何佳明，李猛，蔡高潔，胡彬，佘艷華

(長江大學城市建設(shè)學院，荊州 434023)

木材作為一種環(huán)保便捷可再生的天然資源，從古至今都是應(yīng)用和研究的熱點。雪松木主桿直，樹體高大，并且耐寒、耐旱，為世界著名樹種。雪松木質(zhì)地堅實，紋理密集，是一種重要的家具、建筑、橋梁、船舶材料。正常狀態(tài)下的雪松木及其制品均含有一定水分，這些水分會對木材的物理性能產(chǎn)生顯著影響，因此研究含水率對裂紋演化的規(guī)律十分有必要。聲發(fā)射(acoustic emission，AE)技術(shù)作為一種動態(tài)的無損檢測技術(shù)，可以收集木材內(nèi)的瞬時彈性波，再由傳感器處理成電信號，而這些信號中就包含了材料內(nèi)狀態(tài)的信息[1-4]，而含水率會影響波在木材內(nèi)的傳播速度，在一定含水率范圍內(nèi)，兩者成反比[5-8]。袁曉聰?shù)萚9]使用不同年限的木材進行三點彎曲聲發(fā)射試驗，表明聲發(fā)射參數(shù)表現(xiàn)與木材使用年限正相關(guān)。張鈺等[10]通過人工模擬蛀干害蟲取食時的信號，研究得出AE信號在云南松活立木中傳播規(guī)律。程麗婷等[11]以應(yīng)力波和微鉆阻力的檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，深入研究了不同含水率下落葉松木材材性的變化規(guī)律。王明華等[12]通過人為制造木材表面裂紋，研究出木材的AE信號受到表面裂紋的影響。對于膠合木，李新慈等[13]結(jié)合高級規(guī)避技術(shù)(advanced evasion technique，AET)方法，研究證明膠層會影響AE信號的傳播，并且指接膠層對信號傳播速率的影響比膠接膠層更明顯。鞠雙等[14]使用一種基于瞬時頻率的方法，研究總結(jié)出木材損傷過程中的AE信號特征規(guī)律。李揚等[15]以4種含水率云南松木材試件為研究基礎(chǔ)，探尋出不同含水率木材對聲發(fā)射信號和特征的影響。涂郡成等[16]制備含橫紋裂紋木，采用AE與數(shù)字圖像相關(guān)法(digital image correlation,DIC)相結(jié)合的方法監(jiān)測試件的裂紋演化規(guī)律。Francisco等[17]利用AE技術(shù)監(jiān)測碳纖維復(fù)合材料加固的含缺陷舊木梁，研究表面AE技術(shù)可以準確預(yù)測應(yīng)力集中及主損傷位置。將聲發(fā)射技術(shù)用于對木材的檢測已比較成熟，但大多試驗研究只針對單一含水率的木材，而含水率對木材的各項性能均有重要影響，特別是其力學性能，不同含水率下的木材力學性能差異巨大，含水率對木材試件的裂紋演化影響分析還比較欠缺。

基于以上研究成果，現(xiàn)以預(yù)制0、10%、20%、30%、40%及50%含水率的雪松木為研究對象，從材料在不同含水率條件下的聲發(fā)射信號參數(shù)來分析和研究松木裂紋的聲發(fā)射動態(tài)演化特征，尋找不同含水率下松木的裂紋演化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試件為北非雪松木(CedrusatlanticaManetti)，半徑為30 mm，高度為200 mm，密度為0.56 g/cm3，雪松木樹齡為15年。依照《木材含水率測定方法》(GB/T 1931—2009)進行不同含水率木材試件的制備，在試驗開始前，將3組試件標號為TP-1、TP-2、TP-3，每組數(shù)量為6根，試件用烘干機(105±5)℃脫水，后用保鮮膜將每組中一根試件完全包裹，標記為WC0(數(shù)字表示試件的含水率)，再將其他試件取出后分別放入水中充分浸泡，待其含水率分別達到10%、20%、30%、40%、50%之后取出，用濾紙擦去除表面多余水分備用，最后用保鮮膜包裹，并分別標記為WC10、WC20、WC30、WC40、WC50備用。由于所采集的數(shù)據(jù)較多，各組試件的破壞過程規(guī)律相似，所以以TP-2組的試驗數(shù)據(jù)為例，表1即為該組各含水率試件制備過程中的質(zhì)量變化。

