木材表面呈深 褐色，木材中间出现纵横交错的块状裂隙。---现代材落叶松 -…一般腐朽望板 ••……严重腐朽望板氟

•n.e畫

4 000 3 500

3 000 2 500 2 000 1 500

1 000 500波数/cm-1图4现代材落叶松及望板红外光谱分析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 °C/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血纤维 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 P、239 T和

209 T，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 °C、364 °C以及351 °C。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（-0CH3）o研究表明，木质素大分子的侧链越丰 富，热稳定较差的醞键、甲氧基越多，木素大分子的 热稳定性也就越差少］O008 o

或褂舊*6 o

删

4O

200

100 200 300 400 500 600 700温度代图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心）为64林业机械与木工设备第49卷三种试样M0R和M0E的相关性，图6(b)为严重腐 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

朽望板力学强度M0R和M0E相关性的扩大图，图6

(a)显示所有试样强度和M0E之间呈现较好的相关

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

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M0E相关性具有更大的一次回归系数，表明

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。40其脆性更大。纤维素组分作为木材天然高分子材料

1601±2080303结论本研究通过对养心殿区古建筑望板木构件的木

[4]

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、

[6]

a-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

[8]

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。参考文献：[1]

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204010o o03 000

6 0009 000 12 000 0400 800 1 200 1 600弹性模量(MOE)/MPa(a)试样力学性能弹性模量(MOE)/MPa(b)局部扩大图图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nique on the ease of fibrillation of cellulose II nanofibers from wo-

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