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围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。

3.2 力学性能测试原始方法 ――此节容为本章的有机组成部分，请给予保留，不要删除或移动
3.2.1 中心点单载荷弯曲测定法（三点弯曲测试法）
图 1为中心点单载荷弯曲测定法示意图。

木质材料试件被简支在两端，一个载荷施加在试件中间点并垂直于试件。

测定载荷大小和试件中间点的变形量。

试件弯曲弹性模量(MOE)可以通过下面方程式计算得到。

δ
I PL MOE 483= 式中：
P ――载荷（N ）,
L ――两支承间距（m ），
I ――惯性距（m 4），
δ――试件中间点变形（m ）。

图 1 中心点单载荷弯曲测定法示意图
3.2.2 双载荷测定法（四点弯曲测试法）
图 2为双载荷测定法示意图。

这种方法唯一与前面方法的不同点是，用相距两端点相等距离的两个相等载荷代替原来的一个载荷。

试件的弯曲弹性模量可以用下面方程式计算得到。

δ
I a L Pa MOE 48)43(22-= 式中：a ――载荷距端点的距离（m ）。

图 2 双载荷测定法示意图
这两种测定方法，两端支承的设计和制作是实现精确测量的关键之一。

理想状况是两端支承刚度无穷大，没有任何纵向位移发生。

另外，测试中试件的水平位移不能被两端支承限制，而且支承应当能够随试件表面的弯曲变形而转动一定角度。

3.3 横向振动及纵向应力波无损评价方法
3.3.1 横向振动无损检测技术
横向振动可以用来进行木质材料的无损检测。

为说明这种方法的基本原理，可以将横向振动简化为一个悬挂在弹簧下面的重物所做的振动，如图 3所示。

在图中，重物M 通过一个弹簧被悬挂在一个绝对刚性支承下面，弹簧的刚度为K ，弹簧重量可以忽略。

振动过程中的阻尼可以简化为一个阻尼器D 。

当一个交变载荷t P ωsin 0作用在重物上，则重物M 的振动可以用下面方程表示。

t P Kx dt dx D dt x d M ωsin 022=+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛ (1)
图 3 重物弹性振动模型（左）和横向振动梁（右）
通过求解这个方程式(1)，可以得到系统的K 和D 。

对简支梁振动系统来讲，K 就是振动梁的弹性模量。

当振动梁被简支在其两个振动节点时，有下面求解弹性模量（MOE ）成立。

Ig
W L f MOE r 65.1232= (2) 当振动梁被简支在其两个端点时，有下面求解弹性模量（MOE ）成立。

Ig W
L f MOE r 46.232= (3) 在上面两个求解弹性模量（MOE ）的计算式中：
MOE ＝ 动态弹性模量（Pa ）
f r ＝ 响应频率（Hz ）
W ＝ 梁的重量（Kg ）
L ＝ 梁的长度（m ）
I ＝ 梁的惯性距（m 4）
g ＝ 重力加速度（9.8m/s 2）
对方程式(1)求解，可以同时得到另一个代表部摩擦或阻尼的阻尼器D 的参数。

对数振动衰减量δ是一个反映部振动阻尼的参数，在自由振动情况下，可表示为下式。

n
A A n 1ln 11-=δ (4) A 1和A n 分别是两个相距n-1个振动循环的振幅。

如图 4a 所示
图 4 梁的横向振动：(a) 自由振动曲线 (b) 受迫振动下的共振响应
在自由振动情况下，可表示为下式。

1)/(12-∆=A A f f
r r πδ (5)
式中：
Δf ＝ 响应曲线上在振幅为A 时的共振点两侧频率差，
f r = 响应频率
A r ＝ 共振点处的振幅（图 4b ）。

响应品质（Sharpness of resonance ）Q 经常被用来阻尼大小。

Q 的定义为： f f Q r = (6) 当采用半功率点法（half-power point method ），即r A A 707.0=时，式(5)可转变为：
r f f
∆=πδ (7)
联立(6)、(7)两式，有
δ
π=Q
3.3.2 应力波无损检测技术
应力波作为木质材料无损检测的一种手段，近年来被逐渐重视并应用起来。

