張 甜， 程小武， 陸偉東， 劉偉慶

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816)

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超聲波法評估杉木原木力學(xué)性能研究

張 甜， 程小武， 陸偉東， 劉偉慶

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816)

木材的力學(xué)性能是反映木材利用價(jià)值的重要指標(biāo)，為了探討超聲波法評估原木力學(xué)性能的可行性，利用傳統(tǒng)的力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對杉木原木的順紋抗壓強(qiáng)度(σc)、抗拉強(qiáng)度(ft)、抗彎強(qiáng)度(σb)、抗壓彈性模量(Ec)進(jìn)行測試，利用實(shí)驗(yàn)室方法對杉木的密度(ρ)也進(jìn)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(qiáng)度(σc)、抗拉強(qiáng)度(ft)、抗彎強(qiáng)度(σb)、靜彈性模量(Ec)與動彈性模量(Eus)、密度(ρ)之間的關(guān)系。結(jié)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(qiáng)度(σc)、抗拉強(qiáng)度(ft)、抗彎強(qiáng)度(σb)、靜態(tài)彈性模量(Ec)有一定的相關(guān)性。 ③動彈性模量(Eus)與順紋抗壓強(qiáng)度(σc)、抗拉強(qiáng)度(ft)、抗彎強(qiáng)度(σb)、靜態(tài)彈性模量(Ec)也存在一定的相關(guān)性，且相關(guān)性要高于前者。

杉木； 超聲波； 動彈性模量； 力學(xué)性能

0 前言

木材是一種良好的彈塑性材料，且由于質(zhì)量輕及耐沖擊等特點(diǎn)，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(dāng)今社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略構(gòu)想的理想材料[1]。我國現(xiàn)存許多傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑，在古建筑維修和保護(hù)過程中，首先應(yīng)對木構(gòu)件材料的力學(xué)性能進(jìn)行科學(xué)評估。無損檢測是根據(jù)材料不同的物理或化學(xué)性質(zhì)，在不破壞目標(biāo)物體內(nèi)部及外觀結(jié)構(gòu)與特性的前提下，對物體相關(guān)特性(如形狀、位移、應(yīng)力、光學(xué)特性、流體性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)等)進(jìn)行檢測[2]，研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波、超聲波、振動法斷層成像技術(shù)等無損檢測方法在木質(zhì)材料檢測領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢[3，4]。

目前檢測木構(gòu)件力學(xué)性能的方法是采用實(shí)驗(yàn)室方法對木材各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行測試，但是這種方法檢測時(shí)間長、條件苛刻、穩(wěn)定性差。因此在古建筑木結(jié)構(gòu)的修繕維護(hù)過程中，如何能在不破壞木構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部特征的前提下，探索出一項(xiàng)快速的、科學(xué)的無損檢測技術(shù)已經(jīng)成為古建筑維護(hù)過程中亟待解決的問題。

國外學(xué)者對超聲波檢測木質(zhì)材料進(jìn)行了較多的研究，Almir Sales[5，6]對巴西的典型樹種進(jìn)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(guān)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(jìn)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(guān)性顯著。近幾年，國內(nèi)學(xué)者對超聲波檢測木材力學(xué)性能的研究也進(jìn)行了一系列的研究，羅彬[9]分別采用了超聲波法、應(yīng)力波法和縱向基頻振動法對巨尾桉木材進(jìn)行了檢測，分析了三種動彈性模量與木材順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量的關(guān)系。張訓(xùn)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(yīng)力波、縱向共振方法對木材動彈性模量進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)三種動彈性模量均高于實(shí)驗(yàn)室測試得到的靜彈性模量，但是兩者之間存在明顯的相關(guān)性。但應(yīng)用超聲波評估結(jié)構(gòu)用原木力學(xué)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(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)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(jìn)行檢測；其次，根據(jù)《木材密度測定方法》(GB1933-2009)、《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1935-2009)、《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1936.1-2009)、《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GBT 1938-2009)、《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50329-2012)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對試件的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測定；最后對各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)與密度、動彈性模量的相關(guān)性進(jìn)行分析，建立相應(yīng)的計(jì)算模型，旨在探討利用超聲波法評估原木力學(xué)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(shí)驗(yàn)室將4 m長的杉木原木進(jìn)行去皮處理，將原木鋸成長為40 cm的試件65個(gè)(見圖1)，氣干至平衡含水率，處于試驗(yàn)狀態(tài)。

圖1 試驗(yàn)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(jìn)行測試，使用的儀器為瑞士生產(chǎn)的Sylvatest-Duo超聲波木材檢測儀(見圖2)，超聲波法是根據(jù)超聲波在木材中的傳播速度計(jì)算動彈性模量的。動態(tài)彈性模量的計(jì)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(xué)性能。根據(jù)儀器使用手冊進(jìn)行縱向傳播速度的間接測量(見圖3)，根據(jù)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(gòu)件進(jìn)行檢測，可直接應(yīng)用于現(xiàn)場檢測，不需對古建筑進(jìn)行落架、拆卸。將兩個(gè)換能器置于試件兩端，并同時(shí)壓緊，每個(gè)試件采用“十”字型取點(diǎn)方式進(jìn)行測試，每個(gè)方向重復(fù)測試兩次，計(jì)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(xué)性能測試

從已經(jīng)完成超聲波檢測的原木心材區(qū)截取相應(yīng)尺寸的無疵小試樣試件進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)，每種實(shí)驗(yàn)的測試試件取3個(gè)，試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行測定。密度計(jì)算公式為：

(2)

