超聲波法測(cè)試膠合木膠縫缺陷的判據(jù)研究

王解軍，陳 曉，黃 特，肖云風(fēng)

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

超聲波法測(cè)試膠合木膠縫缺陷的判據(jù)研究

王解軍，陳 曉，黃 特，肖云風(fēng)

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

以2層落葉松膠合木構(gòu)件為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及波形分析，證實(shí)了采用超聲波法測(cè)試人工膠縫缺陷部分和膠合完好部分的可行性。同時(shí)得到了超聲波波速、首波波幅、整體波形這3個(gè)參數(shù)與膠縫缺陷之間的定性關(guān)系，試驗(yàn)者不可僅憑波速或者波幅一個(gè)參數(shù)來判別膠縫的好壞，要同時(shí)結(jié)合這2個(gè)參數(shù)并分析整體波形才可下結(jié)論。通過試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果分析，將對(duì)現(xiàn)有測(cè)試儀器進(jìn)行改善，提高其測(cè)試精確度的同時(shí)將其應(yīng)用于大型木結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目，方便膠合木結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)。

膠合木；膠縫缺陷；超聲波法；判據(jù)；波速；波幅； 波形

膠合木是指將厚度在20～45 mm的板材，經(jīng)過刨光、烘干、涂膠后，沿順文方向疊壓膠合而成的木構(gòu)件，20世紀(jì)40年代，膠合木開始應(yīng)用于工程實(shí)際[1-3]。膠合木減少了木材天然缺陷的影響，故其強(qiáng)度得到了很大的提高；也不再受其天然尺寸的限制，可根據(jù)需求通過指接等技術(shù)得到各種形狀的膠合木構(gòu)件。膠合木的質(zhì)量取決于層板的木材質(zhì)量、膠縫質(zhì)量和指接接頭質(zhì)量3個(gè)要素，其中膠縫質(zhì)量是最重要的[4]。隨著它越來越被廣泛應(yīng)用，相其質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)的研究也顯得十分重要。至今，德國(guó)Dill Langer.G等[5-6]對(duì)超聲波測(cè)試膠合木膠縫缺陷進(jìn)行了較深入的研究，但國(guó)內(nèi)關(guān)于這一問題的研究成果較少。為此，本文采用超聲波測(cè)試法測(cè)試人造膠縫缺陷，將其結(jié)果與完整部分的膠縫進(jìn)行對(duì)比分析，初步得出判別膠縫缺陷的依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及基本數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)采用了東北興安落葉松，單層板尺寸均為450 mm×150 mm×30 mm，目測(cè)分等Id，板材平均含水率為15%，平均密度為0.55 g/cm3。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求制作了30個(gè)雙層膠合木構(gòu)件用于試驗(yàn)測(cè)試，雙層膠合木構(gòu)件的尺寸為450 mm×150 mm×63 mm。由于制作工藝和實(shí)驗(yàn)過程中的人為因素影響比較大，本文為了確保實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果的準(zhǔn)確，剔除了數(shù)據(jù)波動(dòng)較大的10個(gè)構(gòu)件，留取20個(gè)實(shí)驗(yàn)構(gòu)件數(shù)據(jù)用于分析。

2 試件制作工藝

實(shí)驗(yàn)所用落葉松鋸材強(qiáng)度均為Id，膠種為水基聚氨酯(質(zhì)量比為聚氨酯：固化劑=100∶15～20)，采用單面施膠，施膠量為250～300 g/m2。涂膠后應(yīng)將層板堆積放在壓機(jī)上施加1.2 MPa的面壓4～5 h，施壓完成后對(duì)試件進(jìn)行24 h的養(yǎng)護(hù)方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

