木材與膠合木構(gòu)件彈性模量無損檢測技術(shù)的研究進(jìn)展

王解軍，陳 曉，夏滴洋

（中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

木材與膠合木構(gòu)件彈性模量無損檢測技術(shù)的研究進(jìn)展

王解軍，陳 曉，夏滴洋

（中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

木材及膠合木構(gòu)件的用途非常廣泛，在橋梁、建筑、家具和包裝等其它領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。眾多木材力學(xué)性能指標(biāo)當(dāng)中，彈性模量是最基本的一個指標(biāo)，也是十分重要的一個指標(biāo)?？偨Y(jié)了目前木材及膠合木構(gòu)件彈性模量測量的一些方法，運用這幾種方法來研究彈性模量無損檢測方法的未來發(fā)展趨勢。

木材與膠合木構(gòu)件；彈性模量；無損檢測；研究進(jìn)展；綜述

木材是一種各向異性的材料，用途十分廣泛。要準(zhǔn)確獲取木材的力學(xué)性能越來越有必要。雖然傳統(tǒng)的測量方法能夠精準(zhǔn)測量木材的彈性模量——木材力學(xué)性能最基本與最重要的指標(biāo)之一，但是測量程序復(fù)雜、費時，而且在測量過程中對木構(gòu)件有一定損傷，不符合工業(yè)化自動生產(chǎn)的要求[1]。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)測量法的不足，一種新型、適用的檢測方法——無損檢測法得到了廣泛運用，并發(fā)展迅速。木材無損檢測（Non-destructive testing，NDT），從文字表面含義來看是一種非破壞性的檢測技術(shù)。它能夠不損壞其將來使用性能和使用可靠性，并對材料或制件或兩者進(jìn)行宏觀缺陷檢測，幾何特征測量，化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化進(jìn)行評定[1]。

1 木結(jié)構(gòu)彈性模量測試方法

測量彈性模量的主要方法：靜態(tài)法、動態(tài)法[1]。

（1）靜態(tài)法

靜態(tài)彎曲法屬于傳統(tǒng)的測量方法（三點彎曲和四點彎曲）。靜態(tài)法能夠精確測量彈性模量，但是它耗時較長，測量過程復(fù)雜，而且對木構(gòu)件有一定程度上的破壞，因此靜態(tài)法測量過的木材可能損傷其應(yīng)用價值。

（2）動態(tài)法

相對于靜態(tài)彎曲法來說，動態(tài)法較好的避免了上述缺點，為工業(yè)化的自動生產(chǎn)提供了可能。動態(tài)法測量快捷、簡便，對木材的應(yīng)用價值也不會有損傷，滿足了連續(xù)化生產(chǎn)的要求。雖然用動態(tài)法測得的彈性模量值與靜態(tài)彎曲法測得的彈性模量值不完全一致，但大量數(shù)據(jù)表明，木材的動態(tài)彈性模量和靜態(tài)彈性模量及木材強(qiáng)度之間都表現(xiàn)出了明顯的相關(guān)性[1]。

動態(tài)檢測法主要指振動法和速度法。振動法又包括橫向振動和縱向振動等，速度法包括超聲波法和應(yīng)力波法等[1]。

木材的自然頻率、密度及試件尺寸決定了其動態(tài)彈性模量，這是振動法的基本原理。

a)縱向振動法

運用縱向振動測試木材動態(tài)彈性模量時，先用錘子敲擊木材的一端，木材內(nèi)部就會產(chǎn)生應(yīng)力波，然后在另一端利用麥克風(fēng)接收應(yīng)力波并通過傅立葉快速轉(zhuǎn)換分析儀測試振動頻率。動態(tài)彈性模量與基頻振動頻率和木材密度呈正比關(guān)系。利用公式（1）可以計算出縱波動態(tài)彈性模量值[2]。

式中：EL為試件縱波彈性模量（單位：GPa）；L為試件長度（單位：m）；fm為試件縱波共振頻率（單位：Hz）；ρ為木材密度（單位：kg/m3）；m為高次諧頻對基頻的倍數(shù)。

b)橫向振動法

采用橫向振動法測試木材的彈性模量時，先用錘子敲擊木材一端的上表面或中部的上表面，在另一端利用麥克風(fēng)接收應(yīng)力波并通過傅立葉快速轉(zhuǎn)換分析儀測試振動頻率。利用公式（2）可以計算出木材抗彎彈性模量值[2]。

