膠合木板腐蝕作用因分析和防治

李赫

引言

板作為結(jié)構(gòu)中的受力重要構(gòu)件在大跨橋梁﹑工業(yè)和民用建筑中應(yīng)用十分廣泛，尤其在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，雙向板經(jīng)常作為重要課題得到國內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注。近年來，膠合木結(jié)構(gòu)由于其自身強(qiáng)度高﹑施工簡便﹑綠色環(huán)保﹑造型美觀的特點(diǎn)在歐美國家得到廣泛應(yīng)用，由于木材屬于易受環(huán)境等作用腐蝕的各向異性材料，國內(nèi)關(guān)于膠合木結(jié)構(gòu)的研究和發(fā)展仍在起步階段，關(guān)于膠合木板的腐蝕作用的研究更是少之又少。因此，研究膠合木板的腐蝕作用因素和機(jī)理，將加快推動我國現(xiàn)代膠合木結(jié)構(gòu)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)綠色材料應(yīng)用的推廣，構(gòu)建環(huán)境友好型和節(jié)約型社會。

本文通過選取東北落葉松為原料，膠黏劑選為間苯二酚甲醛樹脂，通過對國外關(guān)于木材受侵蝕作用的因素和機(jī)理的總結(jié)歸納，分析膠合木雙向板腐蝕作用因素和機(jī)理，歸納和比較膠合木板腐蝕作用的檢測與防治措施和問題。

木材腐蝕作用因素和機(jī)理

1.水分

木材中的水分在腐蝕作用中發(fā)揮了很多作用，對于真菌來說，水分為它提供了產(chǎn)生腐化木結(jié)構(gòu)所需酶的媒介。當(dāng)水分浸入木材的時(shí)候，微分子結(jié)構(gòu)會發(fā)生膨脹直至達(dá)到其纖維飽和度（大約木材含水量的30%）。在這一點(diǎn)上，大量的自由水進(jìn)入木材細(xì)胞空間，然后大量的真菌開始侵蝕木材。水分的大量膨脹是為了給真菌酶提供進(jìn)入木材細(xì)胞的渠道，加快了腐蝕的速度。

2.溫度

大多數(shù)有機(jī)物會在一個(gè)適宜的溫度下繁殖，這個(gè)適宜溫度的變化范圍是21攝氏度-29攝氏度；然而，它們可以在一個(gè)更大的溫度變化幅度范圍中生存。在低于0攝氏度時(shí)，大多數(shù)有機(jī)物的新陳代謝速率減緩，或者它們產(chǎn)生一種抵抗物質(zhì)幫助它們度過不利于它們生存的時(shí)期。當(dāng)溫度上升超過冰點(diǎn)時(shí)，它們會再次侵蝕木材內(nèi)部，雖然有一些物種有著極強(qiáng)的耐高溫能力以至于在39攝氏度時(shí)仍然能夠繁殖，但是但溫度上升到32攝氏度時(shí)，侵蝕作用的速率迅速下降，當(dāng)溫度上升超過32攝氏度時(shí)，有機(jī)物的成長速率會下降。大多數(shù)有機(jī)物在這一溫度條件下都會死亡，同時(shí)，大家普遍認(rèn)為木材暴露在66攝氏度的溫度條件下達(dá)到75分鐘以后，木材內(nèi)所有的腐蝕性真菌都會被消滅。

在木結(jié)構(gòu)橋梁的相關(guān)文本中，溫度是不可控制的因素，但是監(jiān)測者應(yīng)該意識到在生物作用更強(qiáng)的溫室環(huán)境中，腐蝕作用會變得更加嚴(yán)重。這個(gè)因素已經(jīng)與降雨量結(jié)合被應(yīng)用于發(fā)展建立氣候的索引和參考，通過對溫度和降雨量的分析和描述來建立一個(gè)地區(qū)的木結(jié)構(gòu)腐蝕作用的參考。雖然這種索引和參考并沒有考慮不同地區(qū)天氣模式的一些變化，但是它確實(shí)為評估和防護(hù)木材腐蝕作用提供了相對有價(jià)值的參考。

