超聲波法評估杉木原木力學性能研究

張 甜， 程小武， 陸偉東， 劉偉慶

(南京工業(yè)大學 土木工程學院， 江蘇 南京 211816)

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超聲波法評估杉木原木力學性能研究

張 甜， 程小武， 陸偉東， 劉偉慶

(南京工業(yè)大學 土木工程學院， 江蘇 南京 211816)

木材的力學性能是反映木材利用價值的重要指標，為了探討超聲波法評估原木力學性能的可行性，利用傳統(tǒng)的力學試驗機對杉木原木的順紋抗壓強度(σc)、抗拉強度(ft)、抗彎強度(σb)、抗壓彈性模量(Ec)進行測試，利用實驗室方法對杉木的密度(ρ)也進行測試；采用超聲波法測試了杉木試件的動彈性模量(Eus)。分析了動態(tài)彈性模量和靜態(tài)抗壓彈性模量之間的差異，研究了順紋抗壓強度(σc)、抗拉強度(ft)、抗彎強度(σb)、靜彈性模量(Ec)與動彈性模量(Eus)、密度(ρ)之間的關系。結果表明： ①超聲波法獲得的動彈性模量值稍大于靜態(tài)抗壓彈性模量。 ②密度與順紋抗壓強度(σc)、抗拉強度(ft)、抗彎強度(σb)、靜態(tài)彈性模量(Ec)有一定的相關性。 ③動彈性模量(Eus)與順紋抗壓強度(σc)、抗拉強度(ft)、抗彎強度(σb)、靜態(tài)彈性模量(Ec)也存在一定的相關性，且相關性要高于前者。

杉木； 超聲波； 動彈性模量； 力學性能

0 前言

木材是一種良好的彈塑性材料，且由于質量輕及耐沖擊等特點，成為人類最早使用的建材之一。作為一種重要的建筑材料，不僅加工能耗少，且環(huán)境污染小，是當今社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略構想的理想材料[1]。我國現(xiàn)存許多傳統(tǒng)的木結構建筑，在古建筑維修和保護過程中，首先應對木構件材料的力學性能進行科學評估。無損檢測是根據材料不同的物理或化學性質，在不破壞目標物體內部及外觀結構與特性的前提下，對物體相關特性(如形狀、位移、應力、光學特性、流體性質、力學性質等)進行檢測[2]，研究發(fā)現(xiàn)應力波、超聲波、振動法斷層成像技術等無損檢測方法在木質材料檢測領域具有顯著的優(yōu)勢[3，4]。

目前檢測木構件力學性能的方法是采用實驗室方法對木材各項力學性能進行測試，但是這種方法檢測時間長、條件苛刻、穩(wěn)定性差。因此在古建筑木結構的修繕維護過程中，如何能在不破壞木構件內部結構和外部特征的前提下，探索出一項快速的、科學的無損檢測技術已經成為古建筑維護過程中亟待解決的問題。

國外學者對超聲波檢測木質材料進行了較多的研究，Almir Sales[5，6]對巴西的典型樹種進行了研究，發(fā)現(xiàn)木材密度、抗彎彈性模量與超聲波傳播參數(shù)有顯著的相關性。José Saporiti Machado[7]，Abel Vega[8]利用超聲波無損檢測法對木材的抗彎性能進行了檢測，研究發(fā)現(xiàn)木材的彈性模量與超聲波的傳播參數(shù)相關性顯著。近幾年，國內學者對超聲波檢測木材力學性能的研究也進行了一系列的研究，羅彬[9]分別采用了超聲波法、應力波法和縱向基頻振動法對巨尾桉木材進行了檢測，分析了三種動彈性模量與木材順紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量的關系。張訓亞[10]、殷亞芳[11]等人利用超聲波法評估了人工林杉木、落葉松的抗彎性能。王立海[12]以色木方才作為研究對象，利用超聲波、應力波、縱向共振方法對木材動彈性模量進行檢測，發(fā)現(xiàn)三種動彈性模量均高于實驗室測試得到的靜彈性模量，但是兩者之間存在明顯的相關性。但應用超聲波評估結構用原木力學性能的研究較少。

本文以南方常用樹種——杉木原木為研究對象，采用超聲波法對其各項力學性能進行了檢測評估，首先，利用超聲波間接測試方法對杉木的動態(tài)彈性模量進行檢測；其次，根據《木材密度測定方法》(GB1933-2009)、《木材順紋抗壓強度試驗方法》(GB/T 1935-2009)、《木材抗彎強度試驗方法》(GB/T 1936.1-2009)、《木材順紋抗拉強度試驗方法》(GBT 1938-2009)、《木結構試驗方法標準》(GB/T 50329-2012)等相關標準對試件的各項指標進行測定；最后對各項力學性能指標與密度、動彈性模量的相關性進行分析，建立相應的計算模型，旨在探討利用超聲波法評估原木力學性能的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料

