不同含水率下木構(gòu)件起裂荷載試驗研究

李猛，陳迪，田康，何佳明，佘艷華

(長江大學 城市建設(shè)學院，湖北 荊州 434023)

0 引言

作為一種天然建筑材料，木材在家具裝修、房屋支架和模板支撐等方面應用十分廣泛[1]，使用過程中，也經(jīng)常會遇到木構(gòu)件損傷等現(xiàn)象。木材裂紋的萌生、擴展是木構(gòu)件損傷的重要原因[2-5]，木材內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)導致其具有較強吸水性[6]，內(nèi)部水循環(huán)加速會使木材內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。斷裂韌性是評價木材初始裂紋破壞行為的重要指標，其準確度取決于起裂荷載大小的確定。含水率對木材力學性能有較大影響，研究不同含水率對木材初始裂紋的影響對提高斷裂韌性評價標準、加強建筑預防性保護具有重要意義。

目前，國內(nèi)外對木材起裂荷載檢測研究主要以順紋斷裂方面為主[7]，對不同含水率下木材裂紋擴展規(guī)律及起裂荷載研究較少。常見的木材損傷斷裂原位檢測手段包括光學顯微鏡法[8]和圖像處理法[9]。林蘭英等[10]利用Matlab軟件對木材表面裂紋圖像進行分割處理，通過統(tǒng)計裂紋數(shù)量、距離等以實現(xiàn)對木材表面裂紋的科學動態(tài)評價；但這些檢測手段只能呈現(xiàn)木材表面裂紋形態(tài)，對木材內(nèi)部微觀的定量應力應變信息缺乏統(tǒng)一標準。程麗婷等[11]采用應力波技術(shù)[12]和微鉆阻力檢測技術(shù)[13]對不同含水率落葉松(Larixgmelinii)的材性進行原位檢測研究，探討含水率與木材材性的關(guān)系；但這2種檢測技術(shù)只能宏觀分析含水率對木材力學性能影響的變化規(guī)律，無法提供原位應力應變信息探究木材初始裂紋的擴展行為。因此，為了實現(xiàn)木材微觀裂紋損傷演變變化和起裂荷載的精確分析，迫切需要發(fā)展一種新型可靠的方法原位檢測不同含水率下木材裂紋產(chǎn)生的微觀過程。

眾所周知，數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation，DIC)技術(shù)是一種非接觸式現(xiàn)代光學測量試驗技術(shù)，是選定基準圖像后根據(jù)數(shù)學算法得出試件在試驗過程中的應變位移信息，從而研究材料受力過程中的變形行為，廣泛用于檢測巖石的彈性模量[14]、壓縮應變[15]等。聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)有時也稱為應力波發(fā)射，其根據(jù)材料損傷時產(chǎn)生的瞬時彈性波現(xiàn)象，可以對材料損傷進行定性分析，一般用于研究木材斷裂損傷具體位置方面的問題[16-17]。由于DIC只能觀察試件表面應變變化情況[18]，AE只能對試件內(nèi)部損傷程度進行定性分析，因此，如何結(jié)合二者優(yōu)點進行原位檢測是研究的重點。涂郡成等[19]利用AE和 DIC技術(shù)研究含LT型裂紋的木梁起裂荷載問題，結(jié)果表明，AE技術(shù)可在木材宏觀變形前檢測木構(gòu)件內(nèi)部微損傷，DIC技術(shù)能夠宏觀評價木材的應變大小分布和位置，可見，AE和DIC技術(shù)可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

鑒于此，本研究利用AE和DIC技術(shù)原位檢測荷載作用下不同含水率木構(gòu)件裂紋的萌生規(guī)律，基于AE波形數(shù)據(jù)分析木構(gòu)件內(nèi)部起始裂紋的擴展聲學特征，根據(jù)DIC技術(shù)分析木構(gòu)件表面裂紋的應變場信息，二者結(jié)合探究含水率對木構(gòu)件損傷演變的規(guī)律，以準確判定木構(gòu)件起裂荷載，有效評估木材損傷程度。

1 試件與設(shè)備

1.1 試件設(shè)計

采用4組尺寸相同(60 mm×200 mm)的圓柱體杉木(Cunninghamialanceolata)試件，每組3根，樹齡15 a，密度0.365 g/cm3，預制含水率為0%、20%、40%和60%，為便于區(qū)分不同含水率試件，分別編號為W-MC-0、W-MC-20、W-MC-40、W-MC-60。試件如圖1所示。

