现代木结构建筑因其设计灵活、节能保温、居住舒适、用途广泛、贴近自然等优点，成为当今世界各地盛行的建筑形式，包括住宅建筑、低层商业建筑和公共建筑等^[1-2]。现代木结构建筑体现了建筑与人和环境和谐共生的理念^[3-4]。户外庭院是建筑环境的重要组成部分，人们对建筑环境品质要求不断提升，户外木制品或木建筑小品(如地面平台、护栏、亭子、藤架、桌椅等)得到了广泛应用。户外木制品以木材为主体材料，面对恶劣的外部环境，普通木材无法抵抗菌虫害、雨水、阳光等的侵蚀，极易腐朽、破损或败坏。为适应户外建筑制品的应用，户外大都选用天然耐腐朽性较好的树种木材、经化学药剂处理的防腐木或经高温处理的碳化木等^[5-6]。然而，天然木材、防腐木、碳化木等木材产品都存在不能长久保持品质、易被污染、易开裂变形、易褪色及需经常维护等不足^[5-8]。

蜡是中国传统工艺品进行表面防护处理的常用材料。古代匠人通过烫蜡技术将蜡应用于木制家具的表面防护上。它不仅很好的展现了木材优美的自然纹理，给木制品增添了一份纯朴自然的气息，而且还在木材表面形成了一层保护膜，防止外界环境对木材的腐蚀，延长木制品的使用寿命^[9-10]。为了能提高木材尺寸稳定性，很多学者采用常压注蜡方法将熔融高分子聚乙烯合成蜡注入木材内部，填充封闭木材的孔隙，木材的尺寸稳定性在一定程度上得到了提高^[11-13]。与家具制品常用的石蜡、川蜡或蜂蜡相比，高熔点聚乙烯合成蜡具有无毒无污染、性质更稳定、耐久等优点，对户外用木材能起到更好的保护作用^[14-16]。为此，拟选用滴熔点在97 ℃以上聚乙烯合成蜡，对户外5种常用树种木材进行浸注工艺及力学性能探索，以期研制出适合户外用木材产品，这对木建筑及户外木制品的发展具有重要意义。

1 材料与方法 1.1 材料与设备

试验用木材采用欧洲云杉[Picea abies (L.) H. Karst.]、白云杉[Picea glauca (Moench) Voss]、樟子松(Pinus sylvestris L. var. mongholica Litv.)、辐射松(Pinups radiata D. Don)、柳叶桉(Eucalyptus saligna Smith)的规格材，产地分别为挪威、加拿大、中国东北、新西兰及澳大利亚，有部分活节，纹理通直，一等材，含水率约15%。

试验用高熔点蜡为聚乙烯合成蜡，滴熔点97 ℃，115 ℃时黏度15 mPa·s，由南京某公司提供。

试验用仪器设备有自制蜡浸注罐，万能力学试验机(型号为UTM4304)，冰箱(TCL BCD-118KA9)，紫外老化箱(型号XOUV-3000) 等。

1.2 试验方法

采用3阶段浸注工艺即抽真空、高压浸注和卸压冷却。首先挑选无缺陷规格材，加工成规格为1 200 mm×80 mm ×38 mm试样，称重后置入浸注罐，抽真空(压力为-0.06 MPa)，保压30 min后注入温度为(115±2) ℃的熔融蜡，待蜡液完全淹没木材后，施加压力(压力为0.75 MPa)并保压(时间0.5、2.0或3.0 h)，待高压注蜡完成后，卸压并排出罐中熔融蜡，恒温保持30 min后，冷却至常温将浸注木取出。浸注试验设计如表 1所示。

1.3 测试方法

物理力学性能检测：将蜡浸注后的木材在室温下放置2 d，测量抗弯强度(GB/T 1936.1—2009^[17])、抗弯弹性模量(GB/T 1936.2—2009^[18])、硬度(GBT 1941—2009^[19])、吸水率(GB/T 1934.1—2009^[20])及横纹抗拉强度(GB/T 14017—2009^[21])，每组试件数量10块。

为能清晰地观察到聚乙烯合成蜡在木材内部纤维中的分布情况，采用显微镜对蜡浸注木规格材横断面中心区域进行切片观察。

含蜡量测试方法：通过称重法获得，因初含水率较低的木材经长时间高温浸注后易失去水分接近绝干，含蜡量=(m_浸注后-m_浸注前)/m_浸注前，m_浸注后指浸注后木材的质量，m_浸注前指浸注前绝干木材的质量，换算得到。

