歷史建筑木柱防腐措施研究

陳 彥，陳 琳，戴仕炳

(1. 溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州 325000； 2. 同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

0 引 言

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，溫州地區(qū)歷史木構(gòu)建筑木柱根部腐朽數(shù)量和比例非常驚人，甚至在有些木構(gòu)歷史建筑中，幾乎所有的木柱都需要進(jìn)行墩接和更換處理。例如溫州文成謝林大宅，在2010—2014年修復(fù)中，多達(dá)30余根柱子的根部進(jìn)行了墩接等處理(圖1)。為研究木柱根部腐朽的原因，選取了溫州永嘉渠口鄉(xiāng)的葉氏大宗和永嘉巖頭鎮(zhèn)蒼坡村的官祠堂作為研究對(duì)象，詳細(xì)記錄腐朽情況，分析木柱含水率的變化規(guī)律，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，提出保護(hù)措施。

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

1 現(xiàn)狀評(píng)估

1.1 現(xiàn)狀概況

1.1.1葉氏大宗 葉氏大宗位于浙江省溫州市永嘉縣渠口鄉(xiāng)下方村，占地面積約1200m2，座北朝南。宗祠由照壁、山門、前廳、戲臺(tái)、兩廂和正廳組成，主體平面呈日字形兩進(jìn)院落(圖2)。文革期間遭到一定程度破壞，現(xiàn)存建筑整體呈現(xiàn)明代特征。

圖2 葉氏大宗平面圖Fig.2 The plan of the Yes’ ancestral hall

1.1.2筆街官祠堂 筆街官祠堂位于溫州市永嘉縣巖頭鎮(zhèn)蒼坡村，建于明代，現(xiàn)存臺(tái)門與主堂均木構(gòu)建筑，保存完好，保留了明代建筑的特點(diǎn)，構(gòu)建簡(jiǎn)潔，屋脊升起，兩山出際大，減柱造，與清代建筑風(fēng)格差異較大(圖3)。其柱礎(chǔ)形式也采用木質(zhì)方柱礎(chǔ)(圖4)。

1.2測(cè)試技術(shù)與結(jié)果2014年8月，在調(diào)研中對(duì)選取了永嘉渠口鄉(xiāng)葉氏大宗和巖頭鎮(zhèn)蒼坡村官祠堂中幾個(gè)比較有代表性的柱子進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)和含水率測(cè)試。測(cè)試儀器為德國(guó)產(chǎn)溫濕度儀(testo 610)和德國(guó)產(chǎn)微鉆阻力儀(IML-RESI PD400)。

圖4 官祠堂的木柱礎(chǔ)Fig.4 The wooden base of ancestral hall in Brush Street

1.2.1葉氏大宗 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的8月份是永嘉地區(qū)最為炎熱的季節(jié)，太陽(yáng)暴曬使得木材的含水率明顯低于梅雨季節(jié)。即便如此，在一些通風(fēng)和日照條件不利的木柱根部，測(cè)得的木柱表層含水率已大于16%，甚至大于20%。木柱的損毀情況與木柱在建筑中的平面位置關(guān)聯(lián)密切。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，同根柱子的背陰面比朝陽(yáng)面含水率更高，更易受到霉菌的腐蝕。通風(fēng)良好的柱子比墻角或墻內(nèi)不易受到光照和通風(fēng)的柱子的含水率顯著降低，也更少受到病蟲害影響。這也間接證明，木材含水率過(guò)高是導(dǎo)致木材腐朽的關(guān)鍵原因(表1)。雖然葉氏大宗所用木料為永嘉當(dāng)?shù)厮a(chǎn)硬木苦櫧，不宜蟲腐，保存狀況基本完好，但木柱根部均有較大腐蝕。

而在2016年4月份的梅雨季節(jié)，當(dāng)再次對(duì)這些木柱子檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，很多柱子底部的含水率已經(jīng)高達(dá)49.5%， 且含水率依然符合從木柱根部到頂端遞