表1 試件制備Table 1 Specimen preparation

1.2 試驗方法

試驗所用設(shè)備如圖1、圖2所示，該套設(shè)備由加載系統(tǒng)和聲發(fā)射系統(tǒng)構(gòu)成。采用電子萬能力學試驗機為試件加載，以位移控制加載作為試驗機的加載方式，加載速率為0.2 mm/s；使用DS5型聲發(fā)射檢測系統(tǒng)(北京軟島時代科技)作為聲發(fā)射檢測儀器系統(tǒng)，布置6個傳感器，傳感器位置距底端分別為40、100、140 mm，為降低噪聲，通道門限值設(shè)為25 mV，放大器增益為40 dB，傳感器頻率范圍為50～400 kHz，采樣頻率為2.5 MHz/s，選擇凡士林作為耦合劑。啟動試驗機的同時觸發(fā)聲發(fā)射系統(tǒng)，同步采集試件損傷過程的聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)。

圖1 加載示意圖Fig.1 Loading schematic

圖2 試驗設(shè)備Fig.2 Test equipment

2 結(jié)果與分析

在相同的試驗條件下，對不同含水率松木試件進行加載，收集試件的聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)，探究不同含水率雪松木試件的裂紋演化規(guī)律。依據(jù)聲發(fā)射參數(shù)分析法，選取加載時間、荷載、加載點位移、振鈴計數(shù)、能量參數(shù)數(shù)據(jù)，對0、10%、20%、30%、40%、50%含水率的松木試件加載過程中采集得到的聲發(fā)射信號進行特征分析，得到聲發(fā)射信號歷程圖、聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和累計能量圖、聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)表和聲發(fā)射聲源示意圖。根據(jù)各參數(shù)隨時間變化的過程，可將整個試驗分成5個演化階段：起始增壓階段、彈性變形階段、裂紋滋生階段、裂縫蔓延階段、受壓破壞階段。

2.1 演化階段分析

2.1.1 0含水率的試件

0含水率的試件聲發(fā)射信號如圖3所示。

圖3 WC0聲發(fā)射信號歷程Fig.3 WC0 acoustic emission signal history

起始增壓階段：在0～20 s的范圍內(nèi)，荷載曲線近似為直線。在此階段，試驗機與試件接觸位置發(fā)生屈曲反應(yīng)，試件內(nèi)部產(chǎn)生豎向應(yīng)力，聲發(fā)射信號較小。

彈性變形階段：在20～35 s的范圍內(nèi)，材料的彈性變形隨著荷載不斷增加而增長，試件會產(chǎn)生少量微觀變形破壞，但肉眼并未發(fā)現(xiàn)裂縫，振鈴計數(shù)和能量相應(yīng)增加。

裂紋滋生階段：在35～42 s的范圍內(nèi)，荷載值在P0點達到85.47 kN，試件加載點位移為2.23 mm。試件上出現(xiàn)大量裂紋，裂紋數(shù)目不斷增加，聲發(fā)射振鈴計數(shù)、能量信號急劇增加。從P0點開始，荷載曲線斜率逐步發(fā)生變化，荷載值不斷降低，而試件破壞程度進一步加大。

裂縫蔓延階段：在42～70 s的時間段內(nèi)，試件出現(xiàn)大量肉眼可見的裂縫，破壞程度進一步加深，此時承載力已出現(xiàn)明顯下滑，聲發(fā)射信號降低，在受壓過程中有破裂聲音，加載到Q0點時，荷載曲線斜率發(fā)生了改變，試件破壞嚴重。

受壓破壞階段： 大約70 s后聲發(fā)射信號較為密集，到300 s時試件已基本破壞，該含水率下試件破壞完整度很低。

2.1.2 10%含水率的試件

10%含水率的松木聲發(fā)射信號如圖4所示。

圖4 WC10聲發(fā)射信號歷程Fig.4 WC10 acoustic emission signal history

起始增壓階段：在0～15 s范圍內(nèi)，試驗機加載在10%含水率的松木試件上，聲發(fā)射信號同時產(chǎn)生。相比0含水率的試件，10%含水率的試件屈曲反應(yīng)更加強烈，試件頂端變形更加明顯，但因水分影響，其脆性破壞程度并沒有0含水率的試件嚴重。

彈性變形階段：在15～27 s的范圍內(nèi)，試件振鈴計數(shù)、能量信號不斷上升，試件的損傷程度不斷增大，并且同樣發(fā)生彈性變形，聲發(fā)射信號仍然較小。

裂紋滋生階段：在27～40 s的范圍內(nèi)，試件上裂紋滋生，裂紋擴展聲音較小，試件發(fā)生肉眼可見的彎曲，同時聲發(fā)射信號逐步增大，在P10%點時達到新的峰值，荷載值達到了82.49 kN，試件加載點位移為1.61 mm。P10%點過后試件彎曲程度加大，裂縫迅速擴展。

