基于超聲波無損檢測技術(shù)的側(cè)壓竹集成材力學(xué)性能試驗研究

劉豐祿,趙 揚,吳傳宇,戴俊龍,張鴻江,楊錦添

(福建農(nóng)林大學(xué) 機電工程學(xué)院,福建 福州 350108)

在木材資源短缺、木材供需矛盾存在不斷加劇的情況下,為解決我國木材供需不平衡的問題,提出了以竹代木的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃,大力培育優(yōu)質(zhì)竹林資源[1]。竹材和木材都是具有各向異性的天然生物質(zhì)材料,都具有可再生、易降解、力學(xué)性能優(yōu)良等特點。不過,與木材相比,竹材具有更短的生長周期、更強的再生能力以及更優(yōu)異的力學(xué)性能[2-6],我國豐富的竹資源,使得竹材逐漸成為了新的一種工業(yè)用材及工程材料,并在家具、建筑工程、橋梁工程、道路工程以及纖維復(fù)合材料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[7-9]。目前在工程領(lǐng)域應(yīng)用較廣的竹材產(chǎn)品主要包括竹材膠合板、竹集成材、竹重組材、竹簾層積材、竹簾膠合板、竹編膠合材、竹纏繞復(fù)合材、竹木復(fù)合材以及竹塑復(fù)合材等。側(cè)壓竹集成材作為竹材膠合板的一種,具有較好的抗拉、抗壓及抗彎性能,被廣泛應(yīng)用于家具、建筑地板、車廂面板以及集裝箱面板等領(lǐng)域[10-11]。

近些年竹材在建筑工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,對于竹材制品的力學(xué)性能以及質(zhì)量的要求更為嚴格,有關(guān)竹材產(chǎn)品的膠合性能以及力學(xué)性能,國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)開展了大量的研究,在竹材本身的力學(xué)特性[12-13]、生產(chǎn)工藝與力學(xué)性能和膠合性能之間的關(guān)系[14-16]和建筑結(jié)構(gòu)要求用材[17-19]等方面取得了較好研究成果。但目前大部分有關(guān)竹材產(chǎn)品的膠合性能以及力學(xué)性能的研究都是在實驗室環(huán)境下,采用有損甚至破壞的方式對竹材小試樣進行測量,以代替評價竹板的膠合性能和力學(xué)性能。而采用無損檢測手段對竹板等竹材制品進行整板膠合性能及力學(xué)性能進行測量和評價的相關(guān)研究卻非常少,周先雁等[20]采用超聲波法和沖擊回波法測量了竹質(zhì)工程材的彈性模量,發(fā)現(xiàn)超聲波法比沖擊回波法更能有效檢測竹質(zhì)工程材彈性模量。周年強等[21]采用超聲波對膠合竹的力學(xué)性能進行試驗研究,發(fā)現(xiàn)超聲波速與膠合竹的強度、彈性模量具有一定相關(guān)性,指出可以基于超聲波波速指標對膠合竹試件的強度和彈性模量進行無損檢測。許琪[22]對比了超聲波、應(yīng)力波和微鉆阻力在重組竹力學(xué)性能檢測方面的表現(xiàn),提出了超聲波更具優(yōu)勢的觀點,并且論證了間接超聲波和直接超聲波因趨勢的一致性均可對竹材進行無損檢測評價。

然而,一方面用于工程結(jié)構(gòu)的用材對質(zhì)量有更為嚴格要求,另一方面隨著我國人造板產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展以及生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大,對于高精度、智能化的自動無損檢測設(shè)備的需要更為迫切。雖然我國竹板生產(chǎn)廠家很多,但大部分生產(chǎn)廠質(zhì)量檢驗的方法是抽取一定比例的成品板截成小試件進行破壞性試驗,而采用自動無損檢測的方式對竹板整板的力學(xué)性能及質(zhì)量進行評價則未見報道。

