不同含水率雪松木的裂纹演化规律试验研究

何佳明，李猛，蔡高洁，胡彬，佘艳华

(长江大学城市建设学院，荆州 434023)

木材作为一种环保便捷可再生的天然资源，从古至今都是应用和研究的热点。雪松木主杆直，树体高大，并且耐寒、耐旱，为世界著名树种。雪松木质地坚实，纹理密集，是一种重要的家具、建筑、桥梁、船舶材料。正常状态下的雪松木及其制品均含有一定水分，这些水分会对木材的物理性能产生显著影响，因此研究含水率对裂纹演化的规律十分有必要。声发射(acoustic emission，AE)技术作为一种动态的无损检测技术，可以收集木材内的瞬时弹性波，再由传感器处理成电信号，而这些信号中就包含了材料内状态的信息[1-4]，而含水率会影响波在木材内的传播速度，在一定含水率范围内，两者成反比[5-8]。袁晓聪等[9]使用不同年限的木材进行三点弯曲声发射试验，表明声发射参数表现与木材使用年限正相关。张钰等[10]通过人工模拟蛀干害虫取食时的信号，研究得出AE信号在云南松活立木中传播规律。程丽婷等[11]以应力波和微钻阻力的检测技术为基础，深入研究了不同含水率下落叶松木材材性的变化规律。王明华等[12]通过人为制造木材表面裂纹，研究出木材的AE信号受到表面裂纹的影响。对于胶合木，李新慈等[13]结合高级规避技术(advanced evasion technique，AET)方法，研究证明胶层会影响AE信号的传播，并且指接胶层对信号传播速率的影响比胶接胶层更明显。鞠双等[14]使用一种基于瞬时频率的方法，研究总结出木材损伤过程中的AE信号特征规律。李扬等[15]以4种含水率云南松木材试件为研究基础，探寻出不同含水率木材对声发射信号和特征的影响。涂郡成等[16]制备含横纹裂纹木，采用AE与数字图像相关法(digital image correlation,DIC)相结合的方法监测试件的裂纹演化规律。Francisco等[17]利用AE技术监测碳纤维复合材料加固的含缺陷旧木梁，研究表面AE技术可以准确预测应力集中及主损伤位置。将声发射技术用于对木材的检测已比较成熟，但大多试验研究只针对单一含水率的木材，而含水率对木材的各项性能均有重要影响，特别是其力学性能，不同含水率下的木材力学性能差异巨大，含水率对木材试件的裂纹演化影响分析还比较欠缺。

基于以上研究成果，现以预制0、10%、20%、30%、40%及50%含水率的雪松木为研究对象，从材料在不同含水率条件下的声发射信号参数来分析和研究松木裂纹的声发射动态演化特征，寻找不同含水率下松木的裂纹演化规律。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试件为北非雪松木(CedrusatlanticaManetti)，半径为30 mm，高度为200 mm，密度为0.56 g/cm3，雪松木树龄为15年。依照《木材含水率测定方法》(GB/T 1931—2009)进行不同含水率木材试件的制备，在试验开始前，将3组试件标号为TP-1、TP-2、TP-3，每组数量为6根，试件用烘干机(105±5)℃脱水，后用保鲜膜将每组中一根试件完全包裹，标记为WC0(数字表示试件的含水率)，再将其他试件取出后分别放入水中充分浸泡，待其含水率分别达到10%、20%、30%、40%、50%之后取出，用滤纸擦去除表面多余水分备用，最后用保鲜膜包裹，并分别标记为WC10、WC20、WC30、WC40、WC50备用。由于所采集的数据较多，各组试件的破坏过程规律相似，所以以TP-2组的试验数据为例，表1即为该组各含水率试件制备过程中的质量变化。

表1 试件制备Table 1 Specimen preparation

1.2 试验方法

试验所用设备如图1、图2所示，该套设备由加载系统和声发射系统构成。采用电子万能力学试验机为试件加载，以位移控制加载作为试验机的加载方式，加载速率为0.2 mm/s；使用DS5型声发射检测系统(北京软岛时代科技)作为声发射检测仪器系统，布置6个传感器，传感器位置距底端分别为40、100、140 mm，为降低噪声，通道门限值设为25 mV，放大器增益为40 dB，传感器频率范围为50～400 kHz，采样频率为2.5 MHz/s，选择凡士林作为耦合剂。启动试验机的同时触发声发射系统，同步采集试件损伤过程的声发射信号数据。

图1 加载示意图Fig.1 Loading schematic

图2 试验设备Fig.2 Test equipment

2 结果与分析

在相同的试验条件下，对不同含水率松木试件进行加载，收集试件的声发射信号数据，探究不同含水率雪松木试件的裂纹演化规律。依据声发射参数分析法，选取加载时间、荷载、加载点位移、振铃计数、能量参数数据，对0、10%、20%、30%、40%、50%含水率的松木试件加载过程中采集得到的声发射信号进行特征分析，得到声发射信号历程图、声发射累计振铃计数和累计能量图、声发射信号数据表和声发射声源示意图。根据各参数随时间变化的过程，可将整个试验分成5个演化阶段：起始增压阶段、弹性变形阶段、裂纹滋生阶段、裂缝蔓延阶段、受压破坏阶段。

