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第一章古建组成材料的主要性质——木材的组成与特性•古建组成材料有：木材、砖瓦、石、泥土、彩绘、油漆、金属等。•本章介绍木材的重要特性，并介绍木材的损害原因。第一节、木材的构造与重要性质文物保护技术必须建立在已知文物的损蚀机理的基础上，方可对症下药。故而本章须介绍木材的解剖结构、组成及各项指标。这是木材损蚀的内因。一、木材结构解剖•木材结构与命名•针叶材与阔叶材•纤维组成与结构•植物细胞的构造•古代木材与现代木材细胞构造的差异（这一点对我们选择加固、防腐处理方法有益）1、木材结构与命名•木材——无数个细胞——彼此相连——以不同的细胞形状、排列方式——承担树木内营养物质的运送——充当机械强度。•结构与命名见下图：木材结构树皮木材髓心外皮内皮边材心材形成层生长轮（年轮）早材晚材边材髓心心材外皮内皮早材晚材早材晚材木材结构2、针叶材与阔叶材•按分类学区分：木材分为针叶材(softwood)阔叶材(hardwood)•针叶材：树叶为针状或鳞片状，如：银杏、松木、杉木、柏木。形体高大通直，是建筑用材，属于软材。•阔叶材：树叶比较宽大，如：楠木、香樟、槐树、柞木、白榆、椴木、柳木，其树干多分叉，名称叫硬材，但不代表都是硬度高的木材，如泡桐、轻木就是软材。因阔叶材品种多，又叫杂木，以其硬度分为：硬杂木和软杂木。针叶材针叶材阔叶材阔叶材针叶材与阔叶材的构造•针叶材：主要组成是管胞（木材纤维），长度约为3~8mm，占总体积90%以上。一般针叶材无导管，称为无孔材。•阔叶材：主要组成是导管和木材纤维，管胞为非主要细胞，其木材纤维包括木纤维和纤维状管胞，长度约为1mm，占体积50%以上。阔叶材断面显示明显的管孔，所以又叫孔材。•组织结构如下：阔叶材的超微结构3、纤维组成结构•针叶材：90~95%是纤维细胞（长形的管胞），5~10%的木射线、贮存细胞（长形薄壁细胞）以及树脂等。•阔叶材：40~75%的木纤维（导管和纤维管胞）10~30%的维管束5~30%的长形薄壁细胞（比针叶材的丰富）•针叶材的长形管胞：长2~5mm，直径0.02~0.05mm，起运输水分，支撑树干的作用。•阔叶材纤维：长度1.0~1.5mm，起输导水分、增加树干强度作用，通过管胞开放的或半开放的端部彼此相连，成为管状通道，称为木纤维，有时可以长至数米。•阔叶材导管：直径0.05~0.15mm。•纹孔：相邻细胞间的物质交换依靠纹孔来完成。微观构造4、木材细胞的结构•木材细胞由细胞壁和细胞腔构成。•细胞壁是植物细胞所特有的一种结构。•细胞壁的形态结构决定了组织的性能。•细胞壁：完成植物组织的吸收、蒸腾和物质运输等功能，还起着重要的支撑作用，这一点正是木材被人类利用的原因。木材细胞超微结构木材细胞的超微结构•初生壁：由它最初起支撑新生细胞，其组成成分主要为纤维素、果胶。细胞成熟后这层木质化。随细胞的增长不断增长，平均厚度为0.10~0.15微米。•次生壁：在成熟后，停止增大生长，形成次生壁，主要成分为纤维素和半纤维素，同时还有大量的木质素和其他物质。•次生壁又分三层：外层，中间层，内层木材细胞的超微结构•外层：厚度较薄，平均0.2~0.3微米。本身又由3~4个薄层组成，每一薄层由微纤维丝成螺旋状排列，在压力下，它保证了木材强度。•中间层：最厚，平均1~4微米，由30~150个薄层组成，各薄层间和薄层中微纤维丝紧密有效地结合在一起，使木材具有了抗拉强度。•内层：最薄，仅有0.1微米，它与细胞腔相邻，层数很少。微纤维丝水平相连，很少交叉。在所有针叶林和少数阔叶林中，内层都有根瘤着生其上。木材细胞的结构•胞间层：细胞之间有胞间层使细胞彼此相连，它的厚度最厚处为0.2~1.0微米。由于相邻的两个细胞之间极少有专门的界限，因此它们共同的胞间质即作为分界的中间层。木材细胞的结构•细胞壁的生成和生长都由细胞原生质中的糖来完成；•通过酶的催化，合成纤维素和半纤维素，纤维素又组成微纤丝，微纤丝实际上也是细胞原生质沉积而成，这些微纤丝又共同组成次生壁。