不同含水率下木構件起裂荷載試驗研究

李猛，陳迪，田康，何佳明，佘艷華

(長江大學 城市建設學院，湖北 荊州 434023)

0 引言

作為一種天然建筑材料，木材在家具裝修、房屋支架和模板支撐等方面應用十分廣泛[1]，使用過程中，也經常會遇到木構件損傷等現象。木材裂紋的萌生、擴展是木構件損傷的重要原因[2-5]，木材內部纖維結構導致其具有較強吸水性[6]，內部水循環加速會使木材內部產生裂紋。斷裂韌性是評價木材初始裂紋破壞行為的重要指標，其準確度取決于起裂荷載大小的確定。含水率對木材力學性能有較大影響，研究不同含水率對木材初始裂紋的影響對提高斷裂韌性評價標準、加強建筑預防性保護具有重要意義。

目前，國內外對木材起裂荷載檢測研究主要以順紋斷裂方面為主[7]，對不同含水率下木材裂紋擴展規律及起裂荷載研究較少。常見的木材損傷斷裂原位檢測手段包括光學顯微鏡法[8]和圖像處理法[9]。林蘭英等[10]利用Matlab軟件對木材表面裂紋圖像進行分割處理，通過統計裂紋數量、距離等以實現對木材表面裂紋的科學動態評價；但這些檢測手段只能呈現木材表面裂紋形態，對木材內部微觀的定量應力應變信息缺乏統一標準。程麗婷等[11]采用應力波技術[12]和微鉆阻力檢測技術[13]對不同含水率落葉松(Larixgmelinii)的材性進行原位檢測研究，探討含水率與木材材性的關系；但這2種檢測技術只能宏觀分析含水率對木材力學性能影響的變化規律，無法提供原位應力應變信息探究木材初始裂紋的擴展行為。因此，為了實現木材微觀裂紋損傷演變變化和起裂荷載的精確分析，迫切需要發展一種新型可靠的方法原位檢測不同含水率下木材裂紋產生的微觀過程。

眾所周知，數字圖像相關(Digital Image Correlation，DIC)技術是一種非接觸式現代光學測量試驗技術，是選定基準圖像后根據數學算法得出試件在試驗過程中的應變位移信息，從而研究材料受力過程中的變形行為，廣泛用于檢測巖石的彈性模量[14]、壓縮應變[15]等。聲發射(Acoustic Emission，AE)有時也稱為應力波發射，其根據材料損傷時產生的瞬時彈性波現象，可以對材料損傷進行定性分析，一般用于研究木材斷裂損傷具體位置方面的問題[16-17]。由于DIC只能觀察試件表面應變變化情況[18]，AE只能對試件內部損傷程度進行定性分析，因此，如何結合二者優點進行原位檢測是研究的重點。涂郡成等[19]利用AE和 DIC技術研究含LT型裂紋的木梁起裂荷載問題，結果表明，AE技術可在木材宏觀變形前檢測木構件內部微損傷，DIC技術能夠宏觀評價木材的應變大小分布和位置，可見，AE和DIC技術可以實現優勢互補。

鑒于此，本研究利用AE和DIC技術原位檢測荷載作用下不同含水率木構件裂紋的萌生規律，基于AE波形數據分析木構件內部起始裂紋的擴展聲學特征，根據DIC技術分析木構件表面裂紋的應變場信息，二者結合探究含水率對木構件損傷演變的規律，以準確判定木構件起裂荷載，有效評估木材損傷程度。

1 試件與設備

1.1 試件設計

采用4組尺寸相同(60 mm×200 mm)的圓柱體杉木(Cunninghamialanceolata)試件，每組3根，樹齡15 a，密度0.365 g/cm3，預制含水率為0%、20%、40%和60%，為便于區分不同含水率試件，分別編號為W-MC-0、W-MC-20、W-MC-40、W-MC-60。試件如圖1所示。

