基于超聲波無損檢測技術的側壓竹集成材力學性能試驗研究

劉豐祿,趙 揚,吳傳宇,戴俊龍,張鴻江,楊錦添

(福建農林大學 機電工程學院,福建 福州 350108)

在木材資源短缺、木材供需矛盾存在不斷加劇的情況下,為解決我國木材供需不平衡的問題,提出了以竹代木的戰略發展規劃,大力培育優質竹林資源[1]。竹材和木材都是具有各向異性的天然生物質材料,都具有可再生、易降解、力學性能優良等特點。不過,與木材相比,竹材具有更短的生長周期、更強的再生能力以及更優異的力學性能[2-6],我國豐富的竹資源,使得竹材逐漸成為了新的一種工業用材及工程材料,并在家具、建筑工程、橋梁工程、道路工程以及纖維復合材料等領域得到了廣泛的應用[7-9]。目前在工程領域應用較廣的竹材產品主要包括竹材膠合板、竹集成材、竹重組材、竹簾層積材、竹簾膠合板、竹編膠合材、竹纏繞復合材、竹木復合材以及竹塑復合材等。側壓竹集成材作為竹材膠合板的一種,具有較好的抗拉、抗壓及抗彎性能,被廣泛應用于家具、建筑地板、車廂面板以及集裝箱面板等領域[10-11]。

近些年竹材在建筑工程領域的廣泛應用,對于竹材制品的力學性能以及質量的要求更為嚴格,有關竹材產品的膠合性能以及力學性能,國內外許多學者已經開展了大量的研究,在竹材本身的力學特性[12-13]、生產工藝與力學性能和膠合性能之間的關系[14-16]和建筑結構要求用材[17-19]等方面取得了較好研究成果。但目前大部分有關竹材產品的膠合性能以及力學性能的研究都是在實驗室環境下,采用有損甚至破壞的方式對竹材小試樣進行測量,以代替評價竹板的膠合性能和力學性能。而采用無損檢測手段對竹板等竹材制品進行整板膠合性能及力學性能進行測量和評價的相關研究卻非常少,周先雁等[20]采用超聲波法和沖擊回波法測量了竹質工程材的彈性模量,發現超聲波法比沖擊回波法更能有效檢測竹質工程材彈性模量。周年強等[21]采用超聲波對膠合竹的力學性能進行試驗研究,發現超聲波速與膠合竹的強度、彈性模量具有一定相關性,指出可以基于超聲波波速指標對膠合竹試件的強度和彈性模量進行無損檢測。許琪[22]對比了超聲波、應力波和微鉆阻力在重組竹力學性能檢測方面的表現,提出了超聲波更具優勢的觀點,并且論證了間接超聲波和直接超聲波因趨勢的一致性均可對竹材進行無損檢測評價。

然而,一方面用于工程結構的用材對質量有更為嚴格要求,另一方面隨著我國人造板產業的迅速發展以及生產規模的不斷擴大,對于高精度、智能化的自動無損檢測設備的需要更為迫切。雖然我國竹板生產廠家很多,但大部分生產廠質量檢驗的方法是抽取一定比例的成品板截成小試件進行破壞性試驗,而采用自動無損檢測的方式對竹板整板的力學性能及質量進行評價則未見報道。

本研究采用超聲波無損檢測技術對側壓竹集成材的力學性能進行研究,通過超聲波傳播測量試驗以及三點彎曲測量試驗,分析超聲波傳播速度與抗彎彈性模量和抗彎強度,以及動態彈性模量與抗彎彈性模量之間的關系,驗證超聲波無損檢測技術是預測和評價側壓竹集成材力學性能的一種潛在的有效手段,研究結果可為竹板力學性能在線自動無損檢測設備的研發提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 側壓竹集成材超聲波傳播測量試驗

1.1.1 試驗材料 試驗所用5塊側壓竹集成材(統一編號為No.1-No.5)來自福建省南平市建甌市,由福建雙羿竹木發展有限公司提供,取用建甌市當地的毛竹(Phyllostachysedulis)作為基材,去除竹青竹黃后制成竹片,通過側壓膠合工藝制成500 mm×500 mm的竹片膠合板(圖1),試驗所用側壓竹集成材的數量、尺寸以及熱壓工藝參數見表1。

圖1 側壓竹集成材(1號板)

