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古建中的无损检测技术
 
无损测绘也是现在技术发展的一个趋势和方面,同样这项技术也运用在古建上面。今天也来给大家简单的介绍一下无损检测技术在古建中如何应用的。先来说明一下无损检测技术的简单介绍和原理:

古建筑木构件的无损检测,目前主要是对其内部缺陷进行检测和判定物理力学性能,其中在现场勘查中又以内部缺陷检测最为重要。在无损检测技术发展初期,由于缺乏仪器设备和受勘查条件的限制,只能采用传统手工方式,研究人员在目测、敲击辨声的基础上依靠经验定性判定木构件的材质状况是当时的主要方法,这种方法操作简单但存在一定的人为误差且无法适应大径级构件的检测。随着科学技术的发展、古建筑木构件无损检测对精度要求的提高,检测手段从定性判定逐渐转变为利用科学仪器进行定量检测,检测技术也从表层探测过渡为深层分析。纵观其发展历程,大致经历了以下3个阶段:①使用皮罗钉(Pilodyn)等进行的点探测;②使用阻力仪(Resistograph)等进行的线探测;③使用应力波扫描仪(ImpulseTomograph)和Fakopp等进行的面探测。古建筑木构件无损检测技术及其发展趋势如图1所示。


古建筑木构件无损检测的常用方法及基本原理

以上主要对古建筑木构件常用的无损检测技术进行了概述,下面就各种仪器检测方法、基本工作原理以及其检测优缺点加以介绍。


皮罗钉检测技术皮罗钉是一种检测木材表面浅层硬度的仪器,测定原理是以预先设定好的能量,将一个直径为2mm的钢针射入到木材中,钢针射入的深度与木材密度密切相关。木材密度大则射入深度浅,反之射入深度大,将其与标准健康材进行对比即可判定木材的力学强度和腐朽程度。因木材腐朽后材质变软,木材力学强度下降,射入深度加大,所以可根据进针深度的不同判定木材的力学强度和腐朽等级。皮罗钉曾经是国内普遍使用的一种木材腐朽检测仪器,结果相对可靠,但它只能对木材表面情况进行检测,而且需掌握与现场同一树种健康材的皮罗钉检测值,因而其适用范围有限。


应力波检测技术应力波检测技术在古建筑木构件检测中应用较多,主要设备有Arbotom应力波扫描仪和Fakopp应力波测试仪


仪器工作原理

Arbotom应力波扫描仪和Fakopp应力波测试仪的工作原理基本相同,这里以Arbotom应力波扫描仪为例进行介绍。Arbotom应力波扫描仪为脉冲式树木断层成像仪,该系统主要由Arbotom分析软件、8~24个传感器、Arbotom控制器、小锤以及相应的附属部件组成,该设备专门用于对活树内部健康状况进行监测,我们引进后经多年实践,已成功地将其用于对古建筑木结构内部材质状况进行监测。检测时,工作人员可根据实际工作情况及对被检测对象的要求,选择适当数目的传感器,传感器挂在被测物体表面的钉子上,勘查时应力波通过冲击销传入木材内部。检测过程中若在所有平面设置N个传感器探头,即可得到N(N-1)/2组速度传输数据。



内部缺陷检测技术

古建筑木构件内部缺陷检测主要依靠横向应力波。检测时主要是在同一平面上布置多个传感器(4~24个)。布置完成后敲击所有的传感器得到多组不同路径的应力波速度值,然后通过设定参数后的软件计算可以得到木材断面的扫描图,经计算机处理后也可以形成三维立体图,能直观地显示被测木材内部的基本状况。利用应力波断层扫描无法检测墙体包围的部分立柱,以及检测不便的高空梁、檩、枋等;同时因为应力波设备主要是通过波速判断缺陷,在对波速影响等同的情况下,对某些缺陷(如空洞、腐朽)无法准确区分,检测缺陷大小和实际大小也存在一定差异,还需要根据实际的树种和含水率等进行修正。


物理力学性能检测

古建筑木构件物理力学性能检测依靠纵向应力波,主要为单路径应力波检测。以立柱为例的检测步骤如下:①确定检测部位,使用小锤把两个传感器分别钉入所选定的不同平面木材内,确保两个传感器之间连线与立柱轴线平行;②通过敲击其中一个传感器得到应力波传播的速度,从而推导木材的物理力学性能。应力波检测的数据主要为动弹性模量,其他力学指标也可以根据密度和波速等数据进行推测。动弹性模量的推断依靠经验公式E=DV2衍伸而来,其中E为动弹性模量、D为木材密度、V为应力波波速。


超声波检测技术

超声波检测也是利用木材弹性模量与超声波在木材中传播速度的平方与介质密度成正比的关系,借助仪器检测数值,推算出木材的弹性模量等力学强度以及木材内部缺陷的技术,其评估原理与单路径应力波检测相似。与应力波不同的是,检测用超声波主要靠探测头产生而非小锤敲击的机械振动生成,其探测头与木材介质之间的耦合技术仍是难点问题。


其他检测技术

除此之外,肉眼观测、小锤敲击、生长锥钻取、电阻式含水率测定也是常用的古建筑木构件无损检测方法。


结论

随着科学技术的进步及各学科的交叉互动,木材无损检测也将融入更多的先进理念和技术,朝着智能化、便携化、易控制的方向发展,并在测量速度、准确性等方面得到进一步改善。

①阻力仪等线探测技术不可缺少。因为古建筑部分木构件是被墙体遮挡的,而被墙体遮挡的木构件也是木材缺陷的多发部位,对于这类构件的检测到目前为止还难以实现面检测或空间检测,所以线探测技术是不可缺少的。

②便携式空间探测技术将逐步取代面探测技术。目前的面探测技术应用时均比较繁琐,且相关仪器不便于携带,对于高空悬挂构件检测存在困难,所以便携式多自由度的空间探测技术将具备较大的发展潜力。

③树种鉴定工作是古建筑无损检测中不可缺少的一环,其直接服务于无损检测后的修缮和保护工作,并可为古建筑木构件保存永久的历史档案。

④分级检测技术是合理、高效保证古建筑木构件现场勘查技术之一。

⑤无损检测结果将不再局限于评估木构件单一的缺陷,而将用于对整体建筑的评估。
 
 
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