圖1 木材試件Fig.1 Wood specimen

1.2 試驗設備

試驗加載設備包括力學加載試驗機、數字圖像系統和聲發射系統，如圖2所示。

圖2 試驗裝置Fig.2 Wood specimen

2 試驗方法

2.1 木材干燥

為減少影響試驗結果誤差因素，含水率測定時需提前對木材進行干燥處理。根據木材干燥規范要求，將試件置于(80±0)℃烘箱中烘干，累計烘干時間18 h，干燥過程如圖3所示。待木材冷卻后稱重并記錄，誤差小于0.5%說明木材達到絕干狀態，木材干燥情況見表1。

圖3 干燥過程Fig.3 Drying process

表1 木材干燥情況

2.2 試件浸泡與稱重

依據《木材含水率測定方法》(GB/T 1931—2009)測定4組試件含水率，結果見表2。

表2 木材浸泡后質量測定結果Tab.2 Quality determination results of after soakin g

室溫下，將試件按W-MC-0(0 h)、W-MC-20(2.5 h)、W-MC-40(4.5 h)、W-MC-60(6.5 h)時間間隔進行浸泡，每次浸泡后利用電子秤測量，如圖4所示。

圖4 含水率測定Fig.4 Determination of moisture content

2.3 加載設計

試驗加載裝置如圖5所示。采用位移加載方式，加載速率0.2 mm/s，繪制荷載(P)位移(δ)曲線。為減少壓力機與木材間的摩擦噪聲，避免聲發射采集到過多噪聲影響試驗結果，提前對木材施加一定預荷載。聲發射傳感器布置如圖6所示，通道門限值為20 mV，傳感器頻率為50～400 kHz，6通道同步采集，前置放大器增益為40 dB，采樣頻率為2.5 MHz/s。數字圖像系統由CCD相機和記錄分析系統組成，CCD相機置于試件正前方250 mm處，采集木材損傷破壞時的完整圖像。啟動試驗機的同時，觸發聲發射系統和數字圖像系統，三者進行同步采集。

圖5 加載裝置Fig.5 Loading equipment

圖6 傳感器布置Fig.6 Sensor layout

3 結果與分析

3.1 裂紋擴展與聲學參數之間的關系

含水率0%的木材試件加載過程中，聲發射累計振鈴計數、振幅、加載荷載(P)和加載點位移(δ)如圖7所示。試件在50 s時裂紋擴展很明顯，可見加載時間50 s前木材已發生起裂。根據聲學參數和振幅與荷載變化曲線關系，將木材損傷過程分為彈性、起裂和裂紋擴展3個階段。當δ<6.75 mm時，累計振鈴曲線與橫軸近似平行(累計振鈴計數<7 000、振幅<3 500 mV)；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<80 kN)，說明此時木材處于彈性階段，還未發生起裂。從圖7(b)看出，當δ=6.75 mm(t=35 s)時，振幅產生第一個峰值(最大振幅>3 500 mV)，對比圖7(a)發現，t=35 s時累計振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=81 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>6.75 mm時，荷載曲線由最高峰開始下降，可知木材內部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅在2 000～10 000 mV)，說明木材內部裂紋快速增加，直到加載時間t=50 s時木材出現可被觀察的宏觀裂紋，處于裂紋擴展階段。基于以上分析，t=35 s為木材起裂荷載產生時間，對應P=81 kN。同理，對于W-MC-0-2，當δ<6.75 mm時，累計振鈴計數<5 000、振幅<200 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<80 kN)，說明此時木材未發生起裂。從圖7(d)看出，當δ=6.75 mm(t=30 s)時，振幅產生第一個峰值(最大振幅>450 mV)，對比圖7(c)看出發現，當t=30 s時振鈴曲線斜率有一個增大的趨勢(Pmax=79 kN)，說明此時木材處于一個起裂階段。當δ>6.75 mm時，荷載曲線由最高峰值快速下降，說明木材內部損傷加劇，另外同時振幅值快速增加(最大振幅在200～800 mV)，說明木材內部裂紋快速增加。直到加載試件t=50 s時木材出現了可被觀察的宏觀裂紋。綜上所述基于以上分析，t=30 s是為木材起裂荷載產生的時間，對應P=79 kN。對于W-MC-0-3中，當δ<10.02 mm時，累計振鈴計數<7 000、振幅值<200 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<80 kN)，說明此時木材此時未發生起裂。從圖7(f)看出，當δ=10.02 mm(t=28 s)時，振幅值產生第一個峰值(最大振幅>5 000 mV)，對比圖7(e)看出發現，當t=28 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=76 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>10.02 mm時，荷載曲線由最高峰快速下降，可見木材內部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅在200～7 000 mV)，說明木材內部裂紋快速增加，直到加載時間t=50 s時木材出現可被觀察的宏觀裂紋。基于以上分析，t=28 s為木材起裂荷載產生時間，對應P=78 kN。

