談古建筑木材維護所使用的應力波無損檢測

鄭承光

中華民族是有著博大久遠古老文明的優良民族，這種文明持續了 5000年而不曾中斷。在中華文明古國這片熱土上，在悠久的歷史長河中涌現出了一大批的藝壇巨匠，他們給我們留下了豐富的文化和物質遺產，構成了獨特而燦爛的中華文明景觀。迄今為止，我國已有29處文物古跡、歷史名城和自然景區被列入世界遺產名錄，成為繼意大利、西班牙之后的第三大遺產國。還有 100多個項目被列入遺產預備清單中，居全世界首位，已經成為遺產大國。但在我國，古建筑的現狀令人擔憂，我國 5000年的建筑精髓文化岌岌可危，特別是古建筑的保護方面，古建筑的保護工作已迫在眉睫。

1 應力波無損檢測技術的使用背景

我國的古建筑多為木結構或內部使用大量木材的建筑體系，是世界上公認的三大建筑體系之一和唯一以木結構為主的建筑體系。因此，對使用幾百年甚至上千年的木結構的保護成為我國古建筑維護和修繕過程中的重中之重。目前我國古建筑維修工作，主要采用肉眼觀察和用錘子敲擊來判斷木結構部件有無孔洞或腐朽，然后確定這些木構件是否更換，人為因素影響較大，判斷的準確率較低。

木材無損檢測技術是一門新興的、綜合性的木材非破壞性檢測技術，從20世紀50年代開始發展起來，近十幾年才得到迅速發展。傳統的木材物理、力學性質檢測大都是采用檢測儀器或力學試驗機對規定尺寸、規格、表面形狀或所能承受的最大載荷進行測定。這種方法檢測時間長、條件苛刻、穩定性和重現性差，且不適于非破壞、在線生快速檢測。無損檢測木材或木質材料的物理力學性質，可在不破壞木材及木質材料本身的形狀、原有結構和原有動力狀態的前提下，利用當今的物理方法和手段快速測量出木材及木質材料的尺寸、規格、表面形狀和基本物理力學性。目前應用于實踐中的無損檢測方法已達數十種，其中應力波無損檢測技術是對木材及木質復合材料性質檢測時最常用的方法，也取得了良好的使用效果。

2 應力波無損檢測技術的工作原理

木材是天然生長的植物材料，與各向同性材料如金屬、玻璃、塑料、陶瓷制品等有著巨大的不同，具有形狀不規則性及變異性和各向異性的特點，因而對木材及其制品的無損檢測有其獨特性，也有著許多困難。應力波無損檢測最大特點是既不破壞材料的原有特性，而且能在短時間內獲得期望的結果，以便操作人員迅速作出判斷，有利于連續生產和提高生產效率，還有利于作出正確的決策。

木材的聲學特性是應力波無損檢測的物理基礎，它的基本原理是當木材的一端受到敲擊作用(機械作用)時，木材內部就會產生應力波(機械波)的傳播，通過特定的設備和裝置測定應力波傳播時間的變化來判斷木材的性質，如腐朽、缺陷以及計算木材的動彈性模量等。

3 應力波無損檢測技術的分類與應用

木材應力波無損檢測技術包括橫向應力波技術和縱向應力波技術，其中橫向應力波技術主要用于檢測木材內部是否含有腐朽或孔洞等缺陷，而縱向應力波技術則主要用于測定木材的動彈性模量，從而預測木材的力學強度和力學性質。

3.1 橫向應力波技術

橫向應力波無損檢測技術，是通過比較相同距離木材應力波傳播時間的長短，來判斷木材內部是否腐朽或含有孔洞等缺陷。對健康木材來說，應力波的傳播路徑是直線，而腐朽木材和內部含有孔洞缺陷的木材，應力波的傳播路徑則為曲線，傳播時間相應地就會增加。一般當木材發生腐朽或蟲蛀時，應力波的傳播時間和速度會受到嚴重的影響，垂直于木材紋理方向的傳播時間明顯增加，傳播速度則急劇減小，因此檢測木材橫向(徑向或弦向)應力波傳播速度是探測木材內部是否腐朽或蟲蛀的最佳途徑。通常當應力波傳播時間增加 30%時，就意味著木材強度損失達到50%;當傳播時間增加 50%時，就意味著木材遭到了嚴重損害。

3.2 縱向應力波技術

縱向應力波無損檢測，是將儀器的兩個傳感器沿長度方向釘入需要測定的木材試樣，一般α≤45°。當用錘子敲擊其中的任何一個傳感器時，就會在木材內部產生應力波，當另一個傳感器接收到應力波信號的時候，儀器就會顯示應力傳播的時間，通過測定兩傳感器之間的距離，由公式(1)即可確定應力波在木材中的傳播速度:

其中，v為應力波的傳播速度，m/s;L為應力波測定儀兩傳感器之間的距離，m;t為應力波測定儀記錄的時間，s。

由木材的聲學性質可知，當試樣厚度與波長相比可以忽略不計時，木材的動彈性模量MOED與應力波傳播速度v及木材的密度p之間存在著如下關系:

其中，MOED為木材動彈性模量，MPa;p為木材的基本密度，g/cm3;v為應力波的傳播速度，m/s。

木材傳聲特性的物理參數與木材的力學性質有著內在的聯系，木材的彈性模量則是表征木材力學性能最基本和最重要的指標之一，通過測定應力波在木材中的傳播速度和木材的密度，由公式(2)即可確定其動彈性模量，從而可以對木材力學性質進行有效的預測。在木結構古建筑的保護中，常常利用此法測定不同舊木構件的殘余動彈性模量，從而確定木構件的殘余力學強度，再與同樹種健康木材的力學強度值進行比較，得出舊木構件的強度衰減率。

4 結語

如何在盡量不破壞原有木結構的前提下，科學地檢測舊木構件是否存在腐朽或蟲蛀，定量地測定使用若干年后的舊木構件的材性和物理力學性質的衰減百分比以及殘余力學強度，確定木構件是否需要加固或更換，是古建筑勘察設計和制定古建筑維修方案時急需解決的一個難題。而應力波無損檢測技術的使用大大改善了這一困境，解決了這一難題。目前，國外一些發達國家在木質材料無損檢測方面的研究已經非常深入，在一些工廠已經實現了由電子計算機控制的自動化檢測和人工智能化檢測。與世界先進水平相比，我國在這方面的研究起步較晚，成果也不多，但我們相信，在廣大科學工作者的不懈努力下，隨著現代科學技術和木材工業的發展以及國家經濟實力的不斷增強，再加上有關部門的逐漸重視，在我國的古建筑木結構無損檢測領域必將出現更多的研究成果并應用于生產實際中，無損檢測有著廣闊的發展前景。

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