不同含水率雪松木材损伤声发射参数特性1)
2024-01-13何佳明佘艳华李猛
何佳明 佘艳华 李猛
(长江大学,荆州,434023)
正常状态的木构件均含有一定水分,这些水分会对木材的物理性能产生显著影响,因此对木材含水率的研究十分必要。声发射(AE)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,这些信号中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]。
幂律规律是一种普适性规律,广泛存在于自然界的各种现象中,具有幂律分布的数据,在双对数坐标图上呈现为幂指数的直线[9]。声发射事件被学者认为是一种特殊的“雪崩事件”,并且在岩石、混凝土、煤炭等材料的破坏中被广泛验证,表明这些多孔材料破坏过程中的声发射能量信号存在明显的概率密度分布函数,满足幂律分布的规律[10-14]。王磊等[15]实现了单颗粒破碎过程的力学加载与声发射监测的同步采集,认为不同粒径钙质砂颗粒的等候时间分布及余震序列分布,均满足良好的幂律关系。吴剑锋等[16]对混凝土进行单轴压缩分级加载短时蠕变试验研究表明,幂指数与混凝土单轴压缩峰值应力、蠕变破坏强度、单位体积吸收能等具有明显关联规律。
已有研究表明,多孔材料受力破坏中声发射能量概率密度分布满足幂函数规律,且幂指数能够反映损伤来源与发展过程。但以往研究多集中在岩石、混凝土等方面,针对不同含水率木材的幂律规律研究较少。对于木材这种天然多孔材料,对声发射监测的概率密度分析,可以帮助了解其破裂过程中的微观机制。为此,本研究以树龄15 a的北非雪松(CedrusatlanticaManetti)为研究对象,在树干中心部位且无天然树结的位置截取试件(试件形状为圆柱状,半径30 mm、高度200 mm)。使用烘干机对所有试件干燥脱水,然后用保鲜膜将每组中选择1根试件完全包裹作为绝干试件;再将其他试件取出后在室温下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,用保鲜膜包裹作为不同含水率的试件。应用微机伺服控制液压万能试验机以位移控制加载方式加载、应用DS5型声发射检测系统监测试件声发射信号;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中轴向荷载作用时木材发出的声发射信号数据;使用参数分析、概率密度、最大似然评估方法,分析声发射能量、统计分布特征。旨在为探索轴向荷载作用时木材裂纹的声发射动态变化特征、不同含水率木材的声发射能量幂律分布规律提供参考。
1 材料与方法
试件为树龄15 a的北非雪松(CedrusatlanticaManetti)木材,试件形状为圆柱状,半径30 mm、高度200 mm、绝干密度0.56 g/cm3。
为减小误差,木构件截取部分为树干中心部位且无天然树结的位置。在试验开始前,将3组试件标号为L-1、L-2、L-3(L-1、L-3为对照组),每组数量为6根。所有试件使用烘干机((105±5)℃)干燥脱水,累计烘干时间18 h,然后用保鲜膜将每组中选择1根试件完全包裹,作为绝干试件;再将其他试件取出后在室温环境分别放入水中充分浸泡,时间间隔为0.5 h,每次浸泡后利用电子秤称质量,待其含水率分别达到10%、20%、30%、40%、50%之后取出,用滤纸去除表面多余水分,最后用保鲜膜包裹,作为不同含水率的试件(见表1)。
表1 制备的不同含水率的试件
试验系统由加载体系和声发射体系构成(见图1)。采用微机伺服控制液压万能试验机(上海松硕机械设备有限公司)作为加载设备,以位移控制加载作为加载方式,加载速率为0.2 mm/s。以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,设置6个传感器,传感器位置设置为40、100、140 mm;为降低噪音,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,耦合剂选择凡士林。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 对试件加载示意图
