木材与胶合木构件弹性模量无损检测技术的研究进展

王解军，陈 晓，夏滴洋

（中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004）

木材与胶合木构件弹性模量无损检测技术的研究进展

王解军，陈 晓，夏滴洋

（中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004）

木材及胶合木构件的用途非常广泛，在桥梁、建筑、家具和包装等其它领域发挥重要作用。众多木材力学性能指标当中，弹性模量是最基本的一个指标，也是十分重要的一个指标。总结了目前木材及胶合木构件弹性模量测量的一些方法，运用这几种方法来研究弹性模量无损检测方法的未来发展趋势。

木材与胶合木构件；弹性模量；无损检测；研究进展；综述

木材是一种各向异性的材料，用途十分广泛。要准确获取木材的力学性能越来越有必要。虽然传统的测量方法能够精准测量木材的弹性模量——木材力学性能最基本与最重要的指标之一，但是测量程序复杂、费时，而且在测量过程中对木构件有一定损伤，不符合工业化自动生产的要求[1]。为了弥补传统测量法的不足，一种新型、适用的检测方法——无损检测法得到了广泛运用，并发展迅速。木材无损检测（Non-destructive testing，NDT），从文字表面含义来看是一种非破坏性的检测技术。它能够不损坏其将来使用性能和使用可靠性，并对材料或制件或两者进行宏观缺陷检测，几何特征测量，化学成分、组织结构和力学性能变化进行评定[1]。

1 木结构弹性模量测试方法

测量弹性模量的主要方法：静态法、动态法[1]。

（1）静态法

静态弯曲法属于传统的测量方法（三点弯曲和四点弯曲）。静态法能够精确测量弹性模量，但是它耗时较长，测量过程复杂，而且对木构件有一定程度上的破坏，因此静态法测量过的木材可能损伤其应用价值。

（2）动态法

相对于静态弯曲法来说，动态法较好的避免了上述缺点，为工业化的自动生产提供了可能。动态法测量快捷、简便，对木材的应用价值也不会有损伤，满足了连续化生产的要求。虽然用动态法测得的弹性模量值与静态弯曲法测得的弹性模量值不完全一致，但大量数据表明，木材的动态弹性模量和静态弹性模量及木材强度之间都表现出了明显的相关性[1]。

动态检测法主要指振动法和速度法。振动法又包括横向振动和纵向振动等，速度法包括超声波法和应力波法等[1]。

木材的自然频率、密度及试件尺寸决定了其动态弹性模量，这是振动法的基本原理。

a)纵向振动法

运用纵向振动测试木材动态弹性模量时，先用锤子敲击木材的一端，木材内部就会产生应力波，然后在另一端利用麦克风接收应力波并通过傅立叶快速转换分析仪测试振动频率。动态弹性模量与基频振动频率和木材密度呈正比关系。利用公式（1）可以计算出纵波动态弹性模量值[2]。

式中：EL为试件纵波弹性模量（单位：GPa）；L为试件长度（单位：m）；fm为试件纵波共振频率（单位：Hz）；ρ为木材密度（单位：kg/m3）；m为高次谐频对基频的倍数。

b)横向振动法

采用横向振动法测试木材的弹性模量时，先用锤子敲击木材一端的上表面或中部的上表面，在另一端利用麦克风接收应力波并通过傅立叶快速转换分析仪测试振动频率。利用公式（2）可以计算出木材抗弯弹性模量值[2]。

式中：EF为试件横波弹性模量（单位：GPa）；L为试件长度（单位：m）；fm为试件共振频率（单位：Hz）；ρ为木材密度（单位：kg/m3）；T为试件厚度（单位：m）；m为振动阶数所决定的系数。

大量试验结论得出：弹性波波速与待测物的弹性模量之间有一定的等量关系式。这就是速度法测量弹性模量的基本原理。

c)超声波法

当试件厚度远小于应力波波长时，可以采用超声波法。其操作步骤是：1、在被测构件的长度方向输入一个超声波；2、在被测物的另一端记录传经的超声波波形。超声波的波速c(单位：m/s)、介质密度ρ(单位：kg/m3)、弹性模量E(单位：GPa)满足式（3）的关系：

d)应力波法

应力波检测法属于接触类检测，关键在于被测材料的速度、密度、弹性模量之间的物理关系[3]。木质构件的弹性模量E（单位：GPa）、应力波的波速ν（单位：m/s）和木质材料密度D（单位：kg/m3）之间满足式（4）的关系：

