結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料性能無損檢測與評價

1、3 結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料性能無損檢測與評價3.1 概述結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料主要包括規(guī)格化鋸材（規(guī)格材）和重組型木質(zhì)結(jié)構(gòu)材，除了集成材、結(jié)構(gòu)用人造板、單板層積材(LVL)、單板條層積材(PSL)、大片刨花層積木(LSL)、定向結(jié)構(gòu)刨花板(OSB)等素材以外，還有一些復(fù)合制品，如木質(zhì)工字梁、三角桁架等。這些規(guī)格化的結(jié)構(gòu)材，一般被用在梁、墻體、柱體、屋頂桁架等部位，作為建筑的受力構(gòu)件使用。木質(zhì)材料的性能要求主要包括：物理性能、力學(xué)性能、耐久性（老化性能）、表面特性等。物理性能包括含水率、密度、吸水率等。力學(xué)性能包括彎曲強(qiáng)度、彈性模量、順紋抗拉強(qiáng)度、橫紋抗拉強(qiáng)度、膠合質(zhì)量、沖擊韌性、握螺釘力等。木材作為一種歷史悠

2、久的天然材料，一直以來在各個行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。但是，木材的材性是各向異性，在其生長過程中會形成各種缺陷，各向異性和缺陷使木材的使用受到了一定的影響，因此需要對其進(jìn)行檢測才能應(yīng)用到各個領(lǐng)域當(dāng)中。木材的無損檢測技術(shù)能在不破壞木材使用價值的基礎(chǔ)上做到對木材的使用性能進(jìn)行評價，因而成為了一種重要的檢測技術(shù)。對于作為結(jié)構(gòu)用材的木材而言，無損檢測中的應(yīng)力分等技術(shù)則是使木材達(dá)到最佳使用效果的十分關(guān)鍵的技術(shù)。因此，無損檢測技術(shù)在結(jié)構(gòu)材的合理使用中起到了舉足輕重的地位。結(jié)構(gòu)用集成材、結(jié)構(gòu)用人造板、單板層積材(LVL)、定向結(jié)構(gòu)刨花板(OSB)等都是以木材為基礎(chǔ)經(jīng)過加工成形的木質(zhì)材料。這些材料正成為當(dāng)前木結(jié)構(gòu)

3、建筑中的主要應(yīng)用材料。這些材料在使用前，都有進(jìn)行力學(xué)性能檢測和缺陷檢測的需要和必要性。木質(zhì)材料無損檢測技術(shù)是一門新興的、綜合性的非破壞性檢測技術(shù)，可在不破壞木質(zhì)材料的本身形狀、原有結(jié)構(gòu)和原有力學(xué)狀態(tài)的前提下，利用當(dāng)今的物理方法和手段快速測量出木質(zhì)材料的尺寸、規(guī)格、表面形狀和基本物理力學(xué)性能。國外的木質(zhì)材料無損檢測技術(shù)早在20世紀(jì)50年代就開始研究。我國在木質(zhì)材料無損檢測方面的研究起步比較晚，從20世紀(jì)70年代末開始應(yīng)用X射線檢測方法對木材缺陷檢測進(jìn)行了試驗性研究，而應(yīng)力分等技術(shù)在近十幾年逐步開始發(fā)展。木質(zhì)材料無損檢測技術(shù)是建立在多學(xué)科基礎(chǔ)上的，在木質(zhì)材料的監(jiān)控保護(hù)和生產(chǎn)加工中發(fā)揮了越來越重要的

4、作用，促使木質(zhì)材料傳統(tǒng)測試方法發(fā)生根本的變革，使木質(zhì)材料的質(zhì)量控制和管理達(dá)到一個新的水平，為木質(zhì)材料生產(chǎn)過程的工藝控制和自動化準(zhǔn)備了必不可少的條件。采用無損檢測技術(shù)檢測的木質(zhì)材料物理力學(xué)性能主要包括：彈性模量、靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（這兩個指標(biāo)一般是需要破壞試件的）、密度以及含水率等。目前，對木質(zhì)材料的物理力學(xué)性能進(jìn)行無損檢測的主要方法如表1-1所示。表1-1 木質(zhì)材料力學(xué)性能無損檢測技術(shù)主要方法檢測原理機(jī)械應(yīng)力檢測采用機(jī)械方法施加恒定變形(或載荷)于被測試樣上，測得相應(yīng)的載荷(或變形)，由計算機(jī)系統(tǒng)算出試樣的彈性模量，并推測靜曲強(qiáng)度。振動檢測通過施加外力使試樣產(chǎn)生橫向振動之后，通過傳感器測取試