耐冻融循环试验：参照建筑涂料涂层耐冻融循环性测定法(GB 9154—1988^[22])，将经高压浸注3 h的樟子松(Z-3) 和辐射松(F-3) 规格材加工成300 mm×20 mm×20 mm的试件，在水温为(23±2) ℃的恒温水槽中浸泡18 h，取出擦干表面水分后放入(-19±2) ℃的冰箱中冷冻3 h，后放入(50±2) ℃烘箱中恒温热处理3 h。每冷冻3 h、热烘3 h、水中浸泡18 h为一个循环，3组试件分别循环10、20、30次后测量抗弯强度(GB/T 1936.1—2009^[17])和抗弯弹性模量(GB/T 1936.2—2009^[18])，每组试件10块。

紫外光老化试验：参照橡胶材料老化试验方法(GB/T 14522—2008^[23])，将经高压浸注3 h的樟子松(Z-3) 和辐射松(F-3) 规格材加工成300 mm×20 mm×20 mm的试件，置于紫外老化箱中，光照温度为(60±3) ℃，每8 h光照、4 h关灯冷却为一个循环，3组试件分别循环10、20、30次后测量抗弯强度(GB/T 1936.1—2009^[17])、抗弯弹性模量(GB/T 1936.2—2009^[18])，每组试件10块。

2 结果与分析 2.1 蜡浸注木含蜡量与吸水率

蜡浸注后木材含蜡量如图 1所示，5种树种蜡浸注木含蜡量都随浸注时间增加而增加，在浸注2 h内含蜡量增加幅度较大，2 h后含蜡量幅度增加较小。合成蜡在熔融状态时性质稳定无烟气产生，不变色，黏度低易流动，在压力梯度作用下较易进入木材表层或内部孔隙。在浸注初始阶段，合成蜡在较短时间内渗入木材表层并占据木材孔隙，随着蜡浸注深度的增加，木材内部孔隙阻力增加，蜡渗入量逐渐减小，从而出现含蜡量在2 h后增加幅度逐渐减小的现象。5种树种蜡渗透性存在较大差别，辐射松和樟子松木材蜡渗透性最好，浸注3 h含蜡量达40%以上，欧洲云杉和白云杉木材蜡渗透性较差，含蜡量较低，浸注3 h含蜡量在11%以内，柳叶桉木材蜡渗透性居中，浸注3 h含蜡量22.39%。木材为毛细管多孔胶体，存在大毛细管系统和微毛细管系统，具有较高的空隙率和巨大的内表面，为蜡渗入创造了通道和空间。相对于液体水, 熔融蜡分子量较大、黏度较大，在木材中渗透主要沿相互连通的大毛细管路径流动。在外部条件一致的前提下，木材内部结构(如纹孔的位置、大小、数量、开闭，木射线与水平树脂道，超微结构等)和内含物是蜡渗透性的主要影响因素，是不同树种木材间蜡渗入量存在较大差异的原因。

蜡浸注木吸水率如图 2所示，5种树种蜡浸注木吸水率都得到了不同程度的改善，合成蜡是一种疏水材料，附着于木材表面和孔隙中能有效减少木材吸水通道，提高木材尺寸稳定性。欧洲云杉、白云杉和柳叶桉随浸注时间的增加而吸水率降低缓慢，其原因是部分吸水率小试样取材于蜡浸注木规格材内部，这3个树种蜡浸注木内部含蜡量较少，对内部木材吸水性影响较小。辐射松和樟子松吸水率随浸注时间增加而大幅降低，在浸注3 h时，吸水率降幅分别达85.47%和83.62%，这两个树种蜡渗透性较好，含蜡量高，在浸注3 h时，其木材内部孔隙几乎被蜡占据。如图 3所示，两种树种中心区域横切面显微图中木材细胞壁内壁几乎都附着有被染色的蜡，呈深灰色。木材实质部分呈灰色，蜡占据了细胞壁的细小孔隙。可见，蜡的疏水性是抑制辐射松和樟子松木材的吸水性的有效措施。

2.2 蜡浸注木抗弯强度与抗弯弹性模量

蜡浸注木抗弯强度如图 4所示，蜡浸注木抗弯强度随浸注时间增加而降低，木材在蜡浸注初始阶段被抽真空并迅速加热，木材内部产生较大的应力，在高压浸注阶段熔融蜡被压入木材，冷却后合成蜡由液态转变成固态，合成蜡体积及木材孔隙周围表面硬度产生变化，易使木材内部产生应力差导致开裂。另外，过高的浸注温度(115±2) ℃使木材失去水分接近绝干，致使强度下降也是原因之一。

蜡浸注木抗弯弹性模量如图 5所示，木材随浸注时间增加而增大，是因为合成蜡进入木材后将木材内的孔隙堵塞，填充了木材内部孔隙，附着在木纤维周围的蜡使木材纤维变硬；另外过高温度使木材过干变脆也是重要原因。樟子松和辐射松木材抗弯性能在浸注3 h后出现了较大波动，观察发现两种树种木材表面都存在不同程度的塌陷皱缩，可能是因为部分薄壁细胞在较大的压力下被压扁，破坏了木材纤维结构。