式中：g为物体的重力加速度(单位：m/s2)。

如果测量出应力波的传播速度，就可以通过式（4）计算出木材的弹性模量。用于应力波检测的仪器大都由两部分组成：1、发射信号的装置；2、接收信号的后处理装置。后处理装置能直接显示所测参数值的。当前，德国RINNTECH公司生产Arbotomhe和Argus Electronic Gmbh公司生产的PiCUC Sonic Tomograph，美国IML公司生产的Electronic Hammer，瑞士Sandes SA 公司生产的Sylvatest Duo等是世界上应用较多的木构件无损检测应力波仪[4]。

e)射线法

射线法的基本原理是射线穿透材料后，它的强度会发生衰减，射线前后的强度变化值满足下式[5]：

式中：Io为入射前的强度；I为入射后的强度；h为试件厚度；μ为射线衰减系数。

木质材料的密度是根据射线衰减率和试样的平均吸收系数推算出来的，得出密度值后，木材的力学强度必须通过密度与木质材料力学性能之间的关系推算得出。

2 国内外木结构弹性模量检测方法的发展

2.1 国内发展状况

20世纪80年代初，我国开始对木材无损检测技术进行研究，到了80年代中后期才开始用NDT法检测木材弹性模量。

对于超声波法，戴澄月等[6]对兴安落叶松、水曲柳、红松和紫椴4种干材，采用超声波脉冲首波等幅法测定了横纹方向和顺纹方向的超声波速度，同时也得到了这两个方向的弹性模量，并且他们通过回归法分析木材顺纹抗弯强度及抗压强度和这两种参数之间的联系。赵学增等[7]开发了一种快速检测法，它能快速测定木材的剪切弹性模量和抗弯弹性模量。这种方法是依据FFT分析技术、Timoshenko挠性振动理论及微机技术提出的。2003年，李华等[8]按照国家标准，采用超声仪对大钟寺博物馆钟架进行了无损检测，获得了它的弹性模量，并进一步评估了它的力学强度。嵇伟兵等[9]分析研究了137块杉木板材的弹性模量。肖江等[10]学者通过一系列的试验，对木材的弹性模量进行了研究，主要应用了超声波的纵波传播原理进行试验，并在此基础上提出了一种新的测定方法，即利用数字处理芯片测定木材强度的方法。研究结果显示，该系统具备很多特点，它不但测量速度快，而且信号稳定，保证了工作的可靠性。此外，它的抗干扰能力也很强。林文树等[11]认为要判断木材内部是否有缺陷存在，可以先判定弹性模量和超声波波速是否有相应的变化。江金琼等[12]对足尺规格的杉木进行超声波测量，得到它们的弹性模量。

关于应力波法，1995年，王志同等[13]研究应力波法检测中密度纤维板弹性模量，研究结果表明这种方法不但测试精度较高，而且可以进行自动控制。此外，它还能实现在线检测。2005年，东北林业大学的林文树等[11]采用了应力波和超声波两种方法，对木材内部的缺陷进行了对比研究，结果表明：两种方法测得的弹性模量和传播参数均受到缺陷处孔洞的大小、数量和木材密度的影响，其影响程度各不相同。2008年，冯国红等[14]开发了一个新型的信号采集系统，系统采集应力波发出的信号，再对信号进行处理，得到应力波在构件中的波速等参数。信号处理运用了小波变换、频谱分析等技术，使得到的参数更精确。段新芳等[15]对木构件的弹性模量进行了大量试验，他们使用Fakopp应力波检测仪，对塔尔寺大金殿内的5种木构件进行了检测试验。结果显示：它能够对木构件的力学强度进行有效的测定，但是其弹性模量值受承重作用的影响。陈清波等[16]以多株立木为检测对象，使用Fakopp应力波测定仪，进行弹性模量测量实验。他们将该测量结果与敲打法的测量结果进行对比，验证了Fakopp检测仪能够精准快速地得出立木的弹性模量的大小。