式中：m為試件的質(zhì)量；V為試件的體積。

② 抗壓強(qiáng)度測試。

按照《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1935-2009)，利用WDW-50E電子式萬能試驗(yàn)機(jī)對順紋抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試。沿木材順紋方向采用均勻速度進(jìn)行加載，在1～2 min內(nèi)使試件破壞?？箟簭?qiáng)度計(jì)算公式為：

(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(qiáng)度測試。

按照《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GBT 1938-2009)，利用WDW-50E電子式萬能試驗(yàn)機(jī)對抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測試。將試件垂直地安裝在試驗(yàn)機(jī)上，兩端固定于鉗口中，采用均勻速度進(jìn)行加載?？估瓘?qiáng)度計(jì)算公式為：

(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(jì)算；b為試件有效寬度；t為試件有效厚度。

④ 抗彎強(qiáng)度測試。

按照《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1936.1-2009)，利用WDW-50E電子式萬能試驗(yàn)機(jī)對抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測試。采用中央加載，將試件放置在試驗(yàn)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(jìn)行加載，在1～2 min內(nèi)使試件破壞?？箯潖?qiáng)度計(jì)算公式為：

(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(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50329-2012)中附錄E：木材順紋受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線測定法進(jìn)行試驗(yàn)，利用WAW-600-G萬能試驗(yàn)機(jī)對杉木抗壓彈性模量進(jìn)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(jìn)行軸心加載，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證木材軸心受壓，以均勻速度進(jìn)行加載。抗壓彈性模量計(jì)算公式為：

(6)

式中：l0為測量變形的標(biāo)距，本實(shí)驗(yàn)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(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)測試結(jié)果

超聲波測試方法獲得的間接動態(tài)彈性模量、實(shí)驗(yàn)室方法獲得的木材密度和力學(xué)試驗(yàn)機(jī)獲得的力學(xué)性能測試結(jié)果見表1。由力學(xué)試驗(yàn)機(jī)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(jié)論與以往的研究結(jié)果一致[13]。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table1 Statisticalresultsofexperimentaldata最小值/MPa最大值/MPa動彈性模量6901.7314785.20抗壓強(qiáng)度19.0333.21抗拉強(qiáng)度22.6272.06抗彎強(qiáng)度21.2348.79靜彈性模量4079.5217836.38密度0.310.48平均值/MPa標(biāo)準(zhǔn)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(xué)性能的關(guān)系

木材密度是表征木材性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，研究表明，大量樹種的木材密度與力學(xué)性能之間存在一定的相關(guān)性。本次試驗(yàn)中杉木密度(ρ)與抗壓強(qiáng)度(σc)、抗拉強(qiáng)度(ft)、抗彎強(qiáng)度(σb)、抗壓彈性模量(Ec)的關(guān)系如圖4～圖7。采用一元線性回歸方程進(jìn)行分析，得到的數(shù)學(xué)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(xué)性能之間有著一定的線性相關(guān)性，其決定系數(shù)在0.5左右，杉木密度與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性最高，決定系數(shù)是0.558 8；密度和抗彎強(qiáng)度的相關(guān)性次之，決定系數(shù)是0.504 1；密度和抗拉強(qiáng)度、抗壓彈性模量的相關(guān)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(qiáng)度與密度的關(guān)系Figure 4 Relationship between density and compressive strength

圖5 杉木抗拉強(qiáng)度與密度的關(guān)系Figure 5 Relationship between density and tension strength

圖6 杉木抗彎強(qiáng)度與密度的關(guān)系Figure 6 Relationship between density and flexure strength

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

表2 杉木密度與力學(xué)性能的回歸分析結(jié)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(xué)性能的關(guān)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(qiáng)度(σc)、抗拉強(qiáng)度(ft)、抗彎強(qiáng)度(σb)、抗壓彈性模量(Ec)的關(guān)系如圖8～圖11。采用一元線性回歸方程對參數(shù)進(jìn)行分析，得到的數(shù)學(xué)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(xué)性能之間有著顯著的線性相關(guān)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(guān)性最高，決定系數(shù)是0.655 2；動彈性模量和抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性次之，決定系數(shù)是0.638 5；動彈性模量和抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度的相關(guān)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(qiáng)度與動彈性模量的關(guān)系Figure 8 Relationship between dynamic modulus of elasticity and compressive strength

圖9 杉木抗拉強(qiáng)度與動彈性模量的關(guān)系Figure 9 Relationship between dynamic modulus of elasticity and tensile strength

圖10 杉木抗彎強(qiáng)度與動彈性模量的關(guān)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(guān)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(xué)性能的回歸分析結(jié)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(jié)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(guān)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗壓彈性模量之間存在一定的線性關(guān)系，決定系數(shù)在0.4～0.55。其中，密度與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性最高，抗彎強(qiáng)度次之，與抗拉強(qiáng)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗壓彈性模量之間存在顯著的線性關(guān)系，決定系數(shù)在0.6左右，表明，間接動彈性模量與力學(xué)性能的相關(guān)性高于密度與力學(xué)性能的相關(guān)性，因此，利用動彈性模量評估構(gòu)件的力學(xué)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(guān)性最高，抗壓強(qiáng)度次之，與抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)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(xué)性能，并且可用于木結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測，不需對木構(gòu)件進(jìn)行拆卸，本文為木結(jié)構(gòu)超聲波現(xiàn)場檢測提供了一定的理論依據(jù)。

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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(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測規(guī)范技術(shù)規(guī)程(71330001)

張 甜(1989 — )，女，山西運(yùn)城人，碩士，主要從事木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與研究。

S 781.2

A

1674 — 0610(2016)05 — 0066 — 06