基于超声波无损检测技术的侧压竹集成材力学性能试验研究

刘丰禄,赵 扬,吴传宇,戴俊龙,张鸿江,杨锦添

(福建农林大学 机电工程学院,福建 福州 350108)

在木材资源短缺、木材供需矛盾存在不断加剧的情况下,为解决我国木材供需不平衡的问题,提出了以竹代木的战略发展规划,大力培育优质竹林资源[1]。竹材和木材都是具有各向异性的天然生物质材料,都具有可再生、易降解、力学性能优良等特点。不过,与木材相比,竹材具有更短的生长周期、更强的再生能力以及更优异的力学性能[2-6],我国丰富的竹资源,使得竹材逐渐成为了新的一种工业用材及工程材料,并在家具、建筑工程、桥梁工程、道路工程以及纤维复合材料等领域得到了广泛的应用[7-9]。目前在工程领域应用较广的竹材产品主要包括竹材胶合板、竹集成材、竹重组材、竹帘层积材、竹帘胶合板、竹编胶合材、竹缠绕复合材、竹木复合材以及竹塑复合材等。侧压竹集成材作为竹材胶合板的一种,具有较好的抗拉、抗压及抗弯性能,被广泛应用于家具、建筑地板、车厢面板以及集装箱面板等领域[10-11]。

近些年竹材在建筑工程领域的广泛应用,对于竹材制品的力学性能以及质量的要求更为严格,有关竹材产品的胶合性能以及力学性能,国内外许多学者已经开展了大量的研究,在竹材本身的力学特性[12-13]、生产工艺与力学性能和胶合性能之间的关系[14-16]和建筑结构要求用材[17-19]等方面取得了较好研究成果。但目前大部分有关竹材产品的胶合性能以及力学性能的研究都是在实验室环境下,采用有损甚至破坏的方式对竹材小试样进行测量,以代替评价竹板的胶合性能和力学性能。而采用无损检测手段对竹板等竹材制品进行整板胶合性能及力学性能进行测量和评价的相关研究却非常少,周先雁等[20]采用超声波法和冲击回波法测量了竹质工程材的弹性模量,发现超声波法比冲击回波法更能有效检测竹质工程材弹性模量。周年强等[21]采用超声波对胶合竹的力学性能进行试验研究,发现超声波速与胶合竹的强度、弹性模量具有一定相关性,指出可以基于超声波波速指标对胶合竹试件的强度和弹性模量进行无损检测。许琪[22]对比了超声波、应力波和微钻阻力在重组竹力学性能检测方面的表现,提出了超声波更具优势的观点,并且论证了间接超声波和直接超声波因趋势的一致性均可对竹材进行无损检测评价。

然而,一方面用于工程结构的用材对质量有更为严格要求,另一方面随着我国人造板产业的迅速发展以及生产规模的不断扩大,对于高精度、智能化的自动无损检测设备的需要更为迫切。虽然我国竹板生产厂家很多,但大部分生产厂质量检验的方法是抽取一定比例的成品板截成小试件进行破坏性试验,而采用自动无损检测的方式对竹板整板的力学性能及质量进行评价则未见报道。

本研究采用超声波无损检测技术对侧压竹集成材的力学性能进行研究,通过超声波传播测量试验以及三点弯曲测量试验,分析超声波传播速度与抗弯弹性模量和抗弯强度,以及动态弹性模量与抗弯弹性模量之间的关系,验证超声波无损检测技术是预测和评价侧压竹集成材力学性能的一种潜在的有效手段,研究结果可为竹板力学性能在线自动无损检测设备的研发提供一定的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 侧压竹集成材超声波传播测量试验

1.1.1 试验材料 试验所用5块侧压竹集成材(统一编号为No.1-No.5)来自福建省南平市建瓯市,由福建双羿竹木发展有限公司提供,取用建瓯市当地的毛竹(Phyllostachysedulis)作为基材,去除竹青竹黄后制成竹片,通过侧压胶合工艺制成500 mm×500 mm的竹片胶合板(图1),试验所用侧压竹集成材的数量、尺寸以及热压工艺参数见表1。