杉木取自安徽宣城，原木直徑范圍為15～18 cm，原木長度均為4 m。在實驗室將4 m長的杉木原木進行去皮處理，將原木鋸成長為40 cm的試件65個(見圖1)，氣干至平衡含水率，處于試驗狀態(tài)。

圖1 試驗材料Figure 1 Test materials

1.2 方法

1.2.1 動態(tài)彈性模量測試

超聲波法檢測方法有很多種，本文采用超聲波脈沖穿透法進行測試，使用的儀器為瑞士生產的Sylvatest-Duo超聲波木材檢測儀(見圖2)，超聲波法是根據超聲波在木材中的傳播速度計算動彈性模量的。動態(tài)彈性模量的計算公式為：

E=ρV2

(1)

圖2 Sylvatest-Duo木材檢測儀Figure 2 Sylvatest-Duo timber detector

Sylvatest-Duo使超聲波沿著著木材的縱向方向傳播，用來檢測木材的力學性能。根據儀器使用手冊進行縱向傳播速度的間接測量(見圖3)，根據這種測試方法得到的動彈性模量稱為間接動彈性模量。這種測量方法可對正在使用的木構件進行檢測，可直接應用于現(xiàn)場檢測，不需對古建筑進行落架、拆卸。將兩個換能器置于試件兩端，并同時壓緊，每個試件采用“十”字型取點方式進行測試，每個方向重復測試兩次，計算其動彈性模量。

圖3 超聲波間接縱向測量示意圖(圖片來源：儀器使用手冊)Figure 3 Illustration of indirect longitudinal ultrasonic wave measurement

1.2.2 物理力學性能測試

從已經完成超聲波檢測的原木心材區(qū)截取相應尺寸的無疵小試樣試件進行物理力學性能試驗，每種實驗的測試試件取3個，試驗結果取其平均值。

① 密度測試。

按照《木材密度測定方法》(GB1933-2009)對木材密度進行測定。密度計算公式為：

(2)

式中：m為試件的質量；V為試件的體積。

② 抗壓強度測試。

按照《木材順紋抗壓強度試驗方法》(GB/T 1935-2009)，利用WDW-50E電子式萬能試驗機對順紋抗壓強度進行測試。沿木材順紋方向采用均勻速度進行加載，在1～2 min內使試件破壞?？箟簭姸扔嬎愎綖椋?/p>

(3)

式中：Pmax為破壞荷載；b為試件寬度；t為試件厚度。

③ 抗拉強度測試。

按照《木材順紋抗拉強度試驗方法》(GBT 1938-2009)，利用WDW-50E電子式萬能試驗機對抗拉強度進行測試。將試件垂直地安裝在試驗機上，兩端固定于鉗口中，采用均勻速度進行加載?？估瓘姸扔嬎愎綖椋?/p>

(4)

式中：Pu為破壞荷載；A為試件有效部分的截面面積，按A=b·t計算；b為試件有效寬度；t為試件有效厚度。

④ 抗彎強度測試。

按照《木材抗彎強度試驗方法》(GB/T 1936.1-2009)，利用WDW-50E電子式萬能試驗機對抗拉強度進行測試。采用中央加載，將試件放置在試驗裝置的兩支座上，在支座中間試樣中部的徑面以均勻速度進行加載，在1～2 min內使試件破壞?？箯潖姸扔嬎愎綖椋?/p>

(5)

式中：Pmax為破壞荷載；l為試件長度；b為試件寬度；t為試件厚度。

⑤ 順紋抗壓彈性模量測試。

按照《木結構試驗方法標準》(GB/T 50329-2012)中附錄E：木材順紋受壓應力-應變曲線測定法進行試驗，利用WAW-600-G萬能試驗機對杉木抗壓彈性模量進行測定。試件尺寸為75 mm×75 mm×380 mm，其中順紋方向的長度為380 mm。對短柱進行軸心加載，實驗時應保證木材軸心受壓，以均勻速度進行加載?？箟簭椥阅Ａ坑嬎愎綖椋?/p>

(6)

式中：l0為測量變形的標距，本實驗為200 mm；ΔF為荷載增量；A為試件截面的面積；Δl0為在荷載增量作用下的壓縮變形。

2 結果與分析

2.1 試驗測試結果

超聲波測試方法獲得的間接動態(tài)彈性模量、實驗室方法獲得的木材密度和力學試驗機獲得的力學性能測試結果見表1。由力學試驗機獲得的靜態(tài)抗壓彈性模量平均值8341.24 MPa，由超聲波法得到的動彈性模量平均值10162.09 MPa，比靜彈性模量高21.8%。這一結論與以往的研究結果一致[13]。

