不同含水率雪松木的裂紋演化規律試驗研究

何佳明，李猛，蔡高潔，胡彬，佘艷華

(長江大學城市建設學院，荊州 434023)

木材作為一種環保便捷可再生的天然資源，從古至今都是應用和研究的熱點。雪松木主桿直，樹體高大，并且耐寒、耐旱，為世界著名樹種。雪松木質地堅實，紋理密集，是一種重要的家具、建筑、橋梁、船舶材料。正常狀態下的雪松木及其制品均含有一定水分，這些水分會對木材的物理性能產生顯著影響，因此研究含水率對裂紋演化的規律十分有必要。聲發射(acoustic emission，AE)技術作為一種動態的無損檢測技術，可以收集木材內的瞬時彈性波，再由傳感器處理成電信號，而這些信號中就包含了材料內狀態的信息[1-4]，而含水率會影響波在木材內的傳播速度，在一定含水率范圍內，兩者成反比[5-8]。袁曉聰等[9]使用不同年限的木材進行三點彎曲聲發射試驗，表明聲發射參數表現與木材使用年限正相關。張鈺等[10]通過人工模擬蛀干害蟲取食時的信號，研究得出AE信號在云南松活立木中傳播規律。程麗婷等[11]以應力波和微鉆阻力的檢測技術為基礎，深入研究了不同含水率下落葉松木材材性的變化規律。王明華等[12]通過人為制造木材表面裂紋，研究出木材的AE信號受到表面裂紋的影響。對于膠合木，李新慈等[13]結合高級規避技術(advanced evasion technique，AET)方法，研究證明膠層會影響AE信號的傳播，并且指接膠層對信號傳播速率的影響比膠接膠層更明顯。鞠雙等[14]使用一種基于瞬時頻率的方法，研究總結出木材損傷過程中的AE信號特征規律。李揚等[15]以4種含水率云南松木材試件為研究基礎，探尋出不同含水率木材對聲發射信號和特征的影響。涂郡成等[16]制備含橫紋裂紋木，采用AE與數字圖像相關法(digital image correlation,DIC)相結合的方法監測試件的裂紋演化規律。Francisco等[17]利用AE技術監測碳纖維復合材料加固的含缺陷舊木梁，研究表面AE技術可以準確預測應力集中及主損傷位置。將聲發射技術用于對木材的檢測已比較成熟，但大多試驗研究只針對單一含水率的木材，而含水率對木材的各項性能均有重要影響，特別是其力學性能，不同含水率下的木材力學性能差異巨大，含水率對木材試件的裂紋演化影響分析還比較欠缺。

基于以上研究成果，現以預制0、10%、20%、30%、40%及50%含水率的雪松木為研究對象，從材料在不同含水率條件下的聲發射信號參數來分析和研究松木裂紋的聲發射動態演化特征，尋找不同含水率下松木的裂紋演化規律。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試件為北非雪松木(CedrusatlanticaManetti)，半徑為30 mm，高度為200 mm，密度為0.56 g/cm3，雪松木樹齡為15年。依照《木材含水率測定方法》(GB/T 1931—2009)進行不同含水率木材試件的制備，在試驗開始前，將3組試件標號為TP-1、TP-2、TP-3，每組數量為6根，試件用烘干機(105±5)℃脫水，后用保鮮膜將每組中一根試件完全包裹，標記為WC0(數字表示試件的含水率)，再將其他試件取出后分別放入水中充分浸泡，待其含水率分別達到10%、20%、30%、40%、50%之后取出，用濾紙擦去除表面多余水分備用，最后用保鮮膜包裹，并分別標記為WC10、WC20、WC30、WC40、WC50備用。由于所采集的數據較多，各組試件的破壞過程規律相似，所以以TP-2組的試驗數據為例，表1即為該組各含水率試件制備過程中的質量變化。