表1 試驗側壓竹集成材的基本參數

1.1.2 試驗設備 試驗所用超聲波傳播測量裝置為匈牙利產的超聲波微秒計(fakopp ultrasonic timer),是一種便攜的超聲波傳播測量設備。超聲波微秒計由1個信號處理盒和2個壓電傳感器組成(圖2),該設備的最大分辨率為1 μs。

圖2 超聲波微秒計

1.1.3 試驗方法

1.1.3.1 側壓竹集成材整板超聲波傳播測量方法 考慮到試驗所用的側壓竹集成材的膠合方向并非竹板的厚度方向,為了能夠獲得足夠的超聲波測量數據,以1號側壓竹集成材為例,先在與膠合方向垂直的2個板邊進行50等分標記,形成50個數據測量點(圖3)。

圖3 側壓竹集成材超聲波測量示意

首先從第1個測量點開始進行竹板超聲波傳播時間測量,將超聲波微秒計的2個傳感器分別放置在試驗前已經標記好的第1個測量點位置處,并用力壓緊在板邊表面,不計第1個讀數,待穩定后且連續3次出現同一讀數時,則讀取該數為本次超聲波傳播時間的測量值,完成第1個測量點。重復上述步驟,依次完成剩余所有測量點的超聲波傳播時間測量。

待測量完成后,將竹板依據切割加工方案(圖4)的第1條加工線將竹板鋸開,形成新的被測板邊,再重復上述試驗步驟完成Ⅱ級板(圖4左側寬度為400 mm的板)超聲波傳播時間測量。再次依據竹板上的加工線,將竹板按照順序鋸開,重復上述試驗步驟依次完成Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級竹板超聲波傳播時間測量,至此,完成1號側壓竹集成材的超聲波傳播時間測量試驗,完成該塊竹板所有數據點的采集。

圖4 側壓竹集成材切割加工示意

1.1.3.2 竹板小試樣超聲波傳播測量方法 將側壓竹集成材整板超聲波測量試驗經過鋸切加工所得到的Ⅴ級大小的竹板再依據小試樣加工方案(圖5)加工成橫截面尺寸為20 mm×20 mm,長為250 mm的小試樣,用于竹板小試樣超聲波傳播時間測量試驗和三點彎曲測量試驗。每個竹板大板能得到5塊Ⅴ級竹板,而每個Ⅴ級竹板能加工10個小試樣,因此,5個側壓竹集成材大板總共可以獲得小試樣的總數為250個。

圖5 側壓竹集成材小試樣切割加工示意

重復上述所有試驗步驟,再依次完成2、3、4號和5號側壓竹集成材的超聲波傳播時間測量,完成各個竹板所有數據點的采集。

竹板小試樣超聲波傳播測量試驗的測量方法見圖6,竹板小試樣的2個超聲波測量點分別位于試樣的2個端側面,分別記為1號測量點和2號測量點。利用超聲波微秒計依次測量竹板小試樣1號測量點和2號測量點的超聲波傳播時間,取兩者的平均值作為該竹板小試樣超聲波傳播時間測量值。重復上述步驟,完成全部250個竹板小試樣的超聲波傳播時間測量試驗。

圖6 側壓竹集成材小試樣超聲波傳播測量示意

1.2 竹板小試樣密度測量試驗

超聲波在材料中的傳播速度主要由材料的彈性模量和密度影響,根據式(1)的關系可以簡化計算出材料的動態彈性模量(DMOE)。在單獨用超聲波預測測壓竹集成材力學性能之外,結合密度和動態彈性模量進行力學性能預測。

試驗材料為竹板小試樣密度測量試驗所用材料取自竹板超聲波傳播測量試驗的250個竹板小試樣。通過密度計測量小試樣的密度。竹板小試樣的密度測量試驗完成后,利用所測得的小試樣的密度值和超聲波波速計算出竹板小試樣的動態彈性模量。

(1)

