0 引言

木材具有力学性能高、资源丰富、加工简单和易于运输等优点，是我国古代最常用的建筑材料和日用品制备原料^[1]。随着各地考古工作的蓬勃开展，出土了大量木质文物，如棺椁、黄肠题凑、舟船、家具、木牍、漆木器、彩绘木俑等。考古出土/出水的木材，其含水率、基本密度、化学组分和力学强度等理化性能已和新鲜健康木材迥然不同，相当一部分木质文物处于饱水糟朽状态。以瑞典Vasa沉船和我国南宋沉船“南海Ⅰ号”为例，沉船在海洋埋藏过程中，木材中纤维素、半纤维素发生降解流失，造成木材基本密度下降，孔隙率及渗透性增大，木材含水量高达200%~700%，力学强度急剧下降^[2-3]。木材的力学性能关系到文物本体的保存状况评估和保护材料筛选以及效果评价，是木质文物保护中关键物理性能指标之一^[4-5]。但是木材作为复杂天然高分子材料，自身具有显著的各向异性和不均一性，加上考古木材的降解程度差异较大，文物保护原则对取样数量和尺寸的限制，造成考古木材，尤其饱水木质文物力学性能表征较为困难。

目前文献报道过的木材力学性能表征方法有以下几种：1）分米尺寸上的力学测试，依据GB/T1936.1—2009《木材抗弯强度试验方法》，使用万能材料试验机测试，所需木材试样尺寸为300 mm×20 mm×20 mm，样品数量在30个以上。该方法曾用于老化程度低、木材强度较高的藏式古建筑木结构测试^[6]。但是国标推荐的力学测试方法所需试样尺寸较大，数量较多，绝大多数考古出土饱水木质文物不能满足其取样要求^[7]。2）纳米尺度上的力学表征方法，典型代表如纳米压痕测试技术，曾用于小白礁Ⅰ号沉船出水饱水木质文物测试^[8]。纳米压痕技术通过计算机控制载荷连续变化，并在线监测压入深度，可在纳米尺度上测量木材的力学性质。但纳米压痕技术测试成本高，前期样品制备程序繁琐，试样尺寸过小容易受到木质文物差异性影响，难以反映木材宏观层面的力学性能^[9]。3）便携式测试技术，如硬度计，用来检测木材局部抵抗硬物压入其表面的能力。硬度计的优点是测量迅速简便，对样品的破坏小，可测定尺寸较小的样品，常用于现场检测和快速评估保护效果^[10]。但硬度计测量精度低，读数受主观影响较大。综合可知，因为考古出土饱水木材的材质不均一、数据离散性大，取样受限，现有技术尚不能完全满足测试需求，亟需开发试样尺寸在厘米或毫米级别，仪器较为精密，数据准确率较高，重复性好的力学测试方法。

静态热机械分析（thermomechanical analysis，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。测试模式有压缩、针入、拉伸或弯曲等不同形式。TMA具有精度高，重复性好，准确率高的优势，主要用于复合材料、玻璃、聚合物、陶瓷和金属等领域。TMA测试所需样品量少，灵敏度高（载荷分辨率在9.8 μN，形变分辨率在0.01 μm），可实现微小载荷（载荷范围±1.8 N）下的力学测试，刚好可以满足饱水木质文物对微损力学测试的特殊需求。受此启发，将TMA嫁接到木质文物保护领域，对来自“南海Ⅰ号”的饱水木材开展适用性研究，以期开发出一种微损精确测试脆弱饱水木质文物抗弯强度的新方法，目前少见相关方法的文献报道。

1 样品和方法

1.1 实验样品

样品取自“南海Ⅰ号”沉船船板，整体上质地较软，内部疏松多孔，力学性能明显下降。样品最大含水率为452%，基本密度为0.19 g/cm³，属于高度降解状态。根据木材的解剖结构（图1）鉴定其为马尾松。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备

使用Leica M205C滑走切片机（Leica，德国）沿考古木材样品径切面走刀，制备0.3 mm厚的径切面薄片。将考古木材薄片夹在两片载玻片之间，用橡皮筋扎紧，在扎孔密封袋中缓慢干燥。干燥后，选取木材试样均匀、无明显裂隙处裁切成8 mm×2 mm×0.3 mm的标准试样32个。

1.2.2 热机械分析仪

使用TMA7100热机械分析仪（HITACHI，日本）及配套的石英弯曲探针和三点弯曲夹具对考古木材试样进行抗弯试验，仪器结构及测试原理如图2所示。将木材试样放置在三点弯曲夹具上，在常温条件下进行试验，设置初始载荷为0.1 mN，加载速度5 mN/min。样品断裂时，仪器记录探针位移、载荷随时间变化的曲线（图3a，以一个试样为例）。通过式（1）计算试样的应力（${\sigma }_f$），通过式（2）计算试样的应变（${\epsilon }_f$），获得试样的应力应变曲线（图3b）并记录断裂时的抗弯强度、断裂载荷。式（1）和式（2）中，L是夹具跨度为5 mm；b为试样干燥后的宽度，通过VHX-6000超景深三维视频显微镜（KEYENCE，日本）测量，精度为0.01 mm；d为试样断裂面厚度，同样使用超景深显微镜测量；P为TMA记录的实时载荷；D为TMA记录的实时位移。