式中：EF為試件橫波彈性模量（單位：GPa）；L為試件長度（單位：m）；fm為試件共振頻率（單位：Hz）；ρ為木材密度（單位：kg/m3）；T為試件厚度（單位：m）；m為振動階數(shù)所決定的系數(shù)。

大量試驗結(jié)論得出：彈性波波速與待測物的彈性模量之間有一定的等量關(guān)系式。這就是速度法測量彈性模量的基本原理。

c)超聲波法

當(dāng)試件厚度遠(yuǎn)小于應(yīng)力波波長時，可以采用超聲波法。其操作步驟是：1、在被測構(gòu)件的長度方向輸入一個超聲波；2、在被測物的另一端記錄傳經(jīng)的超聲波波形。超聲波的波速c(單位：m/s)、介質(zhì)密度ρ(單位：kg/m3)、彈性模量E(單位：GPa)滿足式（3）的關(guān)系：

d)應(yīng)力波法

應(yīng)力波檢測法屬于接觸類檢測，關(guān)鍵在于被測材料的速度、密度、彈性模量之間的物理關(guān)系[3]。木質(zhì)構(gòu)件的彈性模量E（單位：GPa）、應(yīng)力波的波速ν（單位：m/s）和木質(zhì)材料密度D（單位：kg/m3）之間滿足式（4）的關(guān)系：

式中：g為物體的重力加速度(單位：m/s2)。

如果測量出應(yīng)力波的傳播速度，就可以通過式（4）計算出木材的彈性模量。用于應(yīng)力波檢測的儀器大都由兩部分組成：1、發(fā)射信號的裝置；2、接收信號的后處理裝置。后處理裝置能直接顯示所測參數(shù)值的。當(dāng)前，德國RINNTECH公司生產(chǎn)Arbotomhe和Argus Electronic Gmbh公司生產(chǎn)的PiCUC Sonic Tomograph，美國IML公司生產(chǎn)的Electronic Hammer，瑞士Sandes SA 公司生產(chǎn)的Sylvatest Duo等是世界上應(yīng)用較多的木構(gòu)件無損檢測應(yīng)力波儀[4]。

e)射線法

射線法的基本原理是射線穿透材料后，它的強(qiáng)度會發(fā)生衰減，射線前后的強(qiáng)度變化值滿足下式[5]：

式中：Io為入射前的強(qiáng)度；I為入射后的強(qiáng)度；h為試件厚度；μ為射線衰減系數(shù)。

木質(zhì)材料的密度是根據(jù)射線衰減率和試樣的平均吸收系數(shù)推算出來的，得出密度值后，木材的力學(xué)強(qiáng)度必須通過密度與木質(zhì)材料力學(xué)性能之間的關(guān)系推算得出。

2 國內(nèi)外木結(jié)構(gòu)彈性模量檢測方法的發(fā)展

2.1 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

20世紀(jì)80年代初，我國開始對木材無損檢測技術(shù)進(jìn)行研究，到了80年代中后期才開始用NDT法檢測木材彈性模量。

對于超聲波法，戴澄月等[6]對興安落葉松、水曲柳、紅松和紫椴4種干材，采用超聲波脈沖首波等幅法測定了橫紋方向和順紋方向的超聲波速度，同時也得到了這兩個方向的彈性模量，并且他們通過回歸法分析木材順紋抗彎強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度和這兩種參數(shù)之間的聯(lián)系。趙學(xué)增等[7]開發(fā)了一種快速檢測法，它能快速測定木材的剪切彈性模量和抗彎彈性模量。這種方法是依據(jù)FFT分析技術(shù)、Timoshenko撓性振動理論及微機(jī)技術(shù)提出的。2003年，李華等[8]按照國家標(biāo)準(zhǔn)，采用超聲儀對大鐘寺博物館鐘架進(jìn)行了無損檢測，獲得了它的彈性模量，并進(jìn)一步評估了它的力學(xué)強(qiáng)度。嵇偉兵等[9]分析研究了137塊杉木板材的彈性模量。肖江等[10]學(xué)者通過一系列的試驗，對木材的彈性模量進(jìn)行了研究，主要應(yīng)用了超聲波的縱波傳播原理進(jìn)行試驗，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的測定方法，即利用數(shù)字處理芯片測定木材強(qiáng)度的方法。研究結(jié)果顯示，該系統(tǒng)具備很多特點，它不但測量速度快，而且信號穩(wěn)定，保證了工作的可靠性。此外，它的抗干擾能力也很強(qiáng)。林文樹等[11]認(rèn)為要判斷木材內(nèi)部是否有缺陷存在，可以先判定彈性模量和超聲波波速是否有相應(yīng)的變化。江金瓊等[12]對足尺規(guī)格的杉木進(jìn)行超聲波測量，得到它們的彈性模量。