表1 2014/08/07溫州葉氏大宗木柱含水率

減的規(guī)律。含水率越高的部分，腐爛情況越嚴(yán)重。隨后，選取了祠堂平面中比較有代表性的幾個(gè)方位的柱子，這些柱子分別位于祠堂東南西北中5個(gè)方位。針對(duì)每個(gè)柱子，對(duì)其南北方向(N)和東西方向(W)分別在離木柱底端0，50，100和150cm這4個(gè)高度利用德國(guó)產(chǎn)微鉆阻力儀(IML-RESI PD400)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，幾乎所有被檢測(cè)的柱子都出現(xiàn)木柱底端腐朽遠(yuǎn)比木柱上部嚴(yán)重的現(xiàn)象(圖5)。這完全符合在現(xiàn)場(chǎng)的直觀判斷，并且與含水率的檢測(cè)也相互印證，即木柱的含水率從柱子底端到頂端遞減。

如何降低木柱根部的含水率是解決木柱根部腐爛的關(guān)鍵所在。那么木柱根部的水是從哪里來(lái)的？

木柱底部所接觸的石柱礎(chǔ)多半是青石或者花崗巖制成，能夠基本阻隔地下毛細(xì)水的上升。所以，基本可以斷定，木柱根部的水分來(lái)自于空氣中水蒸氣遇冷形成的冷凝水。

圖5 木柱阻抗儀數(shù)據(jù)圖Fig.5 IML data of wooden columns

1.2.2筆街官祠堂 為了研究木柱礎(chǔ)對(duì)地下毛細(xì)水的阻隔作用和對(duì)木柱的影響，選取了官祠堂的若干便于檢測(cè)的木柱礎(chǔ)及木柱，測(cè)定其含水率。含水率數(shù)據(jù)顯示，除了D-1木柱，其他木柱礎(chǔ)底部到頂部基本呈現(xiàn)含水率下降的趨勢(shì)，且含水率一般低于30%。木柱礎(chǔ)與木柱的纖維方向垂直，所以木柱礎(chǔ)中的水分并不會(huì)沿纖維方向進(jìn)入木柱內(nèi)，這樣就基本保證了木柱的含水率在20%以下，大大延長(zhǎng)了木柱的壽命(圖6)。實(shí)際調(diào)研確定，D-1木柱位于祠堂門口處，旁邊堆積了很多村民遺留的啤酒瓶，很多啤酒瓶中還有大量殘存的啤酒，，可能是這些灑落的啤酒不斷浸潤(rùn)著木柱， 所以大大增加了此柱的含水率。這也從另一角度說(shuō)明，木柱礎(chǔ)相對(duì)于石柱礎(chǔ)能較好地避免冷凝水的產(chǎn)生和上升。但是，對(duì)于地下毛細(xì)水的阻隔作用較弱。

圖6 官祠堂部分木柱礎(chǔ)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，可以將木柱礎(chǔ)看作是犧牲性材料，它吸收了地下毛細(xì)水，但水分并不沿木材纖維直接傳導(dǎo)至木柱，實(shí)際上是犧牲了木柱礎(chǔ)，保護(hù)了木柱。木柱礎(chǔ)先于木柱腐朽。因此，在修繕過(guò)程中，將木柱礎(chǔ)直接替換掉，便可解決腐朽問(wèn)題，極大地保護(hù)了木柱及以上部分的安全。相反，當(dāng)石柱礎(chǔ)與木柱接觸時(shí)，冷凝水對(duì)石材幾乎沒(méi)有損害，但水分直接沿木材纖維進(jìn)入木柱內(nèi)，導(dǎo)致木柱的腐朽，在這個(gè)過(guò)程中，木柱成為了犧牲性材料，率先腐朽，實(shí)在可惜。所以，木柱礎(chǔ)比石柱礎(chǔ)能更好地保護(hù)木柱及整個(gè)木建筑，是應(yīng)該大力提倡的。