3.真菌

真菌是一種簡單的，似植物的有機(jī)生物。它損害和利用木材是由于木材是它們的食物來源。在顯微鏡的觀察下，它們像網(wǎng)絡(luò)一樣在木材細(xì)胞間游走，絲狀般的菌絲體直接從木材內(nèi)部長出或者直接穿透木材細(xì)胞壁（圖1）。當(dāng)菌絲體伸長時(shí)，會產(chǎn)生能夠腐化細(xì)胞膜，木質(zhì)素的酶然后將腐化的物質(zhì)進(jìn)行消化。一旦真菌從木材中獲取足夠的能量，它們會產(chǎn)生一種有性或者無性可結(jié)果的形體然后傳播可以入侵其他樹木的胚種。結(jié)出果實(shí)的形體產(chǎn)生大量菌絲體，這些菌絲體不斷生長和繁殖最終產(chǎn)生數(shù)百萬計(jì)的胚種（圖2）。這些胚種通過風(fēng)，昆蟲以及廣闊大地上其他一切媒介廣泛傳播。最終導(dǎo)致大量木材在溫度，水分適宜真菌生存的情況下飽受真菌侵蝕。

雖然真菌侵蝕作用在歷史上有過記載，但是直到1878年R.Harting才準(zhǔn)確描述了真菌菌絲體與木材腐化作用的關(guān)系。甚至到今天，我們持續(xù)發(fā)現(xiàn)新的真菌物種以及研究寄生在木材表面的真菌物種關(guān)系。盡管有數(shù)以百計(jì)的真菌物種，侵蝕木材的真菌物種可以被分為三類：霉菌，染色真菌，腐真菌。它們在很多方面很相似，但在對木材的侵蝕作用上有著本質(zhì)的不同。

4.昆蟲

昆蟲是地球上最普遍的物種之一，并且毫無意外地，大量的種類擁有發(fā)達(dá)的能力來利用木材作為庇護(hù)和食物。26種昆蟲中，就有6種能造成木材的損害。白蟻（白蟻目），甲殼蟲（甲蟲類），蜜蜂，黃蜂，螞蟻（膜翅目）等是引起木材的蟲類損害的首要因素。昆蟲的侵襲通常是木材上明顯的通道和蟲洞，這些蟲洞常常充滿了木粉和蛀屑（昆蟲排泄物）。粉末的排放，大量的木粉和蛀屑在木材外部也是另一種侵襲的跡象。此外，昆蟲在木材結(jié)構(gòu)各部分的移動也帶來了能更深層侵襲木材污染和腐敗的菌類。一種昆蟲甚至攜帶了一種能令堅(jiān)硬的松樹腐敗的菌類。

檢測和預(yù)防侵蝕作用的方法

檢測橋梁腐朽的方法被分為兩種：分別是外部腐朽和內(nèi)部腐朽。這兩種情況中，具體的方法和工具針對某一情況的損傷契合，并且它們的有效性取決于建筑的類別。盡管在工作中多種多樣的檢測方法可以使用，但是實(shí)際中，檢查者只使用其中一小部分工具。這些方法和工具常常意味著預(yù)算、預(yù)先的經(jīng)驗(yàn)和所遭遇到的各種問題。

1.探查

探查用到了適度的指示工具，例如錐子和刀。探查的滲透指明了木材表面腐朽引起的過軟和缺乏抵抗力。盡管探查只是一個(gè)簡單的檢查方法，分析它的結(jié)果需要經(jīng)驗(yàn)。我們必須很小心的區(qū)分腐朽和在某種程度下比干木更軟的水軟木。有時(shí)同樣十分難評估軟木的損傷比如紅刺柏。

2.取樣檢測

取樣測試是測試表面腐朽程度最簡單，最廣泛的使用方法。鶴嘴鋤、錐子和螺絲刀用來刺入木材一小段距離采集它的碎片。（圖13-23）木材的碎片用來檢測并確定碎片是腐朽還是完好的。完好的木材有纖維結(jié)構(gòu)和紋路的碎片。腐朽的木材沿著紋路突然斷裂并出現(xiàn)小的碎片。一些研究顯示取樣測試對于表面腐朽的檢測是十分可靠的。唯一的缺點(diǎn)是在每一次測試中要取得一大塊木頭。