作为无损检测参数的主要是应力波传播速度和衰减率。

为说明应力波技术，考虑在各向同性粘弹性材料棒中传播的一维波理论（如图 5所示）。

在圆棒一端被敲击后，一个压缩波产生。

这个压缩波开始向前移动，波前沿材料单元被激励，波后沿材料单元恢复静止状态。

波长或波前沿和后沿间距，由锤子与圆棒端面接触时间和波传播速度决定。

压缩波以不变速度沿圆棒长度方向移动，但单个材料单元点只在波经过它的时候有一个很小的移动。

在波移动到圆棒另一个端面后，将被反射并成为一个力波向反方向移动（图 6）。

波的移动速度与敲击力大小无关。

图 5 各向同性粘弹性材料棒中传播的一维波
图 6 正方向的压缩波和反方向的力波
波的能量随着其传播而消散，所以尽管波速保持一定，但单个材料单元的移动值随着每次波的通过而减小，直至圆棒部所有材料单元趋于静止。

监视靠近端部某一截面上一个材料单元点的运动情况，会发现其运动为一个个波长相等但幅值逐渐减小的一组正弦脉冲（图 7）。

图 7 单个材料单元点运动与时间关系
测量仪可以通过传感器测得脉冲波在圆棒中的移动时间，在知道圆棒的长度尺寸后，波的传播速度可以由下式计算得到。

t L
C ∆=2
圆棒弹性模量可以在得知应力波速度C 和材料密度ρ后通过下面算式得到。

ρ2C MOE =
波的衰减率可以在测得不同脉冲的幅值后，通过算式(4)计算得到。

值得注意的是，依据这个算式得到的应力波衰减率与所用激振系统的特性高度相关。

因此，不同研究者在使用不同形式激振系统情况下得到的数值没有直接可比性。

虽然如此，研究结果显示应力波的衰减率提供了许多有用的关于木质测量的性能信息。

木质材料不是各向同性材料，那么根据在各向同性圆棒中得到的应力波传播理论是否能适用于木质材料哪？多位研究者在进行相关实验研究后，发现在各向同性圆棒中的一维应力波传播理论是可以用来表述木质材料应力波传播特性的。

一个非常流行的应力波无损检测技术是简单地测定应力波在木质材料中的传播时间，并通过计算得到应力波传播速度，如图 8所示。

在这个时间测量系统中，机械性冲击产生纵向应力波波。

压电传感器被放置在试件上不同位置处，用来感知波的通过。

波在两个传感器间的传播时间被记录，并进而可以计算波的传播速度。

图 8 用来测定应力波在木质材料中传播时间的系统
表 1为应力波在一些不同树种木材中，单位长度（1米）上的传播时间。

可以看到，应力波在平行纤维方向上传播所用时间短，而在垂直纤维方向上传播所用时间长。

两者相差较大。

表 1 应力波在一些木材中的单位长度上传播时间
木材种类含水率
（％）应力波单位长度传播时间（μs/m）平行纤维方向垂直纤维方向
桦木(birch) 4-6 213--174 715--676
黄(yellow poplar) 4-6 194--174 715--676
黑樱桃(black cherry) 4-6 207--184 689--620
红橡木(red oak) 4-6 226--177 646--571
花旗松(Douglas fir) 10-11 203 850--597
糖枫(sugar maple) 12 256--194
白蜡树(white ash) 12 252--197
南方松(southern pine) 9 200-170
西特喀云杉(sitka spruce) 10 170
3.4 声发射评价
在过去几十年里，有相当数量的声发射（Acoustic Emission, AE）研究是针对木材和木质复合材料无损检测的。