圖7 聲發射參數(W-MC-0)Fig.7 Acoustic emission parameters (W-MC-0)

含水率20%的木材試件加載過程中，聲發射累計振鈴計數、振幅、加載荷載(P)和加載點位移(δ)如圖8所示。試件在151 s時裂紋擴展很明顯，可見加載時間151 s前木材已發生起裂。根據聲學參數和振幅與荷載變化曲線關系，將木材損傷過程分為彈性、起裂和裂紋擴展3個階段。當δ<4.8 mm時，累計振鈴曲線與橫軸近似平行(累計振鈴計數<5 500、振幅<1 500 mV)，荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<60 kN)，說明此時木材處于彈性階段，還未發生起裂。從圖8(b)看出，當δ=4.8 mm(t=22 s)時，振幅產生第一個峰值(最大振幅>4 000 mV)，對比圖8(a)發現，t=22 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=59 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>4.8 mm時，荷載曲線由最高峰開始下降，可見木材內部損傷加劇，同時振幅在快速增加(最大振幅在1 500～10 000 mV)，說明木材內部裂紋快速增加，直到加載時間t=151 s時木材出現可被觀察的宏觀裂紋，處于裂紋擴展階段。基于以上分析，t=22 s為木材起裂荷載產生時間，對應P=59 kN。同理，對于W-MC-20-2，當δ<4.5 mm時，累計振鈴計數<8 000、振幅<500 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<60 kN)，說明此時木材未發生起裂。從圖8(d)看出，當δ=4.5 mm(t=22 s)時，振幅產生第一個峰值(最大振幅>3 000 mV)，對比圖8(c)發現，t=22 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=58 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>4.5 mm時，荷載曲線由最高峰快速下降，可見木材內部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅為1 500～8 000 mV)，說明木材內部裂紋快速增加，直到t=180 s時木材出現可被觀察的宏觀裂紋。基于以上分析，t=22 s為木材起裂荷載產生時間，對應P=59 kN。對于W-MC-20-3，當δ<4.5 mm時，累計振鈴計數<8 600、振幅<650 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<60 kN)，說明此時木材未發生起裂。從圖8(f)看出，當δ=4.5 mm(t=20 s)時，振幅產生第一個峰值(最大振幅>3 500 mV)，對比圖8(e)發現，t=20 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=56 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>4.5 mm時，荷載曲線由最高峰快速下降，可見木材內部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅為2 000～3 500 mV)，說明木材內部裂紋快速增加，直到t=180 s時木材出現可被觀察的宏觀裂紋。基于以上分析，t=20 s為木材起裂荷載產生時間，對應P=58 kN。

圖8 聲發射參數(W-MC-20)Fig.8 Acoustic emission parameters (W-MC-20)

