我國現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)防護措施在工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

李熠詩

（中建科技集團有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

2020 年 9 月，中國提出碳達峰、碳中和目標?！吨泄仓醒腙P(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標的建議》中指出，加快推動低碳發(fā)展，發(fā)展綠色建筑，降低碳排放強度。在建筑的全生命周期內(nèi)，木結(jié)構(gòu)的碳排放量低于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)［1，2］。但長久以來，木結(jié)構(gòu)發(fā)展受其耐久性限制，提高木結(jié)構(gòu)耐久性有助于木結(jié)構(gòu)建筑的進一步推廣。木結(jié)構(gòu)耐久性研究相對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有特殊性，實際工程中受溫度、濕度、太陽輻射、腐朽等自然因素和生物因素的綜合影響［3，4］。合理的防護措施能延長木結(jié)構(gòu)的使用壽命，并使其在一定時期保持良好外觀，在結(jié)構(gòu)與美學方面均具有良好的耐久性［5］。在實際工程中通過涂刷防護漆、藥劑處理及其他構(gòu)造措施等方法達到防水防潮、防腐、防蟲、防紫外線等目的。本文總結(jié)了影響木結(jié)構(gòu)耐久性的因素，并結(jié)合我國木結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范和標準對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的防護措施進行概述，提出我國現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)防護工程中存在的問題及改進建議。

1 木結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素

1.1 自然環(huán)境因素

自然環(huán)境對木結(jié)構(gòu)建筑的作用機理比較復雜，包括日照、風、雨、溫度等。太陽輻射是影響木結(jié)構(gòu)建筑耐久性的重要原因之一。日照使木材發(fā)生光化學反應(yīng)，木材中的木質(zhì)素、纖維素及半纖維素發(fā)生降解。木材的光老化最初表現(xiàn)為表面褪色，繼而穩(wěn)定性降低，使木結(jié)構(gòu)在外觀與強度上均受到影響［6-8］。

木材的含水率受溫度、降水、風等諸多因素影響，木構(gòu)件的含水率控制十分重要。木材具有濕脹干縮的特點，干縮形變?nèi)菀滓鹉静拈_裂、連接失效、氣密性保溫性降低，進而影響構(gòu)件強度，使木材易于腐朽發(fā)霉等，因此影響木結(jié)構(gòu)的耐久性［9］。濕脹形變一般由施工過程中的受潮引起，通常設(shè)置濕脹縫以避免平面外失穩(wěn)。此外，木材的腐朽和蟲蛀均與木材含水率有較強的相關(guān)性。

1.2 生物因素

影響木結(jié)構(gòu)耐久性的生物因素包括霉菌引起的表面污染、以木腐菌為主的真菌引起的腐朽和蟲蛀［10］。木材腐朽需要具備氧氣、一定的溫度和水分三個條件。腐朽常見于室外接近土壤的位置和室內(nèi)濕度大的位置，比如柱腳、屋蓋陰溝等，或由冷凝水引起的墻體內(nèi)腐朽［11］。解決木材腐朽的根本方法是干燥通風。我國木結(jié)構(gòu)的蟲害來源主要為白蟻蛀蝕。在高溫潮濕的南方地區(qū)，白蟻分布更為廣泛，危害更嚴重。

除了自然因素與生物因素外，木材本身的材料性質(zhì)也有差異。不同樹種的防腐性能、干縮程度、耐磨性、耐腐性以及對蟲害抵抗力均有差別。同一樹種的心材都比邊材耐久性高［12］。

2 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)防護措施

2.1 防水防潮

設(shè)計細節(jié)與生產(chǎn)控制都可以在一定程度上減緩濕度對木材的不利影響。不同的構(gòu)件種類和不同的使用地區(qū)對含水率的要求有所差別。通常情況下，層板膠合木（GLT）的含水率設(shè)計取值為 15 % 以下，正交膠合木（CLT）的含水率設(shè)計取值為 12 % 左右［13-15］。木材順紋和橫紋的收縮率相差很大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要考慮橫紋方向的變形。通過構(gòu)件出廠含水率與木結(jié)構(gòu)所在地區(qū)的平衡含水率可計算含水率之差，從而計算變形的影響。

在施工過程中主要通過構(gòu)造措施達到排水通風的目的。GB 50005－2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》和GB 55005－2021《木結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》作出了木結(jié)構(gòu)建筑防水防潮的一般規(guī)定，適用于輕、重木結(jié)構(gòu)設(shè)計。木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)有效利用周圍地勢、環(huán)境，減少圍護結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境中的暴露，并采取構(gòu)造措施減緩濕度對結(jié)構(gòu)的破壞。木結(jié)構(gòu)防水包括屋面防水、樓地面防水、外墻防水和細節(jié)防水，采用合理的節(jié)點設(shè)計、防水透氣膜（呼吸紙）及耐候漆等耐久性材料，可以達到排水、通風、提高氣密性的效果。木結(jié)構(gòu)防水防潮的通用做法總結(jié)為以下幾點。

