在木结构古建筑维修和保护工程实施过程中，首先要对木结构的安全性做出科学评价。木结构的安全性主要取决于木构件所使用木材的材质状况，材质状况评价结果是修缮工程施工设计和制定维修方案的重要依据(陈允适等，2005)。由于古建筑的木构架是不能轻易拆卸的，而木材的腐朽有些是从外部开始的，也有些是从内部开始的，因此如何在不拆卸木构架的情况下准确地评价木构件的材质状况，是木结构古建筑保护和修缮工程的一个难题。木材无损检测技术的发展在一定程度上解决了木结构古建筑材质状况的非破坏性评价问题，但由于木材是一种非均质材料，具有各向异性的特点，而且树种间的变异性大，因此要提高木构件材质状况非破坏性评价的准确性，还需要在进一步完善现有检测方法的同时，大量积累基础数据，并对检测数据进行科学分析和科学利用。

木材无损检测和微损检测方法很多，有超声波、应力波、X-射线、皮罗钉(Pilodyn)、阻力仪检测等(段新芳等，2002; 黄荣凤等，2007; Emerson et al., 2002; Wang et al., 1999; Wang et al., 2002)。皮罗钉最早出现在瑞典，是专门用于进行电杆安全检测的一种无损检测仪器，目前已广泛用于古建筑木结构和古木保护的检测中。日本学者将这项技术应用于原木的密度分等也取得了很好的结果(山下香菜等，2007)。根据皮罗钉的打入深度值能定性地判断木材的腐朽状况，但不能对木材性质做定量评价，这就使检测结果的应用价值大大降低。在无损检测结果的定量化方面，黄荣凤等(2007)以古建筑旧木材为材料，对阻力仪检测结果进行了定量分析，通过建立阻力仪检测值与木材密度、抗弯强度和抗压强度之间的回归模型，初步实现了对阻力仪检测值的定量化。皮罗钉检测与阻力仪检测有类似之处，理论上是可以借鉴阻力仪检测结果的定量分析方法的。皮罗钉打入深度主要受木材密度和硬度2项材物理性质指标的影响，而其中的木材密度检测方法很多，且方便快捷，因此分析木材密度与皮罗钉打入深度之间的关系，建立两者间的回归模型，是实现皮罗钉检测结果定量评价的重要手段。

故宫武英殿始建于明朝永乐年间，距今已有600多年的历史。清同治八年(公元1869年)，武英殿被火焚，烧毁正殿、后殿、殿门、东配殿和浴德堂等建筑共37间，同年重建。光绪二十六年(公元1900年)，武英殿前殿、后殿再次被焚。由此推测武英殿的木材是1869年或1900年修建时的木材，距今约100 ~ 130年。本研究以故宫武英殿2003年维修时替换下来的局部腐朽的旧木构件为试验材料，按照腐朽等级的划分方法，将试件目视分等后，对试件进行皮罗钉检测和密度检测。分析径向和弦向皮罗钉打入深度与密度之间的关系，建立木材密度与皮罗钉检测结果间的数学模型，目的是为木结构材质状况无损检测结果的定量评价提供科学依据。

试材取自故宫武英殿前殿维修时替换下来的柱、五架梁、单双步梁爪柱等局部腐朽的旧木构件。木材树种鉴定结果为落叶松属(Larix sp.)和松属中软木松类(Pinus sp.)。试材概况如表 1 (样本编号为在故宫收集样本时的编号)。为了能够获得更准确的数学模型，尽可能将能够加工试件的所有试材加工为检测样本，2个树种的样本数不同。

表 1 试材概况 Tab.1 Outline of testing materials

表 1 试材概况 Tab.1 Outline of testing materials

不同腐朽程度的木材依据木材耐腐朽分级标准(GB/T 13942.2-92)划分为5个等级，见表 2。“0”表示未腐朽材，“1”，“2”，“3”，“4”分别表示4个腐朽等级。用于皮罗钉检测的试样尺寸为70 mm × 70 mm × 50 mm。分别在试件的横切面、径切面、弦切面上进行测定后，将每块试件纵向截取为4块小试件，尺寸为35 mm × 35 mm × 50 mm，用于木材的物理力学性质测定。按照国标GB 1927 ~ 1943-91分别在健康部分和不同腐朽程度的各部分截取密度检测用样本并进行测定。由于有些样本皮罗钉检测后已经不能加工成密度试件，因此只作皮罗钉径向、弦向检测的样本数比测定密度的样本数多。

