CN113790979B - 一种微损测试脆弱木质文物抗弯强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及木质文物检测领域，公开了一种微损测试脆弱木质文物抗弯强度的方法。方法包括：将样品裁切成标准样条；测量夹具间的跨距，标准样条的宽度和厚度，读取数值并记录；将标准样条放置于夹具上开始试验，向标准样条施加均匀增大的载荷，直至将标准样条压至断裂，测量标准样条位移与压力间的关系，记录位移、载荷随时间变化的曲线；根据夹具跨距、标准样条的宽度、厚度、实时位移、实时载荷得出标准样条的应力和应变，画出应力应变曲线；标准样条断裂的瞬时应力即为该标准样条的抗弯强度。本发明只需少量薄片样品即可有效地测试绝大多数不同保存状况的考古木质文物的抗弯强度，适用范围广泛，测试结果精度高、可重复性良好。

Description

一种微损测试脆弱木质文物抗弯强度的方法
技术领域
本发明涉及文物测试技术领域，尤其涉及微损测试脆弱木质文物抗弯强度的方法。
背景技术
木质文物是我国灿烂文化遗产的重要组成部分，是研究古代科技、艺术与文化的珍贵实物资料。在沉船、棺椁、木雕等大型饱水木质文物的保护研究中，对其力学性能进行精确表征具有重要意义，是对文物进行保存状况评估、病害程度分级及保护方案制定的重要依据。然而，经过漫长的地下/水下埋藏和微生物降解，木材细胞壁中的纤维素和半纤维素部分降解，导致细胞壁疏松多孔，吸水程度大幅增加，使得考古饱水木材的性质与现代健康木材相比已截然不同。考古饱水木材在大多数情况下腐朽较为严重，较高的降解程度使其力学强度大幅降低，整体非常脆弱，难以进行常规力学性能测试。
目前，用于检测现代木材力学性能的方法主要有：(1)万能材料试验机(GB/T1936.1-2009,木材抗弯强度试验方法[S]；GB/T 1935-2009,木材顺纹抗压强度试验方法[S].)。这类方法适用于含水率在9％～15％、力学性能较好的无疵木材，试样尺寸为300mm×20mm×20mm。考古木材通常含水率高，质地脆弱，存在较多孔洞和裂隙，均匀性差；木质文物的珍惜性决定了不能对其进行大量取样和取大尺寸样品。此外，万能材料实验机的载荷大，精度相对较低。很多情况下，万能材料试验机不适用于考古木材力学性能的测试。(2)硬度计(费利华,吴耿烽,沈大娲.微-纳米氢氧化钙在海洋出水木质文物脱酸保护中的应用[J].自然与文化遗产研究,2019,4(S2):136-141.)。用于表征材料抵抗硬物体压入其表面的能力。硬度计具有微损测试的特性，在木质文物上有一定应用，但是硬度数据难以和木材的力学性能进行科学关联，在考古木材性能评估方面具有一定局限性。(3)纳米压痕仪(HanLiuyang,Wang Kun,Wang Weibin,Guo Juan,Zhou Haibin.Nanomechanical andTopochemical Changes in Elm Wood from Ancient Timber Constructions inRelation to Natural Aging[J].Materials,2019,12(5).)。主要用于微纳米尺度薄膜材料的硬度与杨氏模量测试，测试结果通过力与压入深度的曲线计算得出，但纳米压痕测试面积小，只能表征材料的微观力学性能，适合均一性好的材料，而考古木材构造较为复杂，降解不均匀。对于高度降解的脆弱木质文物，纳米压痕仪不能完全适用。(4)阻抗仪修正超声波法(王明谦,冷予冰,许清风,陈溪,陈玲珠,张富文.一种木材抗弯强度现场检测方法[P].上海市：CN111521684A,2020-08-11.)。该方法基于超声波检测技术，利用阻抗线均值对超声波结果进行公式计算和拟合修正，提高检测精度。该方法用于古建筑大型木构件的原位测试，两点间测试距离不小于500mm，受木材中常见的裂隙影响较大，精度较低，在考古木材上受到一定限制。由于木质文物的唯一性和不可再生性，取样量和样品尺寸，及测试仪器的适用范围，极大地限制了现代木材常用力学测试技术在考古木材上的应用。
静态热机械分析(Thermomechanical analyzer,TMA)是一种在程序控温和非震动载荷作用下，测量物质的形变与温度时间函数关系的技术，可以精确测量试样在热、力作用下的形变量。因此，有望利用静态热机械分析技术开发出一种微损的脆弱木质文物抗弯强度测试方法，目前尚未见相关方法的专利和文献报道。
发明内容
