超声波法测试胶合木胶缝缺陷的判据研究

王解军，陈 晓，黄 特，肖云风

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004)

超声波法测试胶合木胶缝缺陷的判据研究

王解军，陈 晓，黄 特，肖云风

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004)

以2层落叶松胶合木构件为试验对象，对试验结果进行数据统计及波形分析，证实了采用超声波法测试人工胶缝缺陷部分和胶合完好部分的可行性。同时得到了超声波波速、首波波幅、整体波形这3个参数与胶缝缺陷之间的定性关系，试验者不可仅凭波速或者波幅一个参数来判别胶缝的好坏，要同时结合这2个参数并分析整体波形才可下结论。通过试验及试验结果分析，将对现有测试仪器进行改善，提高其测试精确度的同时将其应用于大型木结构工程项目，方便胶合木结构的现场无损检测。

胶合木；胶缝缺陷；超声波法；判据；波速；波幅； 波形

胶合木是指将厚度在20～45 mm的板材，经过刨光、烘干、涂胶后，沿顺文方向叠压胶合而成的木构件，20世纪40年代，胶合木开始应用于工程实际[1-3]。胶合木减少了木材天然缺陷的影响，故其强度得到了很大的提高；也不再受其天然尺寸的限制，可根据需求通过指接等技术得到各种形状的胶合木构件。胶合木的质量取决于层板的木材质量、胶缝质量和指接接头质量3个要素，其中胶缝质量是最重要的[4]。随着它越来越被广泛应用，相其质量无损检测技术的研究也显得十分重要。至今，德国Dill Langer.G等[5-6]对超声波测试胶合木胶缝缺陷进行了较深入的研究，但国内关于这一问题的研究成果较少。为此，本文采用超声波测试法测试人造胶缝缺陷，将其结果与完整部分的胶缝进行对比分析，初步得出判别胶缝缺陷的依据。

1 试验材料及基本数据

本实验采用了东北兴安落叶松，单层板尺寸均为450 mm×150 mm×30 mm，目测分等Id，板材平均含水率为15%，平均密度为0.55 g/cm3。根据实验需求制作了30个双层胶合木构件用于试验测试，双层胶合木构件的尺寸为450 mm×150 mm×63 mm。由于制作工艺和实验过程中的人为因素影响比较大，本文为了确保实验分析结果的准确，剔除了数据波动较大的10个构件，留取20个实验构件数据用于分析。

2 试件制作工艺

实验所用落叶松锯材强度均为Id，胶种为水基聚氨酯(质量比为聚氨酯：固化剂=100∶15～20)，采用单面施胶，施胶量为250～300 g/m2。涂胶后应将层板堆积放在压机上施加1.2 MPa的面压4～5 h，施压完成后对试件进行24 h的养护方可进行实验。

试件制作过程中，人工模拟胶缝缺陷是关键。该实验中试件的制作设置了涂胶区域（即为胶合完整处）与未涂胶区域（模拟胶缝缺陷），如何防止胶合板在压机上施压时将所涂抹的聚氨酯胶挤入缺陷边界内，是减小制作工艺误差，提高实验精确度的重要因素。因此必须找到一种合适的方法在涂胶与未涂胶的部位设置隔离带。最为理想的隔离方法是既能防止聚氨酯胶挤入缺陷边界内，又不会影响实验结果（或者对实验的影响可以忽略不计），本实验中采用黑色绝缘胶带作为隔离带。实验构件总长为450 mm，中间留取长为120 mm的区域不涂胶，即模拟的胶缝缺陷尺寸为120 mm×150 mm，在其两边的边界处黏贴黑色绝缘胶带，其余部分均涂满聚氨酯胶。

3 试验原理及方法

本实验采用超声波透射法（即对测法），它的测试原理是波在传播过程中遇到由各种介质缺陷形成的界面时会改变传播方向和路径, 其能量会在缺陷处引发衰减, 造成声时、振幅、频率变化，更直观的表现为速度、时间和波幅的变化[7-9]。本实验采用的仪器是长沙金码高科技实业有限公司生产的JMCS—6001号超声波检测仪，其中仪器参数设定为发射电压：500V ，采样点数512，触发方式：连续，发射脉宽10 μs，采样间隔：1.0 μs，低通频率：60 kHz，高通频率：10 KHz，声时修正：35.6 μs。仪器测试原理图如图1所示。