2 结果与分析
2.1 加载过程中不同含水率试件的声发射信号特征和裂纹变化
在相同试验条件时,对不同含水率试件进行加载,收集试件的声发射信号数据。依据声发射参数分析法,选取加载时间、荷载、加载点位移、能量参数数据,对0(绝干)、10%、20%、30%、40%、50%含水率试件加载过程中采集的声发射信号进行特征分析,绘制声发射信号历程图(见图2)。根据各参数随时间变化的过程,可将木材破坏分为3个阶段：试验开始至P点,为弹性变形阶段;P点至Q点,为裂缝蔓延阶段;Q点至试验结束,为受压破坏阶段。
图2 加载过程中不同含水率试件荷载、声发射能量随时间变化曲线
将木材破坏分为3个阶段：试验开始至P点为弹性变形阶段,P点至Q点为裂缝蔓延阶段,Q点至试验结束为受压破坏阶段。
(1)弹性变形阶段。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,试件的弹性变形随着荷载不断增加而增长,荷载曲线呈现为平滑的弹性段,外部加载的能量聚积于木材内部。至P点时,压力曲线开始发生抖动即产生第一个力降,之后,聚积的能量被释放。因此在第一个力降前后会有显著的声发射信号产生,这一现象也表明木材内部开始发生位错。0(绝干)、10%、20%、30%、40%、50%含水率的试件,载荷达到最大,依次为85.47、82.49、51.83、41.45、40.66、39.50 kN;说明随着木材含水率的增加,其最大载荷在不断降低。该阶段声发射信号较小,但在稳步攀升,绝干试件声发射信号尤为剧烈,最高达42 000 V·s。宏观上所有试件均为有肉眼可见的裂缝,但接近P点时,试件会产生少量微观变形破坏,同时伴随着轻微的开裂声。
(2)裂缝蔓延阶段。该阶段,试件载荷不断降低,表明出现大量肉眼可见的裂缝,破坏程度进一步加深。木材内部不断产生破裂、裂纹扩展以及摩擦等各种位错行为。这种行为在压力曲线上表现为抖动即力降,在声学上则有明显的声发射信号产生。对于力的变化曲线,可以观察到在木材压缩过程中,压力的峰值前后会伴随有明显的力降。对应于声发射信号的能量,每一个大的力降前后都伴随着显著的声发射信号。绝干试件、10%含水率试件的裂缝扩展极为迅速,并且有较大破裂声;而其他试件则发生滑移破坏,含水率越高滑移程度越深。此阶段,声发射信号虽没有高过P点,但出现密集高峰,表明试件内部裂纹快速发展,破坏程度迅速加重。
(3)受压破坏阶段。至Q点时,试件荷载曲线斜率发生改变,之后声发射信号逐渐降低。至300 s时,试件已基本破坏,绝干试件破坏程度很低,含水率越高试件破坏程度越高,但滑移破坏程度随之越严重。
2.2 加载过程中不同含水率试件的破坏状态
收集声发射数据进行处理,绘制轴压荷载作用时各含水率试件损伤声源定位图(见图3);为展示试件加载后的不同破坏状态,给出试件加载结束后的破坏状态图(见图4)。由图3、图4可见：随着试件含水率的提高,试件损伤时声源的数量逐渐变少,含水率为0(绝干)、10%的试件,损伤声源数量最多,受压过程中释能最大,破坏最严重。
图中红点为声源的位置
2.3 加载过程中不同含水率试件在声发射峰值频率不同阶段的裂纹释放能量特征
按照声发射峰值频率及能量信号的分布规律,将不同含水率试件在荷载作用时的峰值频率(f),分成低频(0
图5 加载过程中不同含水率试件在不同声发射峰值频率的能量分布
2.4 加载过程中不同含水率试件声发射能量概率密度分布
试验采集到的声发射信号能量值在多个数量级均有分布。每一个声发射信号能量值样本都是独立的,共同组成能量样本集合。对于离散的样本集,其概率密度幂律分布可以表示为p(x)=pr(X=x)=Cx-α;式中的X为样本能量值、C为归一化常数。当x→0时,函数分布会出现分岔,在此定义理论边界值xmin>0。对于样本能量值的累积概率密度分布P(x)=Pr,X>x;通过归一化计算,p(x)=ξ(α,x)/ξ(α,xmin)。