3.無損檢測

像取樣檢測一樣，無損檢測同樣適用于表面損傷檢測。無損檢測儀是一種彈簧針裝置，它把堅(jiān)硬的鋼針壓在木頭上。（圖13-24）穿刺的深度作為腐朽程度的測量。無損檢測在若軟腐病菌橫行的歐洲應(yīng)用廣泛。他同樣用來通過3種改良系統(tǒng)測試木材準(zhǔn)確的重力。當(dāng)木材的表面損傷無法確定，無損檢測法能夠提供一個(gè)準(zhǔn)確的評估報(bào)告，提供包括濕潤度和木材樹種測試的統(tǒng)一修正。

4.內(nèi)部損傷檢測

與外部損傷檢測不同的是，內(nèi)部損傷檢測更加難以定位，因?yàn)樗]有視覺上存在的跡象。眾多復(fù)雜性強(qiáng)的方法和工具被發(fā)明出來檢測內(nèi)部損傷，通過錘子在表面的擊打收集復(fù)雜的聲音和射線進(jìn)行評估。此外，例如濕度計(jì)，可以幫助檢查者確定符合內(nèi)部腐朽條件的區(qū)域。

防治措施

1.濕度控制

濕度控制是減少木板腐爛危險(xiǎn)最經(jīng)濟(jì)、簡單的一種方法。它可以作為一種有效的和實(shí)際的維修技術(shù)，以延長許多現(xiàn)有的橋梁的使用壽命。當(dāng)外界濕度降低時(shí)，木結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部含水量會蒸發(fā)導(dǎo)致含水量低于大多數(shù)真菌和昆蟲生長和存活所需的含水量（大約25%）。濕度控制是用于保護(hù)許多未經(jīng)處理的木材建成的廊橋建筑的唯一方法。濕度控制涉及常識上的確定區(qū)域上可見浸潤或高含水量，定位水源并采取糾正措施以清除源頭。例如，靠近道路的水流可以改變排水溝布局讓水遠(yuǎn)離橋梁而不是讓水從橋面上流過。清除橋面表面、排水溝和其他水平部分的泥土和雜物也能減少結(jié)構(gòu)捕獲水分并能改善空氣流通。一種最有效的濕度控制的途徑是限制或阻止水通過橋面。不透水的面板能夠保護(hù)重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件并在本質(zhì)上減少了潛在的腐變。膠合層木或應(yīng)力層面板提供最好的保護(hù)因?yàn)樗麄兎胖媚苄纬梢粋€(gè)密封面。出現(xiàn)膠合木層或應(yīng)力層對接接頭漏水可用水泥瀝青鋪面替代。

2.現(xiàn)場防腐處理

現(xiàn)場防腐處理包括在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中應(yīng)用防腐化學(xué)品預(yù)防或抑制腐爛。常用的有兩種處理方法是：表面防護(hù)和熏蒸劑。表面防護(hù)應(yīng)用于預(yù)防表層木材的腐爛，而熏蒸劑應(yīng)用于防止木材內(nèi)部腐爛?，F(xiàn)場處理是延長木橋使用年限的一種安全、有效和經(jīng)濟(jì)的方法。因?yàn)檫@些方法在多年的實(shí)踐中取得很好的效果，許多技術(shù)和修復(fù)辦法飛快發(fā)展并應(yīng)用于鐵路或公共場所。大量的木橋都是使用現(xiàn)場處理的方法，其使用年限延長20年以上。