關(guān)于應(yīng)力波法，1995年，王志同等[13]研究應(yīng)力波法檢測中密度纖維板彈性模量，研究結(jié)果表明這種方法不但測試精度較高，而且可以進(jìn)行自動控制。此外，它還能實現(xiàn)在線檢測。2005年，東北林業(yè)大學(xué)的林文樹等[11]采用了應(yīng)力波和超聲波兩種方法，對木材內(nèi)部的缺陷進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明：兩種方法測得的彈性模量和傳播參數(shù)均受到缺陷處孔洞的大小、數(shù)量和木材密度的影響，其影響程度各不相同。2008年，馮國紅等[14]開發(fā)了一個新型的信號采集系統(tǒng)，系統(tǒng)采集應(yīng)力波發(fā)出的信號，再對信號進(jìn)行處理，得到應(yīng)力波在構(gòu)件中的波速等參數(shù)。信號處理運用了小波變換、頻譜分析等技術(shù)，使得到的參數(shù)更精確。段新芳等[15]對木構(gòu)件的彈性模量進(jìn)行了大量試驗，他們使用Fakopp應(yīng)力波檢測儀，對塔爾寺大金殿內(nèi)的5種木構(gòu)件進(jìn)行了檢測試驗。結(jié)果顯示：它能夠?qū)δ緲?gòu)件的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行有效的測定，但是其彈性模量值受承重作用的影響。陳清波等[16]以多株立木為檢測對象，使用Fakopp應(yīng)力波測定儀，進(jìn)行彈性模量測量實驗。他們將該測量結(jié)果與敲打法的測量結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了Fakopp檢測儀能夠精準(zhǔn)快速地得出立木的彈性模量的大小。

在振動法方面，胡英成等[17-18]運用振動法對兩種不同板材（膠合板和刨花板）的抗彎彈性模量進(jìn)行測試。他們分別采用縱波共振法、彎曲振動法和縱波傳播法對兩種板材進(jìn)行振動試驗，并對比分析了3種方法的實驗結(jié)果。張厚江等[19]為了對木質(zhì)材料進(jìn)行研究，就運用振動法獲得其彈性模量。結(jié)果表明：要獲得木板的固有頻率值，橫向振動方式是一種更為有效的方法。同時，振動法測得的彈性模量比靜彈性模量值稍大。同年，加拿大國家林產(chǎn)品研究院和中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所均認(rèn)為橫向振動法能預(yù)測木質(zhì)材料的力學(xué)性能，為此他們共同探討了此方法用于預(yù)測大尺寸構(gòu)件抗彎彈性的可行性[20]。池德汝等[21]以纖維板為試驗對象，采用橫向振動法為測試手段，獲得了試件的彈性模量。結(jié)果表明：橫向振動法測得的彈性模量精確度高。王喜平等[22]對單跨木橋剛度進(jìn)行測試，結(jié)果顯示，振動法是一種能夠快速測評木橋上部建筑剛度的方法，同時也證明了將振動法用于橋梁結(jié)構(gòu)檢測是可行的。

2.2 國外發(fā)展?fàn)顩r

國外學(xué)者用動態(tài)法測試木材彈性模量的歷史可以追溯到20世紀(jì)50年代。到了60年代，美國、日本和英國等的林業(yè)研究人員就取得了一些關(guān)于這方面的成績。他們主要研究木材強(qiáng)度、彈性模量、物理性質(zhì)這3者和超聲波之間的關(guān)系。Dunlop[23]在1980年對刨花板寬度方向的聲速進(jìn)行了測定，然后利用板材強(qiáng)度與聲速所特有的關(guān)系，對刨花板的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了預(yù)測。1989年，Greubel[24]以刨花板為研究對象，以超聲波技術(shù)為測試手段，對聲波在刨花板內(nèi)的波速進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明其波速和橫向抗拉強(qiáng)度之間有顯著的相關(guān)性。1996年，Poblete和Niemz[25]兩位學(xué)者跟隨Greubel的腳步，再次用超聲波法對刨花板進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果顯示：刨花板內(nèi)的超聲波波速和抗彎彈性模量聯(lián)系緊密。Sandoz等[26]將實驗由室內(nèi)轉(zhuǎn)到室外，利用超聲波檢測儀對木梁強(qiáng)度做了實地評估。