在振动法方面，胡英成等[17-18]运用振动法对两种不同板材（胶合板和刨花板）的抗弯弹性模量进行测试。他们分别采用纵波共振法、弯曲振动法和纵波传播法对两种板材进行振动试验，并对比分析了3种方法的实验结果。张厚江等[19]为了对木质材料进行研究，就运用振动法获得其弹性模量。结果表明：要获得木板的固有频率值，横向振动方式是一种更为有效的方法。同时，振动法测得的弹性模量比静弹性模量值稍大。同年，加拿大国家林产品研究院和中国林业科学研究院木材工业研究所均认为横向振动法能预测木质材料的力学性能，为此他们共同探讨了此方法用于预测大尺寸构件抗弯弹性的可行性[20]。池德汝等[21]以纤维板为试验对象，采用横向振动法为测试手段，获得了试件的弹性模量。结果表明：横向振动法测得的弹性模量精确度高。王喜平等[22]对单跨木桥刚度进行测试，结果显示，振动法是一种能够快速测评木桥上部建筑刚度的方法，同时也证明了将振动法用于桥梁结构检测是可行的。

2.2 国外发展状况

国外学者用动态法测试木材弹性模量的历史可以追溯到20世纪50年代。到了60年代，美国、日本和英国等的林业研究人员就取得了一些关于这方面的成绩。他们主要研究木材强度、弹性模量、物理性质这3者和超声波之间的关系。Dunlop[23]在1980年对刨花板宽度方向的声速进行了测定，然后利用板材强度与声速所特有的关系，对刨花板的力学性质进行了预测。1989年，Greubel[24]以刨花板为研究对象，以超声波技术为测试手段，对声波在刨花板内的波速进行测试，测试结果表明其波速和横向抗拉强度之间有显著的相关性。1996年，Poblete和Niemz[25]两位学者跟随Greubel的脚步，再次用超声波法对刨花板进行了研究，其研究结果显示：刨花板内的超声波波速和抗弯弹性模量联系紧密。Sandoz等[26]将实验由室内转到室外，利用超声波检测仪对木梁强度做了实地评估。

Ross等[27]在1988年就研究得出了木材的弹性模量E（单位：GPa）与应力波速度ν（单位：m/s）、木材密度ρ（单位：kg/m3）之间的关系。Wagner等[28]学者测试了美国花旗松的性能，主要测试了其应力波波度与弹性模量两者之间的关系。继Wagner之后，Robert J Ross等[29]也采用应力波技术对花旗松进行了相应的研究，此研究所用花旗松都经过去皮处理，经实验数据分析得到了一个惊喜，即该方法测得的弹性模量能够很好地对原木的弹性模量进行预测。Miguel Esteban和Francisco Arriaga[30-31]两位学者对部分古建筑的横梁进行应力波检测，结果证明：应力波法是一种快捷的无损检测法，不但操作方便，而且还能对木材的弹性模量进行有效预测。

Logan和Pellerin[32]开发了一个能对木材横向振动弹性模量进行计算的计算机(Transverse Vibration E-computer)，简称E-计算机，并获得了美国专利。他们是依据材料振动时弹性模量和对数衰减之间存在的关系设计的E-计算机。日本专家祖父江信夫[33-34]在1986，1988和1991年这三年期间对木材做了一系列的实验。他选取不同支撑和不同尺寸条件下的木材，分别测量了它们的剪切模量和弹性模量。之后用FFT频谱分析方法求出木材的共振频率，在Timoshenko挠性振动理论的基础上得出木材的剪切模量及弹性模量。他对确定各次振动频率的方法进行了研究，对影响各次频谱强度及共振频率的因素进行了分析，同时还对各次共振频率与弹性模量之间的对应关系进行了分析。1991年，祖父江信夫[35]还开发了一个新的测试系统，该系统通过A/D板和微机能够自动获取试件的弹性模量。1996年，D.W.Haines等[36]学者选取了不同尺寸的冷杉、云杉和均质材料为试验对象，采用多种不同的方法（主要包括超声波传播波法、弯曲共振法、纵波共振法及静态弯曲法），测试了它们的弹性模量。Takada[37]曾对2个不同产地的21个日本落叶松Larix kaempferi试材进行弹性模量用纵向振动法进行了测试。J.Ilic[38]在2001年与2003年两年间，采用冲击共振法，不断研究桉树的各种弹性模量，主要包括它干燥后的纵向弹性模量、弯曲弹性模量和干燥前后的弹性模量。他研究了桉树干燥前后的纤维方向波速和弹性模量之间的关系，干燥后的弯曲弹性模量、纵向弹性模量与三点弯曲弹性模量之间的关系。此外， J.Ilic[39]选取了45种阔叶材和10种针叶材，研究其纵向和横向弹性模量之间的关系。Brashaw等[40](2009年)根据王喜平等对于单跨木桥刚度测试实验的结论，完成了第二阶段实验研究，更有力的证实了振动法是一种高效的测试法，它可以快速评价木桥内部的健康状况。

