便携式X射线荧光光谱仪在西藏寺庙木材防腐透入度检测中的应用

王永进,齐 扬,周伟强,阎 敏,石美荣,相建凯,傅 鹏

(1. 陕西省文物保护研究院,陕西西安 710075; 2. 西北大学,陕西西安 710069)

0 引 言

中国西藏自治区内遍布古寺庙、古建筑和古文化遗址,有很多被列为全国重点文物保护单位和世界文化遗产。寺庙的存在对西藏的政治、经济、教育、生活与习俗诸方面均有深刻的影响。西藏寺庙多为土、木、石混合结构,其中木构件约占整座建筑的一半以上,极易受到蛀干害虫的侵害——寺庙中的许多木构件被蛀虫啃啮成粉末状,表面布满虫眼(图1),内部还寄生蛀虫的幼虫和成虫[1]。蛀虫长期啃啮柱子造成柱子内部中空,强度降低,直接威胁到整座建筑的安全。

图1 虫蛀木构件Fig.1 Wood component damaged by insects

针对寺庙木构件的腐朽虫蛀等问题,当地文物部门非常重视,将建筑维修过程中木材的防腐处理作为一项必不可少的重要工作。木材的防腐一般采用密闭的真空罐对木材施压将防腐剂打入木材纤维使其具有防腐防虫的功能,造价高且工艺复杂,而西藏许多寺庙处在山上,修缮场地有限,维修需要替换的木材用量大,专业规范的木材防腐工艺很难在现场开展。木材的防腐处理效果得不到保障将影响古建维修的进度和质量,如果仅通过简单的表面防腐处理,过几年虫蛀会再次发生,给国家造成巨大的人力财力浪费。对于这种不便开展专业木材防腐的工程,质量控制至关重要。现有的木材防腐质量主要通过载药量和透入度进行评价。根据标准LY/T 1936—2005的要求,浸泡处理木材的载药量≥3.5 kg/m3(干盐)即为合格,但载药量的计算存在一定局限性,不能确定防腐剂有效成分进入木材的深度——如果只是溶剂渗透较深,而防腐剂停留在木材表面,这样经防腐处理的木材耐病虫害持久性差,所以要求防腐剂有效成分有一定的透入度。现有的木材防腐剂透入度的检测方法主要有显色法(GB/T 50329—2012《木结构试验方法标准》)、湿灰化分析法、原子吸收光谱法、X射线荧光光谱法等。由于显色剂自身带有颜色,对颜色不敏感的人员操作难度较大。其他分析方法要求在实验室进行,样品前处理复杂,专业要求比较高,且配制试剂需要具备相关的化学知识,不适应于偏远地区的现场检测。因此,如何在现有条件下进行木材防腐工程并保证质量成为本项工作的重点和难点。

本研究通过在工程现场建造防腐处理池、加水加压浸泡的木材防腐处理方法,完成木材的加工、烘干、防腐处理工作,并利用便携式X射线荧光光谱仪(pXRF)对处理后的木材横截面进行防腐剂透入度的检测,并结合载药量评价木材的防腐处理效果及施工工艺的可行性,为西藏寺庙虫蛀木构件维修防腐处理提供借鉴。

1 材料和方法

木材防腐采用科学的方法在木材内加入防腐药剂,使木材具有耐虫蛀和耐腐的特性,从而延长木材的使用寿命。高质量的防腐剂要具有防治效力大、耐候性强、不影响上漆、不降低木材强度的特性。CCA防腐剂是目前公认的使用范围最广、历史最久、性能最佳的水溶复合防腐剂,可广泛应用于各种工业用材和木制品的防腐、防虫处理。但对于经CCA处理的木材的使用,国内外存在较大争议,考虑到CCA中砷、铬的潜在危害,一些国家已正式限制经CCA防腐处理的木材在民用场合的使用,目前尚没有案例证明使用CCA防腐木对人身或环境产生直接伤害。由于CCA木材防腐剂的优良性能,我国在农用材、园林用材等室外防腐木用材领域中对CCA防腐木的应用越来越广泛[2]。