5、樣的自由振動頻率，計算出試樣的彈性模量。沖擊應(yīng)力波檢測檢測通過試樣的縱向應(yīng)力波的速度，結(jié)合試樣的密度，確定出試樣的彈性模量，對靜曲強(qiáng)度及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度等也可進(jìn)行有效的預(yù)測。射線檢測以射線透射木質(zhì)材料，用射線接收傳感器直接測量窄小范圍內(nèi)透過試樣前后射線強(qiáng)度的變化，根據(jù)射線衰減率以及試樣的平均吸收系數(shù)推算 出木材的密度。超聲波檢測通過測定超聲波經(jīng)過試樣預(yù)定距離的傳播時間計算平均波速，然后可利用波速和密度計算試樣的彈性模量。微波檢測當(dāng)發(fā)射天線發(fā)射的微波遇到被測木材基體并透射時，將由于水分子的強(qiáng)烈吸收作用而使透射功率發(fā)生變化，根據(jù)接收天線接收到的微波的功率變化與含水率之間的關(guān)系，即可測定出木材的含水率。木

6、材按強(qiáng)度性能劃分成幾個等級，稱為應(yīng)力分等。規(guī)格材的應(yīng)力分等是70年代木材行業(yè)的重要研究成果之一，它是合理利用木材，提高木材利用率的有效措施。表1-2為主要的規(guī)格材應(yīng)力分等方法（郝金城，1994）。表1-2 規(guī)格材應(yīng)力分等方法主要方法分等原理目測分等主要根據(jù)木材表面的節(jié)子、紋理、開裂、和腐朽等木材缺陷，在目測觀察的基礎(chǔ)上預(yù)測木材等級的方法。機(jī)械分等根據(jù)木材變形由機(jī)械連續(xù)測量木材的變形，計算木材的靜彈性模量，并從彈性模量和強(qiáng)度的關(guān)系，推測木材的強(qiáng)度值。根據(jù)振動特性由木材的振動特性得出固有頻率，計算木材的動彈性模量，并根據(jù)與強(qiáng)度的關(guān)系，推測木材的強(qiáng)度值。木質(zhì)材料無損檢測與木材應(yīng)力分等都是木質(zhì)材料合理

7、利用的有效技術(shù)手段。對于木材彈性模量的檢測已成為當(dāng)前先進(jìn)的木材分等技術(shù)的基礎(chǔ)，木材力學(xué)強(qiáng)度在線檢測的主要依據(jù)幾乎都是通過測定木材的彈性模量,再根據(jù)已知的彈性模量與強(qiáng)度之間的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)木材的自動分等。利用木材彈性模量的自動檢測來實(shí)現(xiàn)對木材強(qiáng)度自動分級的連續(xù)化生產(chǎn),最典型的是利用機(jī)械應(yīng)力分級(Machine Stress Rating:MSR)技術(shù)對結(jié)構(gòu)規(guī)格材進(jìn)行分等。機(jī)械應(yīng)力分級技術(shù)在北美應(yīng)用的相對較多,在實(shí)際應(yīng)用中,它是結(jié)合人對木材表面的可見缺陷的觀察實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的。另外，規(guī)格材機(jī)械應(yīng)力分等技術(shù)已被一些公司應(yīng)用到對單板層積材(LVL)的強(qiáng)度分級上。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對木材、木質(zhì)材料力學(xué)性質(zhì)和材料

8、表面及內(nèi)部的缺陷進(jìn)行無損檢測，是木材和木質(zhì)材料傳統(tǒng)測試技術(shù)的一次深刻革命。它建立在多學(xué)科的高技術(shù)基礎(chǔ)之上，可使成材和人造板等木質(zhì)材料的質(zhì)量控制得到跨越性的提高，并為其生產(chǎn)過程的工藝窯和自動化提供必備的條件。木質(zhì)材料的在線無損檢測及應(yīng)力分等，能改變傳統(tǒng)分等方法的分等效率低、分等誤差大等缺陷，有快速準(zhǔn)確地對成材和人造板等木質(zhì)材按應(yīng)力或強(qiáng)度水平進(jìn)行區(qū)分、劃等，提高材料的利用水平，同時也避免了因分等不準(zhǔn)造成材料的超值使用所帶來的事故隱患。特別是對一些原本必須用破壞的方法才能檢測的材料性質(zhì)，利用木材無損檢測技術(shù)則將更加顯現(xiàn)其優(yōu)越性。面對森森資源不足、森林質(zhì)量也不高的現(xiàn)狀，如何合理利用、保護(hù)、發(fā)展、增加資