裂縫擴張階段：在40～45 s的范圍內(nèi)，試件成被壓縮狀態(tài)，加載到Q10%點時，試件已遍布裂縫，裂縫發(fā)展也伴有開裂聲，但對比0含水率的松木試件，10%含水率的松木試件開裂聲音更小，破壞形態(tài)相對較好，在該時間段內(nèi)，聲發(fā)射信號出現(xiàn)較密集高峰。

受壓破壞階段：在45～300 s的范圍內(nèi)，10%含水率的松木試件被壓裂，但其抗壓能力與穩(wěn)定性明顯比0含水率工況下好。

2.1.3 20%含水率的試件

20%含水率的松木聲發(fā)射信號如圖5所示。

圖5 WC20聲發(fā)射信號歷程Fig.5 WC20 acoustic emission signal history

起始增壓階段：在0～8 s范圍內(nèi)，試件受壓產(chǎn)生聲發(fā)射信號，該含水率松木產(chǎn)生的聲發(fā)射信號更小，木材內(nèi)細胞吸水較多。

彈性變形階段：在8～13 s的范圍內(nèi)，試件聲發(fā)射信號逐漸增加，試件上出現(xiàn)水分但不多，釋能較少。

裂紋滋生階段：在13～20 s的范圍內(nèi)，試件受壓被擠出水分，并且出現(xiàn)明顯彎曲，聲發(fā)射信號在P20%點達到新的峰值，最大荷載值為51.83 kN，試件加載點位移為2.38 mm。隨著試驗機壓力的增大，試件不斷冒出水分，試件表面出現(xiàn)肉眼可見的裂縫，但試件開裂聲音較小。

裂縫擴張階段：在20～245 s范圍內(nèi)，試件上裂縫迅速發(fā)展，但同比0和10%含水率的情況，該含水率下裂縫擴展并沒有過于劇烈，試件發(fā)生緩慢側(cè)向偏移，到達Q20%點之后，試件已出現(xiàn)肉眼可見的裂縫。

受壓破壞階段：在245 s后，試件逐漸被擠壓，之后發(fā)生二次開裂，徹底失穩(wěn)。

2.1.4 30%含水率的試件

30%含水率的松木聲發(fā)射信號如圖6所示。

圖6 WC30聲發(fā)射信號歷程 Fig.6 WC30 acoustic emission signal history

起始增壓階段：在0～7 s范圍內(nèi)，30%含水率的試件聲發(fā)射信號同比更弱，荷載曲線近似為直線，且攀升較快，試件隨著受壓而出現(xiàn)水分。

彈性變形階段：在7～11 s范圍內(nèi)，試件表面出現(xiàn)少量水分，試件彎曲比較明顯，釋能逐漸增大。

裂紋滋生階段：在11～21 s的范圍內(nèi)，試件受壓出現(xiàn)屈曲，試件表面被擠出小水珠，試件發(fā)生開裂，但幾乎沒有開裂聲音，而聲發(fā)射信號在P30%點時達到新高峰，荷載達到41.45 kN，加載點位移為3.17 mm。

裂縫擴張階段：在21～227 s范圍內(nèi)，試件受壓變形，在Q30%點時雖聽不到開裂聲音，但試件表面已布裂縫，而試件未發(fā)生比較劇烈的反應(yīng)。

受壓破壞階段：在227～300 s范圍內(nèi)，試件呈被壓縮狀態(tài)，裂縫逐漸拓寬加深。直至試件破壞。

2.1.5 40%含水率的試件

40%含水率的松木聲發(fā)射信號如圖7所示。

圖7 WC40聲發(fā)射信號歷程Fig.7 WC40 acoustic emission signal history

起始增壓階段。在0～5 s范圍內(nèi)，40%含水率的試件聲發(fā)射信號與30%含水率的試件聲發(fā)射信號有所相近，但相對較弱，試件表面迅速出現(xiàn)水分。

彈性變形階段：在5～13 s范圍內(nèi)，試件表面出現(xiàn)水分，試件彎曲相比更加明顯。

裂紋滋生階段：在13～19 s的范圍內(nèi)，試件受壓發(fā)生側(cè)向偏移，但并未有開裂聲音，而聲發(fā)射信號在P40%點時達到高峰，最大承載達到40.66 kN，試件加載點位移為2.79 mm。

裂縫擴張階段：在22～220 s的范圍內(nèi)，試件變形較為嚴重，表面出現(xiàn)大量水珠，試驗臺有小片水分，到達Q40%點時試件已發(fā)生較大形變。