1.1 CCA木材防腐剂

CCA木材防腐剂的有效成分为铜、铬、砷的氧化物或盐类[3]。这三种主要成分在木材防腐处理中起到不同的作用:铜可以抵制腐朽菌的侵入;砷可以抗虫蚁以及抵制一些具有耐铜性的腐朽菌的侵入;铬可以增强处理材的耐光性和疏水性。这几种成分与木材组织结合,赋予木材以高效的防腐、防虫、防白蚁以及防海蛆的性能,经处理的木材使用寿命是普通木材的10倍[4]。CCA木材防腐剂(江西鹰潭木材防腐剂)的产品质量指标如表1所示。

表1 CCA产品质量指标Table 1 Quality indicators of CCA

1.2 仪器设备

便携式X射线荧光光谱仪SEA 200(日本精工盈司),X光管电压50 kV,X光管电流200 μA,分析方法为块体FP法,准直器φ=2 mm,测量时间60 s;德图Testo 606-2木材水分测试仪。

1.3 木材防腐处理方法

对于木材化学保护是否成功,有效的药剂和适当的处理方法是两个缺一不可的关键因素。常见的方法有加压浸注法、常压浸泡法和喷涂法,根据文物保护的最小干预原则和腐朽程度的差异对寺庙中的木构件采用不同的处理工艺使其达到防腐防虫的目的:对于不可拆卸更换的或虫蛀不严重的木构件采用喷涂法;对于可拆卸更换的木构件采用浸泡法。由于建筑年久失修,大多数木构件需要重新更换,只有少量采用喷涂法,喷涂法操作工艺简单,但透入度浅,难以起到长期的防护作用。本研究主要介绍适用于西藏地区古建维修木材防腐处理的加压浸泡法。

1.3.1前期准备 主要工作包括木材烘干、挖浸泡池、配制防腐剂。

1) 木材烘干。在采用化学防腐处理之前,木材含水率是影响防腐处理成败的重要因素,所以新砍伐的或潮湿的木材,必须经干燥后,方能进行防腐处理。不同树种干燥速率不同,所以每批次选择相同树种的木材烘干,一般干燥到木材纤维含水率饱和点(约30%)以下,在处理前应做好必要的加工(如锯割、凿孔、刨光等)。

2) 挖浸泡池。浸泡池的尺寸以处理木材的长度及处理量作为参考,本次需要处理木材的最大长度不超过6 m,池子的长度至少为6 m,宽度为1.5 m左右,整个池子呈倒梯形结构。要求池子必须具有一定的强度,因为加压处理过程中将产生巨大的压力,加水后对木材产生的压强比常压增加约35 000 Pa,压力过大会使池壁产生裂纹,药液流失,污染环境。

3) 防腐剂配制。CCA原液的有效活性成分为60%,加压浸泡使用浓度为有效成分5%,与水的比例为:1∶11,浓度太低不能起到毒杀作用。

1.3.2加压浸泡法 1)将烘干后的木材放入浸泡池中,并用钢架管固定,防止木材加入防腐剂后受浮力作用漂浮在药液上面,导致木材暴露在空气中不能完全浸泡,影响浸泡效果。池中浸泡木材的摆放高度不超过池子的1/2。本批次处理的木材树种为红松,同时准备三个长度为60 cm的红松试验样块称重后一起放入池子中。

2) 木材摆放完成后,用厚度为1 mm的塑料将整个池子覆盖,并在池子的一角放置直径为20 cm的塑料管作为进液口。在塑料的上方加水(图2),随着水量的增加,压力逐渐增大,当塑料下木材印痕明显时,将配好的防腐剂通过进液口缓慢注入池中,观察液面的高度直到将木材全部浸没。

图2 木材加压浸泡防腐处理Fig.2 Anticorrosion treatment for wood by pressure immersion

3) 浸泡的前6 h药剂吸收量大,要随时观察液面的高度,当液面下降需及时添加防腐剂,直到液面不再降低;24 h后将塑料上的水抽掉,揭开塑料,然后把剩余的药液抽出回收备用。

