一种古建筑木材定向开裂的处理方法及应用与流程

2021-01-12 14:01:59|

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本发明涉及木材处理技术领域，尤其涉及一种古建筑木材定向开裂的处理方法及应用。

背景技术：

古建筑修缮过程中需要大量的木构件还原古建筑风采，因此需要大量的木材。但是因为木结构在一定的特殊环境下容易开裂，且多数呈不规律状裂痕会破坏其装饰效果，且带来建筑安全风险，所以需要尽量的避免不规则开裂情况。木材开裂主要有两点原因，一是内因，二是外因。内因在于木材具有各向异性，木材干燥前期，木料表层在拉应力的作用下，不仅产生伸张的弹性变形，同时还产生伸张的残余变形(塑性变形)。由于这种残余变形使外层木材的尺寸大于自由收缩的尺寸，到干燥后期，内层木材的含水率降至纤维饱和点(当木材中的自由水完全蒸发，而细胞壁中含水率的量处于饱和状态时，称为纤维饱和点)以下时，内层木材才开始收缩，但由于已经伸张了的外层木材的限制不能自由收缩，于是在材料中发生与干燥前期相反的内应力：内层木材受拉，外层木层受压。如果内层的拉应力超过木材横纹抗拉强度木材就会被撕裂，形成裂痕。外因是空气湿度和木材内部的含水率不一致导致的问题，当木材中的蒸发与吸收空气中水的速度相等时，达到动态平衡状态，称为平衡含水率，当木材含水率过高，容易导致木材后期水分大量蒸发而发生开裂现象，当含水率过低容易导致后期大量吸水发生变形。

目前，对于木材处理主要采用石蜡或者油漆把端面封上，或进行高温烘干，防止开裂，或者保存于可控制湿度的房间内、刷涂防水涂料，延缓开裂时间，但无论如何操作，木材长时间放置后开裂是不可避免的。由于古建筑修缮所需要的木材构件大多采用圆柱、木柱、方柱雕刻成型，厚度较厚，后期上色且室外放置，不宜采用常规的板材木材处理方法，且修缮后的古建筑通常短时间内不会更换，因此对木材的安全性要求更高，更应防止木材开裂，故，现在急需一种古建筑木材定向开裂的处理方法，避免制备的木材构件长时间放置后发生开裂。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种古建筑木材定向开裂的处理方法及应用，使用于古建筑的木材提前定向开裂，避免木材长时间放置过程中呈现不规律状裂痕，可以提高木材在古建筑中的安全性、稳定性，同时还可以防止因裂纹、裂痕破坏古建筑木材的装饰效果。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一种古建筑木材定向开裂的处理方法，包括以下步骤：

(1)木材预处理：剥除树皮的木头按照需要的长度、厚度切割成木材，随后浸泡于10wt％的偏硅酸钠溶液中，浸泡1-2d后取出，再置于1wt％的盐酸溶液中浸泡1d，取出后用清水浸泡32-48h，取出自然晾干至木材表面干燥，得到木坯；

(2)木坯预烘干：将木坯送入烘房内，烘房内以5-6℃/h的升温速率升温至40-50℃，并同时向烘房内通入100℃的饱和蒸汽，18-30h后停止通入饱和蒸汽，木坯于烘房内密封保温36-60h后烘房内开启排风处理，缓慢通入空气，烘房内温度降至室温后得到预烘干的木坯；

在40-55℃的温度条件下通入饱和蒸汽可以使木坯在未干燥之前充分熟透，清除存在的部分干燥应力，密封保温处理后调节烘房内湿度，可消除前期产生的表面拉应力，防止木坯表面开裂。烘房内的升温速度保持在5-6℃/h是为了防止烘房内升温速率过快，木坯内细胞失水速率过快，木坯的表面拉应力增大，导致的沿木材纵向发生开裂，所以应严格控制烘房内升温速度。

(3)红外干燥：将预烘干的木坯进行红外线加热，木坯内部温度升温至70℃，保温1-2h，随后再以5℃/min的加热速率将木坯内部温度加热至100-120℃后停止加热，向烘房内通入饱和蒸汽，开启排风处理，待木坯的内部温度降至75-80℃，循环操作，得到半干燥的木料；