圖1 木材試件Fig.1 Wood specimen

1.2 試驗設(shè)備

試驗加載設(shè)備包括力學加載試驗機、數(shù)字圖像系統(tǒng)和聲發(fā)射系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 試驗裝置Fig.2 Wood specimen

2 試驗方法

2.1 木材干燥

為減少影響試驗結(jié)果誤差因素，含水率測定時需提前對木材進行干燥處理。根據(jù)木材干燥規(guī)范要求，將試件置于(80±0)℃烘箱中烘干，累計烘干時間18 h，干燥過程如圖3所示。待木材冷卻后稱重并記錄，誤差小于0.5%說明木材達到絕干狀態(tài)，木材干燥情況見表1。

圖3 干燥過程Fig.3 Drying process

表1 木材干燥情況

2.2 試件浸泡與稱重

依據(jù)《木材含水率測定方法》(GB/T 1931—2009)測定4組試件含水率，結(jié)果見表2。

表2 木材浸泡后質(zhì)量測定結(jié)果Tab.2 Quality determination results of after soakin g

室溫下，將試件按W-MC-0(0 h)、W-MC-20(2.5 h)、W-MC-40(4.5 h)、W-MC-60(6.5 h)時間間隔進行浸泡，每次浸泡后利用電子秤測量，如圖4所示。

圖4 含水率測定Fig.4 Determination of moisture content

2.3 加載設(shè)計

試驗加載裝置如圖5所示。采用位移加載方式，加載速率0.2 mm/s，繪制荷載(P)位移(δ)曲線。為減少壓力機與木材間的摩擦噪聲，避免聲發(fā)射采集到過多噪聲影響試驗結(jié)果，提前對木材施加一定預荷載。聲發(fā)射傳感器布置如圖6所示，通道門限值為20 mV，傳感器頻率為50～400 kHz，6通道同步采集，前置放大器增益為40 dB，采樣頻率為2.5 MHz/s。數(shù)字圖像系統(tǒng)由CCD相機和記錄分析系統(tǒng)組成，CCD相機置于試件正前方250 mm處，采集木材損傷破壞時的完整圖像。啟動試驗機的同時，觸發(fā)聲發(fā)射系統(tǒng)和數(shù)字圖像系統(tǒng)，三者進行同步采集。

圖5 加載裝置Fig.5 Loading equipment

圖6 傳感器布置Fig.6 Sensor layout

3 結(jié)果與分析

3.1 裂紋擴展與聲學參數(shù)之間的關(guān)系

含水率0%的木材試件加載過程中，聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)、振幅、加載荷載(P)和加載點位移(δ)如圖7所示。試件在50 s時裂紋擴展很明顯，可見加載時間50 s前木材已發(fā)生起裂。根據(jù)聲學參數(shù)和振幅與荷載變化曲線關(guān)系，將木材損傷過程分為彈性、起裂和裂紋擴展3個階段。當δ<6.75 mm時，累計振鈴曲線與橫軸近似平行(累計振鈴計數(shù)<7 000、振幅<3 500 mV)；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<80 kN)，說明此時木材處于彈性階段，還未發(fā)生起裂。從圖7(b)看出，當δ=6.75 mm(t=35 s)時，振幅產(chǎn)生第一個峰值(最大振幅>3 500 mV)，對比圖7(a)發(fā)現(xiàn)，t=35 s時累計振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=81 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>6.75 mm時，荷載曲線由最高峰開始下降，可知木材內(nèi)部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅在2 000～10 000 mV)，說明木材內(nèi)部裂紋快速增加，直到加載時間t=50 s時木材出現(xiàn)可被觀察的宏觀裂紋，處于裂紋擴展階段。基于以上分析，t=35 s為木材起裂荷載產(chǎn)生時間，對應P=81 kN。同理，對于W-MC-0-2，當δ<6.75 mm時，累計振鈴計數(shù)<5 000、振幅<200 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<80 kN)，說明此時木材未發(fā)生起裂。從圖7(d)看出，當δ=6.75 mm(t=30 s)時，振幅產(chǎn)生第一個峰值(最大振幅>450 mV)，對比圖7(c)看出發(fā)現(xiàn)，當t=30 s時振鈴曲線斜率有一個增大的趨勢(Pmax=79 kN)，說明此時木材處于一個起裂階段。當δ>6.75 mm時，荷載曲線由最高峰值快速下降，說明木材內(nèi)部損傷加劇，另外同時振幅值快速增加(最大振幅在200～800 mV)，說明木材內(nèi)部裂紋快速增加。直到加載試件t=50 s時木材出現(xiàn)了可被觀察的宏觀裂紋。綜上所述基于以上分析，t=30 s是為木材起裂荷載產(chǎn)生的時間，對應P=79 kN。對于W-MC-0-3中，當δ<10.02 mm時，累計振鈴計數(shù)<7 000、振幅值<200 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<80 kN)，說明此時木材此時未發(fā)生起裂。從圖7(f)看出，當δ=10.02 mm(t=28 s)時，振幅值產(chǎn)生第一個峰值(最大振幅>5 000 mV)，對比圖7(e)看出發(fā)現(xiàn)，當t=28 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=76 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>10.02 mm時，荷載曲線由最高峰快速下降，可見木材內(nèi)部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅在200～7 000 mV)，說明木材內(nèi)部裂紋快速增加，直到加載時間t=50 s時木材出現(xiàn)可被觀察的宏觀裂紋?；谝陨戏治?，t=28 s為木材起裂荷載產(chǎn)生時間，對應P=78 kN。