本研究采用超聲波無損檢測技術(shù)對側(cè)壓竹集成材的力學(xué)性能進行研究,通過超聲波傳播測量試驗以及三點彎曲測量試驗,分析超聲波傳播速度與抗彎彈性模量和抗彎強度,以及動態(tài)彈性模量與抗彎彈性模量之間的關(guān)系,驗證超聲波無損檢測技術(shù)是預(yù)測和評價側(cè)壓竹集成材力學(xué)性能的一種潛在的有效手段,研究結(jié)果可為竹板力學(xué)性能在線自動無損檢測設(shè)備的研發(fā)提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 側(cè)壓竹集成材超聲波傳播測量試驗

1.1.1 試驗材料 試驗所用5塊側(cè)壓竹集成材(統(tǒng)一編號為No.1-No.5)來自福建省南平市建甌市,由福建雙羿竹木發(fā)展有限公司提供,取用建甌市當?shù)氐拿?Phyllostachysedulis)作為基材,去除竹青竹黃后制成竹片,通過側(cè)壓膠合工藝制成500 mm×500 mm的竹片膠合板(圖1),試驗所用側(cè)壓竹集成材的數(shù)量、尺寸以及熱壓工藝參數(shù)見表1。

圖1 側(cè)壓竹集成材(1號板)

表1 試驗側(cè)壓竹集成材的基本參數(shù)

1.1.2 試驗設(shè)備 試驗所用超聲波傳播測量裝置為匈牙利產(chǎn)的超聲波微秒計(fakopp ultrasonic timer),是一種便攜的超聲波傳播測量設(shè)備。超聲波微秒計由1個信號處理盒和2個壓電傳感器組成(圖2),該設(shè)備的最大分辨率為1 μs。

圖2 超聲波微秒計

1.1.3 試驗方法

1.1.3.1 側(cè)壓竹集成材整板超聲波傳播測量方法 考慮到試驗所用的側(cè)壓竹集成材的膠合方向并非竹板的厚度方向,為了能夠獲得足夠的超聲波測量數(shù)據(jù),以1號側(cè)壓竹集成材為例,先在與膠合方向垂直的2個板邊進行50等分標記,形成50個數(shù)據(jù)測量點(圖3)。

圖3 側(cè)壓竹集成材超聲波測量示意

首先從第1個測量點開始進行竹板超聲波傳播時間測量,將超聲波微秒計的2個傳感器分別放置在試驗前已經(jīng)標記好的第1個測量點位置處,并用力壓緊在板邊表面,不計第1個讀數(shù),待穩(wěn)定后且連續(xù)3次出現(xiàn)同一讀數(shù)時,則讀取該數(shù)為本次超聲波傳播時間的測量值,完成第1個測量點。重復(fù)上述步驟,依次完成剩余所有測量點的超聲波傳播時間測量。

待測量完成后,將竹板依據(jù)切割加工方案(圖4)的第1條加工線將竹板鋸開,形成新的被測板邊,再重復(fù)上述試驗步驟完成Ⅱ級板(圖4左側(cè)寬度為400 mm的板)超聲波傳播時間測量。再次依據(jù)竹板上的加工線,將竹板按照順序鋸開,重復(fù)上述試驗步驟依次完成Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級竹板超聲波傳播時間測量,至此,完成1號側(cè)壓竹集成材的超聲波傳播時間測量試驗,完成該塊竹板所有數(shù)據(jù)點的采集。

圖4 側(cè)壓竹集成材切割加工示意

1.1.3.2 竹板小試樣超聲波傳播測量方法 將側(cè)壓竹集成材整板超聲波測量試驗經(jīng)過鋸切加工所得到的Ⅴ級大小的竹板再依據(jù)小試樣加工方案(圖5)加工成橫截面尺寸為20 mm×20 mm,長為250 mm的小試樣,用于竹板小試樣超聲波傳播時間測量試驗和三點彎曲測量試驗。每個竹板大板能得到5塊Ⅴ級竹板,而每個Ⅴ級竹板能加工10個小試樣,因此,5個側(cè)壓竹集成材大板總共可以獲得小試樣的總數(shù)為250個。

