周先雁，湯 威，王智豐

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004)

竹質(zhì)工程材料是利用性能優(yōu)良、可迅速再生的竹子為原材料制造而成，是一種綠色環(huán)保、可持續(xù)使用的新型工程材料。但由于竹子是一種不規(guī)則的薄壁、橢圓錐狀材料，其截面尺寸受到限制，要制作成符合實(shí)際需要的工程材料需要復(fù)雜的加工程序。竹質(zhì)工程材料主要包括以竹片為基本單元的竹集成材、以竹篾為基本單元的竹層積材、以竹絲為基本單元的復(fù)合材料[1]。本研究主要針對(duì)以竹片為基本的竹集成材，初步探討并實(shí)現(xiàn)對(duì)竹集成材彈性模量的檢測(cè)。開展對(duì)竹質(zhì)工程材彈性模量檢測(cè)方法的研究對(duì)保證其產(chǎn)品質(zhì)量、推廣其在各領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義。

目前，在國(guó)內(nèi)外開展竹質(zhì)工程材彈性模量無損檢測(cè)方法的研究非常少，而在木材領(lǐng)域的應(yīng)用已非常成熟。在歐美，無損檢測(cè)方法已成功運(yùn)用到原木、復(fù)合木材的彈性模量、缺陷的檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)古樹蟲害程度的評(píng)價(jià)，并開發(fā)了一批無損檢測(cè)設(shè)備。其中應(yīng)用的比較成熟的方法有超聲波法、應(yīng)力波法和射線掃描等，振動(dòng)法對(duì)研究結(jié)構(gòu)工程材力學(xué)性能具有較好的效果，本文主要開展超聲波法和沖擊回波法對(duì)竹材彈性模量檢測(cè)的研究。

1 試驗(yàn)材料和方法

本試驗(yàn)選用某竹材加工廠生產(chǎn)的單層、雙層和三層竹集成板材，裁取共計(jì)24個(gè)單板試件。該竹材在同一廠家生產(chǎn)，其含水量和密度相對(duì)穩(wěn)定。本實(shí)驗(yàn)采用超聲波法和沖擊回波法檢測(cè)竹材的動(dòng)彈性模量，再通過與靜載彈性模量作對(duì)比，分析其無損方法對(duì)竹材彈性模量實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的可行性。

1.1 超聲波法

本實(shí)驗(yàn)采用北京智博聯(lián)科技有限公司生產(chǎn)的ZBL-U520系列非金屬超聲檢測(cè)儀，通過檢測(cè)儀記錄超聲波通過已知距離的時(shí)間計(jì)算超聲波的傳播速度。同時(shí)，為了減小換能器與試件之間空氣的影響，在測(cè)試的過程中，需用黃油作耦合劑。

利用以下公式可得竹材動(dòng)彈性模量[2-3]：

MOEUL=ρc2，

(1)

式中：MOEUL為超聲波法推算的動(dòng)彈性模量(GPA)；ρ為試件密度(kg/cm3)；c為傳播速度。

1.2 沖擊回波法

沖擊回波法是基于應(yīng)力波傳播原理而發(fā)展深化的，其主要采集應(yīng)力波在被測(cè)物體內(nèi)的波形參數(shù)來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的，而本實(shí)驗(yàn)研究通過獲取沖擊回波儀器兩位移傳感器接收的波形信號(hào)時(shí)間差來計(jì)算應(yīng)力波在竹材表面的傳播速度。本實(shí)驗(yàn)采用的儀器為加拿大OLSON公司生產(chǎn)的IES沖擊回波儀，兩位移傳感器的固定間距30 cm。實(shí)驗(yàn)過程中，用力錘在兩傳感器的同一直線上用力敲擊，距最近傳感器為15 cm。本實(shí)驗(yàn)研究是將該方法在正交異性材料無損檢測(cè)中的一次嘗試，其通過固定間距30 cm范圍內(nèi)的波速推斷全長(zhǎng)竹材彈性模量具有一定的局限性。