9、源，是緩解我國木材供需矛盾的根本措施。對立木生長特性進(jìn)行無損檢測系統(tǒng)監(jiān)控可控制和促進(jìn)木材量和質(zhì)的提高，制材前的形狀、規(guī)格和缺陷等的無損檢測可提高成材和人造板的質(zhì)量控制水平，防止木材和人造板的人為浪費(fèi)，間接節(jié)省了木材資源；采用在線無損檢測技術(shù)可節(jié)約鋸材，即相對增加鋸材使用量，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益；木質(zhì)材料在線無損檢測可提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；還可提高分級質(zhì)量、節(jié)省前后工序的備料場地，使整個生產(chǎn)線更加暢通，提高了整個生產(chǎn)線的自動化程度。另外，木材按力學(xué)性能分級、分等后進(jìn)行干燥，干燥時應(yīng)力性質(zhì)趨同，有利于干燥過程的控制，可使傳統(tǒng)的含水率和時間控制基準(zhǔn)向應(yīng)力控制基準(zhǔn)過渡，進(jìn)而縮短干燥時間，

10、提高干燥質(zhì)量，減少成本，提高效益。3.2 力學(xué)性能測試原始方法 此節(jié)內(nèi)容為本章的有機(jī)組成部分，請給予保留，不要刪除或移動3.2.1 中心點(diǎn)單載荷彎曲測定法（三點(diǎn)彎曲測試法）圖 1為中心點(diǎn)單載荷彎曲測定法示意圖。木質(zhì)材料試件被簡支在兩端，一個載荷施加在試件中間點(diǎn)并垂直于試件。測定載荷大小和試件中間點(diǎn)的變形量。試件彎曲彈性模量(MOE)可以通過下面方程式計算得到。式中：P載荷（N）,L兩支承間距（m），I慣性距（m4），試件中間點(diǎn)變形（m）。圖 1 中心點(diǎn)單載荷彎曲測定法示意圖3.2.2 雙載荷測定法（四點(diǎn)彎曲測試法）圖 2為雙載荷測定法示意圖。這種方法唯一與前面方法的不同點(diǎn)是，用相距兩端點(diǎn)相等距

11、離的兩個相等載荷代替原來的一個載荷。試件的彎曲彈性模量可以用下面方程式計算得到。式中：a載荷距端點(diǎn)的距離（m）。圖 2 雙載荷測定法示意圖這兩種測定方法，兩端支承的設(shè)計和制作是實(shí)現(xiàn)精確測量的關(guān)鍵之一。理想狀況是兩端支承剛度無窮大，沒有任何縱向位移發(fā)生。另外，測試中試件的水平位移不能被兩端支承限制，而且支承應(yīng)當(dāng)能夠隨試件表面的彎曲變形而轉(zhuǎn)動一定角度。3.3 橫向振動及縱向應(yīng)力波無損評價方法3.3.1 橫向振動無損檢測技術(shù)橫向振動可以用來進(jìn)行木質(zhì)材料的無損檢測。為說明這種方法的基本原理，可以將橫向振動簡化為一個懸掛在彈簧下面的重物所做的振動，如圖 3所示。在圖中，重物M通過一個彈簧被懸掛在一個絕對

12、剛性支承下面，彈簧的剛度為K，彈簧重量可以忽略。振動過程中的阻尼可以簡化為一個阻尼器D。當(dāng)一個交變載荷作用在重物上，則重物M的振動可以用下面方程表示。 (1)圖 3 重物彈性振動模型（左）和橫向振動梁（右）通過求解這個方程式(1)，可以得到系統(tǒng)的K和D。對簡支梁振動系統(tǒng)來講，K就是振動梁的彈性模量。當(dāng)振動梁被簡支在其兩個振動節(jié)點(diǎn)時，有下面求解彈性模量（MOE）成立。 (2)當(dāng)振動梁被簡支在其兩個端點(diǎn)時，有下面求解彈性模量（MOE）成立。 (3)在上面兩個求解彈性模量（MOE）的計算式中：MOE 動態(tài)彈性模量（Pa）fr 響應(yīng)頻率（Hz）W 梁的重量（Kg）L 梁的長度（m）I 梁的慣性距（m4