4) 木材捞出后自然风干,防止雨淋。将试验样块捞出,待表面不再流挂药液时称重,记录其重量,然后将其锯开,观察其剖面渗透深度。

1.4 防腐处理效果检测

国内列入标准的经木材防腐剂处理的木材需要确保的指标包括载药量和透入度[5]:载药量是指木材经防腐处理后单位体积的木材中所保留的防腐剂的数量,一般用kg/m3(木材)表示;透入度是指采用浸泡、涂刷、喷淋等手工处理工艺时防腐剂进入木材的深度[6]。影响木材载药量的重要因素是木材的材质和含水率,不同树种的木材对防腐剂的吸收差别很大,有些容易进行防腐处理,有些则不容易,应用在工程中的防腐木材均应达到GB 50828—2012《防腐木材工程应用技术规范》规定的指标[7]。

1.4.1防腐剂载药量检测 载药量可以通过木材浸泡前后称重测得,并用单位体积木材吸收防腐剂的质量来表示,水溶性药剂由溶液浓度换算成干药重量。

1.4.2防腐剂透入度检测 载药量只能说明防腐剂溶液的吸收量达到要求,真正起防腐作用的是防腐剂的有效成分,只有有效成分到达木材的深部才能起到长期的防护效果。根据CCA防腐剂中含有铜、铬、砷元素的特点,通过检测木材中不同部位所含的铜、铬、砷元素即可知道防腐剂的渗透深度,元素检测最常用的方法是X射线荧光分析法[8]。便携式X射线荧光光谱仪是为野外现场X射线荧光分析应用专门开发的仪器,并具有台式X射线荧光光谱仪的全部功能,操作快速方便,在短时间内可同时完成多种元素的常量、微量的定性和半定量分析,不受试样形状和大小的限制,不破坏试样。

2 结果和讨论

2.1 防腐剂载药量检测

将三块试验样块捞出后静置到无明显液体滴落后称重,根据浸泡前后木材重量的增加换算成防腐剂载药量,结果表明三个样块的防腐剂载药量均大于国家标准要求的C1类使用环境≥4.0 kg/m3(表2)。

表2 木材防腐剂载药量Table 2 Preservative contents of the wood samples

2.2 透入度检测

实验样块自然风干后从中间锯开,对样块横向截面用X射线荧光光谱仪(XRF)从边材向心材方向每隔5 mm宽度逐层检测,光斑直径φ=2 mm,直到检测不到CCA所含的元素铜、铬、砷,即为CCA的最大渗透深度。除了实验样块外还对两个大型的木构件抽检(φ=250 mm),检测结果显示CCA渗透到的木材深度最大可达到22 mm。XRF检测结果见图3、图4和表3。

图3 XRF检测视图Fig.3 View of XRF testing

图4 防腐木材XRF光谱图Fig.4 XRF spectrum of preservative wood

表3 防腐木材透入度XRF检测结果Table 3 XRF testing results of wood penetration

3 结 论

西藏地区寺庙多,古建维修工程量大,且个别地方交通不便,对于木材的防腐防虫处理工作只能选择因地制宜的原则,利用寺庙场地开阔的特点在现场建造木材烘房、浸泡池,在现有的条件下完成木材的防腐防虫处理并达到合格的标准。经现场试验防腐处理的木材载药量和透入度都达到了国家标准规定C1级要求,透入深度不小于15 mm。该项工作的难点在于木材含水率的控制和防腐剂透入度的检测,主要体现在以下两方面。

1) 木材含水率的控制。木材含水率是影响木材载药量的重要因素,用水溶性或油性防腐剂都要求木材含水率在25%以下,最高不能超过30%,木材必须烘干达到含水率要求才能入池处理,要达到含水率要求必须保证足够的烘干时间。

2) 防腐剂透入度的检测。防腐效果最终都由透入度决定,防腐剂只有达到一定的渗透深度才能起到长久的防腐效果。防腐剂透入度检测是一项专业性很强的工作,也是木材防腐处理成败的重要指标,在施工现场要求时间短、效率高、操作简单。便携式X射线荧光光谱仪通过检测木材中铜、铬、砷元素的位置可确定防腐剂渗透的深度,且仪器使用不受时间地点的限制,可做到随抽随检,只需简单的培训就可让施工人员单独操作,便于施工单位自检和质量控制。