表 2 木材耐腐朽性分级标准 Tab.2 Wood decay grading standard

表 2 木材耐腐朽性分级标准 Tab.2 Wood decay grading standard

为了能够使所有的测定结果在同一标准下进行比较，计算了因腐朽引起的密度及皮罗钉打入深度的变化率。计算方法为:密度或打入深度变化率等于各个腐朽等级下的检测值与未腐朽材的检测值之差，除以未腐朽材检测值，结果用百分比表示。

以固定大小的力，将一个钢钉射入木材，以钉子射入的深度表示检测的结果。贯穿深度范围在0 ~ 40 mm之间，因此，这种检测方法主要用于检查木材的外部腐朽状况。木材密度与皮罗钉检测结果呈负相关，木材密度大，则射入深度浅; 反之，射入深度深。根据树种的不同，相关系数范围大致在-0.5 ~ -1之间(Wang et al., 1999)。通过测定木构件表面硬度，以确定木材在一定深度范围内是否有缺陷或木材是否发生腐朽以及腐朽的程度。

表 3，4分别表示落叶松和软木松不同腐朽等级木材的密度及皮罗钉检测结果。2个树种的木材均表现出随着腐朽程度的加深，密度降低，皮罗钉打入深度加大。对2个树种不同腐朽等级木材的密度、径向打入深度和弦向打入深度值进行F检验，结果表明各个腐朽等级间差异极显著。其中落叶松的密度值由未腐朽时的0.54 g·cm^-3降低到“4”级腐朽时的0.44 g·cm^-3，皮罗钉径向、弦向打入深度分别由13.37和12.62 mm增大到28.11和28.01 mm，分别增大了14.74和15.59 mm; 软木松木材密度由未腐朽时的0.46 g·cm^-3降低到“4”级腐朽时的0.36 g·cm^-3，皮罗钉径向、弦向打入深度分别由12.98和11.45 mm增大到27.80和27.00 mm，分别增大了14.82和15.55 mm。这说明2个树种因腐朽引起的密度降低程度和径向、弦向皮罗钉打入深度加深程度基本上是一致的。总体看，同一腐朽等级的木材径向打入深度的变异系数较弦向打入深度的变异系数大。

表 3 不同腐朽等级落叶松木材的密度及皮罗钉打入深度^① Tab.3 Density and Pilodyn penetration depth of Larix sp. at different decay levels

表 3 不同腐朽等级落叶松木材的密度及皮罗钉打入深度① Tab.3 Density and Pilodyn penetration depth of Larix sp. at different decay levels

表 4 不同腐朽等级软木松木材的密度及皮罗钉打入深度 Tab.4 Density and Pilodyn penetration depth of Pinus sp. at different decay levels

表 4 不同腐朽等级软木松木材的密度及皮罗钉打入深度 Tab.4 Density and Pilodyn penetration depth of Pinus sp. at different decay levels

图 1表示不同腐朽等级落叶松和软木松木材的密度及弦向、径向皮罗钉打入深度的变化率。从图中可以看出: 2个树种木材的密度变化率曲线几乎是重合的，表明这2个树种的木材虽然密度不同，但木材发生腐朽后，在相同的腐朽等级下引起的密度降低程度是一致的。达到“4”级腐朽时，与未腐朽材相比，密度降低了的20%左右。

图 1 不同腐朽等级木材的密度及皮罗钉打入深度的变化 Figure 1 Variation rate of density and Pilodyn penetration depth at different decay levels

落叶松和软木松的径向、弦向打入深度变化率曲线在“2”级和“4”级腐朽处有轻微分离，但总体上看4条曲线基本上是重合的。表明2个树种因腐朽引起的径向、弦向打入深度变化也表现出高度的一致性。达到“4”级腐朽时，与未腐朽材相比，皮罗钉径向、弦向打入深度增加了110% ~ 136%。

高橋和彦等(2003)以日本柳杉(Cryptomeria japonica)不同程度腐朽木材为试验材料，将目测、超声波检测和皮罗钉检测等无损检测方法与实际检测相结合进行研究，发现皮罗钉检测结果的变化趋势与超声波检测结果的变化趋势是一致的，从未腐朽材到“4”级腐朽密度降低了34%，而皮罗钉打入深度增加为未腐朽时的2.5倍以上。这一结果与本研究的结果很相近，说明木材因腐朽引起的密度等木材性质的变化不受树种的影响，如果通过目测判断了木材的腐朽程度，可以在一定程度上定量地分析木材密度、强度等性能的降低程度。