13、）g 重力加速度（9.8m/s2）對方程式(1)求解，可以同時得到另一個代表內(nèi)部摩擦或阻尼的阻尼器D的參數(shù)。對數(shù)振動衰減量是一個反映內(nèi)部振動阻尼的參數(shù)，在自由振動情況下，可表示為下式。 (4)A1和An分別是兩個相距n-1個振動循環(huán)的振幅。如圖 4a所示圖 4 梁的橫向振動：(a) 自由振動曲線 (b) 受迫振動下的共振響應(yīng)在自由振動情況下，可表示為下式。 (5)式中：f 響應(yīng)曲線上在振幅為A時的共振點(diǎn)兩側(cè)頻率差，fr = 響應(yīng)頻率Ar 共振點(diǎn)處的振幅（圖 4b）。響應(yīng)品質(zhì)（Sharpness of resonance）Q經(jīng)常被用來阻尼大小。Q的定義為： (6)當(dāng)采用半功率點(diǎn)法（half-po

14、wer point method），即時，式(5)可轉(zhuǎn)變?yōu)椋?(7)聯(lián)立(6)、(7)兩式，有3.3.2 應(yīng)力波無損檢測技術(shù)應(yīng)力波作為木質(zhì)材料無損檢測的一種手段，近年來被逐漸重視并應(yīng)用起來。作為無損檢測參數(shù)的主要是應(yīng)力波傳播速度和衰減率。為說明應(yīng)力波技術(shù)，考慮在各向同性粘彈性材料棒中傳播的一維波理論（如圖 5所示）。在圓棒一端被敲擊后，一個壓縮波產(chǎn)生。這個壓縮波開始向前移動，波前沿材料單元被激勵，波后沿材料單元恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)。波長或波前沿和后沿間距，由錘子與圓棒端面接觸時間和波傳播速度決定。壓縮波以不變速度沿圓棒長度方向移動，但單個材料單元點(diǎn)只在波經(jīng)過它的時候有一個很小的移動。在波移動到圓棒另一

15、個端面后，將被反射并成為一個張力波向反方向移動（圖 6）。波的移動速度與敲擊力大小無關(guān)。圖 5 各向同性粘彈性材料棒中傳播的一維波圖 6 正方向的壓縮波和反方向的張力波波的能量隨著其傳播而消散，所以盡管波速保持一定，但單個材料單元的移動值隨著每次波的通過而減小，直至圓棒內(nèi)部所有材料單元趨于靜止。監(jiān)視靠近端部某一截面上一個材料單元點(diǎn)的運(yùn)動情況，會發(fā)現(xiàn)其運(yùn)動為一個個波長相等但幅值逐漸減小的一組正弦脈沖（圖 7）。圖 7 單個材料單元點(diǎn)運(yùn)動與時間關(guān)系測量儀可以通過傳感器測得脈沖波在圓棒中的移動時間，在知道圓棒的長度尺寸后，波的傳播速度可以由下式計算得到。圓棒彈性模量可以在得知應(yīng)力波速度C和材料密度后

16、通過下面算式得到。波的衰減率可以在測得不同脈沖的幅值后，通過算式(4)計算得到。值得注意的是，依據(jù)這個算式得到的應(yīng)力波衰減率與所用激振系統(tǒng)的特性高度相關(guān)。因此，不同研究者在使用不同形式激振系統(tǒng)情況下得到的數(shù)值沒有直接可比性。雖然如此，研究結(jié)果顯示應(yīng)力波的衰減率提供了許多有用的關(guān)于木質(zhì)測量的性能信息。木質(zhì)材料不是各向同性材料，那么根據(jù)在各向同性圓棒中得到的應(yīng)力波傳播理論是否能適用于木質(zhì)材料哪？多位研究者在進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗研究后，發(fā)現(xiàn)在各向同性圓棒中的一維應(yīng)力波傳播理論是可以用來表述木質(zhì)材料應(yīng)力波傳播特性的。一個非常流行的應(yīng)力波無損檢測技術(shù)是簡單地測定應(yīng)力波在木質(zhì)材料中的傳播時間，并通過計算得到應(yīng)力波

17、傳播速度，如圖 8所示。在這個時間測量系統(tǒng)中，機(jī)械性沖擊產(chǎn)生縱向應(yīng)力波波。壓電傳感器被放置在試件上不同位置處，用來感知波的通過。波在兩個傳感器間的傳播時間被記錄，并進(jìn)而可以計算波的傳播速度。圖 8 用來測定應(yīng)力波在木質(zhì)材料中傳播時間的系統(tǒng)表 1為應(yīng)力波在一些不同樹種木材中，單位長度（1米）上的傳播時間?？梢钥吹剑瑧?yīng)力波在平行纖維方向上傳播所用時間短，而在垂直纖維方向上傳播所用時間長。兩者相差較大。表 1 應(yīng)力波在一些木材中的單位長度上傳播時間木材種類含水率（）應(yīng)力波單位長度傳播時間（s/m）平行纖維方向垂直纖維方向樺木(birch)4-6213-174715-676黃楊(yellow popl

