張富文,許清風(fēng),張治宇,劉　瓊

(1.上海市建筑科學(xué)研究院 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200032；

2.上海建科檢驗(yàn)有限公司， 上海 201108)

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鉆入阻抗法檢測木材缺陷

張富文1,許清風(fēng)1,張治宇2,劉瓊1

(1.上海市建筑科學(xué)研究院 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200032；

2.上海建科檢驗(yàn)有限公司， 上海 201108)

摘要：介紹了利用鉆入阻抗法對木材缺陷檢測的基本原理，給出了不同類型缺陷下的典型阻力曲線形式，提出了木構(gòu)件檢測的一般規(guī)定和缺陷評定方法，確定了用于木材阻力儀精度校核的標(biāo)準(zhǔn)木，并規(guī)定了采用標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行儀器校準(zhǔn)的基本方法，為規(guī)范鉆入阻抗法進(jìn)行木材缺陷檢測提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：鉆入阻抗法；木材缺陷；阻力曲線；木材阻力儀；標(biāo)準(zhǔn)木

在木結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)的保護(hù)及改造利用過程中，必須對原有木構(gòu)件進(jìn)行檢測、鑒定和評估。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50344-2004《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》及上海市標(biāo)準(zhǔn)DG/TJ 08-804-2005 《既有建筑物結(jié)構(gòu)檢測與評定標(biāo)準(zhǔn)》均規(guī)定木材檢測方法以目測、敲擊和取樣為主。其中目測法和敲擊法的準(zhǔn)確性取決于檢測人員的經(jīng)驗(yàn)，常常存在較大的誤差。而傳統(tǒng)的取樣法是通過采樣后在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行木材力學(xué)性能的測試，檢測時間長、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性差，且取樣對木構(gòu)件存在明顯損傷。

木材阻力儀作為一種近似無損檢測設(shè)備，較傳統(tǒng)的檢測儀器有著明顯優(yōu)勢，它測定的阻力曲線可以判斷木材內(nèi)部具體部位的早晚材分布、空洞、腐朽或蟲蛀等缺陷。目前，木材阻力儀已成為歐洲、美國、日本和我國臺灣木結(jié)構(gòu)材料狀況勘察的常用設(shè)備之一[1-5]。近年來，國內(nèi)一些機(jī)構(gòu)和學(xué)者也陸續(xù)開展了木材阻力儀的研究與應(yīng)用。中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所在對故宮的維修勘查中,首次利用木材阻力儀對木構(gòu)件材料狀況進(jìn)行了勘測[6]，確定了木柱的腐朽高度范圍及木構(gòu)件的空洞區(qū)，解決了木結(jié)構(gòu)評定中的諸多難題。安源等[7]采用應(yīng)力波和木材阻力儀技術(shù)勘測了山海關(guān)海神廟關(guān)鍵承重立柱內(nèi)部的腐朽部位分布，結(jié)果表明:雖然應(yīng)力波具有傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢，但只能檢測大缺陷，對小缺陷不敏感；而木材阻力儀能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)探針路徑上木材內(nèi)部腐朽狀況。黃榮鳳等[8]以故宮武英殿老舊木構(gòu)件為樣本，應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法分析了木材阻力儀檢測值與氣干密度、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明:木材阻力儀能夠統(tǒng)計評估木材的材料狀況。廖春暉等[9]為快速篩查古建筑木構(gòu)件內(nèi)部缺陷并估算缺陷尺寸，提出采用應(yīng)力波檢測儀對木構(gòu)件缺陷初步判定，再利用木材阻力儀進(jìn)行缺陷類型和尺寸細(xì)化檢測，該方法經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證具有損傷小、可操作性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)。李華等[10]對木材阻力儀檢測木構(gòu)件時影響阻力值的因素進(jìn)行了探討，結(jié)果表明:對于含水率在4%～20%的云杉和落葉松，阻力值隨含水率增加而明顯減小;當(dāng)含水率大于20%時,阻力值變化不明顯；含水率相同時，各樹種木材的弦向和徑向檢測阻力值相差均在4%以內(nèi)。

隨著木材阻力儀在國內(nèi)應(yīng)用越來越多，有必要建立相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對其操作方法、儀器校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)分析等進(jìn)行規(guī)范性指導(dǎo)。2012年11月，由上海市建筑科學(xué)研究院(集團(tuán))有限公司負(fù)責(zé)主編了《鉆入阻抗法木材缺陷檢測技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)，該《規(guī)格》作為木材缺陷檢測標(biāo)準(zhǔn)于2015年4月正式發(fā)布，編號為DB31/T 901-2015。筆者結(jié)合《規(guī)程》的主要研究成果，對鉆入阻抗法木材缺陷檢測的基本原理、木構(gòu)件檢測方法和儀器校準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1鉆入阻抗法基本原理

