Experimental research on mechanical performance of damaged bracket set joints
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摘要:目的斗栱是古建筑木结构的重要组成部分，对维持整体结构力学性能的稳定起着至关重要的作用。现存古建结构中的斗栱节点都存在着一定的残损变形，而目前对斗栱节点力学性能的研究多以完好的斗栱为试验对象，甚少考虑残损状态，尤其腐朽、虫蛀带来的体积损失对斗栱节点力学性能的影响。因此，研究残损对斗栱节点乃至整体结构力学性能的影响具有十分重要的现实意义，可为古建木结构的修缮与保护提供科学依据。方法以应县木塔二层平坐层的典型柱头铺作为研究对象，以1∶3.5的缩尺比制作了4组斗栱节点模型，保持1组模型完好，对余下3组进行不同位置钻孔的人工残损处理来削弱斗栱组成构件的受力截面，从而模拟斗栱的残损. 通过进行竖向加载试验，得到了4组斗栱节点的荷载−位移曲线，结合试验现象明确了残损斗栱节点的受力和变形特征。结果竖向荷载作用下，斗栱节点的破坏主要体现在第二跳华栱的断裂、弯曲变形和交互斗的开裂。残损斗栱节点的破坏形态与完好斗栱节点相似，但破坏程度更严重。其极限荷载与抗压刚度都有所下降，且残损对斗栱节点的抗压刚度影响更为显著。结论在残损类型相同，且结构整体残损度相近时，第一跳栱的残损对斗栱节点极限荷载和抗压刚度的影响最大。Abstract:ObjectiveThe bracket set is an important component of the wooden structure in Chinese ancient architecture system, which plays a vital role in maintaining the mechanical properties of the whole structure reliable. There are different degrees of damage of bracket set joints in existing ancient structures. While at present, most of the researches on the mechanical properties of bracket set joints are based on intact bracket sets, and little consideration is given to the mechanical properties and deformation rule of damaged bracket sets, especially under the condition of decaying and volume loss caused by worm moths. Therefore, it is of great practical significance to study the effect of damage on the mechanical properties of bracket set joints or even the whole structure, which can also help provide scientific basis for the repair and protection of ancient timber structures.MethodThis research took a typical second-story bucket arch on columns in supporting platform of Yingxian Wooden Tower, Shanxi Province of the northern China as the object, and made four groups of bracket set models with the 1/3.5 scale. One group of model kept in perfect condition, while the remaining three groups were drilled with holes in different positions artificially to weaken the stress-bearing section of components of the bracket set joints, so as to simulate the real damage to them. By adopting the vertical loading test, the load-displacement curves of four groups of bracket set joints were obtained, and the mechanical characteristics and deformation performances of bracket set joints were clarified combining the test result.ResultThe test result and data analysis showed that under certain vertical loads, the failure of bracket joints was mainly reflected in the fracture, bending deformation of the second-story Hua-Gong and cracks on the connection block. The failure mode of damaged bracket set joints was similar to that of the intact one. While pre-drilled groups sufferred from worse damage as their ultimate load and stiffness decreased, and the negative effect caused by the former damage was more obvious on the stiffness of bracket set joints.ConclusionWhen the damage type is the same and the overall damage condition of the structure is similar, the damage on the first story of a bracket set joint would exert greater influence on stiffness, which means it is easier to deform when bearing vertical loads.