(4)定向开裂：在得到的半干燥木料表面进行预裂凹槽，所述预裂凹槽沿木料轴线开设；

在木料轴线上开设预裂凹槽，形成应力集中，当木料雕刻成型后，受到外界环境影响时，在应力集中处，延预裂凹槽发生裂隙形成定向开裂。通过开设预裂凹槽，降低不规则开裂可能性，形成定向开裂，避免木料雕刻成型后影响建筑物的美观，同时预先开设预裂凹槽还可以在建筑中起到装饰效果。

(5)平衡干燥：将预裂凹槽后的木料置于烘房内，烘房内温度以5-8℃/min的升温速率加热至70-80℃，保温8-12h，再升温至90-95℃，保温15-18h，再升温至100-105℃，保温5-6h后，自然冷却，得到定向开裂后的干燥木料。

优选地，木坯摆放在烘房时，木坯的轴向方向与气流方向垂直，隔条与气流方向一致，木坯表面积最大的一面朝下。

优选地，所述木材预处理前的初始含水率w为40-75％。

若新鲜的木头含水率过高，应该自然放置阴干一段时间后再采用本发明公开的处理方法进行处理，可以加快干燥速率，节约能源。

优选地，放入烘房内的同一批木坯树种、厚度相同，含水率应该大致相等。木料厚度差距越大，含水率差别越大，若将厚度或含水率不一致的木坯同时进行干燥，其干燥速率不同，最后容易出现干燥后的木料含水率不一致，导致烘干失败。

进一步，所述木坯呈圆柱形时最大直径d≤70cm，最小直径≥20cm，木坯呈方柱形时，最大厚度d≤70cm，最小厚度≥15cm，所述木坯的长度均≤150cm，所述木坯应制成规则形状，如木方、圆柱等。

本发明的处理方法最适合处理木坯最大厚度d或最大直径d≤70cm，最小直径或最小厚度≥20cm，长度≤150cm的木方或圆柱形木坯，该尺寸木坯用于制作垂花柱和垂柱较多，若木坯过厚、过粗，干燥时表皮与内层的温差过大，出现应力差，导致在干燥过程中木材开裂，影响垂花柱或垂柱外观。

进一步，所述预裂凹槽的宽度m＝(d×0.02)/w，单位cm，所述预裂凹槽的深度为h＝2m，单位为cm。

其中，d为木坯的厚度或直径，单位cm，w为进行本发明木材预处理前的初始含水率。

预裂凹槽的宽度和深度过宽或过深，容易造成建筑物受损，影响安全性能和美观性，过窄或过浅不能形成应力集中，不能起到定向开裂的作用。

进一步，所述木坯预烘干步骤中，开启排风处理后，缓慢通入空气，将烘房内的空气相对湿度降至70-75％，烘房内温度为40-55℃时进行密封静置操作。

进一步，所述外红干燥步骤中的循环操作具体步骤为：

以5℃/min的加热速率将木坯内部温度加热至100-120℃时停止加热，向烘房内通入100℃的饱和蒸汽，20-30min后停止通入饱和蒸汽，开启排风处理，将木坯的内部温度降至75-80℃，以上操作步骤为一个周期，循环操作4-6个周期。

在红外干燥过程中干燥速率波动较大，因此采用周期循环加热方法可以降低干燥速率的波动幅度，有利于木材内部的水分向木材表面迁移，降低木材内外含水率不同而形成的含水率梯度所导致的干燥应力，进而降低在红外干燥过程中开裂的可能性。

进一步，所述平衡干燥步骤中，升温至70-80℃，升温过程中同时将烘房内加压至0.2-0.3mpa，保温8-12h后，烘房内降至常压。

进一步，所述平衡干燥步骤中，升温至90-95℃，保温15-18h后将烘房内加压至0.3-0.4mpa，加压后升温至100-105℃，保温5-6h，烘房内降至常压。

木材经过红外干燥步骤后含水率已经降低，平衡干燥步骤升温、加压干燥的目的主要是将木材的含水率降低至10％以下，同时还可以增加木材干燥后的抗弯曲性能，防止制成木构件后长期置于室外安全性能下降，同时逐渐提高烘房内压力是为了逐步破坏木材细胞的内部结构，稳定木材的含水率，防止木材在室外放置过程中大量吸水，长时间使用后仍然发生开裂现象。因木材进行了预裂凹槽，所以外部加压后在预裂凹槽处形成应力集中，还可以检测预裂凹槽周边在外部加压后是否开裂，保证木料的完整性。

