基于應力波的活立木力學特性無損檢測研究進展

張婉婷，王立海

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

進入21世紀以后，社會經濟在快速發展的同時也刺激了人們的物資消費觀念，當前的木材供應量遠遠滿足不了人們日益增長的生活需求。如何針對現有的木材資源提高木材的利用效率，成為國家林業部門研究人員需要急需解決的問題和難題。而利用木材檢測使木材的用途多樣化，是非常實用的一個方法。通過木材檢測不僅可以提高立木的成活率同時也可以降低生產成本，不僅具有一定的理論研究意義同時還具有可觀的經濟價值[1]。傳統的活立木木材檢測主要是借助于在樹干上打洞的方法來確定活立木材質。采用這種方法不僅會對樹本身造成傷害，而且還會使樹木受到真菌感染，導致樹木生長緩慢。無損檢測(Non-destructive Testing)則克服了這一缺點，尤其是應力波無損檢測技術，被廣泛的應用于活立木的材質預測和內部腐朽缺陷檢測[2-9]。本文介紹了應力波無損檢測的原理以及研究進展，分析了影響應力波在活立木中傳播的因素，闡述了基于應力波技術的木材力學特性檢測的現狀和意義，并針對其存在的問題提出了幾點建議。

1 應力波無損檢測原理

將應力波無損檢測方法應用到木材領域源于1959年Jayne[10]提出的假說。應力波在木材中的傳播形式主要有軸向波、橫向波和表面波3種，其中軸向波傳播速度非常迅速，而且所產生的波速對木材的本質傳遞速度非常快，所以通過軸向波檢測完成木材質量的評估是最常用的一種方法。使用應力波技術對木材力學特性進行無損檢測的原理是：木材由于沖擊力帶來的波感，在木材中也會出現同樣的波感，根據木材的彈性模量E，應力波速度C和木材密度ρ之間的關系：E=C2ρ，因此采用應力波技術對木材力學特性進行檢測其實主要是通過測量應力波的波速來完成的。

應力波無損檢測技術是近些年來發展最為迅速的技術之一，被廣泛的應用于立木、原木的力學特性評估、內部缺陷檢測以及古代木結構建筑的無損檢測。這主要是因為應力波相對于其它無損檢測方法具有以下特點[11-16]，見表1。

表1 應力波無損檢測技術的特點

2 基于應力波的活立木力學特性檢測研究動態

2.1 應力波檢測活立木力學特性的研究進展

利用應力波技術評價木材質量起于20世紀50年代，國外一些發達國家相繼開展了對應力波的研究，通過應力波技術達到評估木材質量的目的[17]。在對活立木應力波的傳播速度與木材的強度、剛度和含水率等關系的研究中，Xi ping Wang[18]組成的研究小組對168棵鐵杉和云杉進行了剛度和強度的檢測研究，經過一系列試驗發現，通過應力波技術能夠完成活立木力學特性的預測，同時還可以通過應力波檢測到木材自身出現的變化。2002年Shih-Yin Wu[19]科研小組發現，應力波法可以實現活立木質量的預測，同時在試驗中還發現應力波檢測法具有較強的傳播能力。2005年 Pilon[20]利用60棵紅松、115棵黃松作為研究對象，利用兩種設備進行檢測，一種設備是實驗室的檢測裝置，一種是在市場上購買的Director ST300檢測設備。通過這兩種檢測方式進行試驗以后，接著對得出的數據進行深入分析，最終得知Director ST300可以用于活立木的檢測，并且取得了詳細的數據，建立了基于應力波技術的活立木應用數據庫。林蘭英[21]等以4種人工林桉樹板材為試驗對象，分別采用應力波、超聲波和FFT分析法檢測四種試驗木材的動態彈性模量，結果表明這3種方法都可以較為快速的預測木材的彈性模量。羅彬[22]等運用縱向基頻振動、應力波以及超聲波3種方法對巨尾桉無疵小樣進行了抗壓強度和抗彎強度性質預測，試驗表明用3種方法獲得的靜態彈性模量和動態彈性模量均在0.001水平上顯著相關。眾多的研究試驗表明，應力波無損檢測技術可以對木材力學特性進行估計[23]。