为解决现有木材力学性能测试方法存在所需样品尺寸和样品量大，测试仪器载荷大、精度低，难以适用糟朽考古木材的问题，本发明提供了一种微损测试脆弱木质文物抗弯强度的方法，即利用静态热机械分析仪，只需少量薄片样品即可有效地测试绝大多数不同保存状况的考古木质文物的抗弯强度，适用范围广泛，测试结果精度高、可重复性良好。
根据本发明技术方案，提供一种微损测试脆弱木质文物抗弯强度的方法，所述方法包括：
1)将测试木质文物的样品裁切成标准样条；
2)测量静态热机械分析仪的夹具间的跨距，所述标准样条的宽度和厚度，读取数值并记录；
3)将所述标准样条放置于所述夹具上开始试验，向所述标准样条施加均匀增大的载荷，直至将所述标准样条压至断裂，测量所述标准样条位移与压力间的关系，记录位移、载荷随时间变化的曲线；
4)根据夹具跨距、所述标准样条的宽度、厚度、实时位移、实时载荷计算得出所述标准样条的应力和应变，画出应力应变曲线；
5)所述标准样条断裂的瞬时应力即为该标准样条的抗弯强度。
作为优选，所述测试木质文物包括出水木质沉船、出土棺椁、出土/出水木构件，如木制生活用品、木质乐器、木牍、漆木器的木胎。
作为优选，所述测试木质文物不限定器物的尺寸、树种、年代等因素，保存状态不限。
作为优选，所述测试木质文物的最大含水率范围在200～800％。
作为优选，所述标准样条为尺寸8mm×2mm×0.3mm的薄木片，试样均匀，需避开孔洞和裂隙。
作为优选，所述标准样条为气干状态，方法为将所述标准样条夹在两片载玻片之间，用橡皮筋绑紧，室内自然干燥或在扎孔密封袋中缓慢干燥。
作为优选，所述夹具跨距L，以及所述标准样条的宽度b、厚度d的数据精确到0.001mm。
作为优选，所述静态热机械分析仪的载荷分辨率为9.8μN，位移分辨率为0.01μm。
作为优选，所述静态热机械分析仪的夹具为三点弯曲夹具。
作为优选，所述静态热机械分析仪的探针为石英弯曲探针。
作为优选，步骤3)中，所述静态热机械分析仪的弯曲程序开始前，给予所述标准样条载荷，以探针能接触到所述标准样条且所述标准样条不发生形变为目的，初始载荷约0.1～10mN：
轻微至低度降解考古木材初始载荷不超过10mN；
中度降解考古木材初始载荷为1～5mN；
重度降解或极端脆弱考古木材初始载荷为0.1～0.5mN。
作为优选，步骤3)中，静态热机械分析仪采用等速应力控制，加载速度在5～30min内使所述标准样条断裂，速率不超过10mN/min：
轻微至低度降解考古木材加载速率不超过10mN/min；
中度降解考古木材加载速率为5mN/min；
重度降解考古木材加载速率为1～2mN/min。
进一步的，步骤4)具体包括：将夹具的跨距L、所述标准样条的宽度b、厚度d、实时位移D、实时载荷P代入公式
Figure BDA0003275390820000031
得出所述标准样条的应力σf，所述标准样条的应变为
Figure BDA0003275390820000032
由此画出应力应变曲线。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)万能试验机弯曲试验支座间跨距为240mm，静态热机械分析仪的三点弯曲夹具跨距仅为5mm，木材顺纹方向大于5mm的薄片即可进行测试，避免了对木质文物的大量和大尺寸取样，解决了微损测试木质文物力学强度的难题。
2)与万能试验机相比，静态热机械分析仪可以测量木材极微小尺寸变化(0.01μm)与极低载荷F(9.8μN)之间的关系，具有极高的灵敏性和精确度，适用于大多数强度较低的考古木材，对极端糟朽木质文物亦能有效测试。
3)与硬度计相比，本方法测试抗弯强度直接反映了木质文物的应力应变性能，反映的是关键的力学强度数据，是评估木质文物保存状况的可靠依据。
4)与纳米压痕仪相比，本发明适用木质文物范围广，制样简单，数据重复性好。
5)与阻抗仪修正超声波法相比，本发明适用于脆弱考古木材，可直接对木质文物的抗弯强度进行测试，无需数据拟合，具有极高的精确度。
附图说明
图1是本发明微损测试脆弱木质文物抗弯强度的方法流程图。
图2是本发明所述木质文物抗弯强度测试方法中，静态热机械分析仪三点弯曲试验探针、夹具及样品放置示意图。
图3是本发明所述木质文物抗弯强度测试方法中，静态热机械分析仪三点弯曲试验实测图。
图4是本发明实施例2中抗弯测试后考古木材样条断裂情况(30倍)及断面显微照片(200倍)。
图5是本发明实施例2中考古木材样条的位移-时间、载荷-时间测试曲线图。