表1 試驗數(shù)據統(tǒng)計結果Table1 Statisticalresultsofexperimentaldata最小值/MPa最大值/MPa動彈性模量6901.7314785.20抗壓強度19.0333.21抗拉強度22.6272.06抗彎強度21.2348.79靜彈性模量4079.5217836.38密度0.310.48平均值/MPa標準差變異系數(shù)/%10162.091578.8915.526.552.9111.044.639.8722.133.634.5313.58341.243027.7336.30.360.0411.1

2.2 密度與力學性能的關系

木材密度是表征木材性質的一個重要指標，研究表明，大量樹種的木材密度與力學性能之間存在一定的相關性。本次試驗中杉木密度(ρ)與抗壓強度(σc)、抗拉強度(ft)、抗彎強度(σb)、抗壓彈性模量(Ec)的關系如圖4～圖7。采用一元線性回歸方程進行分析，得到的數(shù)學模型與決定系數(shù)見表2。

從圖4～圖7和表2可以看出：杉木密度和力學性能之間有著一定的線性相關性，其決定系數(shù)在0.5左右，杉木密度與抗壓強度的相關性最高，決定系數(shù)是0.558 8；密度和抗彎強度的相關性次之，決定系數(shù)是0.504 1；密度和抗拉強度、抗壓彈性模量的相關性相對較低，決定系數(shù)分別是0.428 6和0.438 2。

圖4 杉木抗壓強度與密度的關系Figure 4 Relationship between density and compressive strength

圖5 杉木抗拉強度與密度的關系Figure 5 Relationship between density and tension strength

圖6 杉木抗彎強度與密度的關系Figure 6 Relationship between density and flexure strength

圖7 杉木靜彈性模量與密度的關系Figure 7 Relationship between density and compressive modulus of elasticity

表2 杉木密度與力學性能的回歸分析結果Table2 Resultsofregressionanalysesbetweendensityandmechanicalpropertiesyx線性回歸方程決定系數(shù)σcρy=0.0545x+6.8494R2=0.5588ftρy=0.1928x-27.079R2=0.4286σbρy=0.0851x+2.949R2=0.5041Ecρy=43.212x-7671.9R2=0.4382

2.3 動態(tài)彈性模量與力學性能的關系

采用超聲波法檢測杉木的間接動態(tài)彈性模量(Eus)與抗壓強度(σc)、抗拉強度(ft)、抗彎強度(σb)、抗壓彈性模量(Ec)的關系如圖8～圖11。采用一元線性回歸方程對參數(shù)進行分析，得到的數(shù)學模型與決定系數(shù)見表3。

從圖8～圖11和表3可以看出：超聲波動彈性模量和杉木力學性能之間有著顯著的線性相關性，其決定系數(shù)甚至到0.6以上，動彈性模量抗壓彈性模量與靜態(tài)抗壓彈性模量的相關性最高，決定系數(shù)是0.655 2；動彈性模量和抗壓強度的相關性次之，決定系數(shù)是0.638 5；動彈性模量和抗拉強度、抗彎強度的相關性相對較低，決定系數(shù)分別是0.594 6和0.580 9。

圖8 杉木抗壓強度與動彈性模量的關系Figure 8 Relationship between dynamic modulus of elasticity and compressive strength

圖9 杉木抗拉強度與動彈性模量的關系Figure 9 Relationship between dynamic modulus of elasticity and tensile strength

圖10 杉木抗彎強度與動彈性模量的關系Figure 10 Relationship between dynamic modulus of elasticity and flexure strength

圖11 杉木靜彈性模量與動彈性模量的關系Figure 11 Relationship between dynamic modulus of elasticity and compressive modulus of elasticity

表3 超聲波間接動彈性模量與力學性能的回歸分析結果Table3 Resultsofregressionanalysesbetweendynamicmod-ulusofelasticityandmechanicalpropertiesyx線性回歸方程決定系數(shù)σcEusy=1.5162x+10.183R2=0.6385ftEusy=5.4957x-14.823R2=0.5809σbEusy=2.9077x+2.7669R2=0.5946EcEusy=1.2995x-4.6846R2=0.6552

3 結論與展望

① 超聲波法獲得的間接動彈性模量比靜態(tài)彈性模量高21.8%，兩者具有顯著的相關性，其決定系數(shù)是0.655 2，因此，采用超聲波能夠有效的檢測木材的彈性模量。

② 杉木密度與抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、抗壓彈性模量之間存在一定的線性關系，決定系數(shù)在0.4～0.55。其中，密度與抗壓強度的相關性最高，抗彎強度次之，與抗拉強度、抗壓彈性模量的相對性較低。