图1 超声波测试示意Fig.1 Schematic of ultrasonic testing

测试前，首先应将要测试的2个对面画好网格线，尽量对准探头后才能采样测试。然后，将超声波的发射传感器和接收传感器与超声波测试仪相连，并设置好实验中的各个参数（测试类别、测试项目名称、试件厚度、波频等）。最后在2个传感器探头上涂抹上耦合剂（本实验所用耦合剂为黄油）后安置于要测试的截面上，按采样键进行采样，当波速、波幅及波形图较稳定时按存储键，将测试的数据保存下来。

4 结果及分析

4.1 波速、波幅数据统计分析

根据《木结构试验方法标准》GBT50329—2012中实验数据的统计方法的要求，本文将对测试结果较为理想的20个构件进行统计分析，实验数据统计结果要达到95%的置信水平[10]。

实验中记录每个测试点的超声波速v和波幅Ap。对每个试件的胶合完整处及胶缝缺陷处分别进行采样，测试点分别为15个。对20个试件的实验数据进行筛选，每个试件最终留取10个较为合理的数据进行自身的比较分析，得出的结果如表1所示。表1中的低限值是在保证95%的置信水平时总体均值的单侧置信值，其计算公式为[10]：

式中：μ为低限值；x为样本均值；n为样本个数；s为标准差；t0.975是方差已知时，均值置信水平取1-α=0.95的情况下，α/2分位点处的取值。当n=10时，t0.975=2.262。

表1 实验数据统计Table 1 Statistics of experimental data

由表1可知，每个构件胶缝缺陷测试点处的波速平均值和波幅平均值都远小于该构件在完整部分所得的平均值，也均小于波速低限值和波幅低限值。这一结果表明，超声波波速与波幅是判断构件有无胶缝缺陷的2个重要参数。对于所测试构件，它们完整部分的平均波速相对较稳定，差异较小；而波幅稳定性相对来说较差，在其平均值附近波动要大一些。

分析胶缝缺陷处的平均波速和波幅可知，它们的稳定性较差，最大值与最小值之间相差较大，主要原因是：由于胶合工艺及每块木材本身的材质之间均存在一定的差异，导致各构件的缺陷缝隙大小存在差别，因此，所测波速和首波幅值必然存在较大的差异。即缺陷程度较轻的，其波速与波幅值就大，反之则小。

实际测试过程中，某些构件的某些测试点甚至会出现缺陷部位的首波幅值大于非缺陷部位首波幅值的情况，这是由于仪器自动判别首波位置出错导致首波后移出现的差错，即掉波现象。仅凭波速、波幅2个参数尚不能准确判辨，因此，必须将波速、波幅及波形图三者结合，才能更准确的判断。

4.2 波形分析

实验所用的超声波测试仪的显示频上有一根竖直红线，它用来自动判别首波的起始位置，屏幕上会显示3条蓝线，最上面的水平蓝线是首波波峰位置判别线，下面的2根水平蓝线是门限判读线，即如果首波波峰超过这2根蓝线的范围，仪器将自动判断其为首波（红线自动挪到该波的起始位置），否则仪器会将其划归为噪声，自动判别下一波是否为首波，依此类推。在实际检测中，门限判读线通常设置为最低值，以确保能最精确的捕捉到首波位置。屏幕左上角会显示声时、声速、波幅、主频四个参数值，均是由仪器计算自动得出的。其中波幅是指首波的振幅大小，而主频则是仪器自身发射的超声波主频。

图2是实验过程中所采集的无缺陷和不同程度缺陷测试点的波形图。图2(a)是胶缝完好、无缺陷处的波形，其首波波幅Ap=140.6 dB；特点是波幅峰值大、振动持续时间长，在波形的尾部才开始衰减，且衰减缓慢。图2(b)为微小缺陷处波形图，其首波波幅Ap=35.2 dB；波幅峰值较大、振动持续时间较长，一般在波形的中后部开始衰减，衰减较慢。图2(c)为中等缺陷处波形图，仪器自动判定的首波显然后移了，实际首波幅值较小；其波幅峰值较小、振动持续时间较短，一般在波形的中部开始明显衰减。图2(d)为严重缺陷处波形图，其首波幅值与波幅峰值均很小、振动时间短，在波形的端部即明显衰减。

图2 超声波法测试胶合木的波形Fig. 2 Ultrasonic oscillogram of glulam

前述波形结果较好地反映了超声波能量损失与缺陷的关系，即：无缺陷处阻尼小、超声波能量损失小，整体波形中波幅峰值大、振动持续时间长；而随着缺陷的增大，阻尼及能量损失均增大，从而导致整体波形中波幅峰值减小、振动时间缩短。