•细胞排列，组成纤维束，纤维束构成木材。5、古代与现代木材的差异•时代变迁，各种环境因素的影响，造成古代与现代的差异。•环境因素：生物方面——木材害虫、木腐菌、细菌和海生钻木动物。气候方面——有害性气体、光、热辐射、灰尘、风雨等。埋藏环境——厌氧菌、地下水、海生钻木动物等。•古代木材：害虫——蛀蚀边材和早材，内部充满虫孔。木腐菌——从外向内部腐蚀，致使木材折断或成海绵体。厌氧环境——中、内次生壁遭破坏，胞间质和初生壁保存下来。受害木材标本户县公输堂清代木柱虫害现状古代木质文物标本出土饱水木质文物出土饱水木质文物地面（古代建筑）木质文物二、木材的化学组成1、组成元素：C（48~51%）、H（43~44%）、O（6~7%）、N（0.1~0.2%）、各类盐（0.2~0.6%）2、化学组成木材的化学组成主要成分（95%）次要成分（5%）木质素25%多糖类70%纤维素（50%）半纤维素（20%）无机成分0.5%可溶性多糖类、酚、蛋白质、果胶4.5%针叶材和阔叶材的化学成分区别：针叶材纤维素45~50半纤维素15~20木质素25~30阔叶材纤维素40~45半纤维素20~30木质素20~25A、纤维素：•是细胞壁的主要组成成分；•无臭无味；•不溶于一般的有机溶剂；•不溶于一般的稀酸、稀碱。•是造纸、人造板、胶片、塑料及涂料的重要原料。A、纤维素：•由10000~14000个葡萄糖单元组成一个链——纤维素链（直径0.5纳米，长约5~10微米）。•纤维素外围的—OH基对其化学反应起着重要作用，一个分子的—OH基和另一个相邻分子的—OH基之间可以形成氢键（分子内和分子间的氢键），这样水分就与纤维结合在一起。•纤维素链组成纤维单元（直径3.0~3.5纳米），每个纤维单元由36个纤维素链组成，•纤维单元再组成纤维（直径可达12纳米，由16个纤维单元组成），•进一步，4个12纳米的纤维组成一个微纤丝（直径25纳米）B、半纤维素：•也是由葡萄糖单元组成，它存在于植物细胞壁中的一类不同于纤维素的低聚糖的总称，其中大多数不溶于水而溶于碱液，遇酸水解。•其结构有别于纤维素分子，半纤维素分子链短而有侧基。其主链可以由一个或几个不同的糖单元构成。•半纤维素也可以组成纤维单元半纤维素的主要糖基C、木质素：•木质化植物组织除去浸提成分（包括灰分）后的非碳水化合物部分是具有芳香族特性无定型物质。•在细胞壁中起着连接细胞和强化植物组织的作用。•一般不被水解，酸作用下可得棕色粉末状物质。木质素基本结构单元木质素的生物合成3、木材细胞壁大分子的结构•一般认为纤维素和半纤维素组成纤维单元，其中纤维素和半纤维素中的—OH基起着重要作用。•半纤维素可以结合在纤维素形成的纤维单元上。可能是半纤维素形成一个薄层包裹在纤维素周围，首先形成一个纤维素和半纤维素的支架，然后木质素填充其间。•实际上是纤维素和半纤维素形成的晶格结构恰当地镶嵌在木质素中。类似于钢筋混凝土结构，其中纤维素和半纤维素相当于钢筋支架，木质素相当于水泥。•木材细胞壁大分子结构至今尚没有模式概念。4、古代木材的化学组成•纤维素在缺氧环境下被强烈分解，其中水解和酶催化过程起了重要作用。•与现代材相比，古代木材含有较少的纤维素和相对较高的木质素及灰分。木质素含量的提高是由于其它成分损失的结果。•长期在干燥环境中放置的木材，由于氧化作用，使木质素含量降低。三、木材的几项性质1、含水率2、木材密度3、木材浸注性4、木材强度5、木材的天然耐久性1、含水率•绝对含水率u=（m湿－m绝干）/m绝干×100%•相对含水率f=（m湿－m绝干）/m湿×100%概念（实践中）：绝干材u=0衡重气干材常时间干燥温暖环境中放置的的木材。南方17~18%北方12~13%半干材u=20~30%低于纤维饱和点的木材湿材：u30%常时间在水环境中或新采伐的木材古代木材含水率•遭受菌虫危害后，含水率变化要比健康材大。短时间之内可吸收大量水分，木材越是腐朽，这种性质越明显。