含水率40%的木材試件加載過程中，聲發射累計振鈴計數、振幅、加載荷載(P)和加載點位移(δ)如圖9所示。試件在176 s時裂紋擴展很明顯，可見加載時間176 s前木材已發生起裂。根據聲學參數和振幅與荷載變化曲線關系，將木材損傷過程分為彈性、起裂和裂紋擴展3個階段。當δ<4.95 mm時，累計振鈴曲線與橫軸近似平行(累計振鈴計數<100、振幅<500 mV)，荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<49 kN)，說明此時木材處于彈性階段，還未發生起裂。從圖9(b)看出，當δ=4.9 mm(t=25 s)時，振幅產生第一個峰值(最大振幅>4 500 mV)，對比圖9(a)發現，t=25 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=49 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>4.95 mm時，荷載曲線由最高峰開始下降，可見木材內部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅為500～12 000 mV)，說明木材內部裂紋快速增加，直到加載時間t=176 s時木材出現可被觀察的宏觀裂紋，處于裂紋擴展階段。基于以上分析，t=25 s為木材起裂荷載產生時間，對應P=49 kN。同理，對于W-MC-40-2，當δ<4.95 mm時，累計振鈴計數<10 000、振幅<2 000 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<60 kN)，說明此時木材未發生起裂。從圖9(d)看出，當δ=4.95 mm(t=18 s)時，振幅產生第一個峰值(最大振幅>4 000 mV)，對比圖9(c)發現，t=18 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=52 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>4.95 mm時，荷載曲線由最高峰快速下降，可見木材內部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅為2 000～10 000 mV)，說明木材內部裂紋快速增加，直到t=119 s時木材出現可被觀察的宏觀裂紋。基于以上分析，t=18 s為木材起裂荷載產生時間，對應P=52 kN。對于W-MC-40-3，當δ<4.95 mm時，累計振鈴計數<8 000、振幅<1 200 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<60 kN)，說明此時木材未發生起裂。從圖9(f)看出，當δ=4.95 mm(t=18 s)時，振幅產生第一個峰值(最大振幅>2 000 mV)，對比圖9(e)發現，t=18 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=51 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>4.95 mm時，荷載曲線由最高峰快速下降，可見木材內部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅為1 000～3 000 mV)，說明木材內部裂紋快速增加，直到t=119 s時木材出現可被觀察的宏觀裂紋。基于以上分析，t=18 s為木材起裂荷載產生時間，對應P=51 kN。

圖9 聲發射參數(W-MC-40)Fig.9 Acoustic emission parameters (W-MC-40)

含水率60%的木材試件加載過程中，聲發射累計振鈴計數、振幅、加載荷載(P)和加載點位移(δ)如圖10所示。試件在265 s時裂紋擴展很明顯，可見加載時間265 s前木材已發生起裂。根據聲學參數和振幅與荷載變化曲線關系，將木材損傷過程分為彈性、起裂和裂紋擴展3個階段。當δ<5.25 mm時，累計振鈴曲線與橫軸近似平行(累計振鈴計數<100、振幅<200 mV)，荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<46 kN)，說明此時木材處于彈性階段，還未發生起裂。從圖10(b)看出，當δ=5.25 mm(t=51 s)時，振幅產生第一個峰值(最大振幅>3 500 mV)，對比圖10(a)發現，t=51 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=46 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>5.25 mm時，荷載曲線由最高峰開始下降，可見木材內部損傷加劇，同時振幅在快速增加(最大振幅為3 500 ～12 000 mV)，說明木材內部裂紋快速增加，直到加載時間t=265 s時木材出現可被觀察的宏觀裂紋，處于裂紋擴展階段。基于以上分析，t=51 s為木材起裂荷載產生時間，對應P=46 kN。同理，對于W-MC-60-2，當δ<5.95 mm時，累計振鈴計數<300、振幅<1 000 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<50 kN)，說明此時木材未發生起裂。從圖10(d)看出，當δ=5.95 mm(t=30 s)時，振幅產生第一個峰值(最大振幅>1 000 mV)，對比圖10(c)發現，t=30 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=48 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>5.95 mm時，荷載曲線由最高峰快速下降，可見木材內部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅為1 000～1 800 mV)，說明木材內部裂紋快速增加，直到t=130 s時木材出現可被觀察的宏觀裂紋。基于以上分析，t=30 s為木材起裂荷載產生時間，對應P=48 kN。對于W-MC-60-3，當δ<5.95 mm時，累計振鈴計數<2 000、振幅<2 000 mV；荷載曲線(P-δ)近似斜直線(P<50 kN)，說明此時木材未發生起裂。從圖10(f)看出，當δ=5.95 mm(t=30 s)時，振幅產生第一個峰值(最大振幅>2 200 mV)，對比圖10(e)發現，t=30 s時振鈴曲線斜率有增大趨勢(Pmax=49 kN)，說明此時木材處于起裂階段。當δ>5.95 mm時，荷載曲線由最高峰快速下降，可見木材內部損傷加劇，同時振幅快速增加(最大振幅為2 000～8 000 mV)，說明木材內部裂紋快速增加，直到t=130 s時木材出現可被觀察的宏觀裂紋。基于以上分析，t=30 s為木材起裂荷載產生時間，對應P=49 kN。