1）利用建筑物外形、泛水材料、坡度設(shè)計等避免積水，使雨水偏離建筑物表面，促進局部排水，例如屋面挑檐和集水裝置的設(shè)計。

2）不應(yīng)將木構(gòu)件與土壤、砌體、混凝土直接接觸。在桁架和大梁支座下、木結(jié)構(gòu)構(gòu)件與混凝土等的接觸面應(yīng)設(shè)置防潮層，木柱下設(shè)置柱墩或墊板，不應(yīng)將木構(gòu)件直接封閉在墻體中、澆筑在混凝土或砌入砌體中。

3）木結(jié)構(gòu)隱蔽部位應(yīng)設(shè)置通風孔洞。

GB/T 50708－2012《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了膠合木結(jié)構(gòu)設(shè)計的構(gòu)造措施，主要包括防潮層或預(yù)留縫隙的設(shè)置、懸挑屋面坡度、外露結(jié)構(gòu)構(gòu)件的金屬蓋板保護或防腐處理等。DG/TJ08－2059－2009《輕型木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)規(guī)程》（上海市工程建設(shè)規(guī)范）對輕型木結(jié)構(gòu)的防水防潮構(gòu)造作出規(guī)定，包括基礎(chǔ)、地下室、架空層、墻體、門窗、屋面、屋頂露臺及陽臺防水。GB/T 50772－2012《木結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》對設(shè)計文件進行樓蓋、屋蓋、節(jié)點等細節(jié)補充。GB 50206－2012《木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》規(guī)定了木材含水率的檢驗方法。

2.2 防腐

木結(jié)構(gòu)的防腐主要根據(jù)設(shè)計使用年限、使用環(huán)境及木材材料性質(zhì)確定是否使用防腐木、防腐劑種類及處理方法。目前，市場上的防腐木材主要有三種：化學防腐木、深度炭化木和純天然防腐木。其中，大多數(shù)木材采用化學防腐，它通過破壞造成木材腐爛的細菌及蟲類的生存環(huán)境，達到防腐的效果。常用的防腐劑包括銅鉻砷（CCA）防腐劑、氨溶烷基胺銅（ACQ）防腐劑、銅唑（CA）防腐劑等，其中，CCA 防腐劑由于含有砷、鉻等成分，毒性較大，現(xiàn)已被歐盟、美國等國家禁用，目前全球使用最廣泛的防腐劑是 ACQ 防腐劑［16，17］。木材防腐處理方法分為常壓法和壓力浸注法。常壓法又針對干燥與未干燥木材分為涂刷法、噴霧法、噴淋法、浸漬法、冷熱槽法及擴散法。根據(jù)使用環(huán)境不同，按載藥量與透入度的要求采取相應(yīng)的處理方法［18］。在處理前構(gòu)件應(yīng)加工成最終尺寸，并進行去皮、干燥、刻痕等預(yù)處理，以保證防腐效果。

GB 50005－2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》規(guī)定了防腐木的應(yīng)用場景，并提出應(yīng)避免防腐劑引起金屬連接件的腐蝕，采用熱浸鍍鋅或不銹鋼產(chǎn)品。GB 55005－2021《木結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》除了對防腐木應(yīng)用的環(huán)境條件做出明確規(guī)定外，還對木結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)連接件、緊固件的鍍鋅層厚度、質(zhì)量等防腐保護做出具體規(guī)定。GB/T 27654－2011《木材防腐劑》規(guī)定了藥劑配方和技術(shù)指標，適用于木材防腐劑的生產(chǎn)及使用。GB 50206－2012《木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》對防腐木中藥劑的保持量和透入度作出規(guī)定。LY/T 3228－2020《加壓防腐處理膠合木》彌補了防腐膠合木質(zhì)量管理的欠缺，將防腐加壓處理膠合木使用環(huán)境分為五類，對含水率、載藥量、透入度等作出明確規(guī)定。

2.3 防蟲蛀

白蟻的防治應(yīng)以“預(yù)防為主，防治結(jié)合，綜合治理”為原則。GB 50005－2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》根據(jù)木結(jié)構(gòu)建筑白蟻危害程度將不同地區(qū)分為四個危害區(qū)域等級，根據(jù)不同區(qū)域等級采取不同措施。JGJ/245－2011《房屋白蟻預(yù)防工程技術(shù)規(guī)程》對白蟻預(yù)防工程的構(gòu)造設(shè)計、施工方法、檢測控制作出了技術(shù)規(guī)定。