鉆入阻抗法是指采用木材阻力儀對木材進(jìn)行檢測，并通過鉆入過程中受到的阻力變化對木材內(nèi)部的髓心、腐朽蟲蛀、空洞及裂縫等缺陷加以評定的方法。鉆入阻抗法適用范圍為實(shí)木木材內(nèi)部缺陷的檢測與評定，但《規(guī)程》主要面向的是木結(jié)構(gòu)或磚木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的檢測。

圖1　Resistograph系列木材阻力儀的結(jié)構(gòu)示意

目前，木材阻力儀主要有德國IML公司生產(chǎn)的Resistograph和英國Sibert Technology Limited公司生產(chǎn)的SIBTEC MicroProbe兩個系列。以前者為例，其儀器構(gòu)造如圖1所示，其中探針長度最小0.15 m，最長達(dá)1.5 m，探針直徑為1.5～3.0 mm，探針針頭扁平且上有凸點(diǎn)。木材阻力儀的基本原理是利用探針在電動機(jī)驅(qū)動下以恒定速率鉆入木材內(nèi)部，并使用記錄紙或微機(jī)系統(tǒng)記錄下所鉆入路徑中探針受到的阻力曲線。阻力曲線的橫坐標(biāo)為鉆入木材的深度，縱坐標(biāo)為阻力值，此阻力值是根據(jù)針軸扭矩變化記錄的相對值，無量綱。

根據(jù)探針路徑下阻力曲線的變化，可將測定的全區(qū)域分為無缺陷區(qū)、髓心或腐朽蟲蛀區(qū)、裂縫或空洞區(qū)等三類區(qū)段：① 無缺陷區(qū)的阻力曲線總體較為平穩(wěn)、均勻、連續(xù)地出現(xiàn)波峰-波谷現(xiàn)象。通常，波峰處木材密度較大，一般為晚材；波谷處木材密度相對較小，一般為早材。無缺陷區(qū)典型阻力曲線如圖2(a)所示。② 髓心或腐朽蟲蛀區(qū)的阻力曲線中相對阻力值明顯下降，但過渡區(qū)域坡度較緩。相對阻力值下降越多說明該區(qū)段木材腐朽越嚴(yán)重。髓心或腐朽蟲蛀區(qū)典型阻力曲線如圖2(b)所示。③ 裂縫或空洞的阻力曲線中相對阻力值發(fā)生突降，曲線坡度非常陡，且相對阻力值接近于零。裂縫或空洞區(qū)典型阻力曲線如圖2(c)所示。

圖2　木材不同區(qū)域處的典型阻力曲線

2木構(gòu)件檢測方法

2.1一般規(guī)定

在采用鉆入阻抗法進(jìn)行木構(gòu)件檢測前，應(yīng)進(jìn)行如下準(zhǔn)備工作：① 木材阻力儀在每次使用前應(yīng)檢查探針針頭表觀是否良好，有損傷或明顯變形的應(yīng)及時更換。② 檢測前應(yīng)先去除木構(gòu)件表面的裝飾層，使木材待測表面外露，同時探針路徑應(yīng)避開其他材料區(qū)域。其中，第①條是保證常規(guī)檢測可靠性的一般性措施，第②條則是木結(jié)構(gòu)檢測時保證檢測精度和保護(hù)儀器安全的針對性措施。

在進(jìn)行木構(gòu)件檢測時，應(yīng)按照國標(biāo)GB/T 50344-2004中8.6.2條的外觀檢查法和錘擊法，選擇裂縫、腐朽、蟲蛀等較為嚴(yán)重的木材截面，以及木構(gòu)件的重要部位(木柱底部、木梁跨中、梁柱連接等部位)進(jìn)行檢測，并選取易于操作的截面。木材檢測宜在垂直于木構(gòu)件的長度方向進(jìn)行，檢測過程中應(yīng)保證探針始終處于木材待檢平面內(nèi)，同時保持探針進(jìn)入木材的角度不變。