圖5 側(cè)壓竹集成材小試樣切割加工示意

重復(fù)上述所有試驗步驟,再依次完成2、3、4號和5號側(cè)壓竹集成材的超聲波傳播時間測量,完成各個竹板所有數(shù)據(jù)點的采集。

竹板小試樣超聲波傳播測量試驗的測量方法見圖6,竹板小試樣的2個超聲波測量點分別位于試樣的2個端側(cè)面,分別記為1號測量點和2號測量點。利用超聲波微秒計依次測量竹板小試樣1號測量點和2號測量點的超聲波傳播時間,取兩者的平均值作為該竹板小試樣超聲波傳播時間測量值。重復(fù)上述步驟,完成全部250個竹板小試樣的超聲波傳播時間測量試驗。

圖6 側(cè)壓竹集成材小試樣超聲波傳播測量示意

1.2 竹板小試樣密度測量試驗

超聲波在材料中的傳播速度主要由材料的彈性模量和密度影響,根據(jù)式(1)的關(guān)系可以簡化計算出材料的動態(tài)彈性模量(DMOE)。在單獨用超聲波預(yù)測測壓竹集成材力學(xué)性能之外,結(jié)合密度和動態(tài)彈性模量進行力學(xué)性能預(yù)測。

試驗材料為竹板小試樣密度測量試驗所用材料取自竹板超聲波傳播測量試驗的250個竹板小試樣。通過密度計測量小試樣的密度。竹板小試樣的密度測量試驗完成后,利用所測得的小試樣的密度值和超聲波波速計算出竹板小試樣的動態(tài)彈性模量。

(1)

式中:MOEd為竹板小試樣的動態(tài)彈性模量;ρ為竹板小試樣的密度;vu為竹板小試樣的超聲波波速。

1.3 竹板小試樣三點彎曲試驗

1.3.1 試驗材料 試驗所用材料為竹板小試樣超聲波傳播測量試驗的250個小試樣,由于竹材物理力學(xué)性質(zhì)(特別是抗彎彈性模量和抗彎強度)試驗的試件尺寸目前并無相關(guān)國家標準,因此,用于竹板小試樣三點彎曲試驗的250個竹材小試樣的尺寸參考GB/T 1927.9-2021《無疵小試樣木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》(第9部分:抗彎強度測定)和GB/T 1927.10-2021《無疵小試樣木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》(第10部分:抗彎彈性模量測定)中規(guī)定的試樣尺寸大小,三點彎曲試驗所用竹板小試樣的尺寸為250 mm×20 mm×20 mm(長×寬×高),跨距設(shè)定為200 mm,因此,試樣的跨高比為10,滿足三點彎曲試驗的試樣跨高比要求(5.5～20)。

1.3.2 試驗設(shè)備與方法 三點彎曲試驗測量示意圖見圖7,試驗采用CMT4104微機控制電子萬能試驗機(產(chǎn)自深圳新三思實驗設(shè)備有限公司)進行,根據(jù)竹板試樣的長度,將試樣跨度設(shè)置為200 mm,每個試樣進行1次加載試驗,加載速度為10 mm·min-1,在1 min內(nèi)使試樣破壞,將試樣破壞時的荷載作為最大荷載進行記錄。

圖7 三點彎曲試驗測量示意圖

三點彎曲法計算抗彎強度的計算公式如下。

(2)

式中:σb為試樣的抗彎強度;Pmax為最大荷載;l為2支座間測試跨距;b為試樣寬度;h為試樣高度。

三點彎曲法計算抗彎彈性模量的計算公式如下。

(3)

式中:E為試樣的抗彎彈性模量;P為上限荷載與下限荷載之差;f為上限荷載、下限荷載對應(yīng)的試樣變形值。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹板超聲波傳播測量試驗結(jié)果與分析