进一步，所述红外线加热的红外波长为10-14μm。该波长的红外波长容易进入木材内部，减少木材内外温差，降低木材的相反内应力，进而减少木材的开裂现象。

进一步，经过本发明的处理方法后，得到的干燥木料含水率为5-10％。

本发明公开的一种古建筑木材定向开裂的处理方法应用在木料干燥上，尤其是古木建筑或者木制建筑的垂柱、垂花柱木料的干燥。

优选地，本发明处理方法适用于杉木、松木、柏木、榉木、栗木、银杏木、樟子松。

本发明的有益效果：

(1)提前定向开裂，防止木材在干燥过程中造成开裂，破坏木头的完整性。

(2)采用本发明的处理方法干燥木材后，长时间放置开裂率低于1％，可以提高木材在古建筑中的安全性、稳定性，同时还可以防止因裂纹、裂痕破坏古建筑木材的装饰效果。

(3)本发明的处理时间短，可以有效地提高干燥效率，节约能源。

附图说明

图1为实施例1得到的木料制成的垂花柱；

图2为实施例2得到的木料制成的垂柱。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和图1-图2对本发明进行详细说明：

实施例1：杉木定向开裂的处理方法

经检测阴干约2个月的去皮杉木初始含水率w为72％。

(1)木材预处理：将杉木按照厚度d为30cm，宽度30cm，长度为80cm割成木方，随后浸泡于10wt％的偏硅酸钠溶液中，浸泡2d后取出，再置于1wt％的盐酸溶液中浸泡1d，取出后用清水浸泡48h，取出自然晾干至木材表面干燥，得到木坯；

(2)木坯预烘干：将木坯送入烘房内，木坯摆放时，木坯的轴向方向与气流方向垂直，用于隔开木坯的隔条与气流方向一致，烘房内以5℃/h的升温速率升温至50℃，保温并同时向烘房内通入100℃的饱和蒸汽，18h后停止通入饱和蒸汽，木坯于烘房内密封，继续以50℃的温度保温60h，保温结束后烘房内开启排风处理，缓慢通入空气，流速为5-8m/s，将烘房内的空气相对湿度降至72％左右，进行烘房密封、木坯静置操作，烘房密封时房内温度为40℃，待烘房内温度自然降至室温，得到预烘干的木坯；

(3)红外干燥：将预烘干的木坯进行红外线加热，功率为2kw，红外波长为10-12μm，当木坯内部温度升温至70℃后保温1h，随后再以5℃/min的加热速率将木坯内部温度加热至100℃后停止加热，向烘房内通入100℃的饱和蒸汽，20min后停止通入饱和蒸汽，开启排风处理，待木坯的内部温度降至75℃，循环操作以5℃/min的加热速率将木坯内部温度加热至100℃后停止加热，向烘房内通入100℃的饱和蒸汽，20min后停止通入饱和蒸汽，开启排风处理，将木坯的内部温度降至75℃的处理步骤为一个周期，循环操作5个周期后，得到半干燥的木料；

(4)定向开裂：在得到的杉木半干燥木料四周表面沿中心轴线开设预裂凹槽，四周表面每一面均开设一个预裂凹槽，预裂凹槽的宽度m＝(30cm×0.02)/72％＝0.83cm＝8.3mm；深度为h＝2m＝16.6mm。

(5)平衡干燥：将预裂凹槽后的木料置于烘房内，烘房内温度以5℃/min的升温速率加热至70℃，升温过程中同时将烘房内加压至0.2mpa，保温12h后烘房内降至常压，再升温至90℃，保温18h后将烘房内加压至0.3mpa，加压后再升温至100℃，保温6h后，烘房内降至常压，自然冷却，得到定向开裂后的干燥木料；