2 结果与讨论

对由取自“南海Ⅰ号”沉船的木质文物制成的32个标准试样进行TMA测试，所得抗弯强度-断裂应变数据见表1。求95%置信区间，获得置信水平0．95以上的有效数据共31个，可知TMA测试考古木材的数据重复性较好，可信度高。根据表1可知，考古木材断裂应变集中在0.50%~1.75%，平均抗弯强度仅为5.64 MPa，而现代马尾松健康材的抗弯强度为30 MPa以上^[11]，与一般健康木材相比，考古木材的抗弯强度大幅降低。考古木材力学强度下降较多的原因与木材细胞结构改变有关。“南海Ⅰ号”沉船在漫长的海洋埋藏过程中，木材中起重要支撑作用的细胞壁次生壁受到微生物侵蚀和化学降解，基底物质半纤维素大量降解流失，纤维素骨架结构完整性受损，以至于细胞壁减薄、孔隙率增大，力学性能严重劣化^[12-13]。此外，现代马尾松的万能材料试验机数据在90 MPa以上^[14]，与TMA测出的数据差距极大，说明两种测试方法测出的力学数据没有可比性，不能在这两种测试方法所得数据之间进行直接地参照或对比。未来将继续探索大尺寸试样和微小尺寸试样之间力学强度的关联规律。

31 个考古木材试样中，9号试样抗弯强度最小为2.17 MPa，3号试样最大为12.24 MPa，抗弯强度数据的变异系数为49.1%。为探究抗弯数据变异系数的原因，对比出现极端值的2个试样9号和3号的断面结构，如图4所示。9号试样细胞腔大壁薄，材质密度较小，材色浅，说明来自树木的早材部位；3号试样细胞腔小壁厚，材质较致密，材色深，符合木材的晚材特征。一般而言，早材和晚材密度不同，其性质和力学性能具有较大差异。国标规定的健康木材抗弯测试试样尺寸为300 mm×20 mm×20 mm，该尺寸能够覆盖5~10个生长轮，早晚材比例造成的影响较小。而TMA测试中考古木材试样尺寸宽度仅为2 mm，无法消除早、晚材自身材性差异造成的变异性。因此可判断本实验中TMA测试考古木材抗弯强度数据较大的变异性主要是因为木材自身先天的不均匀性，晚材区域比例高的试样强度普遍高于早材试样。观察全部为早材的10号、26号木材试样和全部为晚材的6号、23号、31号试样，其抗弯强度亦符合此规律。其他试样中早材、晚材比例不一，抗弯强度分布在两极值之间。同时，也不排除考古木材在埋藏过程中遭受的侵蚀程度不同，降解程度不同造成木材材性不均匀。例如，饱水木质文物孔隙内部大量无机沉积物^[15-16]对测试结果可能有一定的影响。

通过本次探索性研究可知，采用TMA能够微损精确地测出考古木材样品的抗弯强度，由于其测试精度高，对于强度极低的脆弱木质文物亦有较好的测试数据。同时，此方法样品需求量很小，能够在避免对文物造成较大破坏的前提下开展重复性试验，样本量为20个以上时均值即可达到稳定，重复性良好，初步可以达到微损表征木质文物力学性能的目的。

3 结论

本工作提出了一种微损精确测试饱水木质文物抗弯强度的新方法。将来自“南海Ⅰ号”沉船出水的马尾松木质文物制成8 mm×2 mm×0.3 mm的试样，在32个测试样本中置信水平0.95以上的有效数据有31个，测得沉船木质文物的平均抗弯强度仅为5.64 MPa，相较健康马尾松30 MPa的强度大幅降低。结合试样断裂面的显微结构发现，考古木材的抗弯强度与木材细胞壁结构有关，早材区的细胞壁薄，抗弯强度小；晚材区的细胞壁厚，抗弯强度大。TMA测试精度高、样品需求量小，对于强度极低、尺寸极小的脆弱饱水考古木材样品能够测出有效数据，达到20个试样以上可部分消除变异系数大的问题，说明具有可行性。TMA作为试样尺寸在毫米级别的测试手段，有力填补了现有木质文物力学测试微观纳米和宏观分米尺寸之间的空白，不仅可以用于测试木质文物，也可测试考古漆膜、纺织品、纸张等较脆弱且取样困难的文物。进一步开发可将TMA用于评价脆弱有机质文物加固后的力学强度，尤其在筛选性能相近的加固材料时，可进行精确地科学化测试，对精准遴选最优保护方案具有较强应用价值。但需要注意，TMA作为热分析领域的通用设备，常规应用是用来测试材料的线膨胀系数等，并非被当做室温下的“微型拉力机”使用，如果嫁接到脆弱文物力学测试上还需要克服不少难题。如制样困难、样品微小是否具有代表性，数据解读，与其他力学测试数据的关联规律，具体案例中文物的适用性等问题，这些都需要未来继续研究。

参考文献