声发射的产生是源于材料部的应力释放，传感声发射信号通常要用压电晶体传感器，且压电晶体传感器要设置在材料表面。

声发射无损检测
技术用于木质复合材料源自1960年代。

声发射无损检测技术首先被用于纤维复合材料的检测。

纤维复合材料具有许多与木质材料相似的性质，和木质材料一样，需要特别技术检测其部的裂纹缺陷。

对金属材料来讲，部裂纹缺陷的检测采用x射线技术是个有效的方法。

虚弱（或被虚弱）的材料在低应力水平下会发出AE信号。

图 9显示一个检测材料部声发射应力或应变波的事例。

一个应力或应变波从材料部裂纹产生传至材料表面。

在材料表面的某些点处，AE传感器对应力变形产生反映，传感器部的压电晶体元件将产生电荷信号。

如果传感器是共振型传感器，则输出将主要集中在压电晶体元件的共振频率处。

材料部的单个裂纹破坏，可引起单个或多个AE反映。

当一个应力信号到达传感器处并引起一个可感知的输出，则相当于一个信号“冲击”。

图 9 声发射传感器在材料表面检测应力或应变波
图10显示了典型的AE信号波形。

为消除噪声的影响，设定一个底限电压值。

在大部分应用场合，底限值设为稍微高于周围的噪声值。

在图中，标示了两个重要的AE 信号参数，一个是信号持续时间，一个是信号峰值。

信号持续时间为AE信号由开始超越底限值到最后一次超越底限值持续的时间。

信号峰值指最大尖峰的峰值。

许多报告总结了AE信号参数代表的意义，如高的峰值代表纤维断裂，而短的持续时间代表基体材料开裂。

在AE信号分析处理中，有关开裂点（信号源）的判断是一个非常有挑战性的工作。

当然，在分析处理中假设信号在传递过程中没有被其它意外信号干扰。

在一些工作中，信号跨越底限值的次数被记录。

后来，跨越底限值的次数被用来评价AE信号的活跃性。

某些报告也谈到剑峰出现时间，即从首次跨越底限值到出现最大峰值的
时间。

小的峰值出现时间意味着传感器距离断裂点近。

另外，断裂点距离传感器近，通常表现为AE信号峰值高，信号持续时间长。

图 10 一个典型的AE信号
最简单的确定裂纹出现位置的方法是根据信号到达不同位置传感器的时间差。

在知道信号在材料中传递速度的情况下，时间可以转换成距离，然后根据不同传感器的方位，确定裂纹位置。

3.5 射线法
利用X射线或伽玛射线都能测量材料的密度。

利用一系列传感器，可以测得木质材料截面和长度方向的密度分度。

节子的密度较周围区域大，所以能测量其位置与尺寸，甚至能绘出其形状（Boström，1999）。

这种检测方法的正确性取决于传感器的数量。

Schajer（2001）使用X射线多探头密度扫描仪检测了2×4的南方黄松。

仪器给出了无缺陷材的特性与节子的尺寸与位置。

并分别使用单探头与探头扫描仪估计的弯曲强度。

单探头系统得到的R2值为0.65，而三探头系统的R2值为0.73。

同时还使用了抗弯刚度来估计弯曲强度，其R2值只有0.53。

图11和图12是加拿大科学家利用Computer Tomography (CT)技术对原木和单板层积材（Laminated Veneer Lumber, 即LVL）的检测实例。

前者的目的是检测原木部的缺陷，这对制材过程中正确确定刀具位置有非常重要的参考作用。

后者目的是检测单板层积材的部粘接质量。

CT技术是检测木质材料部质量的非常好的方法，目前仍停留
在实验室阶段。

如何降低设备成本、提高生产率、减小操作现场射线污染是正在努力主要方向。

图 11 CT技术用于原木部缺陷的检测
图 12 CT技术用于LVL部粘接质量检测
3.6 钻孔探测法
这种简单钻削式检测法经常被用于使用中的木结构检测，评价木质构件的健康状况。