受壓破壞階段：在220～300 s的范圍內(nèi)，試件擠出水分后被擠壓至破壞。

2.1.6 50%含水率的試件

50%含水率的松木聲發(fā)射信號如圖8所示。

圖8 WC50聲發(fā)射信號歷程Fig.8 WC50 acoustic emission signal history

起始增壓階段：在0～5 s范圍內(nèi)，的試件聲發(fā)射信號高峰出現(xiàn)時間縮短，試件有肉眼可見的彎曲變形。

彈性變形階段：在5～10 s范圍內(nèi)，試件表面肉眼可見的水珠，試件發(fā)生明顯變形。

裂紋滋生階段：在10～17 s范圍內(nèi)，試件受壓發(fā)生側(cè)向偏移破壞，試件與壓頭接觸處被擠壓破壞，而聲發(fā)射信號在P50%點時達到高峰，最大荷載為39.50 kN，試件加載點位移為2.13 mm，此時試驗機上已有不少水分。

裂縫擴張階段：在17～170 s范圍內(nèi)，試件隨著受壓逐步發(fā)生側(cè)移，同時被擠出更多水分，試件雖發(fā)生開裂，但裂縫數(shù)量和深度不如其他含水率的試件。

受壓破壞階段：在170～300 s范圍內(nèi)，試件發(fā)生嚴重變形，隨著壓力機運行，變形程度越大，直至破壞。

2.2 聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)分析

表2為不同含水率試件在各個階段聲發(fā)射信號(振鈴計數(shù)、能量)數(shù)據(jù)，隨著試件含水率的提高，聲發(fā)射信號不斷減弱。同一含水率工況下，裂紋滋生階段的聲發(fā)射信號最為強烈，此階段之前的起始增壓階段和彈性變形階段的聲發(fā)射信號隨著加載不斷增強，而此階段之后的裂紋擴張階段和受壓破壞階段的聲發(fā)射信號隨著加載不斷減弱。圖9為不同含水率試件的累計振鈴計數(shù)和累計能量隨時間的變化圖。反映出隨著試件含水率的提高，聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和累計能量均不斷降低。以其中圖9(a)為例，在P0點和Q0點前后，累計振鈴計數(shù)和累計能量曲線斜率均會發(fā)生變化，但P0前后累計振鈴計數(shù)和累計能量曲線的變化幅度比Q0點更大。

表2 聲發(fā)射數(shù)據(jù)Table 2 Acoustic emission data

圖9 聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和累計能量Fig.9 Acoustic emission cumulative ringing count and cumulative energy

2.3 試件破壞分析

將聲發(fā)射采集的數(shù)據(jù)進行處理，可以得到荷載作用下各含水率試件損傷時聲源的位置，如圖10所示。圖11為試件加載結(jié)束后的破壞圖，從圖10、圖11中可以看出，隨著試件含水率的提高，聲源的數(shù)量逐漸變少，含水率為0和10%的試件聲源數(shù)量最多，受壓過程中釋能最大，破壞最嚴重。

紅色點表示聲源的位置，黃色點表示損傷點，藍色點及藍色數(shù)字表示傳感器位置；試件半徑為30 mm，高度為200 mm圖10 聲發(fā)射聲源示意圖Fig.10 Diagram of acoustic emission source

圖11 試件破壞Fig.11 Specimen damage

3 結(jié)論

利用聲發(fā)射(AE)技術(shù)和相關(guān)試驗儀器監(jiān)測不同含水率下松木試件的裂紋演化規(guī)律的試驗研究，通過收集試件加載的聲發(fā)射信號(振鈴計數(shù)、能量)，分析和總結(jié)試驗結(jié)果，得出以下結(jié)論。

(1)運用聲發(fā)射技術(shù)可以監(jiān)測不同含水率松木試件的裂紋演化和破壞程度，能反映出試件內(nèi)部的裂紋發(fā)展與擴張情況。

(2)0含水率的松木試件最大承重能力相比10%含水率下更高，但其裂紋發(fā)展較為劇烈，破壞程度更大，破壞形態(tài)很差，而10%含水率的松木試件裂紋發(fā)展更加平穩(wěn)，20%含水率的松木試件中水分被擠出來后，還會發(fā)生二次破壞，雖然30%含水率的松木試件裂紋發(fā)展平緩，但木材吸水造成承載能力下降，這一情況在40%含水率的松木試件上較為明顯，在50%含水率情況下更加凸顯，而含水率過高還會使破壞形態(tài)發(fā)生變化，出現(xiàn)試件頂端和低端被擠壓偏移的現(xiàn)象。試驗表明水分對松木試件的裂紋發(fā)展情況有明顯影響。

(3)聲發(fā)射技術(shù)在監(jiān)測過程中操作簡便，適用范圍大，精度高，聲發(fā)射信號反映出的參數(shù)特征與試件的破壞情況相符合，研究結(jié)果可在實際工程中作為參考。