18、ar)4-6194-174715-676黑櫻桃(black cherry)4-6207-184689-620紅橡木(red oak)4-6226-177646-571花旗松(Douglas fir)10-11203850-597糖楓(sugar maple)12256-194白蠟樹(white ash)12252-197南方松(southern pine)9200-170西特喀云杉(sitka spruce)101703.4 聲發(fā)射評價在過去幾十年里，有相當(dāng)數(shù)量的聲發(fā)射（Acoustic Emission, AE）研究是針對木材和木質(zhì)復(fù)合材料無損檢測的。聲發(fā)射的產(chǎn)生是源于材料內(nèi)部的應(yīng)力釋放，傳

19、感聲發(fā)射信號通常要用壓電晶體傳感器，且壓電晶體傳感器要設(shè)置在材料表面。聲發(fā)射無損檢測技術(shù)用于木質(zhì)復(fù)合材料源自1960年代。聲發(fā)射無損檢測技術(shù)首先被用于纖維復(fù)合材料的檢測。纖維復(fù)合材料具有許多與木質(zhì)材料相似的性質(zhì)，和木質(zhì)材料一樣，需要特別技術(shù)檢測其內(nèi)部的裂紋缺陷。對金屬材料來講，內(nèi)部裂紋缺陷的檢測采用x射線技術(shù)是個有效的方法。虛弱（或被虛弱）的材料在低應(yīng)力水平下會發(fā)出AE信號。圖 9顯示一個檢測材料內(nèi)部聲發(fā)射應(yīng)力或應(yīng)變波的事例。一個應(yīng)力或應(yīng)變波從材料內(nèi)部裂紋產(chǎn)生傳至材料表面。在材料表面的某些點(diǎn)處，AE傳感器對應(yīng)力變形產(chǎn)生反映，傳感器內(nèi)部的壓電晶體元件將產(chǎn)生電荷信號。如果傳感器是共振型傳感器，則輸

20、出將主要集中在壓電晶體元件的共振頻率處。材料內(nèi)部的單個裂紋破壞，可引起單個或多個AE反映。當(dāng)一個應(yīng)力信號到達(dá)傳感器處并引起一個可感知的輸出，則相當(dāng)于一個信號“沖擊”。圖 9 聲發(fā)射傳感器在材料表面檢測應(yīng)力或應(yīng)變波圖 10顯示了典型的AE信號波形。為消除噪聲的影響，設(shè)定一個底限電壓值。在大部分應(yīng)用場合，底限值設(shè)為稍微高于周圍的噪聲值。在圖中，標(biāo)示了兩個重要的AE信號參數(shù)，一個是信號持續(xù)時間，一個是信號峰值。信號持續(xù)時間為AE信號由開始超越底限值到最后一次超越底限值持續(xù)的時間。信號峰值指最大尖峰的峰值。許多報告總結(jié)了AE信號參數(shù)代表的意義，如高的峰值代表纖維斷裂，而短的持續(xù)時間代表基體材料開裂。在

21、AE信號分析處理中，有關(guān)開裂點(diǎn)（信號源）的判斷是一個非常有挑戰(zhàn)性的工作。當(dāng)然，在分析處理中假設(shè)信號在傳遞過程中沒有被其它意外信號干擾。在一些工作中，信號跨越底限值的次數(shù)被記錄。后來，跨越底限值的次數(shù)被用來評價AE信號的活躍性。某些報告也談到劍峰出現(xiàn)時間，即從首次跨越底限值到出現(xiàn)最大峰值的時間。小的峰值出現(xiàn)時間意味著傳感器距離斷裂點(diǎn)近。另外，斷裂點(diǎn)距離傳感器近，通常表現(xiàn)為AE信號峰值高，信號持續(xù)時間長。圖 10 一個典型的AE信號最簡單的確定裂紋出現(xiàn)位置的方法是根據(jù)信號到達(dá)不同位置傳感器的時間差。在知道信號在材料中傳遞速度的情況下，時間可以轉(zhuǎn)換成距離，然后根據(jù)不同傳感器的方位，確定裂紋位置。3.