这种检测方法的根本依据是，当木质材料的结实状况下降时，木质材料会变软，钻头前进时的阻力会变小。

钻头和生长锥是两种经常使用的用于探测木材部缺陷的工具。

两种技术都是探测木材部缺陷（腐朽、空洞等）的出现，以及部缺陷出现后，剩余部分的厚度。

钻头和生长锥在许多方面性质相同。

钻头通常采用电钻驱动或手曲柄驱动，钻头直径一般为9.5—19mm。

电钻速度快，但手曲柄钻为检测者提供更多的时间观察钻削阻力，感觉
部缺陷部分的存在。

一般情况下，当检测者发现钻头进入变得很容易，说明部有腐朽或空洞存在。

最近几年，一种新的钻孔探测技术――微钻阻力探测技术逐渐流行起来（图
13）。

这种技术的检测装置已经商业化。

这种装置起始于树木学家和树木技师检测古树和景观树木部的腐朽和空洞情况。

现在也被用来检测木梁、木立柱、木电线杆等的部腐朽、空洞和白蚁。

如图 14和图 15所示。

图 13 微钻阻力探测技术
图 14 木建筑检测
图 15 木质电线杆检测
微钻阻力探测系统检测钻削过程中的阻抗力。

钻针头部直径 3 mm ，钻身直径 1.5 mm 。

钻削过程中，钻针向前进给速度一定，因而检测者可以得知缺陷区域的具体位置和尺寸。

这种仪器输出一种曲线，用来表示在整个钻削路径上钻削阻力的相对值。

这
个曲线可以直接被打印，也可以被下载到计算机中。

实木区域阻力水平高，空洞区域Measurement of
micro needle drill resistance
阻力水平为零。

用户可以检测出轻度、中度和重度的腐朽缺陷。

检测到白蚁穴时会呈现这样特征：由实木的高阻力，突然变得无阻力。

生长锥经常被用于检测树木的年龄。

在用于木材的检测时，可以提供木材腐朽和空洞等缺陷信息(如图16所示)。

钻得的木芯经过仔细检测可找到木材部是否有腐朽存在证据。

另外，木芯可以用来获得木质结构件上，精确的防腐剂渗透深度和保持深度。

根据木芯也可以判断木材的树种。

为防止水分和昆虫的侵入，钻削留下的孔要用经过处理的木塞堵住。

(a)钻取木芯 (b)观察木芯以发现腐朽
图 16 生长锥用于木材检测
锥子或小刀也可作为工具发现木材近表面腐朽。

通常当锥子或小刀插入木材部时，如果发现非常软、或没有阻力，同时有碎片掉落，则说明近表面处有腐朽存在。

尽管它们是简单检测工具，但有经验的人利用它们可以得到非常多的信息。

3.7 木质材料无损检测与评价设备
经过多年的科学研究与生产实践，多种木质材料无损检测仪器和设备被研制出来，有些非常成功地应用于实际生产，成为骨干机型和设备。

此处只介绍常见的当前用于生产和科研的仪器设备。

依据分类标准不同，木质材料无损检测与评价设备会有不同的分类方法。

例如，根据用途分，可以分为原木检测仪器、锯材（包括板材、方材、规格材）检测设备、单板检测设备等。

根据检测原理分，可以分为弯曲类检测设备、应力波类检测设备、振动类检测设备、射线类检测设备等。

3.7.1原木检测仪器
原木力学性能的检测是木材应用过程中性能检测的第一步。

新西兰Fibre-gen公司生产的Director HM200，是基于应力波原理的检测原理弹性模量的无损检测设备。

图17是其工作原理简图和使用工作照片。

其工作原理是仪器测量锤击产生的应力波由一端向前到另一端，然后返回到起始端面的时间。

在事先输入原木长度的情况下，可以直接得到应力波的传播速度。

通常这个速度越大，代表木材的弹性模量越高。

(a) 工作原理简图 (b) 工作照片
图 17 用于原木检测的Director HM200
3.7.2锯材检测设备和仪器
3.7.2.1 Metriguard板材应力分等设备
Metriguard是美国著名的木质材料性能无损检测设备制造公司。

它生产的板材应力分等设备在世界很多国家都有应用。

图 18是这种设备的工作原理简图和照片。

它根据双向弯曲原理，测量两个弯曲方向上的位移变形和载荷，进而自动计算出被测板材的弹性模量。

其最大的优点上测量速度快，其型号7200HCLT设备，可以实现板材最高914m/min的高速移动在线检测。

非常适合于大批量生产情况。

一些公司也将这种设备用来检测单板层积材（LVL）的弹性模量，并对其进行应力分等。

(a) 工作原理图 (b) 设备照片
3.3
length
velocity = 2 x length / time
stiffness density x velocity
2。