2.2 影響應力波在活立木中傳播的因素研究

應力波在木材中的傳播是一個復雜的動態過程，并且受到很多因素的影響，主要包括以下幾個方面：①木材的性質；②木材的微觀結構；③木材的含水量；④木材的缺陷；⑤木材的形態。現有研究表明：第一，水分是造成木材性質轉變的關鍵因素，Wang[24]通過對白楊與紅松的內部水分進行了研究，研究結果是含水率低于纖維飽和點(約為32%)的時候，含水率升高動彈性模量就會降低，當其內部含水率大于纖維飽和點的時候，應力波傳播速度放慢，動彈性模量基本沒有變化。第二，生長速率也對應力波和活立木性質有一定的影響。應力波和樹木的成長有著非常緊密的關系，雙方處于相輔相承的狀態。第三，活立木表面對應力波的檢測也會產生不同效果，假如活立木表面不是很光滑或者很平整的話，那么選取的抽樣就必須是2～3個側面，最終確定平均值。第四，營林措施對活立木性質以及應力波傳播速度也有一定的影響。為了取得更為科學合理的試驗數據，美國將168棵鐵杉作為研究對象進行檢測，通過檢測得出結果，由于活立木檢測方式的不同，對于整個林地的生物數據控制方式也不同，同時還可以改變木材生長結構。由此得知，應力波檢測與人們的砍伐次數有著很直接的關系。與國外發達國家相比，我國開展應力波的檢測研究還處于初級階段，但是也取得了比較明顯的成果，不僅研究出了砍伐次數和活立木生長之間的關系，同時也對林木的種植，砍伐時間提供了參考依據[25]。雖然對與活立木有關的其他因素還沒有進一步開展研究，不過對于應力波的檢測技術試驗也是下一步主要攻克的方向。

3 基于應力波的活立木力學特性季節動態變化檢測

3.1 木材力學特性變化的原理

木材屬于變化性很強的非人工高分子材料，它的結構與性質形態各異，并且與林木所處的環境有著很為密切的關系。因此可以得出，木材的質量不僅與自身結構有關系，同時也與木材內部的水分，外界環境的氣候和森林覆蓋率有著很緊密的聯系。

木材含水率對木材力學性質的影響，是指纖維飽和點以下木材水分變化時，給木材力學性質帶來的影響。木材內部的水分處于纖維飽和點下，表現出來的強度將會隨著內部水分的降低而升高，當木材內部水分增多時，這時候表現出來的則是木材纖維素的增多，主要原因是木材纖維分子增多。當木材內部水分比纖維點高的時候，那么其表現出來的強度就不會再發生變化。

對于木材物理性質來講溫度起到的作用非常重要。通常情況下，因為室內溫度比較均衡，因此產生的影響不大。不過，在溫度相差較大的情況下，就會產生很大的影響。溫度升高的時候，會造成木材內部水分和內部結構發生變化，同時也會給木材內部造成干枯現象并對木材的強度有直接影響，主要原因在于熱促使細胞壁物質分子運動加劇，內摩擦減少，微纖絲間松動增加，造成木材強度萎縮。由此可見，木材的質量與溫度有著很直接的關系，溫度在-20℃造成的結果是：木材內部結構處于固態，木材的韌性發生很大變化，當溫度上升的時候其形態也逐漸由固定轉向液態。當木材溫度降低的時候，木材中包含的水分就轉變為固態的冰，促進木材強度的提升[26]。

3.2 基于應力波的活立木力學特性季節動態變化檢測

木材力學特性季節動態變化檢測可以動態監測活立木的質量，提高木材的利用率，并且為確定采伐作業的時間提供了依據。由于木材的密度、溫度和含水率隨季節變化而變化，所以木材的力學特性會隨著季節變化而呈現動態改變。

早在1964年，comben[27]在研究木材強度和彈性與溫度之間的關系時發現：溫度由17℃降到-73℃時，12%含水率的木材的彈性模量增加了32%，飽和纖維木材的彈性模量增加了78%，而將木材有23℃加熱到55℃時，木材的彈性模量并沒有發生明顯的變化。Green和Evans[28]檢測了在-26～66℃溫度范圍內的溫度對干、鮮木材的彈性模量的影響時得出：無論干木材還是鮮木材的彈性模量都隨溫度的降低而升高；對于鮮材，在0℃附近彈性模量有明顯的轉折。