2 機(jī)理分析

由于材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同，所以當(dāng)空氣中的各種物質(zhì)材料在熱量傳遞或者接受輻射時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)不同的溫度變化。以紅松順紋方向?yàn)槔膶?dǎo)熱系數(shù)是0.11～0.13w/(m·k)，冷杉木的導(dǎo)熱系數(shù)，全干狀態(tài)為0.09w/(m·k)，12%含水率狀態(tài)時(shí)為0.11w/(m·k)；而磚石材的導(dǎo)熱系數(shù)一般在2.00w/(m·k)以上[1]。這也就可以解釋，為什么在冬天用手觸摸同樣室外環(huán)境下，同樣溫度的木板和石材，會(huì)覺(jué)得石材更冰冷，而木板更溫暖。因?yàn)槭牡膶?dǎo)熱系數(shù)大，能迅速地將體表的熱量傳走，從而使手的表面溫度降低。當(dāng)木建筑環(huán)境一旦遭遇暖濕氣流時(shí)，空氣中的水蒸氣就會(huì)在導(dǎo)熱系數(shù)較大的石材表面先于木材表面凝結(jié)， 形成冷凝水。圖7顯示， 當(dāng)環(huán)境溫度下降到時(shí)，相對(duì)濕度不變，絕對(duì)濕度下降，空氣中的水分析出。而這部分冷凝析出的水分的去向也非常關(guān)鍵。

圖7 空氣中絕對(duì)濕度與相對(duì)濕度關(guān)系[5]Fig.7 The relationship between absolute humidity and relative humidity in air

在某一特定溫度下， 各種材料的等溫吸濕率是不同的。圖8顯示以下6種不同材料在20℃時(shí)的吸濕率。其分別對(duì)應(yīng)為1.實(shí)心黏土磚； 2.砂巖； 3.天然輕質(zhì)混凝土； 4.煤渣； 5.灰砂磚； 6.木(云杉)。從圖中可以看到，這6種材料的等溫吸濕能力是不同的。在同樣的相對(duì)濕度情況下， 從6.杉木到1.實(shí)心黏土磚的吸濕率(含水率)一一遞減。

圖8 不同材料的等溫吸濕率[7]Fig.8 The isothermal moisture absorption of different materials

考慮到石材的吸水率非常低，被石材本身吸收的水分幾乎可以忽略不計(jì)。因此，石柱礎(chǔ)表面產(chǎn)生的冷凝水主要有3個(gè)去向，1)順著木材纖維上升，到木柱中去；2)在風(fēng)和熱的作用下蒸發(fā)，回到空氣中；3)被石柱礎(chǔ)的底部的地面層吸收。如果木建筑所處的環(huán)境通風(fēng)良好，或者溫度較高，那么冷凝水可以通過(guò)渠道，迅速回到空氣中。相應(yīng)的進(jìn)入木柱，并保留在木柱中的水分就非常少。如果石柱礎(chǔ)底部的地面層材料屬于易吸水材料，且吸水率高于木材的話，那么，很多冷凝水可以通過(guò)渠道3進(jìn)去地面層，從而使進(jìn)入木材內(nèi)部的水分相應(yīng)減少。如果在通風(fēng)不利，或者水分不易蒸發(fā)的環(huán)境下，地面層的吸水率遠(yuǎn)小于木材的含水率(例如，地面層為青石鋪砌)，那么石柱礎(chǔ)表面的冷凝水自然會(huì)更多地通過(guò)渠道1進(jìn)入木材內(nèi)部。阻抗儀對(duì)木材勘測(cè)情況證明了木柱的腐朽程度也基本呈現(xiàn)從根部嚴(yán)重到頂部漸漸輕微的變化(圖5)，與直觀的觀察結(jié)果完全相符。