圖10 聲發射參數(W-MC-60)Fig.10 Acoustic emission parameters (W-MC-60)

3.2 數字圖像系統分析結果

試件起裂實際上是表面應變發生的一種突變現象。應用DIC觀測木材裂紋尖端表面應變變化，如圖11所示。根據選取的不同加載點位移對應的木材表面應變云圖可以看出，當δ1=6.75 mm時，含水率0%的木材試件表面最大應變為0.002 5，應變未出現明顯變化。由圖11(a)可知，隨著荷載增加，當δ2=9.1 mm時，試件表面出現部分應力集中區域，最大應變為0.004 5；當δ3=10.9 mm，試件表面應力集中區域色塊出現明顯加深現象，變形集中區域的應變量為0.06，該區域為木材損傷區域(紫色區)。同理，由圖11(b)可知，含水率20%的木材試件，當δ1=4.8 mm時，最大應變為0.001 4(紅色區)；當δ2=31 mm時，最大應變為0.002 5(綠色區)；當δ3=48 mm時，最大應變為0.005(紫色區)。由圖11(c)可知，含水率40%的木材試件，當δ1=4.95 mm時，最大應變為0.001 2(紅色區)；當δ2=31 mm時，最大應變為0.004 8(綠色區)；當δ3=60 mm時，最大應變為0.007(紫色區)。由圖11(d)可知。含水率60%的木材試件，當δ1=5.25 mm時，最大應變為0.001 0(紅色區)；當δ2=32 mm時，最大應變為0.006 0(綠色區)；當δ3=40 mm時，最大應變為0.009 0(紫色區)。基于以上分析可知，DIC能夠對木材裂紋擴展規律進行實時監測。

圖11 木材表面應變云圖Fig.11 Cloud diagram of wood surface strain

4 結論

(1)含水率0%、20%、40%和60%木材對應的起裂荷載強度代表值分別為78.6、58.3、50.6、47.6 kN。同一樹齡下，木材內部含水率越高，木材承載能力越低，且含水率越低的木材在壓縮作用下劈裂現象越明顯。當木材含水率處于40%以上時，在壓縮破壞情況下木材表面裂紋幾乎未出現，說明含水率對木材裂紋擴展具有抵抗作用。

(2)聲發射參數可將木材損傷過程分為彈性、起裂和裂紋擴展3個階段，同時可具體分析木材在不同階段的損傷變化特征。

(3)數字圖像系統能夠有效測量木材表面應變分布情況，根據應力集中區域演變可提前預測裂紋產生位置，驗證了聲發射參數(累計振鈴計數、振幅)對木材裂紋變化規律的預判。

(4)結合聲發射與數字圖像相關技術能夠原位檢測木材損傷過程，為木結構建筑物的維修、保護提供了可靠的方法依據。