图6是本发明实施例2中考古木材样条的应力-应变曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
以下结合附图对本发明的具体实施例作详细说明。
如图1所示，本发明所提供的微损测试脆弱木质文物抗弯强度的方法，包括：
S101)、将木质文物样品裁切成标准样条；
S102)、测量三点弯曲夹具间的跨距L，试样的宽b和厚度d，读取数值并记录；
S103)、将试样放置于静态热机械分析仪的夹具上，常温条件下开始试验，向试样施加均匀增大的载荷，直至将试样压至断裂，记录位移、载荷随时间变化的曲线，测量木质文物试样形变与压力间的关系；
S104)、实验数据处理，将夹具跨距L、试样宽度b、厚度d、实时位移D、实时载荷P代入公式
Figure BDA0003275390820000051
得出试样的应力σf，试样应变为
Figure BDA0003275390820000052
画出应力应变曲线；
S105)、试样断裂的瞬时应力即为试样的抗弯强度σ。
本方法解决了现有木质文物力学测试存在取样量大、试样尺寸大、制样困难、数据重复性差、不能测试极端糟朽木质文物等问题，具有测试可操作性强、试样尺寸小、灵敏度高、重复性好、适用木质文物范围广等优点。本发明在极少量取样的情况下，即可获得脆弱木质文物的抗弯强度，可用于准确评估文物的保存状态。
实施例1
通过弯曲实验测试了“南海I号”沉船散木样品的抗弯强度，该木材树种为杉木，属于轻中度降解，最大含水率为331％。将样品裁切成标准样条(8mm×2mm×0.3mm)并自然干燥。测出夹具跨距L为5mm、样品宽b为2.299mm、厚度d为0.244mm；将木条放置在三点弯曲夹具上，位置如图2所示。在常温条件开始试验，降下探针，设置初始载荷5mN，并以5mN/min均匀增大，30min后样品断裂，记录位移、载荷随时间变化的变化曲线；处理实验得到的数据，将夹具跨距L、样品宽度b、厚度d、实时位移D、实时载荷P代入公式
Figure BDA0003275390820000053
Figure BDA0003275390820000054
得出试样的应力σf、试样应变εf，做出应力-应变曲线；试样断裂的瞬时应力即为试样的抗弯强度σ＝10104.24mN/mm2，如图3所示。
实施例2
通过弯曲实验测试了“南海I号”沉船隔舱板的抗弯强度，该木材树种为硬木松，属于中度降解，含水量为452％。将样品裁切成标准样条(8mm×2mm×0.3mm)并缓慢干燥。测出夹具跨距L为5mm、样品宽b为1.885mm、厚度d为0.172mm；将木条放置在三点弯曲夹具上，在常温条件开始试验，降下探针，设置初始载荷2mN，并以5mN/min均匀增大，10min后样品断裂，记录位移、载荷随时间变化的变化曲线，如图5所示；处理实验得到的数据，将夹具跨距L、样品宽度b、厚度d、实时位移D、实时载荷P代入公式
Figure BDA0003275390820000061
得出试样的应力σf、试样应变εf，做出试样的应力-应变曲线，如图6所示；试样断裂的瞬时应力即为试样的抗弯强度σ＝7123.98mN/mm2，结果如图4所示。
实施例3
通过弯曲实验测试了“南海I号”沉船木构件的抗弯强度，该木材树种为枫香，属于中度到重度降解，最大含水率472％。将样品裁切成标准样条(8mm×2mm×0.3mm)并缓慢干燥，测出夹具跨距L为5mm、样品宽b为、厚度d为；将木条放置在三点弯曲夹具上，在常温条件开始试验，降下探针，设置初始载荷1mN，并以2mN/min均匀增大，12min后样品断裂，记录位移、载荷随时间变化的变化曲线；处理实验得到的数据，将夹具跨距L、样品宽度b、厚度d、实时位移D、实时载荷P代入公式
Figure BDA0003275390820000062
得出试样的应力σf、试样应变εf，做出应力-应变曲线；试样断裂的瞬时应力即为试样的抗弯强度σ＝5665.05mN/mm2。
实施例4
通过弯曲实验测试了“南海I号”沉船船板的抗弯强度，该木材树种为硬木松，属于重度降解，最大含水率高达572％，质地非常脆弱。将样品裁切成标准样条(8mm×2mm×0.3mm)并缓慢干燥。测出夹具跨距L为5mm、样品宽b为1.875mm、厚度d为0.198mm；将木条小心放置在三点弯曲夹具上，在常温条件开始试验，降下探针，设置初始载荷0.1mN，并以5mN/min均匀增大，6min后样品断裂，记录位移、载荷随时间变化的变化曲线；处理实验得到的数据，将夹具跨距L、样品宽度b、厚度d、实时位移D、实时载荷P代入公式