2.1 演化阶段分析

2.1.1 0含水率的试件

0含水率的试件声发射信号如图3所示。

图3 WC0声发射信号历程Fig.3 WC0 acoustic emission signal history

起始增压阶段：在0～20 s的范围内，荷载曲线近似为直线。在此阶段，试验机与试件接触位置发生屈曲反应，试件内部产生竖向应力，声发射信号较小。

弹性变形阶段：在20～35 s的范围内，材料的弹性变形随着荷载不断增加而增长，试件会产生少量微观变形破坏，但肉眼并未发现裂缝，振铃计数和能量相应增加。

裂纹滋生阶段：在35～42 s的范围内，荷载值在P0点达到85.47 kN，试件加载点位移为2.23 mm。试件上出现大量裂纹，裂纹数目不断增加，声发射振铃计数、能量信号急剧增加。从P0点开始，荷载曲线斜率逐步发生变化，荷载值不断降低，而试件破坏程度进一步加大。

裂缝蔓延阶段：在42～70 s的时间段内，试件出现大量肉眼可见的裂缝，破坏程度进一步加深，此时承载力已出现明显下滑，声发射信号降低，在受压过程中有破裂声音，加载到Q0点时，荷载曲线斜率发生了改变，试件破坏严重。

受压破坏阶段： 大约70 s后声发射信号较为密集，到300 s时试件已基本破坏，该含水率下试件破坏完整度很低。

2.1.2 10%含水率的试件

10%含水率的松木声发射信号如图4所示。

图4 WC10声发射信号历程Fig.4 WC10 acoustic emission signal history

起始增压阶段：在0～15 s范围内，试验机加载在10%含水率的松木试件上，声发射信号同时产生。相比0含水率的试件，10%含水率的试件屈曲反应更加强烈，试件顶端变形更加明显，但因水分影响，其脆性破坏程度并没有0含水率的试件严重。

弹性变形阶段：在15～27 s的范围内，试件振铃计数、能量信号不断上升，试件的损伤程度不断增大，并且同样发生弹性变形，声发射信号仍然较小。

裂纹滋生阶段：在27～40 s的范围内，试件上裂纹滋生，裂纹扩展声音较小，试件发生肉眼可见的弯曲，同时声发射信号逐步增大，在P10%点时达到新的峰值，荷载值达到了82.49 kN，试件加载点位移为1.61 mm。P10%点过后试件弯曲程度加大，裂缝迅速扩展。

裂缝扩张阶段：在40～45 s的范围内，试件成被压缩状态，加载到Q10%点时，试件已遍布裂缝，裂缝发展也伴有开裂声，但对比0含水率的松木试件，10%含水率的松木试件开裂声音更小，破坏形态相对较好，在该时间段内，声发射信号出现较密集高峰。

受压破坏阶段：在45～300 s的范围内，10%含水率的松木试件被压裂，但其抗压能力与稳定性明显比0含水率工况下好。

2.1.3 20%含水率的试件

20%含水率的松木声发射信号如图5所示。

图5 WC20声发射信号历程Fig.5 WC20 acoustic emission signal history

起始增压阶段：在0～8 s范围内，试件受压产生声发射信号，该含水率松木产生的声发射信号更小，木材内细胞吸水较多。

弹性变形阶段：在8～13 s的范围内，试件声发射信号逐渐增加，试件上出现水分但不多，释能较少。

裂纹滋生阶段：在13～20 s的范围内，试件受压被挤出水分，并且出现明显弯曲，声发射信号在P20%点达到新的峰值，最大荷载值为51.83 kN，试件加载点位移为2.38 mm。随着试验机压力的增大，试件不断冒出水分，试件表面出现肉眼可见的裂缝，但试件开裂声音较小。

裂缝扩张阶段：在20～245 s范围内，试件上裂缝迅速发展，但同比0和10%含水率的情况，该含水率下裂缝扩展并没有过于剧烈，试件发生缓慢侧向偏移，到达Q20%点之后，试件已出现肉眼可见的裂缝。

受压破坏阶段：在245 s后，试件逐渐被挤压，之后发生二次开裂，彻底失稳。

2.1.4 30%含水率的试件

30%含水率的松木声发射信号如图6所示。

图6 WC30声发射信号历程 Fig.6 WC30 acoustic emission signal history

起始增压阶段：在0～7 s范围内，30%含水率的试件声发射信号同比更弱，荷载曲线近似为直线，且攀升较快，试件随着受压而出现水分。

弹性变形阶段：在7～11 s范围内，试件表面出现少量水分，试件弯曲比较明显，释能逐渐增大。

裂纹滋生阶段：在11～21 s的范围内，试件受压出现屈曲，试件表面被挤出小水珠，试件发生开裂，但几乎没有开裂声音，而声发射信号在P30%点时达到新高峰，荷载达到41.45 kN，加载点位移为3.17 mm。