試件制作過程中，人工模擬膠縫缺陷是關(guān)鍵。該實(shí)驗(yàn)中試件的制作設(shè)置了涂膠區(qū)域（即為膠合完整處）與未涂膠區(qū)域（模擬膠縫缺陷），如何防止膠合板在壓機(jī)上施壓時(shí)將所涂抹的聚氨酯膠擠入缺陷邊界內(nèi)，是減小制作工藝誤差，提高實(shí)驗(yàn)精確度的重要因素。因此必須找到一種合適的方法在涂膠與未涂膠的部位設(shè)置隔離帶。最為理想的隔離方法是既能防止聚氨酯膠擠入缺陷邊界內(nèi)，又不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果（或者對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響可以忽略不計(jì)），本實(shí)驗(yàn)中采用黑色絕緣膠帶作為隔離帶。實(shí)驗(yàn)構(gòu)件總長(zhǎng)為450 mm，中間留取長(zhǎng)為120 mm的區(qū)域不涂膠，即模擬的膠縫缺陷尺寸為120 mm×150 mm，在其兩邊的邊界處黏貼黑色絕緣膠帶，其余部分均涂滿聚氨酯膠。

3 試驗(yàn)原理及方法

本實(shí)驗(yàn)采用超聲波透射法（即對(duì)測(cè)法），它的測(cè)試原理是波在傳播過程中遇到由各種介質(zhì)缺陷形成的界面時(shí)會(huì)改變傳播方向和路徑, 其能量會(huì)在缺陷處引發(fā)衰減, 造成聲時(shí)、振幅、頻率變化，更直觀的表現(xiàn)為速度、時(shí)間和波幅的變化[7-9]。本實(shí)驗(yàn)采用的儀器是長(zhǎng)沙金碼高科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的JMCS—6001號(hào)超聲波檢測(cè)儀，其中儀器參數(shù)設(shè)定為發(fā)射電壓：500V ，采樣點(diǎn)數(shù)512，觸發(fā)方式：連續(xù)，發(fā)射脈寬10 μs，采樣間隔：1.0 μs，低通頻率：60 kHz，高通頻率：10 KHz，聲時(shí)修正：35.6 μs。儀器測(cè)試原理圖如圖1所示。

圖1 超聲波測(cè)試示意Fig.1 Schematic of ultrasonic testing

測(cè)試前，首先應(yīng)將要測(cè)試的2個(gè)對(duì)面畫好網(wǎng)格線，盡量對(duì)準(zhǔn)探頭后才能采樣測(cè)試。然后，將超聲波的發(fā)射傳感器和接收傳感器與超聲波測(cè)試儀相連，并設(shè)置好實(shí)驗(yàn)中的各個(gè)參數(shù)（測(cè)試類別、測(cè)試項(xiàng)目名稱、試件厚度、波頻等）。最后在2個(gè)傳感器探頭上涂抹上耦合劑（本實(shí)驗(yàn)所用耦合劑為黃油）后安置于要測(cè)試的截面上，按采樣鍵進(jìn)行采樣，當(dāng)波速、波幅及波形圖較穩(wěn)定時(shí)按存儲(chǔ)鍵，將測(cè)試的數(shù)據(jù)保存下來。

4 結(jié)果及分析

4.1 波速、波幅數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT50329—2012中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法的要求，本文將對(duì)測(cè)試結(jié)果較為理想的20個(gè)構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果要達(dá)到95%的置信水平[10]。

實(shí)驗(yàn)中記錄每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的超聲波速v和波幅Ap。對(duì)每個(gè)試件的膠合完整處及膠縫缺陷處分別進(jìn)行采樣，測(cè)試點(diǎn)分別為15個(gè)。對(duì)20個(gè)試件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，每個(gè)試件最終留取10個(gè)較為合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行自身的比較分析，得出的結(jié)果如表1所示。表1中的低限值是在保證95%的置信水平時(shí)總體均值的單側(cè)置信值，其計(jì)算公式為[10]：

式中：μ為低限值；x為樣本均值；n為樣本個(gè)數(shù)；s為標(biāo)準(zhǔn)差；t0.975是方差已知時(shí)，均值置信水平取1-α=0.95的情況下，α/2分位點(diǎn)處的取值。當(dāng)n=10時(shí)，t0.975=2.262。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of experimental data

由表1可知，每個(gè)構(gòu)件膠縫缺陷測(cè)試點(diǎn)處的波速平均值和波幅平均值都遠(yuǎn)小于該構(gòu)件在完整部分所得的平均值，也均小于波速低限值和波幅低限值。這一結(jié)果表明，超聲波波速與波幅是判斷構(gòu)件有無膠縫缺陷的2個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于所測(cè)試構(gòu)件，它們完整部分的平均波速相對(duì)較穩(wěn)定，差異較??；而波幅穩(wěn)定性相對(duì)來說較差，在其平均值附近波動(dòng)要大一些。