式中:MOEd為竹板小試樣的動態彈性模量;ρ為竹板小試樣的密度;vu為竹板小試樣的超聲波波速。

1.3 竹板小試樣三點彎曲試驗

1.3.1 試驗材料 試驗所用材料為竹板小試樣超聲波傳播測量試驗的250個小試樣,由于竹材物理力學性質(特別是抗彎彈性模量和抗彎強度)試驗的試件尺寸目前并無相關國家標準,因此,用于竹板小試樣三點彎曲試驗的250個竹材小試樣的尺寸參考GB/T 1927.9-2021《無疵小試樣木材物理力學性質試驗方法》(第9部分:抗彎強度測定)和GB/T 1927.10-2021《無疵小試樣木材物理力學性質試驗方法》(第10部分:抗彎彈性模量測定)中規定的試樣尺寸大小,三點彎曲試驗所用竹板小試樣的尺寸為250 mm×20 mm×20 mm(長×寬×高),跨距設定為200 mm,因此,試樣的跨高比為10,滿足三點彎曲試驗的試樣跨高比要求(5.5～20)。

1.3.2 試驗設備與方法 三點彎曲試驗測量示意圖見圖7,試驗采用CMT4104微機控制電子萬能試驗機(產自深圳新三思實驗設備有限公司)進行,根據竹板試樣的長度,將試樣跨度設置為200 mm,每個試樣進行1次加載試驗,加載速度為10 mm·min-1,在1 min內使試樣破壞,將試樣破壞時的荷載作為最大荷載進行記錄。

圖7 三點彎曲試驗測量示意圖

三點彎曲法計算抗彎強度的計算公式如下。

(2)

式中:σb為試樣的抗彎強度;Pmax為最大荷載;l為2支座間測試跨距;b為試樣寬度;h為試樣高度。

三點彎曲法計算抗彎彈性模量的計算公式如下。

(3)

式中:E為試樣的抗彎彈性模量;P為上限荷載與下限荷載之差;f為上限荷載、下限荷載對應的試樣變形值。

2 結果與分析

2.1 竹板超聲波傳播測量試驗結果與分析

2.1.1 竹板超聲波傳播速度等值線分布圖 將側壓竹集成材超聲波傳播測量試驗所測得超聲波傳播時間數據經過計算,即將相對應的傳播距離除以所測得的傳播時間,得到相對應的超聲波傳播速度,再利用Surfer軟件對超聲波波速數據進行處理,得到5塊側壓竹集成材超聲波傳播速度等值線分布圖(圖8),圖中顏色越紅的區域表示該區域的超聲波波速值越大,也就是說超聲波在該區域的傳播速度越快,顏色越紫的區域表示該區域的超聲波波速值越小,也就是說超聲波在該區域的傳播速度越慢。

圖8 5塊側壓竹集成材超聲波波速等值線分布

由圖8可以看出,5號側壓竹集成材中紅色區域(超聲波波速越大區域)所占面積是5塊竹板中最多的,而藍紫色區域(超聲波波速越小區域)所占面積又是5塊竹板中最少的,這說明5號側壓竹集成材的膠合效果或者力學性能可能是5塊竹板中最好的,因為超聲波傳播速度越快,表明該區域竹板的膠合效果或力學性能越好。另外,1、2號和4號側壓竹集成材的藍紫色區域面積及占比相對較大,表明在藍紫色區域可能存在施膠不均勻或存在氣泡等問題,導致該區域竹板的膠合效果或力學性能相對較差,因此,判斷1、2號和4號側壓竹集成材的膠合效果或力學性能可能比較接近。對于3號側壓竹集成材,其紅色區域面積占比小于5號竹板,而藍紫色區域占比明顯小于1、2號和4號竹板,因此,3號竹板的膠合效果或力學性能可能差于5號竹板,但可能優于1、2號和4號竹板。

為進一步分析5塊側壓竹集成材超聲波波速之間的差異,利用所測的竹板超聲波波速數據計算超聲波在整個竹板上的平均波速值,5塊側壓竹集成材的計算結果見圖9,可以看出,5號側壓竹集成材的平均超聲波波速值是最大的,3號側壓竹集成材的平均超聲波波速值略小于5號竹板。1號和4號竹板平均超聲波波速值接近,而2號竹板平均超聲波波速值是最小的。上述分析結果與前述竹板超聲波傳播速度等值線圖的分析結論基本一致,5號竹板的平均超聲波波速值最大,說明該竹板的膠合效果或力學性能可能是最好的,另外,3號竹板的平均超聲波波速值略低于5號竹板,但高于1、2號和4號竹板,也就是說,3號竹板的膠合效果或力學性能可能差于5號竹板,但可能優于1、2號和4號竹板。因此,超聲波無損檢測技術可以作為一種潛在技術手段或方法,用于評價和預測側壓竹集成材的膠合效果或者力學性能,超聲波傳播速度越大,表明側壓竹集成材的膠合效果或者力學性能越好。