Figure BDA0003275390820000063
得出试样的应力σf、试样应变εf，做出应力-应变曲线；试样断裂的瞬时应力即为试样的抗弯强度σ＝3190.49mN/mm2。
实施例5
通过弯曲实验测试了“南海I号”沉船散木的抗弯强度，该木材树种为柿木，属于重度降解，含水量高达724％，质地极为脆弱。将样品裁切成标准样条(8mm×2mm×0.3mm)并缓慢干燥，测出夹具跨距L为5mm、样品宽b为1.762mm、厚度d为0.187mm；将木条小心放置在三点弯曲夹具上，在常温条件开始试验，降下探针，设置初始载荷0.1mN，并以1mN/min均匀增大，13min后样品断裂，记录位移、载荷随时间变化的变化曲线；处理实验得到的数据，将夹具跨距L、样品宽度b、厚度d、实时位移D、实时载荷P代入公式
Figure BDA0003275390820000071
得出试样的应力σf、试样应变εf，做出应力-应变曲线；试样断裂的瞬时应力即为试样的抗弯强度σ＝1643.26mN/mm2。
本发明采用静态热机械分析仪对考古木材进行三点弯曲测试，其突出优势是，所需样品尺寸小(8mm×2mm×0.3mm)，小样品有效地规避了考古木材的不均匀性，少量取样即可完成多组平行样品的测试，数据重复性好，载荷小(载荷范围±5N)、测量精度高(载荷分辨率9.8μN、位移分辨率0.01μm)，适用于保存状态复杂多样的脆弱考古木材。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种微损测试脆弱木质文物抗弯强度的方法，其特征在于，所述测试木质文物的最大含水率范围在200～800％，所述方法包括：
1)将测试木质文物的样品裁切成标准样条，所述标准样条为尺寸8mm×2mm×0.3mm的薄木片；所述标准样条为气干状态，方法为将所述标准样条夹在两片载玻片之间，用橡皮筋绑紧，室内自然干燥或在扎孔密封袋中缓慢干燥；
2)测量静态热机械分析仪的夹具间的跨距，所述标准样条的宽度和厚度，读取数值并记录，所述夹具的跨距L，以及所述标准样条的宽度b、厚度d的数据精确到0.001mm；所述静态热机械分析仪的载荷分辨率为9.8μN，位移分辨率为0.01μm；所述静态热机械分析仪的夹具为三点弯曲夹具；所述静态热机械分析仪的探针为石英弯曲探针；所述静态热机械分析仪的三点弯曲夹具跨距为5mm；
3)将所述标准样条放置于所述夹具上开始试验，向所述标准样条施加均匀增大的载荷，直至将所述标准样条压至断裂，测量所述标准样条位移与压力间的关系，记录位移、载荷随时间变化的曲线，
其中，所述静态热机械分析仪的弯曲程序开始前，给予所述标准样条载荷，以探针能接触到所述标准样条且所述标准样条不发生形变为目的，初始载荷约0.1～10mN：轻微至低度降解考古木材初始载荷不超过10mN；中度降解考古木材初始载荷为1～5mN；重度降解或极端脆弱考古木材初始载荷为0.1～0.5mN；
其中，静态热机械分析仪采用等速应力控制，加载速度在5～30min内使所述标准样条断裂，速率不超过10mN/min：轻微至低度降解考古木材加载速率不超过10mN/min；中度降解考古木材加载速率为5mN/min；重度降解考古木材加载速率为1～2mN/min；
4)根据夹具跨距、所述标准样条的宽度、厚度、实时位移、实时载荷计算得出所述标准样条的应力和应变，画出应力应变曲线；
5)所述标准样条断裂的瞬时应力即为该标准样条的抗弯强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测试木质文物包括出水木质沉船、出土棺椁、出土/出水木构件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标准样条试样均匀，需避开孔洞和裂隙。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)具体包括：将夹具的跨距L、所述标准样条的宽度b、厚度d、实时位移D、实时载荷P代入公式
Figure FDA0003634672020000021
Figure FDA0003634672020000022
得出所述标准样条的应力σf，所述标准样条的应变为
Figure FDA0003634672020000023
由此画出应力应变曲线。
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