竹質工程材彈性模量檢測方法

周先雁，湯 威，王智豐

(中南林業科技大學 土木工程與力學學院，長沙 410004)

竹質工程材料是利用性能優良、可迅速再生的竹子為原材料制造而成，是一種綠色環保、可持續使用的新型工程材料。但由于竹子是一種不規則的薄壁、橢圓錐狀材料，其截面尺寸受到限制，要制作成符合實際需要的工程材料需要復雜的加工程序。竹質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合材料[1]。本研究主要針對以竹片為基本的竹集成材，初步探討并實現對竹集成材彈性模量的檢測。開展對竹質工程材彈性模量檢測方法的研究對保證其產品質量、推廣其在各領域的應用具有重要的意義。

目前，在國內外開展竹質工程材彈性模量無損檢測方法的研究非常少，而在木材領域的應用已非常成熟。在歐美，無損檢測方法已成功運用到原木、復合木材的彈性模量、缺陷的檢測，可實現對古樹蟲害程度的評價，并開發了一批無損檢測設備。其中應用的比較成熟的方法有超聲波法、應力波法和射線掃描等，振動法對研究結構工程材力學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竹材彈性模量檢測的研究。

1 試驗材料和方法

本試驗選用某竹材加工廠生產的單層、雙層和三層竹集成板材，裁取共計24個單板試件。該竹材在同一廠家生產，其含水量和密度相對穩定。本實驗采用超聲波法和沖擊回波法檢測竹材的動彈性模量，再通過與靜載彈性模量作對比，分析其無損方法對竹材彈性模量實現檢測的可行性。

1.1 超聲波法

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

利用以下公式可得竹材動彈性模量[2-3]：

MOEUL=ρc2，

(1)

式中：MOEUL為超聲波法推算的動彈性模量(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力波傳播原理而發展深化的，其主要采集應力波在被測物體內的波形參數來實現檢測的，而本實驗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時間差來計算應力波在竹材表面的傳播速度。本實驗采用的儀器為加拿大OLSON公司生產的IES沖擊回波儀，兩位移傳感器的固定間距30 cm。實驗過程中，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。本實驗研究是將該方法在正交異性材料無損檢測中的一次嘗試，其通過固定間距30 cm范圍內的波速推斷全長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彈性模量[4]：

(2)

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

1.3 靜彈性模量測試方法

基于單向受壓原理，采用兩點加載法測定竹材板的靜彈性模量。試驗的過程中嚴格控制每級加載量和加載速度，確保百分表穩定后讀數。整理試驗數據，繪制荷載-撓度曲線，利用如下公式計算其全跨內的彎曲彈性模量。

(3)

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

2 結果與分析

2.1 試驗結果分析

通過試驗采集的波速來推算竹材的彈性模量，并分析其統計規律，部分統計值見表1。

表1 試驗數據統計特征值

從表1可知，動彈性模量平均值均高于靜彈性模量，其主要原因是不同測試方法所采用測試原理不盡相同，另外還因為竹材是一種粘彈性材料，在靜載荷測試時，木材的變形存在一定的“滯后”效應；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，可知超聲波檢測準確性相對較高；從上表數據可知，靜載實驗所測竹材彈性模量標準差也相對較大，因為竹集成材為竹片膠接，其整體剛度與竹片質量、竹片間的膠接質量有關系，且通過試件數據對比分析，單板靜載彈性模量比雙層板和三層板的離散性相對較大，故單板集成材彈性模量跟膠接質量有關；再者，沖擊回波法推算竹材彈性模量離差相對較大，其可能與沖擊回波儀的不穩定性和個人操作有關(鐵錘激發，隨機性較大)，從這方面看，超聲波法比沖擊回波法穩定性相對要好。

2.2 動、靜彈性模量的相關性分析

為了分析竹材動、靜彈性模量之間的相關性，運用相關分析軟件分別對2種方法測得的動彈性模量與靜彈性模量進行一元線性回歸分析，結果如圖1所示。

圖1 MOEUL與MOEST的關系

圖2 MOEIE與MOEST的關系

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

2.3 樣本彈性模量差值分析

以靜載彈性模量(MOEST)為基準，對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)進行配對差值分析。樣本配對差值分析結果見表2。

表2 配對差值統計特征值

從上表可知，超聲波得到的彈性模量MOEUL與靜彈性模量MOEST的差均值相對較小，為0.43。表明超聲波檢測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中的偏差要小，推測其原因可能為竹纖維比木纖維更緊密，均勻性較好[5-6]。

3 結論和展望

3.1 結 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竹材彈性模量。

(3)試驗結果也表明，超聲波法得到的竹材彈性模量差值均值較小，相關性也相對較高。所以，超聲波法對竹材彈性模量估算相對較準確，且較接近靜載彈性模量值。

3.2 展 望

目前，竹材主要應用于裝飾裝修和建筑模板，而在建筑結構尤其是大跨度結構中的應用還非常少。竹材相比木材具有更高的強度，其韌性也相對較好，但對竹材的基礎研究相對較少，相比國外木材在大跨度橋梁和房建方面的應用，竹質工程材具有廣闊的應用前景。

本研究是基于竹材良好的應用前景而開展的基礎性研究。本實驗主要針對竹集成單板、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竹集成材的彈性模量是可行的。基于本次研究，竹材的無損檢測也將深入到大型集成材、重組材等結構工程材領域，也不僅僅檢測竹材的彈性模量，也將開展竹材的缺陷、膠縫質量等方面的無損檢測，其不同的檢測方法也會應用到竹材的無損檢測中去，如應力波、振動法和射線掃描等。總之，有效竹質工程材的無損檢測方法是保證竹質工程材質量的有效手段，是推廣并保證其安全使用的可靠保證。

【參 考 文 獻】

[1]孫正軍，程 強，江澤慧.竹質工程材料的制造方法與性能[J].復合材料學報，2008，24(1)：80-83.

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

[3]江京輝，呂建雄，任海青，等.3種無損檢測技術評估足尺規格材的靜態彈性模量[J].浙江林學院學報，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.四種方法測木質材料動彈性模量的對比研究[J].森林工程，2011，27(1)：19-22.

[6]孫燕良，張厚江，朱 磊.木材彈性模量無損檢測方法及其研究現狀[J].林業機械與木工設備，2011，39(7)：9-11.