圖7 聲發(fā)射參數(shù)(W-MC-0)Fig.7 Acoustic emission parameters (W-MC-0)

含水率20%的木材試件加載過程中，聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)、振幅、加載荷載(P)和加載點位移(δ)如圖8所示。試件在151 s時裂紋擴展很明顯，可見加載時間151 s前木材已發(fā)生起裂。根據(jù)聲學參數(shù)和振幅與荷載變化曲線關(guān)系，將木材損傷過程分為彈性、起裂和裂紋擴展3個階段。當δ<4.8 mm時，累計振鈴曲線與橫軸近似平行(累計振鈴計數(shù)<5 500、振幅<1 500 mV)，荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<60 kN)，說明此時木材處于彈性階段，還未發(fā)生起裂。從圖8(b)看出，當δ=4.8 mm(t=22 s)時，振幅產(chǎn)生第一個峰值(最大振幅>4 000 mV)，對比圖8(a)發(fā)現(xiàn)，t=22 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=59 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>4.8 mm時，荷載曲線由最高峰開始下降，可見木材內(nèi)部損傷加劇，同時振幅在快速增加(最大振幅在1 500～10 000 mV)，說明木材內(nèi)部裂紋快速增加，直到加載時間t=151 s時木材出現(xiàn)可被觀察的宏觀裂紋，處于裂紋擴展階段。基于以上分析，t=22 s為木材起裂荷載產(chǎn)生時間，對應P=59 kN。同理，對于W-MC-20-2，當δ<4.5 mm時，累計振鈴計數(shù)<8 000、振幅<500 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<60 kN)，說明此時木材未發(fā)生起裂。從圖8(d)看出，當δ=4.5 mm(t=22 s)時，振幅產(chǎn)生第一個峰值(最大振幅>3 000 mV)，對比圖8(c)發(fā)現(xiàn)，t=22 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=58 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>4.5 mm時，荷載曲線由最高峰快速下降，可見木材內(nèi)部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅為1 500～8 000 mV)，說明木材內(nèi)部裂紋快速增加，直到t=180 s時木材出現(xiàn)可被觀察的宏觀裂紋?；谝陨戏治?，t=22 s為木材起裂荷載產(chǎn)生時間，對應P=59 kN。對于W-MC-20-3，當δ<4.5 mm時，累計振鈴計數(shù)<8 600、振幅<650 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<60 kN)，說明此時木材未發(fā)生起裂。從圖8(f)看出，當δ=4.5 mm(t=20 s)時，振幅產(chǎn)生第一個峰值(最大振幅>3 500 mV)，對比圖8(e)發(fā)現(xiàn)，t=20 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=56 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>4.5 mm時，荷載曲線由最高峰快速下降，可見木材內(nèi)部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅為2 000～3 500 mV)，說明木材內(nèi)部裂紋快速增加，直到t=180 s時木材出現(xiàn)可被觀察的宏觀裂紋?；谝陨戏治?，t=20 s為木材起裂荷載產(chǎn)生時間，對應P=58 kN。

圖8 聲發(fā)射參數(shù)(W-MC-20)Fig.8 Acoustic emission parameters (W-MC-20)