22、5 射線法利用X射線或伽瑪射線都能測量材料的密度。利用一系列傳感器，可以測得木質(zhì)材料截面和長度方向的密度分度。節(jié)子的密度較周圍區(qū)域大，所以能測量其位置與尺寸，甚至能繪出其形狀（Bostrm，1999）。這種檢測方法的正確性取決于傳感器的數(shù)量。Schajer（2001）使用X射線多探頭密度掃描儀檢測了24的南方黃松。儀器給出了無缺陷材的特性與節(jié)子的尺寸與位置。并分別使用單探頭與探頭掃描儀估計的彎曲強(qiáng)度。單探頭系統(tǒng)得到的R2值為0.65，而三探頭系統(tǒng)的R2值為0.73。同時還使用了抗彎剛度來估計彎曲強(qiáng)度，其R2值只有0.53。圖 11和圖 12是加拿大科學(xué)家利用Computer Tomograph

23、y (CT) 技術(shù)對原木和單板層積材（Laminated Veneer Lumber, 即LVL）的檢測實(shí)例。前者的目的是檢測原木內(nèi)部的缺陷，這對制材過程中正確確定刀具位置有非常重要的參考作用。后者目的是檢測單板層積材的內(nèi)部粘接質(zhì)量。CT技術(shù)是檢測木質(zhì)材料內(nèi)部質(zhì)量的非常好的方法，目前仍停留在實(shí)驗室階段。如何降低設(shè)備成本、提高生產(chǎn)率、減小操作現(xiàn)場射線污染是正在努力主要方向。 圖 11 CT技術(shù)用于原木內(nèi)部缺陷的檢測圖 12 CT技術(shù)用于LVL內(nèi)部粘接質(zhì)量檢測3.6 鉆孔探測法這種簡單鉆削式檢測法經(jīng)常被用于使用中的木結(jié)構(gòu)檢測，評價木質(zhì)構(gòu)件的健康狀況。這種檢測方法的根本依據(jù)是，當(dāng)木質(zhì)材料的結(jié)實(shí)狀況下

24、降時，木質(zhì)材料會變軟，鉆頭前進(jìn)時的阻力會變小。鉆頭和生長錐是兩種經(jīng)常使用的用于探測木材內(nèi)部缺陷的工具。兩種技術(shù)都是探測木材內(nèi)部缺陷（腐朽、空洞等）的出現(xiàn)，以及內(nèi)部缺陷出現(xiàn)后，剩余部分的厚度。鉆頭和生長錐在許多方面性質(zhì)相同。鉆頭通常采用電鉆驅(qū)動或手曲柄驅(qū)動，鉆頭直徑一般為9.519mm。電鉆速度快，但手曲柄鉆為檢測者提供更多的時間觀察鉆削阻力，感覺內(nèi)部缺陷部分的存在。一般情況下，當(dāng)檢測者發(fā)現(xiàn)鉆頭進(jìn)入變得很容易，說明內(nèi)部有腐朽或空洞存在。最近幾年，一種新的鉆孔探測技術(shù)微鉆阻力探測技術(shù)逐漸流行起來（圖 13）。這種技術(shù)的檢測裝置已經(jīng)商業(yè)化。這種裝置起始于樹木學(xué)家和樹木技師檢測古樹和景觀樹木內(nèi)部的腐朽

25、和空洞情況?，F(xiàn)在也被用來檢測木梁、木立柱、木電線桿等的內(nèi)部腐朽、空洞和白蟻。如圖 14和圖 15所示。Measurement ofmicro needle drill resistance圖 13 微鉆阻力探測技術(shù)圖 14 木建筑檢測圖 15 木質(zhì)電線桿檢測微鉆阻力探測系統(tǒng)檢測鉆削過程中的阻抗力。鉆針頭部直徑3 mm，鉆身直徑1.5 mm。鉆削過程中，鉆針向前進(jìn)給速度一定，因而檢測者可以得知缺陷區(qū)域的具體位置和尺寸。這種儀器輸出一種曲線，用來表示在整個鉆削路徑上鉆削阻力的相對值。這個曲線可以直接被打印，也可以被下載到計算機(jī)中。實(shí)木區(qū)域阻力水平高，空洞區(qū)域阻力水平為零。用戶可以檢測出輕度、中度和