经检测，得到的干燥后的杉木木方平均含水率为9％。

将本实施例得到的干燥后的杉木木方制备成垂花柱，如图1所示。

实施例2：樟子松定向开裂的处理方法

经检测阴干约1个月的去皮樟子松初始含水率w为58％。

(1)木材预处理：将樟子松按照厚度d为25cm，宽度25cm，长度为65cm割成木方，随后浸泡于10wt％的偏硅酸钠溶液中，浸泡1d后取出，再置于1wt％的盐酸溶液中浸泡1d，取出后用清水浸泡32h，取出自然晾干至木材表面干燥，得到木坯；

(2)木坯预烘干：将木坯送入烘房内，木坯摆放时，木坯的轴向方向与气流方向垂直，隔条与气流方向一致，烘房内以5℃/h的升温速率升温至40℃，保温并同时向烘房内通入100℃的饱和蒸汽，20h后停止通入饱和蒸汽，木坯于烘房内密封，继续以40℃的温度保温50h，保温结束后烘房内开启排风处理，缓慢通入空气，流速为5-8m/s，将烘房内的空气相对湿度降至70％左右，进行烘房密封、木坯静置操作，烘房密封时房内温度为50℃，待烘房内温度自然降至室温，得到预烘干的木坯；

(3)红外干燥：将预烘干的木坯进行红外线加热，功率为2kw，红外波长为12-14μm，当木坯内部温度升温至70℃后保温2h，随后再以5℃/min的加热速率将木坯内部温度加热至110℃后停止加热，向烘房内通入100℃的饱和蒸汽，25min后停止通入饱和蒸汽，开启排风处理，待木坯的内部温度降至80℃，循环操作以5℃/min的加热速率将木坯内部温度加热至110℃后停止加热，向烘房内通入100℃的饱和蒸汽，25min后停止通入饱和蒸汽，开启排风处理，待木坯的内部温度降至80℃的处理步骤为一个周期，循环操作4个周期后，得到半干燥的木料；

(4)定向开裂：在得到的樟子松半干燥木料四周表面沿中心轴线开设预裂凹槽，四周表面每一面均开设一个预裂凹槽，预裂凹槽的宽度m＝(25cm×0.02)/58％＝8.62mm；深度为h＝2m＝17.24mm。

(5)平衡干燥：将预裂凹槽后的木料置于烘房内，烘房内温度以8℃/min的升温速率加热至80℃，升温过程中同时将烘房内加压至0.25mpa，保温10h后烘房内降至常压，再升温至95℃，保温16h后将烘房内加压至0.35mpa，加压后再升温至105℃，保温5h后，烘房内降至常压，自然冷却，得到定向开裂后的干燥木料；

经检测，得到的干燥后的樟子松木方平均含水率为8％。

将本实施例得到的干燥后的樟子松木方制备成垂柱，如图2所示。

实施例3：柏木定向开裂的处理方法

经检测阴干约半个月的去皮柏木初始含水率w为45％。

(1)木材预处理：将柏木按照厚度d为20cm，宽度为50cm，长度为50cm割成木方，随后浸泡于10wt％的偏硅酸钠溶液中，浸泡1.5d后取出，再置于1wt％的盐酸溶液中浸泡1d，取出后用清水浸泡40h，取出自然晾干至木材表面干燥，得到木坯；

(2)木坯预烘干：将木坯送入烘房内，木坯摆放时，木坯的轴向方向与气流方向垂直，隔条与气流方向一致，烘房内以5℃/h的升温速率升温至45℃，保温并同时向烘房内通入100℃的饱和蒸汽，30h后停止通入饱和蒸汽，木坯于烘房内密封，继续以45℃的温度保温40h，保温结束后烘房内开启排风处理，缓慢通入空气，流速为5-8m/s，将烘房内的空气相对湿度降至75％左右，进行烘房密封、木坯静置操作，烘房密封时房内温度为45℃，待烘房内温度自然降至室温，得到预烘干的木坯；

(3)红外干燥：将预烘干的木坯进行红外线加热，功率为2kw，红外波长为12-14μm，当木坯内部温度升温至70℃后保温1.5h，随后再以5℃/min的加热速率将木坯内部温度加热至120℃后停止加热，向烘房内通入100℃的饱和蒸汽，30min后停止通入饱和蒸汽，开启排风处理，待木坯的内部温度降至75℃，循环操作以5℃/min的加热速率将木坯内部温度加热至120℃后停止加热，向烘房内通入100℃的饱和蒸汽，30min后停止通入饱和蒸汽，开启排风处理，待木坯的内部温度降至75℃为一个周期，循环操作6个周期后，得到半干燥的木料；