表1 試件制備Table 1 Specimen preparation

1.2 試驗方法

試驗所用設備如圖1、圖2所示，該套設備由加載系統和聲發射系統構成。采用電子萬能力學試驗機為試件加載，以位移控制加載作為試驗機的加載方式，加載速率為0.2 mm/s；使用DS5型聲發射檢測系統(北京軟島時代科技)作為聲發射檢測儀器系統，布置6個傳感器，傳感器位置距底端分別為40、100、140 mm，為降低噪聲，通道門限值設為25 mV，放大器增益為40 dB，傳感器頻率范圍為50～400 kHz，采樣頻率為2.5 MHz/s，選擇凡士林作為耦合劑。啟動試驗機的同時觸發聲發射系統，同步采集試件損傷過程的聲發射信號數據。

圖1 加載示意圖Fig.1 Loading schematic

圖2 試驗設備Fig.2 Test equipment

2 結果與分析

在相同的試驗條件下，對不同含水率松木試件進行加載，收集試件的聲發射信號數據，探究不同含水率雪松木試件的裂紋演化規律。依據聲發射參數分析法，選取加載時間、荷載、加載點位移、振鈴計數、能量參數數據，對0、10%、20%、30%、40%、50%含水率的松木試件加載過程中采集得到的聲發射信號進行特征分析，得到聲發射信號歷程圖、聲發射累計振鈴計數和累計能量圖、聲發射信號數據表和聲發射聲源示意圖。根據各參數隨時間變化的過程，可將整個試驗分成5個演化階段：起始增壓階段、彈性變形階段、裂紋滋生階段、裂縫蔓延階段、受壓破壞階段。

2.1 演化階段分析

2.1.1 0含水率的試件

0含水率的試件聲發射信號如圖3所示。

圖3 WC0聲發射信號歷程Fig.3 WC0 acoustic emission signal history

起始增壓階段：在0～20 s的范圍內，荷載曲線近似為直線。在此階段，試驗機與試件接觸位置發生屈曲反應，試件內部產生豎向應力，聲發射信號較小。

彈性變形階段：在20～35 s的范圍內，材料的彈性變形隨著荷載不斷增加而增長，試件會產生少量微觀變形破壞，但肉眼并未發現裂縫，振鈴計數和能量相應增加。

裂紋滋生階段：在35～42 s的范圍內，荷載值在P0點達到85.47 kN，試件加載點位移為2.23 mm。試件上出現大量裂紋，裂紋數目不斷增加，聲發射振鈴計數、能量信號急劇增加。從P0點開始，荷載曲線斜率逐步發生變化，荷載值不斷降低，而試件破壞程度進一步加大。

裂縫蔓延階段：在42～70 s的時間段內，試件出現大量肉眼可見的裂縫，破壞程度進一步加深，此時承載力已出現明顯下滑，聲發射信號降低，在受壓過程中有破裂聲音，加載到Q0點時，荷載曲線斜率發生了改變，試件破壞嚴重。

受壓破壞階段： 大約70 s后聲發射信號較為密集，到300 s時試件已基本破壞，該含水率下試件破壞完整度很低。

2.1.2 10%含水率的試件

10%含水率的松木聲發射信號如圖4所示。

圖4 WC10聲發射信號歷程Fig.4 WC10 acoustic emission signal history

起始增壓階段：在0～15 s范圍內，試驗機加載在10%含水率的松木試件上，聲發射信號同時產生。相比0含水率的試件，10%含水率的試件屈曲反應更加強烈，試件頂端變形更加明顯，但因水分影響，其脆性破壞程度并沒有0含水率的試件嚴重。

彈性變形階段：在15～27 s的范圍內，試件振鈴計數、能量信號不斷上升，試件的損傷程度不斷增大，并且同樣發生彈性變形，聲發射信號仍然較小。

裂紋滋生階段：在27～40 s的范圍內，試件上裂紋滋生，裂紋擴展聲音較小，試件發生肉眼可見的彎曲，同時聲發射信號逐步增大，在P10%點時達到新的峰值，荷載值達到了82.49 kN，試件加載點位移為1.61 mm。P10%點過后試件彎曲程度加大，裂縫迅速擴展。

