0 引言

　　木材作为使用历史悠久的建筑材料之一，广泛应用于土木工程领域，如建筑、桥梁、路轨枕木等。既有和新建木结构工程种类繁多，传统木结构建筑、桥梁多具有独特的历史和人文价值，是中华文明的重要载体。但木结构建筑、桥梁在服役期内易受环境和人为因素的影响造成损伤，亟须进行检测和评估，以了解其安全现状。

　　木材力学性能与树种密切相关，因此树种鉴定对既有木结构安全性评估具有重要意义。国内外针对树种鉴定的研究已积累一定成果，如于海鹏等^[1]开展基于图像纹理特征的树种鉴定方法研究，选取色调、饱和度、亮度、对比度等9个特征参数，通过最小差值参数判别法和综合特征阈值法鉴定树种，研究发现鉴定方法对纹理较强的图片识别效果较好;刘嘉政等^[2,3]将机器学习算法和深度学习算法引入图像识别中，进一步提升树种鉴定精度和效率;马明宇等^[4]开展人工神经网络与近红外光谱技术结合的树种识别研究，取得一定成果;谭念等^[5]将遗传算法和粒子群算法引入基于近红外光谱技术的树种识别中，发现粒子群算法能显著提高树种鉴定精度。此外，国外研究者^[6,7,8]已将DNA检测技术应用于树种鉴定中，并取得一定成果。

　　目前，实际工程中树种鉴定方法所需样品体积一般较大，显著增加了既有木结构取样难度，且多数文物历史木结构受限较大，因此通过研发专用钻头进行钻芯，提出适用于既有木结构树种鉴定的微损取样方法。根据所取芯样确定木材宏观特征，并通过切片法得到木材微观特征，结合宏、微观特征给出树种鉴定结果。

　　1 试验概况

　　1.1 取样方法

　　已有用于混凝土结构取芯的钻头通常不适用于既有木结构，这主要因为此类钻头会造成木材芯样表面严重炭化，并在芯样内部产生损伤，进而降低鉴定结果的准确性。鉴于此，研发既有木结构取芯专用钻头，如图1所示。该钻头主要包括连接杆和金属圆筒，金属圆筒外径较内径大2mm，其长度可根据取样长度的具体要求确定。在钻头与木材接触的端部黏结细小金刚石颗粒，并进行磨砂处理，以降低炭化和损伤的影响，提高取芯质量和效率。通过连接杆连接钻头与电钻。

　　图1 专用钻头  

　　在上海地区实际工程木构件上钻取6个直径和高度均为30mm的圆柱形芯样(编号为1～6)，如图2所示。为保证取芯位置的准确性，设计含有导向孔的钢板，钢板厚10mm，导向孔内径较钻头圆孔外径大2mm。取芯时将钢板固定于木材表面，钻入方向为木材横纹方向。当钻头钻入木材内部10mm后，取下钢板继续钻芯。钻孔至取样深度后，将钻好的芯样夹出。

　　图2 芯样  

　　1.2 木材宏、微观特征确定方法

　　木材宏观特征通过直接观察芯样确定，微观特征通过切片法确定。微观特征确定时，需获取木材横切面、径切面和弦切面显微结构，如图3所示。

　　图3 芯样切面示意  

　　切片法操作步骤为:(1)确定芯样3个切面(见图3)，并用刀片进行粗加工;(2)使用刀片修平芯样横切面，在放大镜下进一步观察宏观特征;(3)对芯样进行制样，加工成具备3个标准切面的试样;(4)采用水煮进行软化，水煮至木块下沉;(5)使用切片机切片，厚度为20μm;(6)利用显微镜观察横切面、径切面和弦切面特征。

　　2 试验结果

　　2.1 芯样宏观特征

　　芯样1,2宏观特征相同，表现为:木材浅黄褐色;有光泽，香气浓厚;生长轮明显，早材至晚材渐变;轴向薄壁组织量多，呈星散状;木射线宽度由中过渡到细，然后过渡到极细，放大镜下可见;肉眼下径切面有射线斑纹;树脂道未见。