分析膠縫缺陷處的平均波速和波幅可知，它們的穩(wěn)定性較差，最大值與最小值之間相差較大，主要原因是：由于膠合工藝及每塊木材本身的材質(zhì)之間均存在一定的差異，導(dǎo)致各構(gòu)件的缺陷縫隙大小存在差別，因此，所測(cè)波速和首波幅值必然存在較大的差異。即缺陷程度較輕的，其波速與波幅值就大，反之則小。

實(shí)際測(cè)試過程中，某些構(gòu)件的某些測(cè)試點(diǎn)甚至?xí)霈F(xiàn)缺陷部位的首波幅值大于非缺陷部位首波幅值的情況，這是由于儀器自動(dòng)判別首波位置出錯(cuò)導(dǎo)致首波后移出現(xiàn)的差錯(cuò)，即掉波現(xiàn)象。僅憑波速、波幅2個(gè)參數(shù)尚不能準(zhǔn)確判辨，因此，必須將波速、波幅及波形圖三者結(jié)合，才能更準(zhǔn)確的判斷。

4.2 波形分析

實(shí)驗(yàn)所用的超聲波測(cè)試儀的顯示頻上有一根豎直紅線，它用來自動(dòng)判別首波的起始位置，屏幕上會(huì)顯示3條藍(lán)線，最上面的水平藍(lán)線是首波波峰位置判別線，下面的2根水平藍(lán)線是門限判讀線，即如果首波波峰超過這2根藍(lán)線的范圍，儀器將自動(dòng)判斷其為首波（紅線自動(dòng)挪到該波的起始位置），否則儀器會(huì)將其劃歸為噪聲，自動(dòng)判別下一波是否為首波，依此類推。在實(shí)際檢測(cè)中，門限判讀線通常設(shè)置為最低值，以確保能最精確的捕捉到首波位置。屏幕左上角會(huì)顯示聲時(shí)、聲速、波幅、主頻四個(gè)參數(shù)值，均是由儀器計(jì)算自動(dòng)得出的。其中波幅是指首波的振幅大小，而主頻則是儀器自身發(fā)射的超聲波主頻。

圖2是實(shí)驗(yàn)過程中所采集的無缺陷和不同程度缺陷測(cè)試點(diǎn)的波形圖。圖2(a)是膠縫完好、無缺陷處的波形，其首波波幅Ap=140.6 dB；特點(diǎn)是波幅峰值大、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在波形的尾部才開始衰減，且衰減緩慢。圖2(b)為微小缺陷處波形圖，其首波波幅Ap=35.2 dB；波幅峰值較大、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在波形的中后部開始衰減，衰減較慢。圖2(c)為中等缺陷處波形圖，儀器自動(dòng)判定的首波顯然后移了，實(shí)際首波幅值較??；其波幅峰值較小、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短，一般在波形的中部開始明顯衰減。圖2(d)為嚴(yán)重缺陷處波形圖，其首波幅值與波幅峰值均很小、振動(dòng)時(shí)間短，在波形的端部即明顯衰減。

圖2 超聲波法測(cè)試膠合木的波形Fig. 2 Ultrasonic oscillogram of glulam

前述波形結(jié)果較好地反映了超聲波能量損失與缺陷的關(guān)系，即：無缺陷處阻尼小、超聲波能量損失小，整體波形中波幅峰值大、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；而隨著缺陷的增大，阻尼及能量損失均增大，從而導(dǎo)致整體波形中波幅峰值減小、振動(dòng)時(shí)間縮短。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可得到波速、首波波幅及波形與缺陷大小層度的定性關(guān)系，如表2所示。實(shí)際上，當(dāng)測(cè)試操作準(zhǔn)確時(shí)，首波波幅與整體波形中的波幅峰值具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，可直接采用波速、首波波幅（或波幅峰值）和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間這3個(gè)參數(shù)來判別膠縫缺陷的大小。

