歷史建筑木柱防腐措施研究

陳 彥，陳 琳，戴仕炳

(1. 溫州職業技術學院，浙江溫州 325000； 2. 同濟大學，上海 200092)

0 引 言

經調查研究發現，溫州地區歷史木構建筑木柱根部腐朽數量和比例非常驚人，甚至在有些木構歷史建筑中，幾乎所有的木柱都需要進行墩接和更換處理。例如溫州文成謝林大宅，在2010—2014年修復中，多達30余根柱子的根部進行了墩接等處理(圖1)。為研究木柱根部腐朽的原因，選取了溫州永嘉渠口鄉的葉氏大宗和永嘉巖頭鎮蒼坡村的官祠堂作為研究對象，詳細記錄腐朽情況，分析木柱含水率的變化規律，經過實驗分析，提出保護措施。

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 現狀評估

1.1 現狀概況

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下方村，占地面積約1200m2，座北朝南。宗祠由照壁、山門、前廳、戲臺、兩廂和正廳組成，主體平面呈日字形兩進院落(圖2)。文革期間遭到一定程度破壞，現存建筑整體呈現明代特征。

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蒼坡村，建于明代，現存臺門與主堂均木構建筑，保存完好，保留了明代建筑的特點，構建簡潔，屋脊升起，兩山出際大，減柱造，與清代建筑風格差異較大(圖3)。其柱礎形式也采用木質方柱礎(圖4)。

1.2測試技術與結果2014年8月，在調研中對選取了永嘉渠口鄉葉氏大宗和巖頭鎮蒼坡村官祠堂中幾個比較有代表性的柱子進行了無損檢測和含水率測試。測試儀器為德國產溫濕度儀(testo 610)和德國產微鉆阻力儀(IML-RESI PD400)。

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

1.2.1葉氏大宗 進行實驗的8月份是永嘉地區最為炎熱的季節，太陽暴曬使得木材的含水率明顯低于梅雨季節。即便如此，在一些通風和日照條件不利的木柱根部，測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聯密切。實驗數據顯示，同根柱子的背陰面比朝陽面含水率更高，更易受到霉菌的腐蝕。通風良好的柱子比墻角或墻內不易受到光照和通風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，木材含水率過高是導致木材腐朽的關鍵原因(表1)。雖然葉氏大宗所用木料為永嘉當地所產硬木苦櫧，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，當再次對這些木柱子檢測時發現，很多柱子底部的含水率已經高達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

減的規律。含水率越高的部分，腐爛情況越嚴重。隨后，選取了祠堂平面中比較有代表性的幾個方位的柱子，這些柱子分別位于祠堂東南西北中5個方位。針對每個柱子，對其南北方向(N)和東西方向(W)分別在離木柱底端0，50，100和150cm這4個高度利用德國產微鉆阻力儀(IML-RESI PD400)進行無損檢測。檢測結果表明，幾乎所有被檢測的柱子都出現木柱底端腐朽遠比木柱上部嚴重的現象(圖5)。這完全符合在現場的直觀判斷，并且與含水率的檢測也相互印證，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鍵所在。那么木柱根部的水是從哪里來的？

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

圖5 木柱阻抗儀數據圖Fig.5 IML data of wooden columns

1.2.2筆街官祠堂 為了研究木柱礎對地下毛細水的阻隔作用和對木柱的影響，選取了官祠堂的若干便于檢測的木柱礎及木柱，測定其含水率。含水率數據顯示，除了D-1木柱，其他木柱礎底部到頂部基本呈現含水率下降的趨勢，且含水率一般低于30%。木柱礎與木柱的纖維方向垂直，所以木柱礎中的水分并不會沿纖維方向進入木柱內，這樣就基本保證了木柱的含水率在20%以下，大大延長了木柱的壽命(圖6)。實際調研確定，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著木柱， 所以大大增加了此柱的含水率。這也從另一角度說明，木柱礎相對于石柱礎能較好地避免冷凝水的產生和上升。但是，對于地下毛細水的阻隔作用較弱。

圖6 官祠堂部分木柱礎的含水率Fig.6 Moisture content of part of the wooden bases in ancestral hall of the Brush Street

在本祠堂案例中，可以將木柱礎看作是犧牲性材料，它吸收了地下毛細水，但水分并不沿木材纖維直接傳導至木柱，實際上是犧牲了木柱礎，保護了木柱。木柱礎先于木柱腐朽。因此，在修繕過程中，將木柱礎直接替換掉，便可解決腐朽問題，極大地保護了木柱及以上部分的安全。相反，當石柱礎與木柱接觸時，冷凝水對石材幾乎沒有損害，但水分直接沿木材纖維進入木柱內，導致木柱的腐朽，在這個過程中，木柱成為了犧牲性材料，率先腐朽，實在可惜。所以，木柱礎比石柱礎能更好地保護木柱及整個木建筑，是應該大力提倡的。

2 機理分析

由于材料的導熱系數不同，所以當空氣中的各種物質材料在熱量傳遞或者接受輻射時，會呈現不同的溫度變化。以紅松順紋方向為例，它的導熱系數是0.11～0.13w/(m·k)，冷杉木的導熱系數，全干狀態為0.09w/(m·k)，12%含水率狀態時為0.11w/(m·k)；而磚石材的導熱系數一般在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境下，同樣溫度的木板和石材，會覺得石材更冰冷，而木板更溫暖。因為石材的導熱系數大，能迅速地將體表的熱量傳走，從而使手的表面溫度降低。當木建筑環境一旦遭遇暖濕氣流時，空氣中的水蒸氣就會在導熱系數較大的石材表面先于木材表面凝結， 形成冷凝水。圖7顯示， 當環境溫度下降到時，相對濕度不變，絕對濕度下降，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鍵。