裂縫擴張階段：在40～45 s的范圍內，試件成被壓縮狀態，加載到Q10%點時，試件已遍布裂縫，裂縫發展也伴有開裂聲，但對比0含水率的松木試件，10%含水率的松木試件開裂聲音更小，破壞形態相對較好，在該時間段內，聲發射信號出現較密集高峰。

受壓破壞階段：在45～300 s的范圍內，10%含水率的松木試件被壓裂，但其抗壓能力與穩定性明顯比0含水率工況下好。

2.1.3 20%含水率的試件

20%含水率的松木聲發射信號如圖5所示。

圖5 WC20聲發射信號歷程Fig.5 WC20 acoustic emission signal history

起始增壓階段：在0～8 s范圍內，試件受壓產生聲發射信號，該含水率松木產生的聲發射信號更小，木材內細胞吸水較多。

彈性變形階段：在8～13 s的范圍內，試件聲發射信號逐漸增加，試件上出現水分但不多，釋能較少。

裂紋滋生階段：在13～20 s的范圍內，試件受壓被擠出水分，并且出現明顯彎曲，聲發射信號在P20%點達到新的峰值，最大荷載值為51.83 kN，試件加載點位移為2.38 mm。隨著試驗機壓力的增大，試件不斷冒出水分，試件表面出現肉眼可見的裂縫，但試件開裂聲音較小。

裂縫擴張階段：在20～245 s范圍內，試件上裂縫迅速發展，但同比0和10%含水率的情況，該含水率下裂縫擴展并沒有過于劇烈，試件發生緩慢側向偏移，到達Q20%點之后，試件已出現肉眼可見的裂縫。

受壓破壞階段：在245 s后，試件逐漸被擠壓，之后發生二次開裂，徹底失穩。

2.1.4 30%含水率的試件

30%含水率的松木聲發射信號如圖6所示。

圖6 WC30聲發射信號歷程 Fig.6 WC30 acoustic emission signal history

起始增壓階段：在0～7 s范圍內，30%含水率的試件聲發射信號同比更弱，荷載曲線近似為直線，且攀升較快，試件隨著受壓而出現水分。

彈性變形階段：在7～11 s范圍內，試件表面出現少量水分，試件彎曲比較明顯，釋能逐漸增大。

裂紋滋生階段：在11～21 s的范圍內，試件受壓出現屈曲，試件表面被擠出小水珠，試件發生開裂，但幾乎沒有開裂聲音，而聲發射信號在P30%點時達到新高峰，荷載達到41.45 kN，加載點位移為3.17 mm。

裂縫擴張階段：在21～227 s范圍內，試件受壓變形，在Q30%點時雖聽不到開裂聲音，但試件表面已布裂縫，而試件未發生比較劇烈的反應。

受壓破壞階段：在227～300 s范圍內，試件呈被壓縮狀態，裂縫逐漸拓寬加深。直至試件破壞。

2.1.5 40%含水率的試件

40%含水率的松木聲發射信號如圖7所示。

圖7 WC40聲發射信號歷程Fig.7 WC40 acoustic emission signal history

起始增壓階段。在0～5 s范圍內，40%含水率的試件聲發射信號與30%含水率的試件聲發射信號有所相近，但相對較弱，試件表面迅速出現水分。

彈性變形階段：在5～13 s范圍內，試件表面出現水分，試件彎曲相比更加明顯。

裂紋滋生階段：在13～19 s的范圍內，試件受壓發生側向偏移，但并未有開裂聲音，而聲發射信號在P40%點時達到高峰，最大承載達到40.66 kN，試件加載點位移為2.79 mm。