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Keywords:
- ancient timber architectures /
- bracket /
- damage /
- vertical loading /
- load-displacement curve
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装饰原纸经油墨印刷并浸渍氨基树脂后干燥至一定程度，形成具有一定树脂含量的印刷装饰胶膜纸。印刷装饰胶膜纸热压后可相互胶合或与人造板基材胶合，广泛应用于人造板表面装饰，对人造板具有保护和装饰作用[1]。由于印刷装饰纸先印刷后浸胶，因此，印刷墨层的透水透气性对后续浸胶量和饰面图案清晰度有重要的影响。目前，调节墨层的透气性主要通过选择合适的连接料[2]。印刷装饰纸用水性油墨的连接料包括水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯、明胶、改性大豆蛋白和干酪素等。其中，水性丙烯酸树脂由于成膜性较好，但耐热性能差，在实际应用中已逐渐被淘汰。水性聚氨酯的交联密度大，会严重影响印刷装饰纸墨层的浸胶量[3]。明胶、大豆蛋白分子量较大，会影响印刷装饰纸对胶液的吸收。相比之下，干酪素水性油墨成膜疏松多孔，浸胶量较大。因此，目前装饰纸用水性油墨的主要连接料是干酪素。然而，以干酪素为连接料的水性油墨存在耐水性、耐热性差等问题。
针对上述问题，可采用对干酪素改性增强其耐水性，或者通过缩聚反应提高其耐热性。例如，干酪素与己内酰胺（C6H11NO，CPL）的缩聚反应，该反应从交联聚合上可增加干酪素的交联密度，降低干酪素的透气性，但耐水性并未显著提高[4]。羟甲基丙烯酰胺（C4H7NO2，NMA）含有极性N-羟甲基（N-CH2OH）、乙烯基等基团，能够与聚合物中的羟基、羧基发生交联，形成高交联密度的结构。除此之外，NMA含有的羟甲基和酰胺键等亲水性基团，使其亲水性有明显的提升[5]，双丙酮丙烯酰胺（C9H15NO2，DAAM）分子结构中含有的乙烯基官能团，可进行聚合反应，有效增加结构稳定性。尽管它的共聚物或均聚物不溶于水，但聚合物中侧链中的酰胺基和酮羰基会使聚合物在潮湿环境中吸收水分[6]。通过前期探索发现，单一CPL改性干酪素，耐水性改善较弱[7]，但能较大程度提高干酪素粒径；单一NMA改性干酪素，交联密度过大，黏度增加剧烈，不适合油墨的印刷；单一DAAM改性干酪素会很大程度影响干酪素的亲水性，不利于干酪素水性油墨的浸胶。
结合CPL、NMA和DAAM各自的特点，本研究针对干酪素耐水性不佳且吸水膨胀的问题，联合CPL、NMA和DAAM对干酪素进行改性。通过测试改性干酪素及其相应水性油墨和印刷装饰纸的性能，分析改性干酪素对水性油墨的耐水性和印刷装饰纸浸胶量的影响，探究CPL、NMA和DAAM联合改性干酪素机制。
1. 材料与方法
1.1 材 料
装饰原纸1（定量70.0 g/m2）、装饰原纸2（定量80.0 g/m2）、进口干酪素、印刷装饰纸用市购干酪素水性油墨、引发剂、分散剂、消泡剂、防腐剂、水性树脂用颜料，均购自广东天元汇邦新材料股份有限公司。改性剂包括N-羟甲基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、己内酰胺、乙醇胺（C2H7NO，MEA），购自国药集团有限公司。去离子水为实验室自制。
1.2 各试样的制备
人造板装饰胶膜纸的制备主要包括树脂的选择、树脂的改性、油墨的制备、印刷装饰原纸、浸胶印刷装饰纸及压贴装饰胶膜纸等工艺。本研究为了探究改性干酪素树脂耐水性对印刷装饰纸墨层的耐水性影响，制备了改性干酪素树脂、改性干酪素水性油墨和相应的印刷装饰纸。同时，为了探究改性干酪素树脂的亲水性和成膜结构对印刷装饰纸的浸胶量影响，制备了改性干酪素水性油墨和印刷装饰胶膜纸。
1.2.1 改性干酪素树脂
以CPL、NMA和DAAM联合改性干酪素，其质量比为12.0∶1.0∶4.0∶35.0。首先，将12.0 g的CPL和100.0 g去离子水搅拌均匀，直至CPL完全溶解，将其转移至四口烧瓶。之后，向四口烧瓶中加入35.0 g的干酪素，待搅拌分散均匀后，开始加热。待升温至80 ℃时，滴加MEA，调节pH值至8.5，并不断搅拌。待升温至90 ℃，加入DAAM和NMA，同时滴加引发剂。最后，温度保持在90 ℃，回流2.5 h，制得改性干酪素树脂。
将清洁的聚四氟乙烯板放于水平操作台，倒入上述改性干酪素树脂。室温干燥24 h，待干酪素膜表面无气泡，将其放入60.0 ℃烘箱干燥6 h。取出固化膜，放入干燥器中备用。
1.2.2 改性干酪素水性油墨
将13.3 g的改性干酪素树脂加入四口烧瓶，并以300 r/min搅拌20 min，充分搅动。加入MEA，调节pH值至9.0，500 r/min搅拌5 min。之后依次加入1.0 g分散剂、0.2 g消泡剂、0.8 g防腐剂和45.0 g水， 500 r/min搅拌20 min。将搅拌均匀的树脂混合液和15.0 g颜料在行星式球磨机的研磨器中以320 r/min研磨5 h，制得干酪素水性油墨。