综合实验结果分析，可得到波速、首波波幅及波形与缺陷大小层度的定性关系，如表2所示。实际上，当测试操作准确时，首波波幅与整体波形中的波幅峰值具有良好的对应关系，因此，可直接采用波速、首波波幅（或波幅峰值）和振动持续时间这3个参数来判别胶缝缺陷的大小。

表2 胶缝缺陷判据结论Table 2 Criterion conclusions on glue-seam defects

5 结论与展望

表1是试验数据统计，表2是超声波波形图分析结论，通过对数据及波形图的综合分析，本文作者认为波速、首波波幅（或波幅峰值）和振动持续时间（整体波形图）这3个参数是判断胶合木胶缝缺陷的重要依据，试验者不能以单一参数判断胶缝类型，须同时考虑波速及首波波幅，并结合整体波形图来做最终定论。通过试验我们得到如下结论：

(1)无缺陷：波速快，首波波幅大，整体波形完整无畸变且振动持续时间长，几乎无能量损失；

(2)微小缺陷：波速较快，首波波幅较大，整体波形比较完整，持续时间较长，波的能量损失较大；

(3)中等缺陷：波速较慢，首波波幅较小，整体波形的波幅小持续时间短，能量损失大；

(4)严重缺陷：波速慢，波幅小，整体波形的波幅很小持续时间很短，能量损失很严重。

上述结论中的波速较快、较慢，波幅较大、较小等都是与无缺陷处的波速、波幅值比较得到的结论，这些结论还只是胶缝缺陷与这3个参数间的定性关系，下一步工作将着重于研究判别参数与缺陷大小的定量关系及缺陷深度的测试。

[1] 樊承谋.现代木结构[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2007.

[2] GB/T 50708—2012.胶合木结构技术规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2012

[3] 龙卫国,杨学兵,等.木结构设计手册[M].第3版.北京:中国建筑工业出版社，2005.

[4] GB 50206—2012.木结构工程施工质量验收规范[M].北京:中国建筑工业出版社2002.

[5] Dill-Langer G, Bernauer S W, Aicher S. Inspection of glue-lines of glued laminated timber by means of ultrasonic testing, Proc.Intern.Conf[J]. Non-destructive testing of wood, hannover, 2005,47-60.

[6] Dill-Langer G, Ringger T, Aicher S. Location of acoustic emission sources in timber loaded parallel to grain[J]. Proc. 13th international symposium on NDT of wood,Berkley,2002

[7] 查晓雄,叶福相,陈 艳,等.超声波法在钢管混凝土质量检测中的应用[J].施工技术,2010,39:655-657.

[8] 韩 林,孙 超,王 寓.超声波技术在在检测混凝土缺陷中的应用[J].城市道桥与防洪，2011,7:278-280.

[9] 朱 磊,张厚江,孙燕良,等.古木建筑构件无损检测技术国内外研究现状[J].林业机械与木工设备，2011,39(3):24-27.

[10] GB/T 50329—2012.木结构试验方法标准[M].北京: 中国建筑工业出版社,2012

Criterion research on measuring and testing laminated wood glue seam defects by ultrasonic method

WANG Jie-jun, CHEN Xiao, HUANG Te, XIAO Yun-feng
(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The glue laminated wood members with two layers of larch glulam have been tested by ultrasonic method. Through data statistics and waveform analysis, it is feasible to test artif i cially the glue seam defects parts and good glue parts of laminated timbers by ultrasonic method. It also was found that the glue-line defects had qualitative relationship with wave velocity, amplitude and amplitude duration. The tester can’t distinguish the quality of the glue seam defects only by wave velocity or amplitude, but should combine these two parameters and the overall waveform to get the conclusions. The existing test equipments should be modif i ed to improve the test accuracy by testing and result analysis. So they may be expediently applied to the large wooden projects for on-destructive testing of laminated wood on site.

laminated wood; glue seam defects; ultrasonic method; criterion; wave velocity; amplitude; waveform

S781.1

A

1673-923X(2014)11-0150-05

2014-01-12

国家林业局科研专项“木结构工程材制造及应用关键技术研究与示范”（201304504）子项3：木结构工程材质量无损检测与评定（201304504-3）；中南林业科技大学研究生科技创新基金项目（CX2014B34）

王解军，男，教授，博导，主要从事大跨桥梁结构理论与应用、木结构质量无损检测技术研究

[本文编校：吴 毅]