26、重度的腐朽缺陷。檢測到白蟻穴時會呈現(xiàn)這樣特征：由實(shí)木的高阻力，突然變得無阻力。生長錐經(jīng)常被用于檢測樹木的年齡。在用于木材的檢測時，可以提供木材腐朽和空洞等缺陷信息(如圖 16所示)。鉆得的木芯經(jīng)過仔細(xì)檢測可找到木材內(nèi)部是否有腐朽存在證據(jù)。另外，木芯可以用來獲得木質(zhì)結(jié)構(gòu)件上，精確的防腐劑滲透深度和保持深度。根據(jù)木芯也可以判斷木材的樹種。為防止水分和昆蟲的侵入，鉆削留下的孔要用經(jīng)過處理的木塞堵住。 (a)鉆取木芯 (b)觀察木芯以發(fā)現(xiàn)腐朽圖 16 生長錐用于木材檢測錐子或小刀也可作為工具發(fā)現(xiàn)木材近表面腐朽。通常當(dāng)錐子或小刀插入木材內(nèi)部時，如果發(fā)現(xiàn)非常軟、或沒有阻力，同時有碎片掉落，則說明近表面處有

27、腐朽存在。盡管它們是簡單檢測工具，但有經(jīng)驗的人利用它們可以得到非常多的信息。3.7 木質(zhì)材料無損檢測與評價設(shè)備經(jīng)過多年的科學(xué)研究與生產(chǎn)實(shí)踐，多種木質(zhì)材料無損檢測儀器和設(shè)備被研制出來，有些非常成功地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，成為骨干機(jī)型和設(shè)備。此處只介紹常見的當(dāng)前用于生產(chǎn)和科研的儀器設(shè)備。依據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)不同，木質(zhì)材料無損檢測與評價設(shè)備會有不同的分類方法。例如，根據(jù)用途分，可以分為原木檢測儀器、鋸材（包括板材、方材、規(guī)格材）檢測設(shè)備、單板檢測設(shè)備等。根據(jù)檢測原理分，可以分為彎曲類檢測設(shè)備、應(yīng)力波類檢測設(shè)備、振動類檢測設(shè)備、射線類檢測設(shè)備等。3.7.1 原木檢測儀器原木力學(xué)性能的檢測是木材應(yīng)用過程中性能檢測的第

28、一步。新西蘭Fibre-gen公司生產(chǎn)的Director HM200，是基于應(yīng)力波原理的檢測原理彈性模量的無損檢測設(shè)備。圖 17是其工作原理簡圖和使用工作照片。其工作原理是儀器測量錘擊產(chǎn)生的應(yīng)力波由一端向前到另一端，然后返回到起始端面的時間。在事先輸入原木長度的情況下，可以直接得到應(yīng)力波的傳播速度。通常這個速度越大，代表木材的彈性模量越高。 (a) 工作原理簡圖 (b) 工作照片圖 17 用于原木檢測的Director HM2003.7.2 鋸材檢測設(shè)備和儀器3.7.2.1 Metriguard板材應(yīng)力分等設(shè)備Metriguard是美國著名的木質(zhì)材料性能無損檢測設(shè)備制造公司。它生產(chǎn)的板材應(yīng)力分

29、等設(shè)備在世界很多國家都有應(yīng)用。圖 18是這種設(shè)備的工作原理簡圖和照片。它根據(jù)雙向彎曲原理，測量兩個彎曲方向上的位移變形和載荷，進(jìn)而自動計算出被測板材的彈性模量。其最大的優(yōu)點(diǎn)上測量速度快，其型號7200HCLT設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)板材最高914m/min的高速移動在線檢測。非常適合于大批量生產(chǎn)情況。一些公司也將這種設(shè)備用來檢測單板層積材（LVL）的彈性模量，并對其進(jìn)行應(yīng)力分等。(a) 工作原理圖 (b) 設(shè)備照片圖 18 Metriguard公司的板材應(yīng)力分等設(shè)備3.7.2.2 應(yīng)力波類檢測儀器應(yīng)力波類檢測儀器可以作為生產(chǎn)線的一個組成部分，安裝在生產(chǎn)線上使用。但相當(dāng)多的情況是制作成便攜式儀器形式來使用

30、。便攜式應(yīng)力波檢測儀適于鋸材、原木、活立木、木結(jié)構(gòu)等各處檢測。目前國際上比較典型的便攜式應(yīng)力波檢測儀有兩種：匈牙利生產(chǎn)的FAKOPP微秒計和德國公司產(chǎn)的IML微秒計。這兩種儀器都是測量應(yīng)力波由一極傳感器傳播到另一極傳感器間的時間。根據(jù)傳播時間和兩極間的距離，可以計算出被測木質(zhì)材料的彈性模量。 圖 19 FAKOPP微秒計（左）和IML微秒計（右）3.7.2.3 振動類檢測儀器振動類檢測儀器主要根據(jù)板材尤其是規(guī)格材在橫向自由振動后，其共振頻率與木質(zhì)材料的彈性模量間的定量關(guān)系來實(shí)現(xiàn)測量工作。美國Metriguard公司生產(chǎn)的E-Computer在國際上有非常高的知名度。北京林業(yè)大學(xué)研制的同類儀器W