　　芯样3,4宏观特征相同，表现为:木材浅黄褐色;有光泽，有松脂味;生长轮明显，早材至晚材急变;轴向薄壁组织未见;木射线宽度由中过渡到细，然后过渡到极细，放大镜下可见;肉眼下径切面有射线斑纹;树脂道可见。

　　芯样5宏观特征表现为:木材浅黄褐色;有光泽，略有松脂味;生长轮明显，早材至晚材渐变;轴向薄壁组织未见;木射线宽度由中过渡到细，由细过渡到极细，由极细过渡到甚细，放大镜下可见;树脂道可见。

　　芯样6宏观特征表现为:木材浅黄褐色;有光泽，略有松脂味;生长轮明显，轮间晚材带色深，早材至晚材渐变;轴向薄壁组织未见;木射线宽度由中过渡到细，由细过渡到极细，由极细过渡到甚细，放大镜下可见;树脂道可见。

　　综上所述，本试验所取圆柱形芯样能完整保留木材宏观理化特征，可为树种鉴定提供依据。

　　2.2 芯样微观特征

　　芯样1早材管胞横切面为不规则多边形及正方形，径壁具缘纹孔1列(见图4);晚材管胞横切面为长方形及多边形，径壁具缘纹孔1列;轴向薄壁细胞量多，呈星散状，含深色树脂;木射线单列，高多数2～25个细胞;纺锤形射线未见;射线薄壁细胞与早材管胞交叉场纹孔式为杉木型，2～4个，2个横列;树脂道未见。

　　图4 芯样1  

　　芯样2早材管胞横切面为不规则多边形及正方形，径壁具缘纹孔1列(见图5);晚材管胞横切面为长方形及多边形，径壁具缘纹孔1列;轴向薄壁细胞量多，呈星散状;木射线单列，高多数2～25个细胞;纺锤形射线未见;射线薄壁细胞与早材管胞交叉场纹孔式为杉木型，2～4个，2个横列，含深色树脂;树脂道未见。

　　图5 芯样2  

　　芯样3,4微观特征相同，表现为:早材管胞横切面为多边形及长方形，径壁具缘纹孔1列(见图6,7);晚材管胞横切面为长方形、正方形及多边形，径壁具缘纹孔1列;轴向薄壁细胞未见;木射线单列，高多数5～15个细胞;纺锤形射线可见;射线薄壁细胞与早材管胞交叉场纹孔式为窗格状;射线管胞锯齿状加厚明显;树脂道径向、轴向者可见。

　　图6 芯样3  

　　图7 芯样4  

　　芯样5,6微观特征相同，表现为:早材管胞横切面为长方形、正方形及多边形，径壁具缘纹孔1列(见图8,9);晚材管胞横切面为长方形及多边形，径壁具缘纹孔1～2(稀)列;管胞壁上螺纹加厚可见;轴向薄壁细胞未见;木射线单列，高多数2～25个细胞;纺锤形射线可见;射线薄壁细胞与早材管胞交叉场纹孔式为云杉型;树脂道径向、轴向者可见。

　　图8 芯样5  

　　图9 芯样6  

　　综上所述，本试验所取芯样可用于制作横切面、径切面、弦切面切片，3个方向的切片能准确反映木材微观特征，可为树种鉴定提供依据。

　　2.3 综合判定

　　根据宏、微观特征判定各芯样树种，可知芯样1,2所属木材为杉科杉木属的树种，名称为杉木;芯样3,4所属木材为松科松属的硬木松类树种，名称为硬木松;芯样5,6所属木材为松科云杉属的树种，名称为云杉。

　　本研究树种鉴定结果与工程记录木材树种一致，由此可知，基于钻芯法的木材宏、微观结合判定方法能准确鉴定既有木结构所用木材树种，且钻芯对木构件力学性能的影响小。

　　3 结语

　　1)本研究所取直径和高度均为30mm的圆柱形芯样能完整保留木材宏观理化特征，且可用于制作横切面、径切面、弦切面切片，3个方向的切片能准确反映木材微观特征。

　　2)基于钻芯法的木材宏、微观结合树种判定方法能准确鉴定既有木结构所用树种，且对木构件力学性能的影响小。

　　3)在既有木结构树种准确鉴定的基础上，结合现场木构件损伤种类、范围和深度，对既有木结构力学性能进行准确评估，为后续修缮加固提供依据。