2.1.1 竹板超聲波傳播速度等值線分布圖 將側(cè)壓竹集成材超聲波傳播測量試驗所測得超聲波傳播時間數(shù)據(jù)經(jīng)過計算,即將相對應(yīng)的傳播距離除以所測得的傳播時間,得到相對應(yīng)的超聲波傳播速度,再利用Surfer軟件對超聲波波速數(shù)據(jù)進行處理,得到5塊側(cè)壓竹集成材超聲波傳播速度等值線分布圖(圖8),圖中顏色越紅的區(qū)域表示該區(qū)域的超聲波波速值越大,也就是說超聲波在該區(qū)域的傳播速度越快,顏色越紫的區(qū)域表示該區(qū)域的超聲波波速值越小,也就是說超聲波在該區(qū)域的傳播速度越慢。

圖8 5塊側(cè)壓竹集成材超聲波波速等值線分布

由圖8可以看出,5號側(cè)壓竹集成材中紅色區(qū)域(超聲波波速越大區(qū)域)所占面積是5塊竹板中最多的,而藍紫色區(qū)域(超聲波波速越小區(qū)域)所占面積又是5塊竹板中最少的,這說明5號側(cè)壓竹集成材的膠合效果或者力學(xué)性能可能是5塊竹板中最好的,因為超聲波傳播速度越快,表明該區(qū)域竹板的膠合效果或力學(xué)性能越好。另外,1、2號和4號側(cè)壓竹集成材的藍紫色區(qū)域面積及占比相對較大,表明在藍紫色區(qū)域可能存在施膠不均勻或存在氣泡等問題,導(dǎo)致該區(qū)域竹板的膠合效果或力學(xué)性能相對較差,因此,判斷1、2號和4號側(cè)壓竹集成材的膠合效果或力學(xué)性能可能比較接近。對于3號側(cè)壓竹集成材,其紅色區(qū)域面積占比小于5號竹板,而藍紫色區(qū)域占比明顯小于1、2號和4號竹板,因此,3號竹板的膠合效果或力學(xué)性能可能差于5號竹板,但可能優(yōu)于1、2號和4號竹板。

為進一步分析5塊側(cè)壓竹集成材超聲波波速之間的差異,利用所測的竹板超聲波波速數(shù)據(jù)計算超聲波在整個竹板上的平均波速值,5塊側(cè)壓竹集成材的計算結(jié)果見圖9,可以看出,5號側(cè)壓竹集成材的平均超聲波波速值是最大的,3號側(cè)壓竹集成材的平均超聲波波速值略小于5號竹板。1號和4號竹板平均超聲波波速值接近,而2號竹板平均超聲波波速值是最小的。上述分析結(jié)果與前述竹板超聲波傳播速度等值線圖的分析結(jié)論基本一致,5號竹板的平均超聲波波速值最大,說明該竹板的膠合效果或力學(xué)性能可能是最好的,另外,3號竹板的平均超聲波波速值略低于5號竹板,但高于1、2號和4號竹板,也就是說,3號竹板的膠合效果或力學(xué)性能可能差于5號竹板,但可能優(yōu)于1、2號和4號竹板。因此,超聲波無損檢測技術(shù)可以作為一種潛在技術(shù)手段或方法,用于評價和預(yù)測側(cè)壓竹集成材的膠合效果或者力學(xué)性能,超聲波傳播速度越大,表明側(cè)壓竹集成材的膠合效果或者力學(xué)性能越好。

圖9 側(cè)壓竹集成材平均超聲波波速

2.2 竹板小試樣超聲波傳播測量與三點彎曲試驗結(jié)果與分析

2.2.1 竹板小試樣的抗彎彈性模量和抗彎強度與超聲波波速的關(guān)系 通過線性回歸分析,得到1～5號板竹板小試樣的抗彎彈性模量和抗彎強度與超聲波波速的線性回歸模型,結(jié)果分別見圖10、圖11。由圖10可以看出,側(cè)壓竹集成材小試樣的抗彎彈性模量與其超聲波波速之間存在良好的線性相關(guān)關(guān)系,兩者的決定系數(shù)(R2)達到了0.73,這說明可以通過測量側(cè)壓竹集成材小試樣的超聲波波速來對其抗彎彈性模量進行預(yù)測和評價。