31、SR-061型也取得了非常好的應(yīng)用效果。圖 20為兩種鋸材應(yīng)力分等儀的照片。 圖 20 振動式鋸材應(yīng)力分等儀：Metriguard（左）和北京林業(yè)大學(xué)（右）3.7.3 單板檢測設(shè)備Metriguard的單板檢測設(shè)備2800 DME型可以實(shí)現(xiàn)單板密度、含水率和彈性模量的在線檢測。其最高檢測速度可以達(dá)到130m/min。非常適合工廠化的大批量生產(chǎn)使用。在彈性模量的檢測中，它采用的是超聲波信號，檢測超聲波在其內(nèi)部的傳播速度。圖 21是其實(shí)物照片。圖 21 Metriguard的單板檢測設(shè)備日本為擴(kuò)大國產(chǎn)材用途，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)膠合板和單板層積材研制了“單板強(qiáng)度分級系統(tǒng)”，用于將木材按強(qiáng)度區(qū)分開，利于依強(qiáng)

32、度級別使用木材，加工成強(qiáng)度更高、差異更小的木材加工和人造板產(chǎn)品。這種單板強(qiáng)度分級技術(shù)對木材無任何損壞。該系統(tǒng)通過檢測單板中的縱向超聲波傳遞速度、單板密度，求出單板彎曲彈性模量并依單板強(qiáng)度進(jìn)行分級。系統(tǒng)以2030 m/min的速度，搬運(yùn)厚24mm、寬9001000mm、長19002000mm的單板，以1GPa為單位檢測單板的彎曲彈性模量。使用該系統(tǒng)分級的單板生產(chǎn)單板層積材(25mm910mm1820mm)，按照J(rèn)AS(日本農(nóng)林標(biāo)準(zhǔn))規(guī)定的試驗方法，進(jìn)行單板層積材的彎曲試驗和分析評價結(jié)果表明，單板檢測值與單板層積材的試驗值之間有密切的相關(guān)關(guān)系(平行使用時：R2 = 0.967，縱向使用時：R2 =

33、 0.950)。即通過本系統(tǒng)，可以生產(chǎn)要求彎曲彈性模量的單板層積材，特別是有效利用了國產(chǎn)柳杉材。使用該系統(tǒng)分級，彎曲彈性模量強(qiáng)的部分可以作為符合JAS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)用單板層積材使用，彎曲彈性模量較弱的部分與其他樹種(比如落葉松)混合使用生產(chǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)用單板層積材。該單板強(qiáng)度分級系統(tǒng)簡介如下。1)單板強(qiáng)度分級系統(tǒng)的構(gòu)成單板強(qiáng)度分級系統(tǒng)由“單板搬運(yùn)裝置”、“音速檢測裝置”、“射線密度檢測裝置”、“板厚檢測裝置”組成。采用計算機(jī)及計算機(jī)軟件控制，以2060 m/min進(jìn)給速度檢測單板的彎曲彈性模量。2)彎曲彈性模量的檢測原理采用彎曲強(qiáng)度試驗方法可測定單板的彎曲彈性模量，但是，生產(chǎn)中不可能做這樣的定量檢

34、測，只可以用其他相關(guān)的可檢測項目求出單板的彎曲彈性模量，本分級系統(tǒng)利用以下公式。單板彎曲彈性模量 = 單板密度單板音速的平方。密度檢測：使用射線密度檢測儀；通過穿透被檢測物的射線透過量檢測密度。音速的測定：音速 = 單板長度/傳遞時間?？梢钥闯觯好芏仍礁邚澢鷱椥阅Ａ吭酱螅灰羲僭娇鞆澢鷱椥阅Ａ吭酱?。思考題：1. 常見的木材力學(xué)性能無損檢測技術(shù)有哪些？2. 力學(xué)性能測試原始方法中，“三點(diǎn)彎曲測試法”與“四點(diǎn)彎曲測試法”的區(qū)別是什么？3. 基于橫向振動原理的木質(zhì)材料力學(xué)性能無損檢測技術(shù)的原理是什么？4. 應(yīng)力波無損檢測技術(shù)的理論依據(jù)是什么？5. 微鉆孔檢測法的基本原理是什么？6. 目前常見的木質(zhì)材料無損檢測與評價設(shè)備有哪些？試舉例說明。參考文獻(xiàn)1 郝金城.木材應(yīng)力分等的方法.木工機(jī)床，1994，042 USDA Forest Service. Wood