1.2.3 印刷装饰纸
取2.0 ~ 3.0 g油墨用厚度2.0 μm的涂布棒涂布在装饰原纸表面，然后将涂布好的装饰原纸放入130 ℃烘箱干燥30 s，得到印刷装饰纸。
1.2.4 印刷装饰胶膜纸
取印刷装饰纸浸渍三聚氰胺–甲醛树脂，浸渍时间为120 s，取出后用玻璃棒刮除表面多余树脂，将其放入120 ℃烘箱中干燥60 s，得到印刷装饰胶膜纸。
1.3 改性干酪素树脂性能表征
1.3.1 基础性能
按照GB/T 1725—2007《色漆、清漆和塑料 不挥发物含量的测定》测定干酪素树脂、改性干酪素树脂的固含。为了测量树脂的稳定性和分散性，采用激光粒度测量仪，对干酪素、改性干酪素树脂粒径和Zeta电位进行测试，溶剂为去离子水。为了检测干酪素树脂是否符合生产要求，采用旋转黏度计对干酪素、改性干酪素乳液和黏度进行测试。
1.3.2 微观形貌
为了观测干酪素成膜形态，采用场发射扫描电子显微镜（field emission scanning electron microscope，FE-SEM，Hitachi，日本）观察干酪素膜表面形貌。
1.3.3 化学结构
为了研究干酪素树脂改性状况，采用傅里叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR，Nicolet Magna，美国）测试改性干酪素膜的官能团变化，其测试得数范围为400 ~ 4 000 cm−1，分辨率4 cm−1，扫描次数32次。
1.3.4 热性能
采用热重分析（TGA，SDT-Q500，TA公司，美国）对干酪素和改性干酪素膜进行热稳定性检测。
1.3.5 水接触角、水蒸气透过率和耐水性
为了检测干酪素树脂的亲水性，利用视频光学接触角测量仪（OCA15EC，DATA PHYSICS，德国）对干酪素膜和改性干酪素膜的表面接触角进行测试，滴加液体为水，滴加量为2.0 μL。
为了检测干酪素树脂的透水透气性，采用水蒸气透过率测试仪（W3-031，济南思克测试技术公司，中国）对干酪素和改性干酪素漆膜的水蒸气透过率进行测试。
为了检测干酪素的耐水性，测试浸水40 min后的干酪素树脂残留率。将干酪素树脂在105 ℃下烘干30 min，并称其质量m1；将浸水40 min后的干酪素树脂放入烘箱，在105 ℃烘30 min，并称其质量m2，然后计算干酪素树脂残留率（W）。
W=m2−m1m1×100% (1) 1.4 改性干酪素水性油墨性能表征
按照GB/T 1725—2007《色漆、清漆和塑料 不挥发物含量的测定》测定干酪素水性油墨、改性干酪素水性油墨的固含。
为了检测水性油墨的分散性和稳定性，采用激光粒度测量仪，测试水性油墨的粒径和Zeta电位，溶剂为去离子水。
采用旋转黏度计，测试干酪素乳液、改性干酪素乳液及其水性油墨的黏度。
1.5 印刷装饰纸性能表征
1.5.1 微观形貌
为获取印刷装饰纸墨层的特点，采用FE-SEM观察印刷装饰纸的表面形貌，并采用能量色散 X 射线光谱仪（energy dispersive spectrometer，EDS）对印刷装饰纸中的P元素和Cl元素进行面扫分析。由于红色颜料254是富含Cl元素的有机颜料，干酪素含有大量磷蛋白，故选择两者作为颜料和干酪素的特征元素。为显示出颜料在纸张表面的分布情况，以及探究干酪素对于颜料的固结效果，选择不添加干酪素的染色纸作为对照组。
1.5.2 耐水性、耐热性和浸胶量
参照 QB/T 5477—2020《装饰纸水性印刷油墨》，对印刷装饰纸墨层耐热性进行测试。结果取3次测试数据的平均值。
为了检测印刷装饰纸墨层的耐水性，测试印刷装饰纸浸水40 min后的墨层残留率。取10 cm × 10 cm印刷装饰纸和装饰原纸，在105 ℃烘箱中烘干2 min，测试烘干后的印刷装饰纸质量，分别记为mʹ1和mʹ0，再将其浸入去离子水中40 min，取出，放入105 ℃烘箱烘干1 h，测试质量mʹ2。印刷装饰纸墨层残留率（Wʹ）计算见式（2）。
W′=m′2−m′0m′1−m′0×100% (2) 分别取10 cm × 10 cm的印刷装饰纸和印刷装饰浸胶纸在（130 ± 2） ℃的烘箱中干燥2 min，并测质量，计算浸胶前后的质量差即可得到浸胶量。每个条件分成3组平行实验，每组平行实验重复5次，取平均值。
2. 结果与分析
2.1 改性干酪素树脂
印刷装饰纸性能主要取决于水性油墨，而油墨的“心脏”是干酪素树脂，因此干酪素树脂的耐水性、亲水性和结构会影响印刷装饰纸墨层的耐水性和浸胶量。通过测试改性干酪素的官能团变化和热分解的变化，探究干酪素改性是否成功；通过测试改性干酪素树脂的微观形貌、残留率、水蒸气透过率和水接触角，获得改性干酪素树脂的亲水性和结构特征，研究其对印刷装饰纸墨层的耐水性和浸胶量的影响。
2.1.1 基础性能