利用以下公式可得竹材動(dòng)彈性模量[4]：

(2)

式中：MOEIE為沖擊回波法推算的動(dòng)彈性模量(GPA)；ρ為試件密度(kg/cm3)；c為傳播速度；t為傳播時(shí)間。

1.3 靜彈性模量測(cè)試方法

基于單向受壓原理，采用兩點(diǎn)加載法測(cè)定竹材板的靜彈性模量。試驗(yàn)的過程中嚴(yán)格控制每級(jí)加載量和加載速度，確保百分表穩(wěn)定后讀數(shù)。整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制荷載-撓度曲線，利用如下公式計(jì)算其全跨內(nèi)的彎曲彈性模量。

(3)

式中：MOEST為靜載試驗(yàn)所測(cè)彈性模量(GPa)；a為加荷點(diǎn)與反力之間的距離(m)；L為跨距(m)；ΔF為荷載增量(N)；ΔW為中點(diǎn)繞度(m)；I為實(shí)際截面的慣性矩。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過試驗(yàn)采集的波速來推算竹材的彈性模量，并分析其統(tǒng)計(jì)規(guī)律，部分統(tǒng)計(jì)值見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征值

從表1可知，動(dòng)彈性模量平均值均高于靜彈性模量，其主要原因是不同測(cè)試方法所采用測(cè)試原理不盡相同，另外還因?yàn)橹癫氖且环N粘彈性材料，在靜載荷測(cè)試時(shí)，木材的變形存在一定的“滯后”效應(yīng)；超聲波法推算的彈性模量平均值比沖擊回波法推算的彈性模量平均值更接近于靜彈性模量值，可知超聲波檢測(cè)準(zhǔn)確性相對(duì)較高；從上表數(shù)據(jù)可知，靜載實(shí)驗(yàn)所測(cè)竹材彈性模量標(biāo)準(zhǔn)差也相對(duì)較大，因?yàn)橹窦刹臑橹衿z接，其整體剛度與竹片質(zhì)量、竹片間的膠接質(zhì)量有關(guān)系，且通過試件數(shù)據(jù)對(duì)比分析，單板靜載彈性模量比雙層板和三層板的離散性相對(duì)較大，故單板集成材彈性模量跟膠接質(zhì)量有關(guān)；再者，沖擊回波法推算竹材彈性模量離差相對(duì)較大，其可能與沖擊回波儀的不穩(wěn)定性和個(gè)人操作有關(guān)(鐵錘激發(fā)，隨機(jī)性較大)，從這方面看，超聲波法比沖擊回波法穩(wěn)定性相對(duì)要好。

2.2 動(dòng)、靜彈性模量的相關(guān)性分析

為了分析竹材動(dòng)、靜彈性模量之間的相關(guān)性，運(yùn)用相關(guān)分析軟件分別對(duì)2種方法測(cè)得的動(dòng)彈性模量與靜彈性模量進(jìn)行一元線性回歸分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 MOEUL與MOEST的關(guān)系

圖2 MOEIE與MOEST的關(guān)系

由上圖可知，2種方法測(cè)得的動(dòng)彈性模量與靜彈性模量之間均具有比較明顯的線性相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)均大于0.5，可以認(rèn)定有較好的擬和度。因此可判斷，超聲波法和沖擊回波法對(duì)竹集成材彈性模量進(jìn)行檢測(cè)是可行的。超聲波檢測(cè)相關(guān)系數(shù)(R2=0.783)大于沖擊回波法相關(guān)系數(shù)(R2=0.576)，可知，超聲波法檢測(cè)竹材彈性模量相比沖擊回波法檢測(cè)竹材彈性模量線性規(guī)律更明顯。