溫度和含水率是影響木材的抗彎彈性模量、抗彎強度及順紋抗壓強度等力學性能和應力波傳播速度的兩個重要因素[29-30]。隨溫度降低，各力學指標及應力波傳播速度均在逐漸增大。不同溫度時，木材中應力波傳播速度隨含水率增加均在逐漸下降。其中，在纖維飽和點(約為32%)以下，隨著含水率增大傳播速度下降幅度比較大；而在纖維飽和點以上，下降幅度逐漸趨于平緩。當木材含水率不同時，應力波傳播速度隨溫度下降呈逐漸上升趨勢。其中，含水率低于50%時，傳播速度隨溫度下降呈線性上升趨勢，在0℃附近變化的趨勢是連續的；而含水率高于50%時，傳播速度在0℃上下有較明顯的跳躍，這主要是由于木材中大量自由水發生相變引起的。當然根據樹種的不同，樹木生長環境的不同，活立木的力學特性的改變也會有所不同。

樹木在冬季低溫、干旱的環境下停止生長，處于休眠狀態，其含水率和密度相對于常溫情況有很大的不同，對木材的力學特性也有很大影響。冰點以下，木材的動彈性模量和靜彈性模量受溫度的影響比較顯著，含水率越高，彈性模量相對于常溫狀態下的變化越明顯；冰點以上，木材的動彈性模量和靜彈性模量受溫度的影響不明顯。凍結狀態下應力波的傳播速度普遍高于常溫狀態400～600 m/s，且二者之間存在比較強的線性關系，隨著常溫條件下應力波傳播速度的提高，其凍結狀態下的傳播速度呈上升趨勢，且相關系數在0.8左右；凍結狀態下的木材順紋動彈性模量平均高于常溫狀態46%，徑向的動彈性模量平均高于常溫狀態76%；應力波的縱向傳播速度主要受含水率的影響，二者呈負相關；通常處于溫度較低的情況下，木材吸收的水分保持在纖維點，由于水分的作用促進了應力波的傳播速度，一般數值為0.8上下。不過溫度處于常溫的時候，木材吸收的水分保持在纖維點上，沒有明顯的變化。主要原因處于較低溫度的時候，水分一般都以結晶的形式儲存在木材內部，木材本身有細微的變化，比如說細胞的成分有所提升等，這些因素都會促進應力波傳播速度的加快，造成這種情況的方式還需要進一步試驗。除以此外，不管是處于固態還是液態的情況下，水分對于應力波的傳播速度沒有較大的改變[31]。通過比較研究發現，凍結狀態下木材的剛性和硬度較好，抗形變能力強。

活立木力學特性季節動態變化檢測有很重要的意義。應力波無損檢測活立木力學特性雖然已經有了許多的成果，但是對活立木在不同季節力學特性的動態變化檢測還缺乏系統全面的研究，所以還有待進一步的研究，為合理規劃采伐作業時間提供有效的依據。

4 應力波檢測活立木性質存在的問題和建議

4.1 應力波檢測活立木性質存在的問題

從國內外的研究現狀來看，雖然應力波無損檢測已經過了多年的研究發展，取得了很多成果，但還存在著一些問題：

(1)活立木的立地生境、木材特性、樹種、生長地區等對應力波的測試有一定的影響。

(2)活立木的力學特性會隨著季節而發生動態變化，目前還沒有建立相應的基于應力波的活立木力學特性檢測模型，使之能夠適應這種動態變化。

(3)使用應力波對活立木進行檢測的理論模型、質量預測標準等都還需要做比較深入的研究。

4.2 進一步研究的建議

通過對目前應力波檢測技術存在的問題進行分析，提出以下幾點建議：

(1)進一步研究應力波在木材中的傳播機理，建立相應的數學模型。

(2)隨著計算機技術和傳感器技術的發展以及人工神經網絡技術、遺傳算法的引入，提高對較小木材檢測的精確度。

(3)以活立木在不同溫度和含水率的條件下力學特性的變化為依據，建立一個適應不同季節活立木力學特性檢測的系統，對活立木在不同季節的力學特性進行實時跟蹤。

(4)建立不同地域、不同樹種的活立木應力波傳播速度數據庫，作為應力波檢測和評價活立木質量的依據，應用于森林培育、撫育、采伐及木材加工等領域。

5 結束語

木材是具有變異性的天然高分子材料，其結構導致木材的力學性質是各向異性的，并且受溫度、含水率等的影響，所以對活立木的力學特性進行檢測是十分必要的。利用合理有效的木材檢測技術可以辨別不同木材的性能和品質，減少木材的浪費，也有助于減少未成品木材的亂砍濫伐。木材力學特性季節動態變化檢測可以動態監測木材的質量，提高木材的利用率，并且為合理規劃采伐作業的時間、原木分級和木材高效利用提供了依據。

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