裂縫擴張階段：在22～220 s的范圍內，試件變形較為嚴重，表面出現大量水珠，試驗臺有小片水分，到達Q40%點時試件已發生較大形變。

受壓破壞階段：在220～300 s的范圍內，試件擠出水分后被擠壓至破壞。

2.1.6 50%含水率的試件

50%含水率的松木聲發射信號如圖8所示。

圖8 WC50聲發射信號歷程Fig.8 WC50 acoustic emission signal history

起始增壓階段：在0～5 s范圍內，的試件聲發射信號高峰出現時間縮短，試件有肉眼可見的彎曲變形。

彈性變形階段：在5～10 s范圍內，試件表面肉眼可見的水珠，試件發生明顯變形。

裂紋滋生階段：在10～17 s范圍內，試件受壓發生側向偏移破壞，試件與壓頭接觸處被擠壓破壞，而聲發射信號在P50%點時達到高峰，最大荷載為39.50 kN，試件加載點位移為2.13 mm，此時試驗機上已有不少水分。

裂縫擴張階段：在17～170 s范圍內，試件隨著受壓逐步發生側移，同時被擠出更多水分，試件雖發生開裂，但裂縫數量和深度不如其他含水率的試件。

受壓破壞階段：在170～300 s范圍內，試件發生嚴重變形，隨著壓力機運行，變形程度越大，直至破壞。

2.2 聲發射信號數據分析

表2為不同含水率試件在各個階段聲發射信號(振鈴計數、能量)數據，隨著試件含水率的提高，聲發射信號不斷減弱。同一含水率工況下，裂紋滋生階段的聲發射信號最為強烈，此階段之前的起始增壓階段和彈性變形階段的聲發射信號隨著加載不斷增強，而此階段之后的裂紋擴張階段和受壓破壞階段的聲發射信號隨著加載不斷減弱。圖9為不同含水率試件的累計振鈴計數和累計能量隨時間的變化圖。反映出隨著試件含水率的提高，聲發射累計振鈴計數和累計能量均不斷降低。以其中圖9(a)為例，在P0點和Q0點前后，累計振鈴計數和累計能量曲線斜率均會發生變化，但P0前后累計振鈴計數和累計能量曲線的變化幅度比Q0點更大。

表2 聲發射數據Table 2 Acoustic emission data

圖9 聲發射累計振鈴計數和累計能量Fig.9 Acoustic emission cumulative ringing count and cumulative energy

2.3 試件破壞分析

將聲發射采集的數據進行處理，可以得到荷載作用下各含水率試件損傷時聲源的位置，如圖10所示。圖11為試件加載結束后的破壞圖，從圖10、圖11中可以看出，隨著試件含水率的提高，聲源的數量逐漸變少，含水率為0和10%的試件聲源數量最多，受壓過程中釋能最大，破壞最嚴重。

紅色點表示聲源的位置，黃色點表示損傷點，藍色點及藍色數字表示傳感器位置；試件半徑為30 mm，高度為200 mm圖10 聲發射聲源示意圖Fig.10 Diagram of acoustic emission source

圖11 試件破壞Fig.11 Specimen damage

3 結論

利用聲發射(AE)技術和相關試驗儀器監測不同含水率下松木試件的裂紋演化規律的試驗研究，通過收集試件加載的聲發射信號(振鈴計數、能量)，分析和總結試驗結果，得出以下結論。

(1)運用聲發射技術可以監測不同含水率松木試件的裂紋演化和破壞程度，能反映出試件內部的裂紋發展與擴張情況。

(2)0含水率的松木試件最大承重能力相比10%含水率下更高，但其裂紋發展較為劇烈，破壞程度更大，破壞形態很差，而10%含水率的松木試件裂紋發展更加平穩，20%含水率的松木試件中水分被擠出來后，還會發生二次破壞，雖然30%含水率的松木試件裂紋發展平緩，但木材吸水造成承載能力下降，這一情況在40%含水率的松木試件上較為明顯，在50%含水率情況下更加凸顯，而含水率過高還會使破壞形態發生變化，出現試件頂端和低端被擠壓偏移的現象。試驗表明水分對松木試件的裂紋發展情況有明顯影響。

(3)聲發射技術在監測過程中操作簡便，適用范圍大，精度高，聲發射信號反映出的參數特征與試件的破壞情況相符合，研究結果可在實際工程中作為參考。