除此之外，紅外攝像也佐證了判斷結(jié)果。從圖9可以看出石柱礎(chǔ)上方直接接觸的木柱根部較之木柱上部溫度略低而濕度略高。木柱底部的水分來(lái)源于石柱礎(chǔ)表面的冷凝水的毛細(xì)作用。這些冷凝水通過(guò)毛細(xì)作用順著木材纖維內(nèi)部的導(dǎo)管向上流動(dòng)，所以木柱從根部到頂部會(huì)出現(xiàn)含水率遞減的情況。過(guò)多水分導(dǎo)致真菌引起的腐爛，霉菌引起斑點(diǎn)，昆蟲破壞，以及其他動(dòng)物受木材中水分的吸引造成破壞等等。當(dāng)含水量達(dá)到30%時(shí)，便達(dá)到了滿足真菌和霉菌的孢子生殖要求的條件[2]。

那么，如何避免冷凝水的產(chǎn)生，或者如何防止冷凝水的上升就成為防治木柱根部腐朽的關(guān)鍵所在。

圖9 石柱礎(chǔ)表面冷凝水的去向Fig.9 The presence of condensate on the surface of the stone-base

3 木柱端頭處理防治實(shí)驗(yàn)

除了避免冷凝水的產(chǎn)生，防止冷凝水上升也是解決木柱腐朽的可靠辦法。對(duì)此，做了以下調(diào)研和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)證明：防護(hù)材料可以較好阻隔毛細(xì)水上升。

在德國(guó)磚木混合結(jié)構(gòu)的規(guī)范中和中國(guó)磚石建筑施工做法中，都有為了避免地下毛細(xì)水上升而設(shè)置水平防潮層的做法。在德國(guó)DIN 18195-4規(guī)范中[3]規(guī)定，木梁離室外地面應(yīng)高于30cm，若室外地面是沙石等透水材料時(shí)，木梁與室外高差應(yīng)大于15cm?；蛘弋?dāng)木梁接觸磚石等材料時(shí)，其中間應(yīng)設(shè)置不小于5cm的水平隔離層。

在GB 50165—1992《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》[4]第6.3.4條規(guī)定“用作承重構(gòu)件或小木作工程的木材，使用前應(yīng)經(jīng)干燥處理，含水率應(yīng)符合下列規(guī)定：一、原木或方木構(gòu)件，包括梁、枋、柱、檁、椽等不應(yīng)大于20%。為便于測(cè)定原木和方木的含水率，可采用按表層檢測(cè)的方法，但其表層20mm深處的含水率不應(yīng)大于16%。而針對(duì)已建成木結(jié)構(gòu)中木構(gòu)件的含水率超過(guò)20%的情況，國(guó)內(nèi)規(guī)范仍屬空白。

鑒于木柱根部冷凝水的毛細(xì)作用會(huì)直接引起木材的腐爛和國(guó)外規(guī)范對(duì)毛細(xì)水采用防水隔離層進(jìn)行阻隔的經(jīng)驗(yàn)，特地選取了一些防水材料進(jìn)行試驗(yàn)，論證防水材料對(duì)木材性能的影響和作用。

1) 木材選擇。杉木，是南方地區(qū)，特別是溫州地區(qū)在古建筑修復(fù)中最常用的木材，造價(jià)適中，材料易于購(gòu)買和施工，有一定的防腐防蟲效果。因此，在試驗(yàn)中選取直徑為16～22cm，高度為25cm的杉木柱墩。

2) 防水材料選擇。市面上常見(jiàn)，施工中又比較常用的防水材料主要有聚氨脂類，丙烯酸脂類，“納米防水劑”，環(huán)氧樹脂，生桐油，熟桐油，亞麻籽油，生漆，油性瀝青，醇酸清漆，石蠟油等防水材料。本著環(huán)保無(wú)害的原則，實(shí)驗(yàn)最終選擇了較為現(xiàn)代的防水材料：A組聚氨脂類防水材料，B組丙烯酸脂類(BXS)防水材料，C組納米防水劑，F(xiàn)組環(huán)氧樹脂；同時(shí)也選取了較為傳統(tǒng)的防水材料：D組桐油，E組大漆，還有未經(jīng)過(guò)任何防水處理的O組作為對(duì)照。