FFT技术在近几十年里，作为一种有力的数据处理和图像分析手段，逐渐地应用于木材无损检测方面，为促进木材科学的发展，提高检测技术水平起到了不可低估的作用。它是一种纯频域分析方法，其明显的弊端就是缺乏空间局部性。而近年来崛起的各种时—频分析方法（短时傅里叶变换、Wigner—Ville分布、小波分析等）较好的解决了FFT分析法存在的不足之处。其中，小波分析（Wavelet analysis）是最为成功的一种，它是近年来国际上开创的一个前沿领域，它被认为是傅里叶分析方法的突破性进展[41]。它将成为未来研究的主要方向。

总体上来说，迄今，国外关于木板、锯材及原木的弹性模量与力学性能无损检测技术研究较多，而针对胶合木构件及桥梁、建筑结构等弹模与力学性能的无损检测技术研究相对较少；国内相对于国外来说，木材无损检测技术研究起步较晚，且大多是针对小尺寸试件研究，鲜见针对大尺寸胶合木构件及桥梁、建筑结构等的研究。

3 木结构弹性模量研究趋势展望

木材及胶合木构件的弹性模量是表征其力学性能的重要指标，为此，研发出快捷的瞬时测量方法，将是无损检测领域内的里程碑。此外，木材是种可以重复利用的优良结构工程材，以木材为基础研究高强度的胶合木构件及木质复合材料也成为将来的发展趋势[42]。基于目前的研究状况，木材弹性模量的无损检测技术的发展应做好以下几方面：

（1）振动法操作方便、快速，但现阶段采用的是人工敲击法，这使得测量的精确性不能较好的保证。研究设置机械自动敲击装置，提高测试精度，使振动仪趋于自动化是今后主要的改进方向。

（2） 应力波的传播速度相当快速，以微妙（μs）计，而当前的应力波仪精度未达到那么高的要求，对数据的采集和处理略显粗糙。研发高精度的应力波仪成为日后的研究目标。

（3）现阶段检测胶合木构件弹性模量的超声波仪只能达到数据采集的效果，有必要研究集数据采集和处理一体的智能化超声波检测仪。此外，超声波在穿过构件时信号逐渐衰减，为此它所能穿透的构件厚度受到了限制。如何提高其穿透能力，这将是今后研究的另一个重要方向。

（4）在现有各种木材无损检测方法的基础上，研究提出适合于大尺寸胶合木构件弹性模量测试的新技术、制作专用的仪器，是将来的发展趋势。

4 结 论

无损检测涉及的领域非常广泛，主要的研究内容包括射线类和振动类。木材无损检测中，最常用的3种方法是振动法、应力波法和超声波法。今后，还应该对各类测试方法进行优化并对木材力学行能无损检测技术进一步的加深研究，以提高材料质量的控制水平，使木材利用率达到最大，避免人为浪费。

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Research progresses on elasticity modulus nondestructive examination of wood and glulam structures

WANG Jie-jun, CHEN Xiao, XIA Di-yang
(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

∶ Wood and glulam structures are widely used and play an important role in the fields of bridge, building, furniture and packaging or other fields. The elasticity modulus is not only the most basic indicator but also a very significant index among the numerous of mechanical performance index of wood. Some of current methods for measuring the elastic modulus of wood and glulam structures were summarized in this study, and the methods also were used to study the development trend of elasticity modulus nondestructive testing methods.

∶ wood and glulam structures; elasticity modulus; nondestructive examination; research progress; review

S781.1

A

1673-923X(2013)11-0149-05

2013-08-16

国家林业局林业公益性行业科研专项子项：木结构工程材质量无损检测与评定（201304504-3）

王解军（1968-），男，教授，博士,博导，主要从事木结构工程、桥梁结构理论与新技术研究

[本文编校：吴 毅]