(4)定向开裂：在得到的柏木半干燥木料四周表面沿中心轴线开设预裂凹槽，每一面均开设一个预裂凹槽，预裂凹槽的宽度m＝(20cm×0.02)/45％＝8.9mm；深度为h＝2m＝17.8mm。

(5)平衡干燥：将预裂凹槽后的木料置于烘房内，烘房内温度以6℃/min的升温速率加热至75℃，升温过程中同时将烘房内加压至0.3mpa，保温8h后烘房内降至常压，再升温至90℃，保温15h后将烘房内加压至0.4mpa，加压后再升温至100℃，保温5h后，烘房内降至常压，自然冷却，得到定向开裂后的干燥木料；

经检测，得到的干燥后的柏木木方平均含水率为5％。

将干燥后的柏木木方制备成垂花柱。

实施例4：

与实施例1采用同一批去皮杉木进行干燥处理，初始含水率w为72％。

(1)木材预处理：与实施例1相同；

(2)木坯预烘干：将木坯送入烘房内，木坯摆放时，木坯的轴向方向与气流方向垂直，用于隔开木坯的隔条与气流方向一致，烘房内以5℃/h的升温速率升温至50℃，保温并同时向烘房内通入100℃的饱和蒸汽，18h后停止通入饱和蒸汽，木坯于烘房内密封，继续以50℃的温度保温60h，保温结束后待烘房内温度自然降至室温，得到预烘干的木坯；

(3)红外干燥：将预烘干的木坯进行红外线加热，功率为2kw，红外波长为10-12μm，当木坯内部温度升温至70℃后保温1h，随后再以5℃/min的加热速率将木坯内部温度加热至100℃后停止加热，保温60h，保温期间每30min向烘房内通入100℃的饱和蒸汽，每次通入饱和蒸汽的时长为5min，保温结束后得到半干燥的木料；

(4)定向开裂：与实施例1相同；

(5)平衡干燥：将预裂凹槽后的木料置于烘房内，烘房内温度以5℃/min的升温速率加热至70℃，保温12h后再升温至90℃，保温18h后再升温至100℃，保温6h后，自然冷却，得到定向开裂后的干燥木料；

经检测，得到的干燥后的杉木木方平均含水率为15％。

实施例5：

与实施例2采用同一批去皮樟子松进行干燥处理，初始含水率为58％。

(1)木材预处理：与实施例2相同

(2)木坯预烘干：与实施例2相同

(3)红外干燥：与实施例2相同

(4)平衡干燥：与实施例2相同

经检测，得到的干燥后的樟子松木方平均含水率为9％。

对实施例1-5进行测试，测试的结果如表1所示，其中初始含水率：木材预处理前木材的含水率；处理后含水率：经过本发明处理后木材的含水率；开裂率：处理结束后该批木材的开裂率；24个月后开裂率：实施例1-5均任意选取同等数量、干燥后未开裂的木材于相同场地、相同环境、室外放置24个月(2018年1月-2020年1月)后的开裂率。

表1：

数据分析：

(1)实施例1-3经过本发明的处理方法处理后，含水率均降至10％以下，说明本发明的处理方法干燥效果较好，其中杉木的干燥效果最优。

(2)实施例1-3经过本发明的处理方法处理后，开裂率均低于2％，且24个月后开裂率均低于1％，说明本发明的处理方法能有效防止木材的开裂。

(3)实施例1与实施例4相比，经过实施例1的处理方法得到的木材含水率比实施例4降低7％，说明实施例1的处理方法更有利于干燥木材，且干燥效果好。实施例1的开裂率与实施例4相比下降0.81％，24个月后开裂率下降0.57％，说明实施例1与实施例4相比，实施例1的处理方法可以有效的降低开裂率。

(4)实施例2与实施例5相比，实施例2实施了定向开裂步骤，开裂率下降了4.41％，24个月后开裂率下降了1.75％，说明定向开裂步骤不仅可以有效地防止在干燥过程中造成木材开裂，还可以防止木料在长时间放置过程中形成开裂，制成木构件后可以提高木建筑的安全性和稳定性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

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