表2 膠縫缺陷判據(jù)結(jié)論Table 2 Criterion conclusions on glue-seam defects

5 結(jié)論與展望

表1是試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，表2是超聲波波形圖分析結(jié)論，通過對(duì)數(shù)據(jù)及波形圖的綜合分析，本文作者認(rèn)為波速、首波波幅（或波幅峰值）和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間（整體波形圖）這3個(gè)參數(shù)是判斷膠合木膠縫缺陷的重要依據(jù)，試驗(yàn)者不能以單一參數(shù)判斷膠縫類型，須同時(shí)考慮波速及首波波幅，并結(jié)合整體波形圖來做最終定論。通過試驗(yàn)我們得到如下結(jié)論：

(1)無缺陷：波速快，首波波幅大，整體波形完整無畸變且振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，幾乎無能量損失；

(2)微小缺陷：波速較快，首波波幅較大，整體波形比較完整，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，波的能量損失較大；

(3)中等缺陷：波速較慢，首波波幅較小，整體波形的波幅小持續(xù)時(shí)間短，能量損失大；

(4)嚴(yán)重缺陷：波速慢，波幅小，整體波形的波幅很小持續(xù)時(shí)間很短，能量損失很嚴(yán)重。

上述結(jié)論中的波速較快、較慢，波幅較大、較小等都是與無缺陷處的波速、波幅值比較得到的結(jié)論，這些結(jié)論還只是膠縫缺陷與這3個(gè)參數(shù)間的定性關(guān)系，下一步工作將著重于研究判別參數(shù)與缺陷大小的定量關(guān)系及缺陷深度的測(cè)試。

[1] 樊承謀.現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2007.

[2] GB/T 50708—2012.膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012

[3] 龍衛(wèi)國(guó),楊學(xué)兵,等.木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第3版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[4] GB 50206—2012.木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社2002.

[5] Dill-Langer G, Bernauer S W, Aicher S. Inspection of glue-lines of glued laminated timber by means of ultrasonic testing, Proc.Intern.Conf[J]. Non-destructive testing of wood, hannover, 2005,47-60.

[6] Dill-Langer G, Ringger T, Aicher S. Location of acoustic emission sources in timber loaded parallel to grain[J]. Proc. 13th international symposium on NDT of wood,Berkley,2002

[7] 查曉雄,葉福相,陳 艷,等.超聲波法在鋼管混凝土質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].施工技術(shù),2010,39:655-657.

[8] 韓 林,孫 超,王 寓.超聲波技術(shù)在在檢測(cè)混凝土缺陷中的應(yīng)用[J].城市道橋與防洪，2011,7:278-280.

[9] 朱 磊,張厚江,孫燕良,等.古木建筑構(gòu)件無損檢測(cè)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2011,39(3):24-27.

[10] GB/T 50329—2012.木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[M].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012

Criterion research on measuring and testing laminated wood glue seam defects by ultrasonic method

WANG Jie-jun, CHEN Xiao, HUANG Te, XIAO Yun-feng
(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The glue laminated wood members with two layers of larch glulam have been tested by ultrasonic method. Through data statistics and waveform analysis, it is feasible to test artif i cially the glue seam defects parts and good glue parts of laminated timbers by ultrasonic method. It also was found that the glue-line defects had qualitative relationship with wave velocity, amplitude and amplitude duration. The tester can’t distinguish the quality of the glue seam defects only by wave velocity or amplitude, but should combine these two parameters and the overall waveform to get the conclusions. The existing test equipments should be modif i ed to improve the test accuracy by testing and result analysis. So they may be expediently applied to the large wooden projects for on-destructive testing of laminated wood on site.

laminated wood; glue seam defects; ultrasonic method; criterion; wave velocity; amplitude; waveform

S781.1

A

1673-923X(2014)11-0150-05

2014-01-12

國(guó)家林業(yè)局科研專項(xiàng)“木結(jié)構(gòu)工程材制造及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（201304504）子項(xiàng)3：木結(jié)構(gòu)工程材質(zhì)量無損檢測(cè)與評(píng)定（201304504-3）；中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CX2014B34）

王解軍，男，教授，博導(dǎo)，主要從事大跨橋梁結(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用、木結(jié)構(gòu)質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)研究

[本文編校：吳 毅]