③ 超聲波間接動彈性模量與抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、抗壓彈性模量之間存在顯著的線性關系，決定系數(shù)在0.6左右，表明，間接動彈性模量與力學性能的相關性高于密度與力學性能的相關性，因此，利用動彈性模量評估構件的力學性能效果更好。其中，間接動彈性模量與抗壓彈性模量的相關性最高，抗壓強度次之，與抗拉強度、抗彎強度的相對性較低。

④ 超聲波間接動彈性模量可以很好地評估木材的力學性能，并且可用于木結構現(xiàn)場檢測，不需對木構件進行拆卸，本文為木結構超聲波現(xiàn)場檢測提供了一定的理論依據。

[1] 黃建中，李雪紅，申世杰.淺析我國木材工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[J].林產工業(yè)，2008，35(2)：47-48.

[2] 段新芳，李玉棟.無損檢測技術在木材保護中的應用[J].木材工業(yè)，2002，16(5)：14-16.

[3] 梁善慶，蔡智勇，王喜平，等.北美木材無損檢測技術的研究與應用[J].木材工業(yè)，2008，22(3)：5-8.

[4] 劉妍，張厚江.木質材料力學性能無損檢測方法的研究現(xiàn)狀與趨勢[J].森林工程，2010，26(4)：46-49.

[5] Almir Sales.Relationship between Density and Ultrasonic Velocity in Brazilian Tropical Woods[J].Bioresource Technology，2006，97(18)：2443-2446.

[6] Almir Sales.Evaluation of the Mechanical Properties of Brazilian Lumber(Goupia glabra)by Nondestructive Techniques[J].Construction and Building Materials，2011，25(3)：1450-1454.

[7] José Saporiti Machado.Non-destructive Evaluation of the Bending Behaviour of In-service Pine Timber Structural Elements[J].Materials and Structures，2011，44(5)：901-910.

[8] Abel Vega.Modelling of The Mechanical Properties of Castanea Sativa Mill.Structural Timber by a Combination of Non-destructive Variables and Visual Grading Parameters[J].European Journal of Wood and Wood Products，2012，70(6)：839-844.

[9] 羅彬.三種無損檢測方法評估巨尾桉木材抗彎和抗壓強度性質[J].北京林業(yè)大學學報，2008，30(6)：137-140.

[10] 張訓亞，殷亞芳.兩種無損檢測法評估人工林杉木抗彎性質[J].建筑材料學報，2010，13(6)：836-840.

[11] 張訓亞.超聲波預測落葉松規(guī)格材的抗彎性能[J].木材工業(yè)，2010，24(3)：1-3.

[12] 齊永峰，徐華東，王立海.四種方法測木質材料動彈性模量的對比研究[J].森林工程，2011，27(1)：19-22.

[13] 稽偉兵，馬靈飛.利用超聲波檢測杉木抗彎彈性模量[J].浙江林業(yè)科技，2006，26(3)：21-24.

Evaluating Mechanical Properties of Chinese-fir with Ultrasonic Nondestructive Testing

ZHANG Tian， CHENG Xiaowu， LU Weidong， LIU Weiqing

(College of Civil Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing， Jiangsu 211816， China)

Mechanical properties is an important indicator of timber，the objective of this study is to investigate the feasibility of ultrasonic nondestructive methods for evaluating mechanical properties.Using a laboratory method to testing density of Chinese-fir logs，To get compressive strength parallel to grain(σc)，tension strength(ft)，flexure strength(σb)，compressive modulus of elasticity(Ec)also using conventional mechanical testing machine for testing.Dynamic modulus of elasticity(Eus)was measured by ultrasonic method.The differences between dynamic modulus of elasticity and static modulus of elasticity is analyzed，the Relationship between density and Mechanical properties，between dynamic modulus of elasticity and mechanical properties were also studied.The analysis results show that： ①dynamic modulus of elasticity(Eus)is slightly larger than the static modulus of elasticity. ②compressive strength parallel to grain(σc)，tension strength(ft)，flexure strength(σb)，static modulus of elasticity(Ec)are somewhat relative with density(ρ). ③compressive strength parallel to grain(σc)，tensile strength(ft)，flexural strength(σb)，static modulus of elasticity and dynamic modulus of elasticity also have some correlation，the relevance is higher than the former.

chinese-fir； ultrasonic； dynamic modulus of elasticity； mechanical properties

2015 — 04 — 20

國家木結構現(xiàn)場檢測規(guī)范技術規(guī)程(71330001)

張 甜(1989 — )，女，山西運城人，碩士，主要從事木結構試驗與研究。

S 781.2

A

1674 — 0610(2016)05 — 0066 — 06