连接料的颜色和光泽度是油墨的颜色和光泽度的重要影响因素[8]。目前，市场上的干酪素树脂多为淡黄色，而本研究的改性干酪素树脂和干酪素树脂两者的颜色均为黄色（表1），可能是加热使部分干酪素中的酪蛋白和残留的多糖发生美拉德反应，使干酪素出现褐化反应[9]。干酪素中酪蛋白在低浓度时以酪蛋白分子存在，随着干酪素浓度增加，分子通过疏水、氢键和盐键作用可形成酪蛋白胶束[10]。酪蛋白胶束是由酪蛋白分子中磷酸化的丝氨酸基团与牛乳中的钙离子通过非共价交联作用形成的聚集体，直径约150 nm[11]。因此，钙离子的含量与酪蛋白胶束的稳定性至关重要。除此之外，Zeta电位是衡量胶体分散体系稳定性的重要指标，若酪蛋白胶束的表面负电荷或正电荷较多，胶体的稳定性会较好，因此可借助酪蛋白微观带电特性间接获得胶体的稳定性[12]。
表 1 干酪素和改性干酪素乳液的基础性能Table 1. Basic properties of casein and modified casein emulsion乳液
Emulsion颜色
Color固含
Solid content/%pH Zeta电位
Zeta potential/mV平均粒径
Average particle size/nm黏度
Viscosity/（mPa·s）干酪素 Casein 黄色 Yellow 15 8.5 −40.5 110 1 280 改性干酪素 Modified casein 黄色 Yellow 15 8.5 −45.0 348 1 482 酪蛋白胶束的粒径大小和Zeta电位随pH值发生剧烈变化。当pH值 < 4.7时，干酪素树脂产生微米级的聚集并沉淀，虽有微量酪蛋白胶束残存，但可忽略不计；当4.7 < pH值 < 6.7时，酪蛋白胶束受静电斥力相互作用其平均粒径未发生变化，Zeta电位随pH的升高而增大；当7.7 < pH值 < 9.0时，210 nm左右的酪蛋白胶束剧烈减少，其Zeta电位几乎不变；当pH值 > 9.0时，大酪蛋白胶束剧烈增加，但与天然的大酪蛋白胶束不同，可能缺失了钙离子，其Zeta电位也是恒定的[13]。因此，本研究干酪素和改性干酪素的固含、pH值均为15%、8.5，两者的色泽均为黄色。尽管市购干酪素树脂固含大，但稳定性差，易沉淀；而改性干酪素树脂较为稳定。改性干酪素乳液的Zeta电位高于干酪素乳液，可能是改性后引入了酰胺键和羟基，使干酪素水溶液负电荷增多，胶束间的静电斥力增大，从而增强了体系的稳定性。
干酪素乳液的黏度和粒径是影响干酪素油墨的重要指标。若干酪素树脂黏度过大，在研磨阶段会产生大量气泡，不利于油墨的储存；另一方面，由于机械力的作用使酪蛋白间大量次级键断裂，造成肽链解离，使酪蛋白的粒径减小，加之蛋白质在微生物作用下易于发生水解，使得干酪素油墨的储存稳定性不佳。为解决这一问题，本研究选择粒径 < 3.0 μm，但粒径相对较大的干酪素乳液，通过增加酪蛋白间的化学键相互作用，进一步增强酪蛋白的结构稳定性。改性干酪素乳液的粒径约是干酪素乳液的3倍（表1），黏度也较高。此结果表明，改性干酪素内部可能形成了大量的共价键，构成了较紧密的结构。这进一步表明了干酪素改性的成功。
2.1.2 微观形貌
干酪素膜的断面结构出现阶梯的层次（图1a），而改性干酪素未出现不同层次的结构（图1e）；在放大10 000倍后，改性干酪素呈现致密的平面结构（图1f），相比未改性干酪素（图2c）更加光滑，这样的结构可以提高干酪素树脂的耐水性。
2.1.3 化学结构
干酪素含有大量的酰胺键，3 276 cm−1 处分别对应 O−H 和 N−H（酰胺A带）的伸缩振动[14]，1 636、1 239、1 536 cm−1 处分别对应C=O 键伸缩振动（酰胺Ⅰ带）、C−N键伸缩（酰胺Ⅱ带）、N−H 键伸缩振动（酰胺Ⅲ带）[15]。干酪素的吸收光谱除了酰胺键的特殊吸收峰外，在2 920 cm−1出现了CH2的吸收峰（图2）。对比改性前后干酪素的红外吸收光谱，改性后的干酪素酰胺A带、酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带的峰都有明显的增强，说明干酪素蛋白质可能出现酰基化反应。除此之外，改性干酪素的C−O键从1 400 cm−1 移动至1 420 cm−1 ，这表明干酪素原有结构的氢键受到破环，其结构随之发生改变。
2.1.4 热性能
干酪素热重曲线（图3a）可以分为4个阶段：第一阶段45 ~ 176 ℃，干酪素中水和一些易挥发性物质挥发；第二阶段176 ~ 248 ℃，蛋白侧链脱氨、脱羧反应发生；第三阶段248 ~ 380 ℃，酪蛋白的主链出现分解，肽键开始断裂；第四阶段380 ~ 800 ℃，前一阶段形成的碳残基在该温度下发生氧化分解[16]。温度 < 176 ℃时，改性干酪素和干酪素的质量损失都较小，但改性干酪素树脂的质量损失更小；在176 ~ 600 ℃，改性干酪素引入了大量的酰胺键和羟基，故其质量损失率大于干酪素树脂（图3b）；当温度 > 600 ℃时，改性干酪素中借助于酰胺类化合物，将C=C引入至干酪素，并在催化剂的作用下发生了自由基的聚合，生成了聚合能更高的C−C，故改性干酪素的耐热性强于干酪素，该结果证明了改性干酪素中引入了C−C，氨基化合物成功接枝在干酪素分子上。
2.1.5 水接触角、水蒸气透过率和耐水性