2.3 蜡浸注木硬度与横纹抗拉强度

蜡浸注木硬度如图 6所示，5种树种蜡浸注木硬度都随浸注时间的增加而增大，熔融蜡进入木材孔隙后凝固使木材实质含量增加，孔隙中的蜡给木材纤维提供了横向支撑，附着在木材纤维周围的蜡起到了增强纤维的作用。樟子松、辐射松和柳叶桉蜡浸注木硬度增加幅度明显高于欧洲云杉和白云杉，是因为樟子松、辐射松和柳叶桉蜡浸注木含蜡量较高，单位体积蜡浸注木实质含量较大。可见，浸注蜡可在一定程度上提高木材硬度。

蜡浸注木横纹抗拉强度如图 7所示，5种树种蜡浸注木横纹抗拉强度都随浸注时间的增加而降低，含蜡量高的树种木材横纹抗拉强度降低幅度较大。在蜡浸注初始阶段木材处于干燥剧烈状态，温度迅速上升，木材内水分被进一步排出，木材内部极易形成较大干燥应力导致细微裂纹产生，另外，木材接近绝干易变脆。在高压浸注阶段，蜡占据了木材内部缝隙，易对木材弹性变形产生影响。在卸压冷却阶段，木材逐步冷缩及其内部蜡逐步凝固，易使木材内部产生较大的应力。可见，浸注蜡易削弱木材纤维横向结合。

2.4 蜡浸注木耐冻融循环性能

蜡浸注木耐冻融循环后的抗弯性能如表 2所示，樟子松蜡浸注木抗弯强度和抗弯弹性模量随冻融循环次数的增加未发生明显变化，与对照组(Z-3) 相比抗弯强度变化幅度在±4%以内，抗弯弹性模量在±5%以内，抗弯性能的波动是由木材自身材性变异性引起。冻融循环后蜡浸注木外观未见异常，未出现裂纹或裂纹扩展现象，辐射松蜡浸注木与樟子松相似，表明在冻融环境中蜡浸注木性能稳定。

2.5 蜡浸注木抗紫外光老化性能

蜡浸注木经紫外光照后的抗弯性能如表 3所示，樟子松蜡浸注木抗弯强度和抗弯弹性模量随光照循环次数的增加未发生明显变化，与对照组(Z-3) 相比抗弯强度变化幅度在±2%以内，抗弯弹性模量在±5%以内，抗弯性能的波动是由木材自身材性变异性引起。紫外光照下蜡浸注木中木材表面颜色略有变化，木材外表面及孔隙中的蜡未见异常，表明在蜡浸注木中蜡的性质稳定，附着较好。辐射松蜡浸注木与樟子松相似。表明蜡浸注木在光照循环30次以内，蜡浸注木抗老化性能较好。

3 结论与讨论

通过3阶段浸注法将性质稳定的高熔点蜡注入木材是提高木材尺寸稳定性和耐久性的有效技术手段。聚乙烯合成蜡在熔点高，熔融状态时性质稳定、流动性好、黏度较低，在压力作用下易进入木材表层或内部孔隙。蜡浸注量与压力、浸注时间和木材蜡渗透性等有关，其中木材蜡渗透性是决定性因素，不同树种间蜡渗透性差异较大，樟子松和辐射松木材蜡渗透性较好，欧洲云杉和白云杉较差，柳叶桉居中。

高熔点蜡具有良好的疏水性，附着于木材表面和孔隙中可有效减少木材吸水通道，提高木材尺寸稳定性，关健等^[12]采用常压注蜡方法处理的6种阔叶材的尺寸稳定性也反映了这一特性。辐射松和樟子松木材吸水率随浸注时间增加而大幅降低，浸注3 h可使辐射松和樟子松木材吸水率降幅分别达85.47%和83.62%。浸注蜡可使木材实质含量增加、木纤维得到横向支撑和纵向扶持，使木材表面硬度和抵抗变形能力得到提升。高温高压浸注蜡易使木材内部产生开裂和皱缩，降低木材横纹抗拉强度和抗弯强度。

采用3阶段浸注工艺即抽真空(压力为-0.06 MPa，时间30 min)、高压浸注(压力为0.75 MPa，时间为3 h)和卸压冷却(30 min)，可使欧洲云杉、白云杉、樟子松、辐射松和柳叶桉木材分别获得8.12%、10.76%、40.21%、41.45%和22.39%的含蜡量，其中辐射松和樟子松规格材全截面含蜡。蜡浸注木抗冻融性能及抗高温紫外光老化性较好，未出现因光照及温度剧烈变化等引起的开裂或力学衰减现象。樟子松和辐射松蜡浸注木可应用于户外木结构工程。