圖11 側(cè)壓竹集成材小試樣抗彎強度與其超聲波波速線性相關(guān)分析

另外,由圖11可以發(fā)現(xiàn),1～5號板側(cè)壓竹集成材小試樣的抗彎強度與其超聲波波速之間也存在較好的線性相關(guān)關(guān)系,兩者的決定系數(shù)(R2)為0.63,也就是說,可以通過測量側(cè)壓竹集成材小試樣的超聲波波速來對其抗彎強度進行預(yù)測和評價。綜上所述,對于側(cè)壓竹集成材小試樣,超聲波無損檢測技術(shù)是預(yù)測和評價其力學(xué)性能(特別是抗彎彈性模量和抗彎強度)的一種有效手段。

2.2.2 竹板小試樣動態(tài)彈性模量與超聲波速度的關(guān)系 將1～5號側(cè)壓竹集成材小試樣通過密度測量試驗計算得到的動態(tài)彈性模量與超聲波速度進行相關(guān)性分析,線性回歸分析的結(jié)果見圖12,可以看出,竹板小試樣的動態(tài)彈性模量和超聲波速度之間存在良好的相關(guān)性,兩者的決定系數(shù)(R2)達到了0.97,表明動態(tài)彈性模量和超聲波之間的線性相關(guān)性極強,可以通過動態(tài)彈性模量來代替超聲波速度進行側(cè)壓竹集成材力學(xué)性能評估。

圖12 側(cè)壓竹集成材小試樣動態(tài)彈性模量與超聲波速度的相關(guān)性分析

2.2.3 竹板小試樣動態(tài)彈性模量與抗彎彈性模量的關(guān)系 由上文結(jié)果,可以使用動態(tài)彈性模量進行力學(xué)性能評估。因此將1～5號側(cè)壓竹集成材小試樣通過密度測量試驗計算得到的動態(tài)彈性模量與通過三點彎曲試驗測得的抗彎彈性模量進行相關(guān)性分析,線性回歸分析的結(jié)果見圖13,可以看出,竹板小試樣的動態(tài)彈性模量和抗彎彈性模量之間存在良好的相關(guān)性,兩者的決定系數(shù)(R2)達到了0.80,表明可以通過測量側(cè)壓竹集成材小試樣的動態(tài)彈性模量來對其抗彎彈性模量進行預(yù)測和評價。

圖13 側(cè)壓竹集成材小試樣動態(tài)彈性模量與抗彎彈性模量的相關(guān)性分析

3 結(jié)論

即使采用相同的熱壓工藝參數(shù),各個側(cè)壓竹集成材所測得的超聲波波速分布存在較為明顯的差別,也就是說側(cè)壓竹集成材的膠合效果以及力學(xué)性能之間還是會存在差異,超聲波傳播速度越大,表明側(cè)壓竹集成材的膠合效果或者力學(xué)性能越好,超聲波無損檢測技術(shù)可以作為一種潛在技術(shù)手段或方法用于評價和預(yù)測側(cè)壓竹集成材的膠合效果或者力學(xué)性能。

側(cè)壓竹集成材小試樣的抗彎彈性模量和抗彎強度與其超聲波波速之間都存在較好的線性相關(guān)關(guān)系,兩者的決定系數(shù)(R2)分別為0.73和0.63,說明可以通過測量側(cè)壓竹集成材小試樣的超聲波波速來對其抗彎彈性模量和抗彎強度進行預(yù)測和評價,也就是說超聲波無損檢測技術(shù)是可以用于預(yù)測和評價其力學(xué)性能(特別是抗彎彈性模量和抗彎強度)的一種有效手段。

動態(tài)彈性模量和超聲波速度兩者的決定系數(shù)(R2)達到0.97,說明可以通過側(cè)壓竹集成材小試樣的動態(tài)彈性模量來結(jié)合超聲波速度和密度進行側(cè)壓竹集成材力學(xué)性能評估。竹板小試樣的動態(tài)彈性模量和抗彎彈性模量之間也存在良好的相關(guān)性,兩者的決定系數(shù)(R2)達到了0.80,表明可以通過測量側(cè)壓竹集成材小試樣的動態(tài)彈性模量來對其抗彎彈性模量進行預(yù)測和評價。