图1 侧压竹集成材(1号板)

表1 试验侧压竹集成材的基本参数

1.1.2 试验设备 试验所用超声波传播测量装置为匈牙利产的超声波微秒计(fakopp ultrasonic timer),是一种便携的超声波传播测量设备。超声波微秒计由1个信号处理盒和2个压电传感器组成(图2),该设备的最大分辨率为1 μs。

图2 超声波微秒计

1.1.3 试验方法

1.1.3.1 侧压竹集成材整板超声波传播测量方法 考虑到试验所用的侧压竹集成材的胶合方向并非竹板的厚度方向,为了能够获得足够的超声波测量数据,以1号侧压竹集成材为例,先在与胶合方向垂直的2个板边进行50等分标记,形成50个数据测量点(图3)。

图3 侧压竹集成材超声波测量示意

首先从第1个测量点开始进行竹板超声波传播时间测量,将超声波微秒计的2个传感器分别放置在试验前已经标记好的第1个测量点位置处,并用力压紧在板边表面,不计第1个读数,待稳定后且连续3次出现同一读数时,则读取该数为本次超声波传播时间的测量值,完成第1个测量点。重复上述步骤,依次完成剩余所有测量点的超声波传播时间测量。

待测量完成后,将竹板依据切割加工方案(图4)的第1条加工线将竹板锯开,形成新的被测板边,再重复上述试验步骤完成Ⅱ级板(图4左侧宽度为400 mm的板)超声波传播时间测量。再次依据竹板上的加工线,将竹板按照顺序锯开,重复上述试验步骤依次完成Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级竹板超声波传播时间测量,至此,完成1号侧压竹集成材的超声波传播时间测量试验,完成该块竹板所有数据点的采集。

图4 侧压竹集成材切割加工示意

1.1.3.2 竹板小试样超声波传播测量方法 将侧压竹集成材整板超声波测量试验经过锯切加工所得到的Ⅴ级大小的竹板再依据小试样加工方案(图5)加工成横截面尺寸为20 mm×20 mm,长为250 mm的小试样,用于竹板小试样超声波传播时间测量试验和三点弯曲测量试验。每个竹板大板能得到5块Ⅴ级竹板,而每个Ⅴ级竹板能加工10个小试样,因此,5个侧压竹集成材大板总共可以获得小试样的总数为250个。

图5 侧压竹集成材小试样切割加工示意

重复上述所有试验步骤,再依次完成2、3、4号和5号侧压竹集成材的超声波传播时间测量,完成各个竹板所有数据点的采集。

竹板小试样超声波传播测量试验的测量方法见图6,竹板小试样的2个超声波测量点分别位于试样的2个端侧面,分别记为1号测量点和2号测量点。利用超声波微秒计依次测量竹板小试样1号测量点和2号测量点的超声波传播时间,取两者的平均值作为该竹板小试样超声波传播时间测量值。重复上述步骤,完成全部250个竹板小试样的超声波传播时间测量试验。

图6 侧压竹集成材小试样超声波传播测量示意

1.2 竹板小试样密度测量试验

超声波在材料中的传播速度主要由材料的弹性模量和密度影响,根据式(1)的关系可以简化计算出材料的动态弹性模量(DMOE)。在单独用超声波预测测压竹集成材力学性能之外,结合密度和动态弹性模量进行力学性能预测。

试验材料为竹板小试样密度测量试验所用材料取自竹板超声波传播测量试验的250个竹板小试样。通过密度计测量小试样的密度。竹板小试样的密度测量试验完成后,利用所测得的小试样的密度值和超声波波速计算出竹板小试样的动态弹性模量。

(1)