裂缝扩张阶段：在21～227 s范围内，试件受压变形，在Q30%点时虽听不到开裂声音，但试件表面已布裂缝，而试件未发生比较剧烈的反应。

受压破坏阶段：在227～300 s范围内，试件呈被压缩状态，裂缝逐渐拓宽加深。直至试件破坏。

2.1.5 40%含水率的试件

40%含水率的松木声发射信号如图7所示。

图7 WC40声发射信号历程Fig.7 WC40 acoustic emission signal history

起始增压阶段。在0～5 s范围内，40%含水率的试件声发射信号与30%含水率的试件声发射信号有所相近，但相对较弱，试件表面迅速出现水分。

弹性变形阶段：在5～13 s范围内，试件表面出现水分，试件弯曲相比更加明显。

裂纹滋生阶段：在13～19 s的范围内，试件受压发生侧向偏移，但并未有开裂声音，而声发射信号在P40%点时达到高峰，最大承载达到40.66 kN，试件加载点位移为2.79 mm。

裂缝扩张阶段：在22～220 s的范围内，试件变形较为严重，表面出现大量水珠，试验台有小片水分，到达Q40%点时试件已发生较大形变。

受压破坏阶段：在220～300 s的范围内，试件挤出水分后被挤压至破坏。

2.1.6 50%含水率的试件

50%含水率的松木声发射信号如图8所示。

图8 WC50声发射信号历程Fig.8 WC50 acoustic emission signal history

起始增压阶段：在0～5 s范围内，的试件声发射信号高峰出现时间缩短，试件有肉眼可见的弯曲变形。

弹性变形阶段：在5～10 s范围内，试件表面肉眼可见的水珠，试件发生明显变形。

裂纹滋生阶段：在10～17 s范围内，试件受压发生侧向偏移破坏，试件与压头接触处被挤压破坏，而声发射信号在P50%点时达到高峰，最大荷载为39.50 kN，试件加载点位移为2.13 mm，此时试验机上已有不少水分。

裂缝扩张阶段：在17～170 s范围内，试件随着受压逐步发生侧移，同时被挤出更多水分，试件虽发生开裂，但裂缝数量和深度不如其他含水率的试件。

受压破坏阶段：在170～300 s范围内，试件发生严重变形，随着压力机运行，变形程度越大，直至破坏。

2.2 声发射信号数据分析

表2为不同含水率试件在各个阶段声发射信号(振铃计数、能量)数据，随着试件含水率的提高，声发射信号不断减弱。同一含水率工况下，裂纹滋生阶段的声发射信号最为强烈，此阶段之前的起始增压阶段和弹性变形阶段的声发射信号随着加载不断增强，而此阶段之后的裂纹扩张阶段和受压破坏阶段的声发射信号随着加载不断减弱。图9为不同含水率试件的累计振铃计数和累计能量随时间的变化图。反映出随着试件含水率的提高，声发射累计振铃计数和累计能量均不断降低。以其中图9(a)为例，在P0点和Q0点前后，累计振铃计数和累计能量曲线斜率均会发生变化，但P0前后累计振铃计数和累计能量曲线的变化幅度比Q0点更大。

表2 声发射数据Table 2 Acoustic emission data

图9 声发射累计振铃计数和累计能量Fig.9 Acoustic emission cumulative ringing count and cumulative energy

2.3 试件破坏分析

将声发射采集的数据进行处理，可以得到荷载作用下各含水率试件损伤时声源的位置，如图10所示。图11为试件加载结束后的破坏图，从图10、图11中可以看出，随着试件含水率的提高，声源的数量逐渐变少，含水率为0和10%的试件声源数量最多，受压过程中释能最大，破坏最严重。

红色点表示声源的位置，黄色点表示损伤点，蓝色点及蓝色数字表示传感器位置；试件半径为30 mm，高度为200 mm图10 声发射声源示意图Fig.10 Diagram of acoustic emission source

图11 试件破坏Fig.11 Specimen damage

3 结论

利用声发射(AE)技术和相关试验仪器监测不同含水率下松木试件的裂纹演化规律的试验研究，通过收集试件加载的声发射信号(振铃计数、能量)，分析和总结试验结果，得出以下结论。

(1)运用声发射技术可以监测不同含水率松木试件的裂纹演化和破坏程度，能反映出试件内部的裂纹发展与扩张情况。

(2)0含水率的松木试件最大承重能力相比10%含水率下更高，但其裂纹发展较为剧烈，破坏程度更大，破坏形态很差，而10%含水率的松木试件裂纹发展更加平稳，20%含水率的松木试件中水分被挤出来后，还会发生二次破坏，虽然30%含水率的松木试件裂纹发展平缓，但木材吸水造成承载能力下降，这一情况在40%含水率的松木试件上较为明显，在50%含水率情况下更加凸显，而含水率过高还会使破坏形态发生变化，出现试件顶端和低端被挤压偏移的现象。试验表明水分对松木试件的裂纹发展情况有明显影响。

(3)声发射技术在监测过程中操作简便，适用范围大，精度高，声发射信号反映出的参数特征与试件的破坏情况相符合，研究结果可在实际工程中作为参考。