圖9 側壓竹集成材平均超聲波波速

2.2 竹板小試樣超聲波傳播測量與三點彎曲試驗結果與分析

2.2.1 竹板小試樣的抗彎彈性模量和抗彎強度與超聲波波速的關系 通過線性回歸分析,得到1～5號板竹板小試樣的抗彎彈性模量和抗彎強度與超聲波波速的線性回歸模型,結果分別見圖10、圖11。由圖10可以看出,側壓竹集成材小試樣的抗彎彈性模量與其超聲波波速之間存在良好的線性相關關系,兩者的決定系數(R2)達到了0.73,這說明可以通過測量側壓竹集成材小試樣的超聲波波速來對其抗彎彈性模量進行預測和評價。

圖11 側壓竹集成材小試樣抗彎強度與其超聲波波速線性相關分析

另外,由圖11可以發現,1～5號板側壓竹集成材小試樣的抗彎強度與其超聲波波速之間也存在較好的線性相關關系,兩者的決定系數(R2)為0.63,也就是說,可以通過測量側壓竹集成材小試樣的超聲波波速來對其抗彎強度進行預測和評價。綜上所述,對于側壓竹集成材小試樣,超聲波無損檢測技術是預測和評價其力學性能(特別是抗彎彈性模量和抗彎強度)的一種有效手段。

2.2.2 竹板小試樣動態彈性模量與超聲波速度的關系 將1～5號側壓竹集成材小試樣通過密度測量試驗計算得到的動態彈性模量與超聲波速度進行相關性分析,線性回歸分析的結果見圖12,可以看出,竹板小試樣的動態彈性模量和超聲波速度之間存在良好的相關性,兩者的決定系數(R2)達到了0.97,表明動態彈性模量和超聲波之間的線性相關性極強,可以通過動態彈性模量來代替超聲波速度進行側壓竹集成材力學性能評估。

圖12 側壓竹集成材小試樣動態彈性模量與超聲波速度的相關性分析

2.2.3 竹板小試樣動態彈性模量與抗彎彈性模量的關系 由上文結果,可以使用動態彈性模量進行力學性能評估。因此將1～5號側壓竹集成材小試樣通過密度測量試驗計算得到的動態彈性模量與通過三點彎曲試驗測得的抗彎彈性模量進行相關性分析,線性回歸分析的結果見圖13,可以看出,竹板小試樣的動態彈性模量和抗彎彈性模量之間存在良好的相關性,兩者的決定系數(R2)達到了0.80,表明可以通過測量側壓竹集成材小試樣的動態彈性模量來對其抗彎彈性模量進行預測和評價。

圖13 側壓竹集成材小試樣動態彈性模量與抗彎彈性模量的相關性分析

3 結論

即使采用相同的熱壓工藝參數,各個側壓竹集成材所測得的超聲波波速分布存在較為明顯的差別,也就是說側壓竹集成材的膠合效果以及力學性能之間還是會存在差異,超聲波傳播速度越大,表明側壓竹集成材的膠合效果或者力學性能越好,超聲波無損檢測技術可以作為一種潛在技術手段或方法用于評價和預測側壓竹集成材的膠合效果或者力學性能。

側壓竹集成材小試樣的抗彎彈性模量和抗彎強度與其超聲波波速之間都存在較好的線性相關關系,兩者的決定系數(R2)分別為0.73和0.63,說明可以通過測量側壓竹集成材小試樣的超聲波波速來對其抗彎彈性模量和抗彎強度進行預測和評價,也就是說超聲波無損檢測技術是可以用于預測和評價其力學性能(特別是抗彎彈性模量和抗彎強度)的一種有效手段。

動態彈性模量和超聲波速度兩者的決定系數(R2)達到0.97,說明可以通過側壓竹集成材小試樣的動態彈性模量來結合超聲波速度和密度進行側壓竹集成材力學性能評估。竹板小試樣的動態彈性模量和抗彎彈性模量之間也存在良好的相關性,兩者的決定系數(R2)達到了0.80,表明可以通過測量側壓竹集成材小試樣的動態彈性模量來對其抗彎彈性模量進行預測和評價。