改性后干酪素树脂的水接触角明显降低，其接触角小于干酪素树脂（图4a，b）。这可能是由于改性后引入了大量的酰胺键和羟基，使干酪素树脂结构的亲水性增强。改性干酪素树脂的水蒸气透过率是干酪素树脂的一半（图4c），这表明改性后干酪素的透水透气性明显减弱。树脂的水蒸气透过率由树脂的交联度和亲水性决定，且改性干酪素树脂的亲水性强于干酪素树脂，所以改性干酪素树脂的交联度较高，这也证明了改性使干酪素形成了较紧密的结构。干酪素和改性干酪素树脂的残留率分别为50.0%、80.5%（图4d）。相较于干酪素树脂，改性干酪素树脂的残留率显著提高，其原因可能是改性引入了大量的共价键，减少了次级键，使干酪素的内部结构更加紧密。改性干酪素树脂的残留率显著提高，干酪素树脂的耐水性随之显著提升。
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图 4 干酪素和改性干酪素的水接触角、水蒸气透过率和耐水性Figure 4. Water-contact angle, water vapor transmission rate and water-resistance of casein and modified casein2.2 干酪素水性油墨
通常未添加连接料的水性油墨pH值在8.0 ~ 9.5，在此区间油墨具有较好的流动性，当水性油墨pH值过高或过低都会出现印刷事故，例如：碱性太强，油墨的黏度会降低，干燥速度变慢，耐水性能变差等。目前市场上的干酪素油墨的pH值范围有7.0 ~ 9.0、7.0 ~ 8.0、8.0 ~ 9.0和8.5 ~ 9.5。为控制研究条件，本研究中油墨的pH均为8.5，固含均为15%。
干酪素水性油墨、改性干酪素水性油墨和市购干酪素水性油墨的Zeta电位分别为−26.0、−31.0和−30.0 mV（表2）。根据Zeta电位结果，干酪素能增强颜料的稳定性，改性干酪素水性油墨的稳定性更好，略高于市购干酪素水性油墨。同时，干酪素水性油墨、改性干酪素水性油墨和市购干酪素水性油墨的平均粒径分别为97.2、119.6和95.2 nm（表2）。干酪素水性油墨的粒径是颜料粒径的近一倍，但低于改性干酪素水性油墨，接近于市购干酪素水性油墨。
表 2 不同类型干酪素水性油墨的基础性能Table 2. Basic properties of different types of casein water-based ink类型 Type 固含
Solid content/%pH Zeta电位
Zeta potential/mV平均粒径
Average particle size/nm黏度Viscosity/
（mPa·s）干酪素水性油墨
Casein water-based ink15 8.5 −26.0 97.2 520 改性干酪素水性油墨
Modified casein water-based ink15 8.5 −31.0 119.6 100 市购干酪素水性油墨
Commercial casein water-based ink15 8.5 −30.0 95.2 253 2.3 印刷装饰纸
上述结果显示制备的改性干酪素水性油墨符合市场印刷工艺和油墨基础性能需求。为进一步探求印刷装饰纸墨层结构特点，本研究通过观测印刷装饰纸的微观形貌特点和测定印刷装饰纸的耐热性、耐水性、浸胶量，分析印刷装饰纸的微观形貌与浸胶量之间的关系。
2.3.1 微观形貌
SEM图像（图5）显示：3种印刷装饰纸的平面呈现出明显的孔隙，且孔隙均大于500 nm。根据印刷装饰纸的宏观的EDS能谱图结果，干酪素水性油墨装饰纸和改性干酪素水性油墨装饰纸表面均出现了微量的P元素，说明两种干酪素在水性油墨和装饰表面的分布都较为均匀。
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图 5 印刷装饰纸的样品图、SEM和EDS图Figure 5. Sample pictures, SEM and EDS images of printing decoration paper2.3.2 耐水性、耐热性和浸胶量
图6中所有印刷装饰纸的上墨量为（6.0 ± 1.0）g/m2。改性后的干酪素水性油墨浸水后墨层的残留率为100%（图6a），而市购干酪素水性油墨装饰纸和干酪素水性油墨装饰纸均发生颜料的溶解脱落，表明改性干酪素增加了颜料间以及颜料与纸张间的附着力。因为干酪素在加热过程中存在美拉德反应，所以随着温度的升高，市购干酪素水性油墨装饰纸的色差值逐渐增大：当温度达到170 ℃时，ΔE > 5（图6b），装饰纸表面已发生明显的颜色变化。而改性后的干酪素水性油墨装饰纸随温度的变化，其色差值基本上没有发生变化，当温度达到210 ℃时，ΔE < 1。这可能是改性后的干酪素中多糖已与干酪素发生相互作用，因此装饰胶膜纸压贴时，装饰纸水性油墨墨层的颜色不会发生太大变化。当温度达到210 ℃时，干酪素水性油墨的ΔE < 3（图6b）。相较于市购干酪素水性油墨装饰纸，改性干酪素水性油墨装饰纸的耐热性有较大的提高。