Ross等[27]在1988年就研究得出了木材的彈性模量E（單位：GPa）與應(yīng)力波速度ν（單位：m/s）、木材密度ρ（單位：kg/m3）之間的關(guān)系。Wagner等[28]學(xué)者測試了美國花旗松的性能，主要測試了其應(yīng)力波波度與彈性模量兩者之間的關(guān)系。繼Wagner之后，Robert J Ross等[29]也采用應(yīng)力波技術(shù)對花旗松進(jìn)行了相應(yīng)的研究，此研究所用花旗松都經(jīng)過去皮處理，經(jīng)實驗數(shù)據(jù)分析得到了一個驚喜，即該方法測得的彈性模量能夠很好地對原木的彈性模量進(jìn)行預(yù)測。Miguel Esteban和Francisco Arriaga[30-31]兩位學(xué)者對部分古建筑的橫梁進(jìn)行應(yīng)力波檢測，結(jié)果證明：應(yīng)力波法是一種快捷的無損檢測法，不但操作方便，而且還能對木材的彈性模量進(jìn)行有效預(yù)測。

Logan和Pellerin[32]開發(fā)了一個能對木材橫向振動彈性模量進(jìn)行計算的計算機(jī)(Transverse Vibration E-computer)，簡稱E-計算機(jī)，并獲得了美國專利。他們是依據(jù)材料振動時彈性模量和對數(shù)衰減之間存在的關(guān)系設(shè)計的E-計算機(jī)。日本專家祖父江信夫[33-34]在1986，1988和1991年這三年期間對木材做了一系列的實驗。他選取不同支撐和不同尺寸條件下的木材，分別測量了它們的剪切模量和彈性模量。之后用FFT頻譜分析方法求出木材的共振頻率，在Timoshenko撓性振動理論的基礎(chǔ)上得出木材的剪切模量及彈性模量。他對確定各次振動頻率的方法進(jìn)行了研究，對影響各次頻譜強(qiáng)度及共振頻率的因素進(jìn)行了分析，同時還對各次共振頻率與彈性模量之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了分析。1991年，祖父江信夫[35]還開發(fā)了一個新的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過A/D板和微機(jī)能夠自動獲取試件的彈性模量。1996年，D.W.Haines等[36]學(xué)者選取了不同尺寸的冷杉、云杉和均質(zhì)材料為試驗對象，采用多種不同的方法（主要包括超聲波傳播波法、彎曲共振法、縱波共振法及靜態(tài)彎曲法），測試了它們的彈性模量。Takada[37]曾對2個不同產(chǎn)地的21個日本落葉松Larix kaempferi試材進(jìn)行彈性模量用縱向振動法進(jìn)行了測試。J.Ilic[38]在2001年與2003年兩年間，采用沖擊共振法，不斷研究桉樹的各種彈性模量，主要包括它干燥后的縱向彈性模量、彎曲彈性模量和干燥前后的彈性模量。他研究了桉樹干燥前后的纖維方向波速和彈性模量之間的關(guān)系，干燥后的彎曲彈性模量、縱向彈性模量與三點彎曲彈性模量之間的關(guān)系。此外， J.Ilic[39]選取了45種闊葉材和10種針葉材，研究其縱向和橫向彈性模量之間的關(guān)系。Brashaw等[40](2009年)根據(jù)王喜平等對于單跨木橋剛度測試實驗的結(jié)論，完成了第二階段實驗研究，更有力的證實了振動法是一種高效的測試法，它可以快速評價木橋內(nèi)部的健康狀況。

FFT技術(shù)在近幾十年里，作為一種有力的數(shù)據(jù)處理和圖像分析手段，逐漸地應(yīng)用于木材無損檢測方面，為促進(jìn)木材科學(xué)的發(fā)展，提高檢測技術(shù)水平起到了不可低估的作用。它是一種純頻域分析方法，其明顯的弊端就是缺乏空間局部性。而近年來崛起的各種時—頻分析方法（短時傅里葉變換、Wigner—Ville分布、小波分析等）較好的解決了FFT分析法存在的不足之處。其中，小波分析（Wavelet analysis）是最為成功的一種，它是近年來國際上開創(chuàng)的一個前沿領(lǐng)域，它被認(rèn)為是傅里葉分析方法的突破性進(jìn)展[41]。它將成為未來研究的主要方向。