分别对落叶松和软木松的皮罗钉径向打入深度与弦向打入深度、木材密度与皮罗钉径向及弦向打入深度做回归分析，并分别对皮罗钉弦向打入深度与径向打入深度、密度与皮罗钉弦向及径向打入深度分别做了线性回归分析及幂函数回归分析，结果表明皮罗钉径向打入深度与弦向打入深度之间存在显著的线性函数关系，密度与皮罗钉弦向打入深度之间、密度与径向打入深度之间均存在着极显著的幂函数关系。获得的回归模型表示在图 2中。6个模型的决定系数均很高，模型显著性检验结果均在0.01水平显著(P＜0.01)，说明6个模型的拟合效果都很好。因此，用皮罗钉打入深度和幂函数模型定量分析木材的密度因腐朽引起的变化是可行的。

图 2 皮罗钉打入深度与木材密度间的回归分析结果 Figure 2 Regression analysis between density and Pilodyn penetration depth

落叶松、软木松木材皮罗钉弦向打入深度与径向打入深度之间均在0.01水平显著相关，相关系数分别为0.82和0.88，说明从径向打入皮罗钉与从弦向打入皮罗钉的打入深度值具有高度的一致性。2个树种的密度与皮罗钉打入深度之间存在着显著的负相关关系，落叶松、软木松的密度与弦向打入深度间相关系数分别为-0.67和-0.76，均大于密度与径向打入深度的相关系数-0.55和-0.69。因此，在采用皮罗钉检测方法分析木材因腐朽引起的密度变化时，使用径向打入深度和使用弦向打入深度，在统计学上都是有意义的，但使用密度与弦向打入深度模型分析木材密度变化的准确度更高。

对不同腐朽等级落叶松和软木松木材的密度变化、皮罗钉弦向和径向打入深度变化以及相关关系分析结果表明: 2个树种的木材随着腐朽程度的加大，密度降低，皮罗钉打入深度加大，且目测划分的各个腐朽等级间差异极显著，因此目测划分的腐朽等级可以有效地对木材腐朽程度进行区分; 同时，皮罗钉弦向、径向打入深度与密度之间极显著相关。因此，在使用皮罗钉进行古建筑旧木材腐朽状况检测时，对于落叶松、软木松木材，利用以上建立的数学模型和被检测材料的皮罗钉弦向、径向打入深度能够定量评估被检测木材的材质状况。

落叶松、软木松结构材使用100 ~ 130年后，未腐朽木材的平均密度分别为0.54和0.46 g·cm^-3，“4”级腐朽时降低为的0.44和0.36 g·cm^-3。采用皮罗钉无损检测方法检测结果表明:随着木材腐朽程度的加深，密度降低，径向、弦向打入率显著加深，不同腐朽等级落叶松、软木松的密度、弦向打入深度、径向打入深度之间均存在显著差异，且弦向打入深度的变异系数小于径向; 未腐朽落叶松和软木松的弦向打入深度分别为12.62和11.45 mm，达到“4”级腐朽时，与未腐朽材相比，密度降低了20%左右，径向和弦向打入深度增加了110% ~ 136%，2个树种因腐朽引起的密度变化、径向打入深度、弦向打入深度变化表现出高度的一致性。

落叶松和软木松的皮罗钉径向打入深度与弦向打入深度之间存在显著的线性函数关系，密度与皮罗钉弦向打入深度及径向打入深度之间均存在着极显著的幂函数关系，建立的函数模型的决定系数均在0.01水平有意义(P＜0.01)，说明模型的拟合度很高。因此，对于落叶松和软木松这2个树种的木材，可以用皮罗钉检测结果及幂函数模型定量分析木材的密度变化。

落叶松和软木松材皮罗钉弦向打入深度与径向打入深度之间极显著正相关，相关系数分别为0.82和0.88(P＜0.01)。2个树种密度与皮罗钉打入深度之间均极显著负相关，其中落叶松和软木松密度与弦向打入深度间的相关系数分别为-0.67和－ 0.76，均大于密度与径向打入深度间相关系数－ 0.55和-0.69。因此，在采用皮罗钉检测方法分析木材因腐朽引起的密度变化时，应尽可能选择从弦向打入皮罗钉，可以得到更准确的定量分析结果。

在树种鉴定过程中得到了腰希申研究员、杨家驹研究员的指导和帮助，在试材采集过程中得到了故宫博物院石志敏高级工程师和夏荣 祥工程师的配合和协助，在此表示感谢。