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图 6 不同干酪素油墨制备的印刷装饰纸耐水性、耐热性和浸胶量Figure 6. Water-resistance, heat-resistance, and impregnation amount of printing decoration papers prepared by different casein ink原纸1、2分别为70、80 g/m2的白色装饰原纸，前者有较高的孔隙性，密度较低，而后者较为致密。在原纸1上，三者浸胶量相差较小，但改性后的干酪素水性油墨装饰纸的浸胶量仍大于干酪素水性油墨装饰纸或市购干酪素水性油墨装饰纸；在原纸2上，改性后的干酪素水性油墨装饰纸的浸胶量明显大于干酪素水性油墨装饰纸或市购干酪素水性油墨装饰纸（图6c）。因为改性干酪素水性油墨装饰纸墨层表面增加了亲水性基团，所以其亲水性提高，进而浸胶量提高。但改性剂的加入使干酪素树脂耐水性的增加，同时其孔隙率明显下降，所以改性干酪素水性油墨装饰纸的浸胶量与市购干酪素、干酪素水性油墨装饰纸的浸胶量相差不大。原纸1中三者浸胶率差别较小，可能是由于原纸1具有较大的孔隙。
市购干酪素水性油墨的耐水性较差，在水中其结构出现明显膨胀，且颜色发生明显改变（图6d）。改性后的干酪素水性油墨在泡水后结构未发生明显改变，且颜色改变不大。因此，改性后的干酪素油墨的耐水性有明显提升，颜色稳定性更好，更适用于装饰纸印刷。
2.4 CPL、NMA和DAAM联合改性干酪素机制
通过CPL、NMA和DAAM联合对干酪素进行改性。首先，CPL与干酪素中的羟基、羧基发生反应，增加了聚合物的内聚力，并增强了干酪素的耐水性，提供了更多的接枝位点。然后，丙烯基与干酪素上的羟基、羧基等活性基团发生自由基反应，增强结构内稳定性，为干酪素水性油墨墨层的耐水性提供了结构基础，同时引入极强亲水性的酰胺基，增强了干酪素树脂的亲水性，为干酪素水性油墨墨层的浸胶量提高提供了有利条件（图7）。干酪素中存在多糖，所以在压贴过程中会出现较大色差。改性过程通过热处理产生美拉德反应，避免了在后续工艺中产生色差，增强了干酪素水性油墨的耐热性。
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图 7 CPL、NMA和DAAM联合改性干酪素反应示意图Figure 7. Diagrams of modified casein reaction by CPL, NMA and DAAM combination3. 结 论
为解决干酪素耐水性不佳且吸水膨胀的问题，制备了一种化学改性干酪素，并探究相应的墨层透气性能及装饰纸浸胶量的变化。
（1）采用己内酰胺（CPL）、N-羟甲基丙烯酰胺（NMA）和双丙酮丙烯酰胺（DAAM）对干酪素进行改性，制备了耐水性能较好，且适用于装饰纸印刷的干酪素水性油墨。
（2）相比于未改性的，改性干酪素水性油墨Zeta电位为−31.0 mV，稳定性有明显提升；改性后的装饰纸在浸水40 min后墨层残留率增加了156%，耐水性明显提升，且没有墨层的损失；在210 ℃下，改性后的干酪素水性油墨ΔE < 1，颜色未发生变化，而市购干酪素的ΔE > 25，因此其耐热性明显提高。
（3）相较于市购的，改性后的装饰纸墨层在浸水40 min后墨层残留率提升了139%，且反映耐热性的色差值仅为市购的35%，因此其耐水性和耐热性明显提升；改性后的印刷装饰纸浸胶量增加了129%，适用于印刷装饰纸的生产。
本研究通过化学改性提升了干酪素水性油墨印刷装饰纸的耐水性和耐热性，基本解决了干酪素水性油墨耐水性较差的问题。下一步将着重分析改性剂与干酪素水性油墨之间的结合机理，为提高印刷装饰纸的性能提供理论依据。
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图 2 栌斗受力分析图
q1为面荷载（来自于上部泥道栱与下部柱头，作用于栌斗表面） 。q1 is area load (coming from the upper Nidao-Gong and the lower column cap, and is applied over the surface of cap block).
Figure 2. Stress analysis diagrams of cap block
表 1 应县木塔底部三层斗栱的残损分布
Table 1 Damage distribution of bracket sets of lower three stories in Yingxian Wooden Tower
% 位置
Position轻微外闪、裂缝
Slight distortion and cracks外闪、个别构件残损
Few broken omponents外闪变形、开裂严重
Serious deformation and cracking炮击受损、碎裂
Fragmentation一层明层 First clear floor 28.1 28.1 43.8 二层平坐层 Second supporting platform floor 6.3 84.4 9.3 二层明层 Second clear floor 18.8 59.4 9.3 12.5 三层平坐层 Third supporting platform floor 15.5 78.1 3.2 3.2 三层明层 Third clear floor 71.9 28.1 注：表1引自于参考文献[13]。Note: Tab.1 is cited from reference [13]. 