按声发射能量概率密度幂律分布研究方法进行分析,使用直方图法得到各含水率试件压缩过程中声发射能量的概率密度分布函数P(见图6)。
图6 加载过程中不同含水率试件声发射能量概率分布曲线
E为声发射信号能量。该方法对声发射信号能量的原始数据,按选定范围的对数区间进行分割,并采用直方图的形式建立雪崩能量的概率密度函数。为了避免区间间隔选取对概率分布函数的函数形式的影响,对数区间划分在对数空间中从10-2到105之间保持等间距。在防止数据发散方面,对数区间比线性区间有更好的效果,并且可以保证在大能量区间有足够的数据样本得到合理的概率估计。
由图6可见：在双对数坐标时,不同含水率木材在超过4个能量量级内均表现出较良好的线性关系,即服从幂律分布(古登堡-里克特定律,P(E)～E-∈=0)。绝干木材幂律指数最小(为1.25),随着木材含水率的增加,幂律指数也随之增大(最高达到1.56)。
2.5 加载过程中不同含水率试件声发射能量的最大似然评估
为了进一步研究不同含水率木材的声发射能量幂律指数,采用最大似然估计法[17]对木材试件声发射能量信号进行分析(见图7)。最大似然估计法,可以避免区间选取间隔和直方图的结构对直方图法结果的影响,从而对直方图结构进行验证与评估。在最大似然估计法中,如果曲线出现平台段,则此分布满足良好的幂律分布,而平台段即为此分布的最佳幂律指数。
图7 加载过程中不同含水率试件声发射能量最大似然估计结果及误差分布曲线
由图7可见：不同含水率木材的声发射能量信号均符合幂律分布规律,满足无尺度分布。能量信号呈现缓慢上升的趋势,并且出现一个平稳的平台段,该阶段幂值能良好表征整个过程的能量分布规律。此外,由平台段确定的不同含水率木材声发射能量信号幂律指数与直方图法得到的相同。该指数随着含水率的增加而增大,出现这一现象的原因有两个,一是木材为疏松多孔结构,水分的存在填补了木材的内部空隙,水分越多,木材轴向荷载受损时传播出的能量越少;二是木材为木质细胞组成的微毛细管材料,其接触水分时,木质纤维会在水分影响下软化,而软化后木质纤维的各项特性均会发生变化,最明显的是承载能力的降低,所以会导致幂律指数的变化。
木材受压破坏过程中存在两种主要的竞争机制,一个与孔隙的塌陷有关,另一个与位错的运动有关。孔隙坍塌产生的声发射信号非常强,而位错运动产生的声发射信号很弱。此前对非均质Mg-Ho合金的研究[18]表明,弱能量信号的指数(ε)约为1.96、强能量信号的指数约为1.45,这表示强和弱能量信号遵循不同的幂律分布。而根据图5、图6、图7所示,不同含水率木材受压破坏过程中,强能量信号的指数为1.25、弱能量信号的指数为1.56;这表明木材含水率较低时,其内部为疏松多孔脆性特性结构,由空隙坍塌破坏产生的声发射信号占主导,而随着含水率的增大,水分逐渐填补内部空隙,使木材逐渐由孔隙坍塌破坏转向位错运动破坏,由强能量信号占主导转向弱能量信号占主导。这一规律在图4试件最终破坏形式上得到了验证。
3 结论
声发射技术可以有效地反映不同含水率木材试件内部损伤程度及损伤位置,并且实用范围广、精度高、工程应用前景良好。
按照声发射峰值频率及能量信号的分布规律,将不同含水率木材试件在轴向荷载作用时的峰值频率(f),分成低频(0
木材压缩损伤的声发射能量信号符合幂律分布规律,由概率密度分析、最大似然估计得出的幂律指数一致。当木材含水率为0(绝干)、10%、20%、30%、40%、50%时,承受荷载依次降低,分别为85.47、82.49、51.83、41.45、40.66、39.50 kN;而幂律指数依次上升,分别为1.25、1.28、1.33、1.44、1.49、1.56。说明幂律分布可以反映木材轴向裂纹变化行为的损伤机理。