3.構(gòu)件強(qiáng)化

構(gòu)件強(qiáng)化包括增加材料強(qiáng)度或加強(qiáng)現(xiàn)有構(gòu)件。附加構(gòu)件通常是木材或鋼板用螺栓連接，用于增強(qiáng)有效截面并因此提高承載能力。兩種廣泛使用的構(gòu)件強(qiáng)化方法是絞接和疊接。盡管這兩者之間的區(qū)別相當(dāng)模糊，但是通常情況下，絞接適用于連接和加強(qiáng)已確定的位置，而這一位置由于裂縫、劈裂或其他缺陷會發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移。疊接更頻繁的是與加強(qiáng)現(xiàn)有承載力不足的構(gòu)件聯(lián)系在一起的，并涉及增加加強(qiáng)件覆蓋在原來構(gòu)件上，加強(qiáng)件長度甚至超過原來構(gòu)件長度。在這兩種情形中，為確保構(gòu)件承載力的修復(fù)和核實(shí)應(yīng)力的分布需要進(jìn)行徹底的結(jié)構(gòu)分析。木紋必須避免引進(jìn)偏心荷載或垂直張力的情形。當(dāng)用絞接時(shí)，為了更均勻地把荷載分配給拼接板建議將有缺陷的部件完全通過原來的構(gòu)件。

環(huán)氧樹脂修補(bǔ)

環(huán)氧樹脂由基本樹脂和樹脂固化劑組成，混合在一起是液體或凝膠（泥）形式?；旌蠒r(shí)，環(huán)氧化合物硬化形成固體，這種耐用材料在最清潔的表面可提供高強(qiáng)度的附著力。20世紀(jì)50年代，環(huán)氧樹脂由油漆和航空工業(yè)最初開發(fā)；20世紀(jì)60年代被廣泛用于修補(bǔ)混凝土裂縫。1976年，埃文特第一次提出了環(huán)氧樹脂用于修理木材的研究報(bào)告。自那時(shí)以來，用環(huán)氧樹脂維修木質(zhì)構(gòu)件在制定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和評估其有效性方面已有了相關(guān)的研究工作。雖然那時(shí)還沒有條文或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范或允許應(yīng)力的出現(xiàn)，但環(huán)氧樹脂修補(bǔ)技術(shù)已成功的應(yīng)用于木橋（大約從20世紀(jì)60年代初開始）。

在結(jié)構(gòu)和半結(jié)構(gòu)中，環(huán)氧樹脂在木材修補(bǔ)中用作粘合劑（黏合劑）或/水泥漿（填充物）。它通常采用壓力注入，但也可以作為凝膠或油灰手動應(yīng)用。當(dāng)環(huán)氧樹脂作為一個(gè)粘合劑，以提供在干燥位置的結(jié)構(gòu)修補(bǔ)構(gòu)件之間的剪切阻力是最有效的。對于半結(jié)構(gòu)修補(bǔ)，它用于填充空隙或維修軸承表面，埃文特介紹了結(jié)構(gòu)（A類型）和半結(jié)構(gòu)（B類型）環(huán)氧樹脂修補(bǔ)的六種基本類型。列舉如下：

類型A-1 桁架節(jié)點(diǎn)處的分裂構(gòu)件和裂紋的環(huán)氧樹脂注入。

類型A-2 腐木的環(huán)氧樹脂注入和加固。

類型A-3 斷裂件的拼接和環(huán)氧樹脂注入。

類型A-4 分層梁環(huán)氧注入。

類型B-1 縱向裂縫的環(huán)氧樹脂注入和在桁架構(gòu)件中的劈裂。

類型B-2 用環(huán)氧樹脂膠修補(bǔ)軸承表面。

關(guān)于橋梁的應(yīng)用，環(huán)氧樹脂修補(bǔ)可分為灌漿、插接和樁修復(fù)。

結(jié)語

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有強(qiáng)度高﹑自重輕﹑綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。我國古代木結(jié)構(gòu)聞名中外，但是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展仍處在起步階段，因此對膠合木構(gòu)件尤其是膠合木板的研究深入是十分必要的。

本文以國產(chǎn)東北落葉松為原料制造的膠合木板為例，分析和歸納了木板腐蝕作用因素和機(jī)理，總結(jié)了對于侵蝕作用的檢測和防治辦法，證明了在實(shí)際工程中膠合木板的腐蝕作用防治是有效的，并為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的發(fā)展﹑推廣及應(yīng)用打下了一定基礎(chǔ)。

（作者單位：中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院）