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表 2 斗栱模型残损部位与残损度
Table 2 Damage positions and degree of bracket set models
模型编号 Model No. 残损部位 Damage position 孔洞间距 Hole spacing/mm 体积损伤率 Volume loss ratio/% DG-1 完好 Perfect DG-2 栌斗 Cap block 8 6.5 DG-3 第一跳华栱、泥道栱 First Hua-Gong and Nidao-Gong 13 6.7 DG-4 第二跳华栱、令栱 Second-story Hua-Gong and Ling-Gong 13 6.8
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表 3 斗栱模型的抗压刚度计算值
Table 3 Compressive stiffness calculations of bracket set models
模型编号
Model No.抗压刚度
Compressive stiffness/
（kN·mm−1）抗压刚度降低率
Reduction ratio of compressive stiffness/%DG-1 7.45 DG-2 4.45 40.3 DG-3 3.65 51.0 DG-4 4.20 43.9 注：抗压强度降低率为完好模型组刚度与残损模型组刚度的差值相比完好模型组刚度的百分数。Note: the reduction ratio of compressive stiffness is the difference (between perfect model and damaged model) versus perfect model stiffness.
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[1] 吕璇. 古建筑木结构斗栱节点力学性能研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2010. Lü X. Mechanical behavior of bucket arches in Chinese ancient timber buildings[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2010.
[2] Feio A O, Lourenco P B, Machado J S. Testing and modelling of a traditional timber mortise and tenon joint[J]. Materials and Structures, 2014, 47(1−2): 213−225. doi: 10.1617/s11527-013-0056-y
[3] 谢启芳, 郑培君, 向伟, 等. 残损古建筑木结构单向直榫榫卯节点抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2014, 35(11):143−150. Xie Q F, Zheng P J, Xiang W, et al. Experimental study on seismic behaviour of damaged straight mortise-tenon joints of ancient timber buildings[J]. Journal of Building Structures, 2014, 35(11): 143−150.
[4] 马栋. 应县木塔二层残损调查与受力分析[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2010. Ma D. The damage survey on the second floor of Yingxian Wooden Tower[D]. Xi’an: Xi’an University of Architecture and Technology, 2010.
[5] 王智华. 应县木塔斗栱调查与力学性能分析[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2010. Wang Z H. Dougong investigation and mechanics property analysis on Yingxian Wooden Tower[D]. Xi’an: Xi’an University of Architecture and Technology, 2010.
