结构用木质材料性能无损检测与评价

3 结构用木质材料性能无损检测与评价

3.1 概述

结构用木质材料主要包括规格化锯材（规格材）和重组型木质结构材，除了集成材、结构用人造板、单板层积材(LVL)、单板条层积材(PSL)、大片刨花层积木(LSL)、定向结构刨花板(OSB)等素材以外，还有一些复合制品，如木质工字梁、三角桁架等。这些规格化的结构材，一般被用在梁、墙体、柱体、屋顶桁架等部位，作为建筑的受力构件使用。木质材料的性能要求主要包括：物理性能、力学性能、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。力学性能包括弯曲强度、弹性模量、顺纹抗拉强度、横纹抗拉强度、胶合质量、冲击韧性、握螺钉力等。

木材作为一种历史悠久的天然材料，一直以来在各个行业都有着广泛的应用。但是，木材的材性是各向异性，在其生长过程中会形成各种缺陷，各向异性和缺陷使木材的使用受到了一定的影响，因此需要对其进行检测才能应用到各个领域当中。木材的无损检测技术能在不破坏木材使用价值的基础上做到对木材的使用性能进行评价，因而成为了一种重要的检测技术。对于作为结构用材的木材而言，无损检测中的应力分等技术则是使木材达到最佳使用效果的十分关键的技术。因此，无损检测技术在结构材的合理使用中起到了举足轻重的地位。

结构用集成材、结构用人造板、单板层积材(LVL)、定向结构刨花板(OSB)等都是以木材为基础经过加工成形的木质材料。这些材料正成为当前木结构建筑中的主要应用材料。这些材料在使用前，都有进行力学性能检测和缺陷检测的需要和必要性。

木质材料无损检测技术是一门新兴的、综合性的非破坏性检测技术，可在不破坏木质材料的本身形状、原有结构和原有力学状态的前提下，利用当今的物理方法和手段快速测量出木质材料的尺寸、规格、表面形状和基本物理力学性能。国外的木质材料无损检测技术早在20世纪50年代就开始研究。我国在木质材料无损检测方面的研究起步比较晚，从20世纪70年代末开始应用X射线检测方法对木材缺陷检测进行了试验性研究，而应力分等技术在近十几年逐步开始发展。木质材料无损检测技术是建立在多学科基础上的，在木质材料的监控保护和生产加工中发挥了越来越重要的作

用，促使木质材料传统测试方法发生根本的变革，使木质材料的质量控制和管理达到一个新的水平，为木质材料生产过程的工艺控制和自动化准备了必不可少的条件。

采用无损检测技术检测的木质材料物理力学性能主要包括：弹性模量、静曲强度和内结合强度（这两个指标一般是需要破坏试件的）、密度以及含水率等。目前，对木质材料的物理力学性能进行无损检测的主要方法如表1-1所示。

表1-1 木质材料力学性能无损检测技术

主要方法检测原理

机械应力检测采用机械方法施加恒定变形(或载荷)于被测试样上，测得相应的载荷(或变形)，由计算机系统算出试样的弹性模量，并推测静曲强度。

振动检测通过施加外力使试样产生横向振动之后，通过传感器测取试样的自由振动频率，计算出试样的弹性模量。

冲击应力波检测检测通过试样的纵向应力波的速度，结合试样的密度，确定出试样的弹性模量，对静曲强度及内结合强度等也可进行有效的预测。

射线检测以射线透射木质材料，用射线接收传感器直接测量窄小范围内透过试样前后射线强度的变化，根据射线衰减率以及试样的平均吸收系数推算出木材的密度。

超声波检测通过测定超声波经过试样预定距离的传播时间计算平均波速，然后可利用波速和密度计算试样的弹性模量。

微波检测当发射天线发射的微波遇到被测木材基体并透射时，将由于水分子的强烈吸收作用而使透射功率发生变化，根据接收天线接收到的微波的功率变化与含水率之间的关系，即可测定出木材的含水率。

木材按强度性能划分成几个等级，称为应力分等。规格材的应力分等是70年代木材行业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为主要的规格材应力分等方法（郝金城，1994）。

表1-2 规格材应力分等方法

主要方法分等原理

目测分等主要根据木材表面的节子、纹理、开裂、和腐朽等木材缺陷，在目测观察的基础上预测木材等级的方法。

机械分等根据木材变形由机械连续测量木材的变形，计算木材的静弹性模量，并从弹性模量和强度的关系，推测木材的强度值。

根据振动特性由木材的振动特性得出固有频率，计算木材的动弹性模量，并根据与强度的关系，推测木材的强度值。

木质材料无损检测与木材应力分等都是木质材料合理利用的有效技术手段。对于木材弹性模量的检测已成为当前先进的木材分等技术的基础，木材力学强度在线检测的主要依据几乎都是通过测定木材的弹性模量,再根据已知的弹性模量与强度之间的关系来实现木材的自动分等。利用木材弹性模量的自动检测来实现对木材强度自动分级的连续化生产,最典型的是利用机械应力分级(Machine Stress Rating:MSR)技术对结构规格材进行分等。机械应力分级技术在北美应用的相对较多,在实际应用中,它是结合人对木材表面的可见缺陷的观察实现生产的。另外，规格材机械应力分等技术已被一些公司应用到对单板层积材(LVL)的强度分级上。

随着科学技术的发展，对木材、木质材料力学性质和材料表面及内部的缺陷进行无损检测，是木材和木质材料传统测试技术的一次深刻革命。它建立在多学科的高技术基础之上，可使成材和人造板等木质材料的质量控制得到跨越性的提高，并为其生产过程的工艺窑和自动化提供必备的条件。

木质材料的在线无损检测及应力分等，能改变传统分等方法的分等效率低、分等误差大等缺陷，有快速准确地对成材和人造板等木质材按应力或强度水平进行区分、划等，提高材料的利用水平，同时也避免了因分等不准造成材料的超值使用所带来的事故隐患。特别是对一些原本必须用破坏的方法才能检测的材料性质，利用木材无损检测技术则将更加显现其优越性。

面对森森资源不足、森林质量也不高的现状，如何合理利用、保护、发展、增加资源，是缓解我国木材供需矛盾的根本措施。对立木生长特性进行无损检测系统监控可控制和促进木材量和质的提高，制材前的形状、规格和缺陷等的无损检测可提高成材和人造板的质量控制水平，防止木材和人造板的人为浪费，间接节省了木材资源；采用在线无损检测技术可节约锯材，即相对增加锯材使用量，具有显著的社会效益和经济效益；木质材料在线无损检测可提高生产效率，降低生产成本；还可提高分级质量、节省前后工序的备料场地，使整个生产线更加畅通，提高了整个生产线的自动化程度。另外，木材按力学性能分级、分等后进行干燥，干燥时应力性质趋同，有利于干燥过程的控制，可使传统的含水率和时间控制基准向应力控制基准过渡，进而缩短干燥时间，提高干燥质量，减少成本，提高效益。