總體上來說，迄今，國外關(guān)于木板、鋸材及原木的彈性模量與力學(xué)性能無損檢測技術(shù)研究較多，而針對膠合木構(gòu)件及橋梁、建筑結(jié)構(gòu)等彈模與力學(xué)性能的無損檢測技術(shù)研究相對較少；國內(nèi)相對于國外來說，木材無損檢測技術(shù)研究起步較晚，且大多是針對小尺寸試件研究，鮮見針對大尺寸膠合木構(gòu)件及橋梁、建筑結(jié)構(gòu)等的研究。

3 木結(jié)構(gòu)彈性模量研究趨勢展望

木材及膠合木構(gòu)件的彈性模量是表征其力學(xué)性能的重要指標(biāo)，為此，研發(fā)出快捷的瞬時測量方法，將是無損檢測領(lǐng)域內(nèi)的里程碑。此外，木材是種可以重復(fù)利用的優(yōu)良結(jié)構(gòu)工程材，以木材為基礎(chǔ)研究高強(qiáng)度的膠合木構(gòu)件及木質(zhì)復(fù)合材料也成為將來的發(fā)展趨勢[42]?；谀壳暗难芯繝顩r，木材彈性模量的無損檢測技術(shù)的發(fā)展應(yīng)做好以下幾方面：

（1）振動法操作方便、快速，但現(xiàn)階段采用的是人工敲擊法，這使得測量的精確性不能較好的保證。研究設(shè)置機(jī)械自動敲擊裝置，提高測試精度，使振動儀趨于自動化是今后主要的改進(jìn)方向。

（2） 應(yīng)力波的傳播速度相當(dāng)快速，以微妙（μs）計，而當(dāng)前的應(yīng)力波儀精度未達(dá)到那么高的要求，對數(shù)據(jù)的采集和處理略顯粗糙。研發(fā)高精度的應(yīng)力波儀成為日后的研究目標(biāo)。

（3）現(xiàn)階段檢測膠合木構(gòu)件彈性模量的超聲波儀只能達(dá)到數(shù)據(jù)采集的效果，有必要研究集數(shù)據(jù)采集和處理一體的智能化超聲波檢測儀。此外，超聲波在穿過構(gòu)件時信號逐漸衰減，為此它所能穿透的構(gòu)件厚度受到了限制。如何提高其穿透能力，這將是今后研究的另一個重要方向。

（4）在現(xiàn)有各種木材無損檢測方法的基礎(chǔ)上，研究提出適合于大尺寸膠合木構(gòu)件彈性模量測試的新技術(shù)、制作專用的儀器，是將來的發(fā)展趨勢。

4 結(jié) 論

無損檢測涉及的領(lǐng)域非常廣泛，主要的研究內(nèi)容包括射線類和振動類。木材無損檢測中，最常用的3種方法是振動法、應(yīng)力波法和超聲波法。今后，還應(yīng)該對各類測試方法進(jìn)行優(yōu)化并對木材力學(xué)行能無損檢測技術(shù)進(jìn)一步的加深研究，以提高材料質(zhì)量的控制水平，使木材利用率達(dá)到最大，避免人為浪費。

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Research progresses on elasticity modulus nondestructive examination of wood and glulam structures

WANG Jie-jun, CHEN Xiao, XIA Di-yang
(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

∶ Wood and glulam structures are widely used and play an important role in the fields of bridge, building, furniture and packaging or other fields. The elasticity modulus is not only the most basic indicator but also a very significant index among the numerous of mechanical performance index of wood. Some of current methods for measuring the elastic modulus of wood and glulam structures were summarized in this study, and the methods also were used to study the development trend of elasticity modulus nondestructive testing methods.

∶ wood and glulam structures; elasticity modulus; nondestructive examination; research progress; review

S781.1

A

1673-923X(2013)11-0149-05

2013-08-16

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項子項：木結(jié)構(gòu)工程材質(zhì)量無損檢測與評定（201304504-3）

王解軍（1968-），男，教授，博士,博導(dǎo)，主要從事木結(jié)構(gòu)工程、橋梁結(jié)構(gòu)理論與新技術(shù)研究

[本文編校：吳 毅]