目前，國內(nèi)外對木結(jié)構(gòu)防護的研究內(nèi)容包括光穩(wěn)定劑、保護涂層、無機金屬化合物和生物基防水劑處理木材、木材的化學改性、木材熱改性及木材與木材表面熱固性樹脂、糠醇和 DMDHEU 的改性等［19，20］。在大體量工程中能夠成熟應(yīng)用的技術(shù)還很有限，因為新的技術(shù)應(yīng)用涉及成本核算、環(huán)境影響評估、規(guī)模化生產(chǎn)可行性研究等多方面因素［21］。目前仍以表面涂刷耐候漆及傳統(tǒng)防腐劑防腐防蟲處理為主，并加以維護。

3 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)防護在工程中存在的問題

大多數(shù)情況下，膠合木構(gòu)件無需加壓防腐處理。但當使用環(huán)境容易使構(gòu)件腐朽時，需要對其進行加壓防腐處理。加壓防腐膠合木處理方法分為兩種，即先將層板構(gòu)件膠合然后防腐，或先防腐處理，干燥后再進行膠合。采用先膠合后防腐時，橋梁、室外大跨構(gòu)筑物等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的防腐處理容易受設(shè)備的限制，且采用水性防腐劑時構(gòu)件處理后很容易變形。GB/T 50708－2012《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，當使用水溶性防腐劑時，不得采用先膠合后處理的方式。我國防腐木企業(yè)銷售的防腐膠合木大多數(shù)是對進口膠合木進行防腐處理，因此大多數(shù)為先膠合后處理。采用先防腐后膠合時，防腐效果更好，但加工成本高，工序較復雜。防腐劑種類、木材種類、膠黏劑種類及處理工藝會影響膠合木的界面粘結(jié)性能［22-25］，同時影響力學性能［26］。LY/T 3228－2020《加壓防腐處理膠合木》對膠合木的防腐質(zhì)量作出具體要求，對規(guī)范防腐膠合木的行業(yè)發(fā)展具有積極作用。

國外對防腐木工程中的五金件尤其是緊固件防腐的研究較早，在 CCA 防腐劑被禁用后，緊固件等的腐蝕問題更加突出。緊固件的腐蝕會降低連接強度，同時還會使其周圍木材強度降低［27］。已有研究針對不同防腐劑處理的木材，在 PH 值、氧氣、水分、溫度及鹽類物質(zhì)等為控制條件下，比較不同類型緊固件的腐蝕反應(yīng)，提出防腐木金屬緊固件的使用壽命模型和設(shè)計程序［28－31］。預(yù)測氣候條件的影響，提出適用于現(xiàn)代可靠性工程設(shè)計規(guī)范的木結(jié)構(gòu)金屬緊固件設(shè)計方法，并對五金件或防腐劑新產(chǎn)品的評估提出了電化學腐蝕試驗方法等。目前，降低五金件尤其是緊固件腐蝕性的措施包括隔離法和電化學保護法。國內(nèi)開始逐漸重視木結(jié)構(gòu)工程中五金件與含銅防腐劑間的反應(yīng)：最新發(fā)布的 GB 55005－2021《木結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》相對于 GB 50005－2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》和 JG/T 489－2015《防腐木結(jié)構(gòu)用金屬連接件》對鍍鋅層的具體要求作出進一步規(guī)定。

4 結(jié)語

木結(jié)構(gòu)的耐久性不良是制約其發(fā)展的重要原因之一。完善現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)，并將傳統(tǒng)建筑材料與現(xiàn)代綠色建材有機結(jié)合，是擴展木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用的重要手段。我國加壓防腐膠合木的制作工藝仍然有待完善，高耐久性的防腐木連接件、緊固件等產(chǎn)品的深入開發(fā)對木結(jié)構(gòu)耐久性的提升具有重要作用。對工程中的防腐膠合木與防腐木緊固件應(yīng)進一步加強質(zhì)量監(jiān)督管理。綠色建材在政策環(huán)境與使用需求的推動下大力發(fā)展，包括生物質(zhì)復合材料、光伏儲能產(chǎn)品、綠色保溫材料、建筑節(jié)能玻璃等。利用木結(jié)構(gòu)的材料特性，使現(xiàn)代綠色建材與木結(jié)構(gòu)形成結(jié)構(gòu)、裝飾、防水、產(chǎn)能、保溫隔熱、隔聲等一體化設(shè)計，研究節(jié)點裝配工藝，優(yōu)化成本結(jié)構(gòu)，是提高木結(jié)構(gòu)建筑接受度與推廣度的有效途徑。