式中:MOEd为竹板小试样的动态弹性模量;ρ为竹板小试样的密度;vu为竹板小试样的超声波波速。

1.3 竹板小试样三点弯曲试验

1.3.1 试验材料 试验所用材料为竹板小试样超声波传播测量试验的250个小试样,由于竹材物理力学性质(特别是抗弯弹性模量和抗弯强度)试验的试件尺寸目前并无相关国家标准,因此,用于竹板小试样三点弯曲试验的250个竹材小试样的尺寸参考GB/T 1927.9-2021《无疵小试样木材物理力学性质试验方法》(第9部分:抗弯强度测定)和GB/T 1927.10-2021《无疵小试样木材物理力学性质试验方法》(第10部分:抗弯弹性模量测定)中规定的试样尺寸大小,三点弯曲试验所用竹板小试样的尺寸为250 mm×20 mm×20 mm(长×宽×高),跨距设定为200 mm,因此,试样的跨高比为10,满足三点弯曲试验的试样跨高比要求(5.5～20)。

1.3.2 试验设备与方法 三点弯曲试验测量示意图见图7,试验采用CMT4104微机控制电子万能试验机(产自深圳新三思实验设备有限公司)进行,根据竹板试样的长度,将试样跨度设置为200 mm,每个试样进行1次加载试验,加载速度为10 mm·min-1,在1 min内使试样破坏,将试样破坏时的荷载作为最大荷载进行记录。

图7 三点弯曲试验测量示意图

三点弯曲法计算抗弯强度的计算公式如下。

(2)

式中:σb为试样的抗弯强度;Pmax为最大荷载;l为2支座间测试跨距;b为试样宽度;h为试样高度。

三点弯曲法计算抗弯弹性模量的计算公式如下。

(3)

式中:E为试样的抗弯弹性模量;P为上限荷载与下限荷载之差;f为上限荷载、下限荷载对应的试样变形值。

2 结果与分析

2.1 竹板超声波传播测量试验结果与分析

2.1.1 竹板超声波传播速度等值线分布图 将侧压竹集成材超声波传播测量试验所测得超声波传播时间数据经过计算,即将相对应的传播距离除以所测得的传播时间,得到相对应的超声波传播速度,再利用Surfer软件对超声波波速数据进行处理,得到5块侧压竹集成材超声波传播速度等值线分布图(图8),图中颜色越红的区域表示该区域的超声波波速值越大,也就是说超声波在该区域的传播速度越快,颜色越紫的区域表示该区域的超声波波速值越小,也就是说超声波在该区域的传播速度越慢。

图8 5块侧压竹集成材超声波波速等值线分布

由图8可以看出,5号侧压竹集成材中红色区域(超声波波速越大区域)所占面积是5块竹板中最多的,而蓝紫色区域(超声波波速越小区域)所占面积又是5块竹板中最少的,这说明5号侧压竹集成材的胶合效果或者力学性能可能是5块竹板中最好的,因为超声波传播速度越快,表明该区域竹板的胶合效果或力学性能越好。另外,1、2号和4号侧压竹集成材的蓝紫色区域面积及占比相对较大,表明在蓝紫色区域可能存在施胶不均匀或存在气泡等问题,导致该区域竹板的胶合效果或力学性能相对较差,因此,判断1、2号和4号侧压竹集成材的胶合效果或力学性能可能比较接近。对于3号侧压竹集成材,其红色区域面积占比小于5号竹板,而蓝紫色区域占比明显小于1、2号和4号竹板,因此,3号竹板的胶合效果或力学性能可能差于5号竹板,但可能优于1、2号和4号竹板。

为进一步分析5块侧压竹集成材超声波波速之间的差异,利用所测的竹板超声波波速数据计算超声波在整个竹板上的平均波速值,5块侧压竹集成材的计算结果见图9,可以看出,5号侧压竹集成材的平均超声波波速值是最大的,3号侧压竹集成材的平均超声波波速值略小于5号竹板。1号和4号竹板平均超声波波速值接近,而2号竹板平均超声波波速值是最小的。上述分析结果与前述竹板超声波传播速度等值线图的分析结论基本一致,5号竹板的平均超声波波速值最大,说明该竹板的胶合效果或力学性能可能是最好的,另外,3号竹板的平均超声波波速值略低于5号竹板,但高于1、2号和4号竹板,也就是说,3号竹板的胶合效果或力学性能可能差于5号竹板,但可能优于1、2号和4号竹板。因此,超声波无损检测技术可以作为一种潜在技术手段或方法,用于评价和预测侧压竹集成材的胶合效果或者力学性能,超声波传播速度越大,表明侧压竹集成材的胶合效果或者力学性能越好。