含水率40%的木材試件加載過程中，聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)、振幅、加載荷載(P)和加載點位移(δ)如圖9所示。試件在176 s時裂紋擴展很明顯，可見加載時間176 s前木材已發(fā)生起裂。根據(jù)聲學參數(shù)和振幅與荷載變化曲線關(guān)系，將木材損傷過程分為彈性、起裂和裂紋擴展3個階段。當δ<4.95 mm時，累計振鈴曲線與橫軸近似平行(累計振鈴計數(shù)<100、振幅<500 mV)，荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<49 kN)，說明此時木材處于彈性階段，還未發(fā)生起裂。從圖9(b)看出，當δ=4.9 mm(t=25 s)時，振幅產(chǎn)生第一個峰值(最大振幅>4 500 mV)，對比圖9(a)發(fā)現(xiàn)，t=25 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=49 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>4.95 mm時，荷載曲線由最高峰開始下降，可見木材內(nèi)部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅為500～12 000 mV)，說明木材內(nèi)部裂紋快速增加，直到加載時間t=176 s時木材出現(xiàn)可被觀察的宏觀裂紋，處于裂紋擴展階段?；谝陨戏治觯瑃=25 s為木材起裂荷載產(chǎn)生時間，對應P=49 kN。同理，對于W-MC-40-2，當δ<4.95 mm時，累計振鈴計數(shù)<10 000、振幅<2 000 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<60 kN)，說明此時木材未發(fā)生起裂。從圖9(d)看出，當δ=4.95 mm(t=18 s)時，振幅產(chǎn)生第一個峰值(最大振幅>4 000 mV)，對比圖9(c)發(fā)現(xiàn)，t=18 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=52 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>4.95 mm時，荷載曲線由最高峰快速下降，可見木材內(nèi)部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅為2 000～10 000 mV)，說明木材內(nèi)部裂紋快速增加，直到t=119 s時木材出現(xiàn)可被觀察的宏觀裂紋。基于以上分析，t=18 s為木材起裂荷載產(chǎn)生時間，對應P=52 kN。對于W-MC-40-3，當δ<4.95 mm時，累計振鈴計數(shù)<8 000、振幅<1 200 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<60 kN)，說明此時木材未發(fā)生起裂。從圖9(f)看出，當δ=4.95 mm(t=18 s)時，振幅產(chǎn)生第一個峰值(最大振幅>2 000 mV)，對比圖9(e)發(fā)現(xiàn)，t=18 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=51 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>4.95 mm時，荷載曲線由最高峰快速下降，可見木材內(nèi)部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅為1 000～3 000 mV)，說明木材內(nèi)部裂紋快速增加，直到t=119 s時木材出現(xiàn)可被觀察的宏觀裂紋?；谝陨戏治?，t=18 s為木材起裂荷載產(chǎn)生時間，對應P=51 kN。

圖9 聲發(fā)射參數(shù)(W-MC-40)Fig.9 Acoustic emission parameters (W-MC-40)

含水率60%的木材試件加載過程中，聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)、振幅、加載荷載(P)和加載點位移(δ)如圖10所示。試件在265 s時裂紋擴展很明顯，可見加載時間265 s前木材已發(fā)生起裂。根據(jù)聲學參數(shù)和振幅與荷載變化曲線關(guān)系，將木材損傷過程分為彈性、起裂和裂紋擴展3個階段。當δ<5.25 mm時，累計振鈴曲線與橫軸近似平行(累計振鈴計數(shù)<100、振幅<200 mV)，荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<46 kN)，說明此時木材處于彈性階段，還未發(fā)生起裂。從圖10(b)看出，當δ=5.25 mm(t=51 s)時，振幅產(chǎn)生第一個峰值(最大振幅>3 500 mV)，對比圖10(a)發(fā)現(xiàn)，t=51 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=46 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>5.25 mm時，荷載曲線由最高峰開始下降，可見木材內(nèi)部損傷加劇，同時振幅在快速增加(最大振幅為3 500 ～12 000 mV)，說明木材內(nèi)部裂紋快速增加，直到加載時間t=265 s時木材出現(xiàn)可被觀察的宏觀裂紋，處于裂紋擴展階段?；谝陨戏治觯瑃=51 s為木材起裂荷載產(chǎn)生時間，對應P=46 kN。同理，對于W-MC-60-2，當δ<5.95 mm時，累計振鈴計數(shù)<300、振幅<1 000 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<50 kN)，說明此時木材未發(fā)生起裂。從圖10(d)看出，當δ=5.95 mm(t=30 s)時，振幅產(chǎn)生第一個峰值(最大振幅>1 000 mV)，對比圖10(c)發(fā)現(xiàn)，t=30 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=48 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>5.95 mm時，荷載曲線由最高峰快速下降，可見木材內(nèi)部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅為1 000～1 800 mV)，說明木材內(nèi)部裂紋快速增加，直到t=130 s時木材出現(xiàn)可被觀察的宏觀裂紋?；谝陨戏治觯瑃=30 s為木材起裂荷載產(chǎn)生時間，對應P=48 kN。對于W-MC-60-3，當δ<5.95 mm時，累計振鈴計數(shù)<2 000、振幅<2 000 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<50 kN)，說明此時木材未發(fā)生起裂。從圖10(f)看出，當δ=5.95 mm(t=30 s)時，振幅產(chǎn)生第一個峰值(最大振幅>2 200 mV)，對比圖10(e)發(fā)現(xiàn)，t=30 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=49 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>5.95 mm時，荷載曲線由最高峰快速下降，可見木材內(nèi)部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅為2 000～8 000 mV)，說明木材內(nèi)部裂紋快速增加，直到t=130 s時木材出現(xiàn)可被觀察的宏觀裂紋?；谝陨戏治觯瑃=30 s為木材起裂荷載產(chǎn)生時間，對應P=49 kN。