為了能更直觀地比較不同處理方式下木材的吸水能力，特地將自來(lái)水中加入了同樣濃度的紅色墨水。為保證每個(gè)木柱的底面能夠和液體充分接觸，將所有的木柱置于高度為3.1cm的不銹鋼支架上，浸泡液面的垂直高度為3.5cm，保證木材浸泡在液面以下的深度為0.4cm(圖10)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，除去空氣流動(dòng)使得木材本身含水率降低的因素，經(jīng)A組聚氨脂類防水材料，E組大漆，F(xiàn)組環(huán)氧樹脂處理的木材吸水率接近于0，防水性能非常優(yōu)異。而未經(jīng)任何防水處理的O組木材吸水明顯，8天時(shí)間內(nèi)3個(gè)樣品分別吸水增重23.8%，21.1%，22.0%。且未經(jīng)防水處理的O組，大半部分已被染紅，底部出現(xiàn)明顯的霉菌(圖11～12)。

圖10 杉木柱墩浸泡于試液中Fig.10 Cedar pillars immersed in the test solution

圖11 經(jīng)過(guò)不同試劑處理的木柱吸水圖例Fig.11 A sample of the pillars treated with different test solutions

圖12 各組實(shí)驗(yàn)?zāi)局炯t對(duì)比結(jié)果Fig.12 The results of the compared samples

4 結(jié)論與展望

實(shí)踐中觀察到溫州眾多古建筑中木柱根部嚴(yán)重腐朽的情況與一處明末清初的筆街官祠堂中木柱保存良好形成的巨大反差是本研究的緣起。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查、木柱及木柱礎(chǔ)的含水率測(cè)定、阻抗無(wú)損檢測(cè)，印證了木材腐朽程度與木柱含水率高低的直接關(guān)系。進(jìn)而通過(guò)研究木柱的水分來(lái)源與去向，厘清了引起木柱腐朽的關(guān)鍵因素——冷凝水。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，木柱礎(chǔ)與石柱礎(chǔ)比較而言，前者更不易生成冷凝水，更易于吸收冷凝水，從而阻止冷凝水上升，避免了木柱腐朽。因此，木柱礎(chǔ)作為犧牲性材料，保護(hù)了木柱，保護(hù)了古建筑。

除了犧牲性材料，防水材料對(duì)木柱的保護(hù)也是本研究的一個(gè)重點(diǎn)。研究證明利用大漆、聚氨酯、環(huán)氧樹脂等防水材料對(duì)木柱底部進(jìn)行處理的辦法也可以有效地降低木柱的吸水率，從而解決木柱根部易吸水腐朽的問(wèn)題。其中，大漆類材料來(lái)源于自然界，古代中國(guó)和當(dāng)代的日本也一直沿用大漆制作的漆器作為餐具等，經(jīng)實(shí)踐證明非常安全。只是大漆類材料經(jīng)氧化之后，顯示墨黑色。如果直接用于裸露不施油漆類裝飾涂料的木構(gòu)件，其黑色對(duì)于視覺(jué)美觀有一定影響。樹脂類材料與木材貼合緊密，在寧波保國(guó)寺的案例中，也發(fā)現(xiàn)很多木柱于二三十年前，采用樹脂材料對(duì)腐朽的木柱空洞進(jìn)行修補(bǔ)，目前的勘察結(jié)果顯示，木柱與樹脂還是能較好地連接，沒(méi)有明顯的老化特征。聚氨酯類的防水材料彈性較好，木柱底部與柱礎(chǔ)產(chǎn)生較大的摩擦力，不易拔榫，較為牢固。這三種材料具有良好的防水性能，希望能對(duì)此三種材料做長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，研究其耐久性等其他性能，以便更好地解決木柱根部防水的問(wèn)題。

致謝： 感謝溫州永嘉地區(qū)文物主管部門積極配合我們?cè)趯?shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的工作，特致以感謝。

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