2.3 樣本彈性模量差值分析

以靜載彈性模量(MOEST)為基準(zhǔn)，對(duì)超聲波法得到的彈性模量(MOEUL)、沖擊回波法得到的彈性模量(MOEIE)與靜彈性模量(MOEST)進(jìn)行配對(duì)差值分析。樣本配對(duì)差值分析結(jié)果見表2。

表2 配對(duì)差值統(tǒng)計(jì)特征值

從上表可知，超聲波得到的彈性模量MOEUL與靜彈性模量MOEST的差均值相對(duì)較小，為0.43。表明超聲波檢測(cè)竹材彈性模量比沖擊回波更接近其靜載彈性模量。本研究中，MOEUL、MOEIE比MOEST分別高出9.7%和18.3，比同種方法在木材彈性模量檢測(cè)中的偏差要小，推測(cè)其原因可能為竹纖維比木纖維更緊密，均勻性較好[5-6]。

3 結(jié)論和展望

3.1 結(jié) 論

(1)超聲波、沖擊回波得到的竹材彈性模量均高于靜載彈性模量。

(2)兩種方法得到的彈性模量與靜載彈性模量有較明顯的線性關(guān)系，R2均大于0.5，因而超聲波法和沖擊回波法都可用來估計(jì)竹材彈性模量。

(3)試驗(yàn)結(jié)果也表明，超聲波法得到的竹材彈性模量差值均值較小，相關(guān)性也相對(duì)較高。所以，超聲波法對(duì)竹材彈性模量估算相對(duì)較準(zhǔn)確，且較接近靜載彈性模量值。

3.2 展 望

目前，竹材主要應(yīng)用于裝飾裝修和建筑模板，而在建筑結(jié)構(gòu)尤其是大跨度結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還非常少。竹材相比木材具有更高的強(qiáng)度，其韌性也相對(duì)較好，但對(duì)竹材的基礎(chǔ)研究相對(duì)較少，相比國(guó)外木材在大跨度橋梁和房建方面的應(yīng)用，竹質(zhì)工程材具有廣闊的應(yīng)用前景。

本研究是基于竹材良好的應(yīng)用前景而開展的基礎(chǔ)性研究。本實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)竹集成單板、雙層板和三層板，采用的方法也只限于超聲波法和沖擊回波法，而其沖擊回波儀也具有一定的局限性。本研究表明，超聲波和沖擊回波用于檢測(cè)竹集成材的彈性模量是可行的?；诒敬窝芯?，竹材的無損檢測(cè)也將深入到大型集成材、重組材等結(jié)構(gòu)工程材領(lǐng)域，也不僅僅檢測(cè)竹材的彈性模量，也將開展竹材的缺陷、膠縫質(zhì)量等方面的無損檢測(cè)，其不同的檢測(cè)方法也會(huì)應(yīng)用到竹材的無損檢測(cè)中去，如應(yīng)力波、振動(dòng)法和射線掃描等?？傊?，有效竹質(zhì)工程材的無損檢測(cè)方法是保證竹質(zhì)工程材質(zhì)量的有效手段，是推廣并保證其安全使用的可靠保證。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]孫正軍，程 強(qiáng)，江澤慧.竹質(zhì)工程材料的制造方法與性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2008，24(1)：80-83.

[2]嵇偉兵，馬靈飛.利用超聲波檢測(cè)杉木抗彎彈性模量[J].浙江林業(yè)科技，2006，26(3)：21-24.

[3]江京輝，呂建雄，任海青，等.3種無損檢測(cè)技術(shù)評(píng)估足尺規(guī)格材的靜態(tài)彈性模量[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，25(3)：277-281.

[4]Wang X，Ross R J，Eriskson J，et al.Nondestructive Evaluation of standing trees with stress wave methods[A].Proceedings of 12 international Symposium on Nondestructive Testing of Wood[C]，2000：197-206.

[5]齊永峰，徐華東，王立海.四種方法測(cè)木質(zhì)材料動(dòng)彈性模量的對(duì)比研究[J].森林工程，2011，27(1)：19-22.

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