圖10 聲發(fā)射參數(shù)(W-MC-60)Fig.10 Acoustic emission parameters (W-MC-60)

3.2 數(shù)字圖像系統(tǒng)分析結(jié)果

試件起裂實際上是表面應變發(fā)生的一種突變現(xiàn)象。應用DIC觀測木材裂紋尖端表面應變變化，如圖11所示。根據(jù)選取的不同加載點位移對應的木材表面應變云圖可以看出，當δ1=6.75 mm時，含水率0%的木材試件表面最大應變?yōu)?.002 5，應變未出現(xiàn)明顯變化。由圖11(a)可知，隨著荷載增加，當δ2=9.1 mm時，試件表面出現(xiàn)部分應力集中區(qū)域，最大應變?yōu)?.004 5；當δ3=10.9 mm，試件表面應力集中區(qū)域色塊出現(xiàn)明顯加深現(xiàn)象，變形集中區(qū)域的應變量為0.06，該區(qū)域為木材損傷區(qū)域(紫色區(qū))。同理，由圖11(b)可知，含水率20%的木材試件，當δ1=4.8 mm時，最大應變?yōu)?.001 4(紅色區(qū))；當δ2=31 mm時，最大應變?yōu)?.002 5(綠色區(qū))；當δ3=48 mm時，最大應變?yōu)?.005(紫色區(qū))。由圖11(c)可知，含水率40%的木材試件，當δ1=4.95 mm時，最大應變?yōu)?.001 2(紅色區(qū))；當δ2=31 mm時，最大應變?yōu)?.004 8(綠色區(qū))；當δ3=60 mm時，最大應變?yōu)?.007(紫色區(qū))。由圖11(d)可知。含水率60%的木材試件，當δ1=5.25 mm時，最大應變?yōu)?.001 0(紅色區(qū))；當δ2=32 mm時，最大應變?yōu)?.006 0(綠色區(qū))；當δ3=40 mm時，最大應變?yōu)?.009 0(紫色區(qū))。基于以上分析可知，DIC能夠?qū)δ静牧鸭y擴展規(guī)律進行實時監(jiān)測。

圖11 木材表面應變云圖Fig.11 Cloud diagram of wood surface strain

4 結(jié)論

(1)含水率0%、20%、40%和60%木材對應的起裂荷載強度代表值分別為78.6、58.3、50.6、47.6 kN。同一樹齡下，木材內(nèi)部含水率越高，木材承載能力越低，且含水率越低的木材在壓縮作用下劈裂現(xiàn)象越明顯。當木材含水率處于40%以上時，在壓縮破壞情況下木材表面裂紋幾乎未出現(xiàn)，說明含水率對木材裂紋擴展具有抵抗作用。

(2)聲發(fā)射參數(shù)可將木材損傷過程分為彈性、起裂和裂紋擴展3個階段，同時可具體分析木材在不同階段的損傷變化特征。

(3)數(shù)字圖像系統(tǒng)能夠有效測量木材表面應變分布情況，根據(jù)應力集中區(qū)域演變可提前預測裂紋產(chǎn)生位置，驗證了聲發(fā)射參數(shù)(累計振鈴計數(shù)、振幅)對木材裂紋變化規(guī)律的預判。

(4)結(jié)合聲發(fā)射與數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)能夠原位檢測木材損傷過程，為木結(jié)構(gòu)建筑物的維修、保護提供了可靠的方法依據(jù)。