圖7 空氣中絕對濕度與相對濕度關系[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℃時的吸濕率。其分別對應為1.實心黏土磚； 2.砂巖； 3.天然輕質混凝土； 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。在同樣的相對濕度情況下， 從6.杉木到1.實心黏土磚的吸濕率(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。因此，石柱礎表面產生的冷凝水主要有3個去向，1)順著木材纖維上升，到木柱中去；2)在風和熱的作用下蒸發，回到空氣中；3)被石柱礎的底部的地面層吸收。如果木建筑所處的環境通風良好，或者溫度較高，那么冷凝水可以通過渠道，迅速回到空氣中。相應的進入木柱，并保留在木柱中的水分就非常少。如果石柱礎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渠道3進去地面層，從而使進入木材內部的水分相應減少。如果在通風不利，或者水分不易蒸發的環境下，地面層的吸水率遠小于木材的含水率(例如，地面層為青石鋪砌)，那么石柱礎表面的冷凝水自然會更多地通過渠道1進入木材內部。阻抗儀對木材勘測情況證明了木柱的腐朽程度也基本呈現從根部嚴重到頂部漸漸輕微的變化(圖5)，與直觀的觀察結果完全相符。

除此之外，紅外攝像也佐證了判斷結果。從圖9可以看出石柱礎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。木柱底部的水分來源于石柱礎表面的冷凝水的毛細作用。這些冷凝水通過毛細作用順著木材纖維內部的導管向上流動，所以木柱從根部到頂部會出現含水率遞減的情況。過多水分導致真菌引起的腐爛，霉菌引起斑點，昆蟲破壞，以及其他動物受木材中水分的吸引造成破壞等等。當含水量達到30%時，便達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鍵所在。

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

3 木柱端頭處理防治實驗

除了避免冷凝水的產生，防止冷凝水上升也是解決木柱腐朽的可靠辦法。對此，做了以下調研和實驗研究。實驗證明：防護材料可以較好阻隔毛細水上升。

在德國磚木混合結構的規范中和中國磚石建筑施工做法中，都有為了避免地下毛細水上升而設置水平防潮層的做法。在德國DIN 18195-4規范中[3]規定，木梁離室外地面應高于30cm，若室外地面是沙石等透水材料時，木梁與室外高差應大于15cm?；蛘弋斈玖航佑|磚石等材料時，其中間應設置不小于5cm的水平隔離層。

在GB 50165—1992《古建筑木結構維護與加固技術規范》[4]第6.3.4條規定“用作承重構件或小木作工程的木材，使用前應經干燥處理，含水率應符合下列規定：一、原木或方木構件，包括梁、枋、柱、檁、椽等不應大于20%。為便于測定原木和方木的含水率，可采用按表層檢測的方法，但其表層20mm深處的含水率不應大于16%。而針對已建成木結構中木構件的含水率超過20%的情況，國內規范仍屬空白。

鑒于木柱根部冷凝水的毛細作用會直接引起木材的腐爛和國外規范對毛細水采用防水隔離層進行阻隔的經驗，特地選取了一些防水材料進行試驗，論證防水材料對木材性能的影響和作用。

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

2) 防水材料選擇。市面上常見，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。本著環保無害的原則，實驗最終選擇了較為現代的防水材料：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組環氧樹脂；同時也選取了較為傳統的防水材料：D組桐油，E組大漆，還有未經過任何防水處理的O組作為對照。

為了能更直觀地比較不同處理方式下木材的吸水能力，特地將自來水中加入了同樣濃度的紅色墨水。為保證每個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)。

試驗數據顯示，除去空氣流動使得木材本身含水率降低的因素，經A組聚氨脂類防水材料，E組大漆，F組環氧樹脂處理的木材吸水率接近于0，防水性能非常優異。而未經任何防水處理的O組木材吸水明顯，8天時間內3個樣品分別吸水增重23.8%，21.1%，22.0%。且未經防水處理的O組，大半部分已被染紅，底部出現明顯的霉菌(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 經過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 各組實驗木柱吸水染紅對比結果Fig.12 The results of the compared samples

4 結論與展望

實踐中觀察到溫州眾多古建筑中木柱根部嚴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。通過現場勘查、木柱及木柱礎的含水率測定、阻抗無損檢測，印證了木材腐朽程度與木柱含水率高低的直接關系。進而通過研究木柱的水分來源與去向，厘清了引起木柱腐朽的關鍵因素——冷凝水。

實驗數據說明，木柱礎與石柱礎比較而言，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，木柱礎作為犧牲性材料，保護了木柱，保護了古建筑。

除了犧牲性材料，防水材料對木柱的保護也是本研究的一個重點。研究證明利用大漆、聚氨酯、環氧樹脂等防水材料對木柱底部進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題。其中，大漆類材料來源于自然界，古代中國和當代的日本也一直沿用大漆制作的漆器作為餐具等，經實踐證明非常安全。只是大漆類材料經氧化之后，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件，其黑色對于視覺美觀有一定影響。樹脂類材料與木材貼合緊密，在寧波保國寺的案例中，也發現很多木柱于二三十年前，采用樹脂材料對腐朽的木柱空洞進行修補，目前的勘察結果顯示，木柱與樹脂還是能較好地連接，沒有明顯的老化特征。聚氨酯類的防水材料彈性較好，木柱底部與柱礎產生較大的摩擦力，不易拔榫，較為牢固。這三種材料具有良好的防水性能，希望能對此三種材料做長期監測，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題。

致謝： 感謝溫州永嘉地區文物主管部門積極配合我們在實驗現場的工作，特致以感謝。

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