對于矩形和圓形截面木材，應(yīng)選擇相互垂直且通過截面中心的兩個方向進(jìn)行檢測。而當(dāng)木構(gòu)件截面或缺陷形狀顯著不規(guī)則時，應(yīng)適當(dāng)增加探針路徑以更準(zhǔn)確地判斷木材內(nèi)部質(zhì)量狀況，但探針路徑總數(shù)不宜超過4條，以避免對木材有效截面產(chǎn)生明顯削弱。對于木構(gòu)件，檢測完成后應(yīng)在測孔處及時灌入木結(jié)構(gòu)用膠封堵密實(shí)，防止其承載能力和耐久性能的降低。

圖3　典型截面木材缺陷分布示例

2.2木構(gòu)件缺陷的綜合評定

單條阻力曲線通過與圖2對比分析，僅能確定探針歷經(jīng)一維木材空間的缺陷分布，而無法確定木構(gòu)件整個截面的缺陷分布情況。因此，必須根據(jù)木構(gòu)件同一截面不同位置處獲取的多條阻力曲線進(jìn)行木材缺陷的綜合分析，并繪制該截面的木材缺陷分布圖，如圖3所示(以圓形、矩形截面為例)。缺陷分布圖中應(yīng)包含木材的缺陷類型、位置分布等基本信息。

當(dāng)被測木構(gòu)件有多個檢測截面時，應(yīng)分別繪制各截面的木材缺陷分布圖，并綜合評定整個木構(gòu)件的內(nèi)部缺陷。

3儀器校準(zhǔn)

木材阻力儀經(jīng)過大量使用或者長期放置后，精度可能發(fā)生變化，若誤差超過一定限制會導(dǎo)致缺陷判定出現(xiàn)偏差，因而有必要定期進(jìn)行校準(zhǔn)。目前國內(nèi)尚無專業(yè)的木材阻力儀校準(zhǔn)與維修機(jī)構(gòu)，而送往國外廠家校準(zhǔn)費(fèi)用昂貴，因此《規(guī)程》編制組提出采用標(biāo)準(zhǔn)木對待檢的木材阻力儀進(jìn)行校核。

3.1標(biāo)準(zhǔn)木的選擇性試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)木的作用是用于校核木材阻力儀的精度，因此必須具備以下特性：① 材料均勻，阻力曲線中波峰和波谷差異小。② 性質(zhì)穩(wěn)定，便于存放。③ 取材方便，制作簡單。

《規(guī)程》編制組選取了針葉材、闊葉材和復(fù)合材三類材料進(jìn)行木材阻力儀檢測的對比試驗(yàn)，通過對不同材料的阻力曲線進(jìn)行綜合分析，從中選取最為合適的材料作為標(biāo)準(zhǔn)木。

(1) 針葉材。選擇了杉木、冷杉和花旗松進(jìn)行測試，并考慮弦向和徑向兩個方向。圖4給出了杉木和花旗松的實(shí)測阻力曲線。

圖4　典型針葉材的阻力曲線

從圖4可知：① 無論是弦向還是徑向，針葉材的阻力曲線波動均較大，說明早晚材相對阻抗存在較大差異。② 弦向和徑向相比，阻力曲線均值與方差均存在顯著差別。綜上兩點(diǎn)，針葉材不適合作為標(biāo)準(zhǔn)木使用。

(2) 闊葉材。首先選擇了夾竹桃、櫻桃木、梨木、俄羅斯楊木、檀木和鵝掌楸進(jìn)行測試，由于樣本尺寸限制，均大致沿徑向進(jìn)行測試，典型闊葉材的阻力曲線如圖5所示。

圖5　典型闊葉材的阻力曲線

與針葉材相比，闊葉材的阻力曲線波動相對較小，說明早晚材差異很小，符合標(biāo)準(zhǔn)木的基本要求?？紤]到取材的便利性，又分別選取了含水率分別為53%和65%的國產(chǎn)意楊邊材(不同批次)進(jìn)行了徑向與弦向測試，所得阻力曲線如圖6所示。

圖6　國產(chǎn)意楊的阻力曲線

圖6表明意楊邊材的阻力曲線波動較小、整體波幅在20%以內(nèi)，徑向和弦向差異也較小，符合標(biāo)準(zhǔn)木的選材要求。

(3) 復(fù)合材。選取了密度板和木塑兩種復(fù)合材料進(jìn)行測試，得到的阻力曲線如圖7所示。

由圖7可知，密度板的阻力曲線波動較大，不適合作標(biāo)準(zhǔn)木。木塑阻力曲線在局部基本沒有波動，說明其密度非常均勻;但隨著鉆入深度增加其阻抗值逐漸增大。這是由于木塑中塑料成分隨鉆頭摩擦生熱而逐漸軟化并與探針鉆頭粘結(jié)在一起，導(dǎo)致鉆頭面積和阻力的逐漸增加，因而也不適宜作為標(biāo)準(zhǔn)木。