•在收缩过程中往往出现典型的收缩裂纹。•古老的、含水率比较高的木材很容易降解，含水率越高，降解越快。•若一直保持高含水率，木材就可以保持原来的形状。高含水率古老木材的干燥收缩率可大于健康材的30%，极端情况下木材干燥收缩会导致整个木材破坏。原因是木材的细胞及细胞间的结合已完全破坏。•已经干燥和收缩的高含水率木材再与水重新接触时，膨胀率非常小，因为细胞的破坏是不可逆转的。2、木材密度•单位体积木材的重量。•全干密度：全干质量/全干体积•气干密度：气干质量/气干体积•基本密度：全干质量/水分饱和时体积•基本密度是实验室中，判断材性的依据。数值比较固定准确。•气干密度是生产中计算气干时木材质量的依据。•密度是衡量木材力学强度的重要指标之一•密度高力学强度就好，反之则差。3、木材浸注性•指木材吸收防腐和加固药剂的能力，决定于木材的渗透性，直接影响保护措施的效果。•一般分为：最难、难、稍难、易浸。•具体（防腐）处理时：应加以考虑，对于难浸树种应补充措施。木材浸注性•最难：刺槐，柞木，落叶松•难：柏木，杉木，香樟•稍难：硕桦，红松，华山松•易浸：水曲柳，山杨，白桦，毛白杨，松木，裂叶榆现代木材与古代木材对比：•密度：一般由于菌虫的损害，古材密度明显低于现代材。若在水下、地下出土，未受生物损害，无论年代如何久，密度、外观变化都很小。长期水解，化学成分抽提物流失，皱缩明显高于新材，但密度不变。•浸注性：与木种和损害程度有关木材害虫蛀蚀严重，受害程度高，浸注性就高。木腐菌使古代木材易于浸注，但浸注不均匀（纹孔封闭）湿材浸注与损害程度有关，只有表面被破坏的一层能被浸注。古代材浸注性同样受清洁程度的影响（油漆、彩绘、灰尘）4、木材强度•泛指木材的力学性质，包括：抗压、抗拉、抗弯、抗冲击、抗剪、硬度。•从生物角度讲，木材各向异性。•按纹分：横纹（垂直于木材纹理）数值、顺纹（平行于木材纹理）数值4、木材强度•硬度与木材密度、含水率的关系。密度↗硬度↗含水率↗硬度↘•抗压强度：密度↗抗压强度↗晚材部分↗抗压强度↗纤维饱和点以下：含水率↗抗压强度↘t°↗抗压强度↘抗压强度与年轮方向有关：顺纹≥横纹顺纹≈10倍横纹4、木材强度•抗拉强度：密度↗晚材↗抗拉强度↗含水率在饱和点以下：含水率↗抗拉强度↘t°↗抗拉强度↘木质素↗抗拉强度↘木材纤维方向的抗拉强度最大4、木材强度•抗弯强度：密度↗抗弯强度↗晚材↗抗弯强度↗纤维饱和点以下：含水率↗抗弯强度↘t°↗抗弯强度↘4、木材强度•抗弯弹性模量：指木材的劲度或弹性的物理量。即木材在一定极限内抵抗弯曲变形的能力。•弹性模量↗越刚硬↗弹性变形↘•弹性模量↘柔曲↗•抗弯弹性模量是选用梁、托梁、条材等的一个重要参考数值。它与密度成正比，与含水率成反比。见表。4、木材强度•古代木材：遭生物损害后，力学强度降低。地下出土木材，密度不变，纤维素降解，致使抗压，抗弯强度下降，其中抗弯、抗拉强度比抗压强度下降的多。遭受木腐菌危害的木材，几周之内抗压、抗弯强度大大下降，而重量无明显变化。因此鉴定古旧木材受损情况应使用强度指标，而不能用密度。5、木材的天然耐久性•指木材对木腐菌和木材害虫等生物损害的固有抵抗能力。同样也包括：对气候变化，物理化学等因子的天然抵抗能力•天然耐久性作为一种特有的性质与树种有关。（密度大的树种，耐久性强）•与同一棵树的部位有关，心材、晚材部分耐久性强。与木材内含有的化学成分有关。边材内含有丰富的淀粉、糖、含氮物质、微量矿物质，为菌虫提供营养最易腐蚀虫蛀。•木材的天然耐久性是古建维修时，选择更换木料的重要参数。见表。四、木材的各种损害•如果对木材进行防护处理，并正确使用，木材是一种具有耐久性的材料，它不易老化（相对塑料），不会疲劳（相对金属）。如：2000年的木棺椁，1000年的木塔。•但是，在潮湿环境下，易受生物的侵害，以及物理、化学非生物侵害。•本章节分别介绍木材的损害因素与机制。植物性微生物损害（木腐菌、细菌）生物因素动物性损害（蛀木甲虫、白蚁、海生钻木动物）损坏因素物理损害（气候、声、光