图9 侧压竹集成材平均超声波波速

2.2 竹板小试样超声波传播测量与三点弯曲试验结果与分析

2.2.1 竹板小试样的抗弯弹性模量和抗弯强度与超声波波速的关系 通过线性回归分析,得到1～5号板竹板小试样的抗弯弹性模量和抗弯强度与超声波波速的线性回归模型,结果分别见图10、图11。由图10可以看出,侧压竹集成材小试样的抗弯弹性模量与其超声波波速之间存在良好的线性相关关系,两者的决定系数(R2)达到了0.73,这说明可以通过测量侧压竹集成材小试样的超声波波速来对其抗弯弹性模量进行预测和评价。

图11 侧压竹集成材小试样抗弯强度与其超声波波速线性相关分析

另外,由图11可以发现,1～5号板侧压竹集成材小试样的抗弯强度与其超声波波速之间也存在较好的线性相关关系,两者的决定系数(R2)为0.63,也就是说,可以通过测量侧压竹集成材小试样的超声波波速来对其抗弯强度进行预测和评价。综上所述,对于侧压竹集成材小试样,超声波无损检测技术是预测和评价其力学性能(特别是抗弯弹性模量和抗弯强度)的一种有效手段。

2.2.2 竹板小试样动态弹性模量与超声波速度的关系 将1～5号侧压竹集成材小试样通过密度测量试验计算得到的动态弹性模量与超声波速度进行相关性分析,线性回归分析的结果见图12,可以看出,竹板小试样的动态弹性模量和超声波速度之间存在良好的相关性,两者的决定系数(R2)达到了0.97,表明动态弹性模量和超声波之间的线性相关性极强,可以通过动态弹性模量来代替超声波速度进行侧压竹集成材力学性能评估。

图12 侧压竹集成材小试样动态弹性模量与超声波速度的相关性分析

2.2.3 竹板小试样动态弹性模量与抗弯弹性模量的关系 由上文结果,可以使用动态弹性模量进行力学性能评估。因此将1～5号侧压竹集成材小试样通过密度测量试验计算得到的动态弹性模量与通过三点弯曲试验测得的抗弯弹性模量进行相关性分析,线性回归分析的结果见图13,可以看出,竹板小试样的动态弹性模量和抗弯弹性模量之间存在良好的相关性,两者的决定系数(R2)达到了0.80,表明可以通过测量侧压竹集成材小试样的动态弹性模量来对其抗弯弹性模量进行预测和评价。

图13 侧压竹集成材小试样动态弹性模量与抗弯弹性模量的相关性分析

3 结论

即使采用相同的热压工艺参数,各个侧压竹集成材所测得的超声波波速分布存在较为明显的差别,也就是说侧压竹集成材的胶合效果以及力学性能之间还是会存在差异,超声波传播速度越大,表明侧压竹集成材的胶合效果或者力学性能越好,超声波无损检测技术可以作为一种潜在技术手段或方法用于评价和预测侧压竹集成材的胶合效果或者力学性能。

侧压竹集成材小试样的抗弯弹性模量和抗弯强度与其超声波波速之间都存在较好的线性相关关系,两者的决定系数(R2)分别为0.73和0.63,说明可以通过测量侧压竹集成材小试样的超声波波速来对其抗弯弹性模量和抗弯强度进行预测和评价,也就是说超声波无损检测技术是可以用于预测和评价其力学性能(特别是抗弯弹性模量和抗弯强度)的一种有效手段。

动态弹性模量和超声波速度两者的决定系数(R2)达到0.97,说明可以通过侧压竹集成材小试样的动态弹性模量来结合超声波速度和密度进行侧压竹集成材力学性能评估。竹板小试样的动态弹性模量和抗弯弹性模量之间也存在良好的相关性,两者的决定系数(R2)达到了0.80,表明可以通过测量侧压竹集成材小试样的动态弹性模量来对其抗弯弹性模量进行预测和评价。