圖7　復(fù)合材的阻力曲線

3.2標(biāo)準(zhǔn)木的確定與校核方法

上述針葉材、闊葉材和復(fù)合材的對比試驗(yàn)結(jié)果表明:闊葉材較適合作為標(biāo)準(zhǔn)木。進(jìn)一步考慮到取材的便利性，國產(chǎn)意楊更為適宜。由于天然木材的心材部分質(zhì)地偏軟且存在髓心等缺陷，《規(guī)程》選用國產(chǎn)意楊的邊材部分制作標(biāo)準(zhǔn)木。

另外，標(biāo)準(zhǔn)木試塊還需要特定的形狀、尺寸及適宜的含水率范圍，考慮到：① 在形狀方面，正方體或長方體便于檢測與存放。② 在尺寸方面，試件過小則阻力曲線代表性不足，過大則選材困難。③ 在含水率方面，研究表明當(dāng)木材達(dá)到纖維飽和點(diǎn)后其力學(xué)性質(zhì)不再隨含水率的變化而變化，國產(chǎn)意楊的纖維飽和點(diǎn)在30%左右。基于以上三點(diǎn)，確定選用含水率介于30%～80%的無缺陷意楊邊材的邊長100 mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊作為標(biāo)準(zhǔn)木，測試方向?yàn)閺较蚧蛳蚁颉?/p>

采用標(biāo)準(zhǔn)木對木材阻力儀進(jìn)行校準(zhǔn)時，需要首先確定參考阻力曲線及相應(yīng)的評定參數(shù)。因此，應(yīng)采用已標(biāo)定的木材阻力儀(一般可取出廠產(chǎn)品)對標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行測試，鉆入深度為100 mm，此時得到的阻力曲線即為參考阻力曲線，曲線的峰值和谷值作為后續(xù)木材阻力儀校準(zhǔn)的評定參數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，木材阻力儀每使用1 000次或3個月，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行精度校核。當(dāng)獲得的阻力曲線縱坐標(biāo)峰值和谷值中任一項與對應(yīng)的評定參數(shù)相差20%以上時，應(yīng)進(jìn)行儀器校準(zhǔn)或維修。需要

注意的是，采用標(biāo)準(zhǔn)木校核時，木材阻力儀鉆入點(diǎn)應(yīng)距離標(biāo)準(zhǔn)木邊緣20 mm以上，并與已有探針路徑相距應(yīng)不小于10 mm，以免發(fā)生與已有路徑的重疊導(dǎo)致曲線出現(xiàn)顯著偏差。

4結(jié)語

(1) 提出了木構(gòu)件檢測的一般規(guī)定和缺陷評定方法，為規(guī)范鉆入阻抗法進(jìn)行木材缺陷檢測提供了必要的技術(shù)支撐。

(2) 通過針葉材、闊葉材和復(fù)合材的對比試驗(yàn)，確定了國產(chǎn)意楊作為精度校核的標(biāo)準(zhǔn)木，并規(guī)定了采用標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行木材阻力儀校準(zhǔn)的基本方法。

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Wood Defect Inspection by Drilling Resistance Method

ZHANG Fu-wen1, XU Qing-feng1, ZHANG Zhi-yu2, LIU Qiong1

(1.Shanghai Key Laboratory of Engineering Structure Safety, Shanghai Research Institute of Building Sciences,Shanghai 200032, China；2.Shanghai Jianke Technical Assessment of Construction Co., Ltd., Shanghai 201108, China)

Abstract：The principle of inspection technique for wood defect by drilling resistance method was introduced and typical resistance graphs for different wood defects were presented. Basic instructions and defect evaluation method of the technique were proposed for timber structures. Reference wood and accuracy calibration method for the instrument were prescribed. Research results in the paper can provide necessary reference for standardizing the inspection technique for wood defect.

Key words:Drilling resistance method; Wood defect; Resistance graph; Resistance determining instrument for wood; Reference wood

中圖分類號：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)01-0006-04

DOI:10.11973/wsjc201601002

作者簡介：張富文(1982-),男,博士,高級工程師,主要從事木結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)抗震的研究和工程應(yīng)用工作。

基金項目:上海市優(yōu)秀技術(shù)帶頭人計劃資助項目(15XD1522600);住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部研究開發(fā)資助項目(2014-K2-013)

收稿日期：2015-06-27