[6] 陈韦. 应县木塔斗栱力学性能及简化分析模型的研究[D]. 扬州: 扬州大学, 2010. Chen W. Research on mechanical property and simplified analysis model of Dougong of Yingxian Wooden Tower[D]. Yangzhou: Yangzhou University, 2010.
[7] 王珏. 应县木塔扭、倾变形张拉复位的数字化模拟和安全性评价[D]. 扬州: 扬州大学, 2008. Wang J. The numerical simulation and security appraisal of tensioning-replacement method for torsional and inclined deformation of Yingxian Wooden Tower[D]. Yangzhou: Yangzhou University, 2008.
[8] 谢启芳, 张利朋, 向伟, 等. 竖向荷载作用下叉柱造式斗栱节点受力性能试验研究与有限元分析[J]. 建筑结构学报, 2018, 39(9):66−70. Xie Q F, Zhang L P, Xiang W, et al. Experimental study and finite element analysis of Dou Gong joints built with fork column under vertical loading[J]. Journal of Building Structures, 2018, 39(9): 66−70.
[9] Xue J Y, Xu D, Xia H L. Experimental study on seismic performance of through-tenon joints with looseness in ancient timber structures[J]. Advances in Structural Engineering, 2018, 22(6): 1312−1328.
[10] 王雪亮, 张帆, 李瑞政, 等. 加速腐朽环境下木构件的强度退化时变模型[J]. 武汉理工大学学报, 2015, 37(6):76−80. Wang X L, Zhang F, Li R Z, et al. Strength degradation model of wood components under accelerated decay environment[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2015, 37(6): 76−80.
[11] King W S, Yen J Y, Yen Y N. Joint characteristics of traditional Chinese wooden frames[J]. Engineering Structure, 1996, 18(8): 635−644. doi: 10.1016/0141-0296(96)00203-9
[12] 马炳坚. 中国古建筑木作营造技术[M]. 北京: 北京科学出版社, 1991. Ma B J. Construction technology of Chinese ancient architecture woodwork[M]. Beijing: Beijing Science Press, 1991.
[13] 侯卫东. 应县木塔保护研究[M]. 北京: 文物出版社, 2016: 82−87. Hou W D. Study on the protection of the Yingxian Wooden Tower[M]. Beijing: Cultural Relics Press, 2016: 82−87.
[14] 李铁英, 秦慧敏. 应县木塔现状结构残损分析及修缮探讨[J]. 工程力学, 2005, 22(增刊1):199−212. Li T Y, Qin H M. Structural analysis and repair of Yingxian Wooden Tower[J]. Engineering Mechanics, 2005, 22(Suppl.1): 199−212.
[15] 李诫. 营造法式[M]. 北京: 商务印书馆, 1954. Li J. Building formulas[M]. Beijing: Commercial Press, 1954.
-
期刊类型引用(9)
1. 宫联沙，杨静，戴全厚，聂云鹏，周畅. 不同降雨类型下植被剔除对灌木林降雨再分配特征的影响. 水土保持学报. 2024(05): 315-322+331 . 
百度学术
2. 任斯宇，张金威，盛后财，琚存勇. 城市蒙古栎人工林对降雨中金属元素迁移的影响. 东北林业大学学报. 2023(02): 33-39 . 百度学术
3. 孙天妙，阳辉，曹建生. 太行山区不同植被降雨再分配特征. 中国生态农业学报(中英文). 2023(09): 1471-1481 . 百度学术
4. 李连强，杨会侠，丁国泉，李虹谕，白荣芬，王品. 辽宁仙人洞国家级自然保护区森林生态服务物质量评估及权衡与协同. 北京林业大学学报. 2023(09): 83-94 . 本站查看
5. 于德水，卢杰. 地被物对土壤含水量及养分影响的研究进展. 吉林林业科技. 2022(01): 24-28 . 百度学术
6. 汪水前. 南方水土流失区马尾松对降雨再分配的影响. 中国水土保持科学(中英文). 2022(02): 99-105 . 百度学术
7. 王淑春，程然然，杜盛. 黄土丘陵区2种典型林分降雨分配特征及其主要影响因素. 水土保持学报. 2022(03): 173-180 . 百度学术
8. 张娜，程琳，赵西平. 蒙古栎生长与材积的研究进展. 防护林科技. 2022(04): 73-74+82 . 百度学术
9. 王玉涛，郭雨竹，李佳宁，王澍涵，冀宗琪，陆秀君. 蒙古栎花芽分化、花器官发育及花粉离体萌发特性研究. 沈阳农业大学学报. 2021(05): 530-536 . 百度学术
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