不同含水率雪松木材損傷聲發射參數特性1)

何佳明 佘艷華 李猛

(長江大學,荊州,434023)

正常狀態的木構件均含有一定水分,這些水分會對木材的物理性能產生顯著影響,因此對木材含水率的研究十分必要。聲發射(AE)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,這些信號中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]。

冪律規律是一種普適性規律,廣泛存在于自然界的各種現象中,具有冪律分布的數據,在雙對數坐標圖上呈現為冪指數的直線[9]。聲發射事件被學者認為是一種特殊的“雪崩事件”,并且在巖石、混凝土、煤炭等材料的破壞中被廣泛驗證,表明這些多孔材料破壞過程中的聲發射能量信號存在明顯的概率密度分布函數,滿足冪律分布的規律[10-14]。王磊等[15]實現了單顆粒破碎過程的力學加載與聲發射監測的同步采集,認為不同粒徑鈣質砂顆粒的等候時間分布及余震序列分布,均滿足良好的冪律關系。吳劍鋒等[16]對混凝土進行單軸壓縮分級加載短時蠕變試驗研究表明,冪指數與混凝土單軸壓縮峰值應力、蠕變破壞強度、單位體積吸收能等具有明顯關聯規律。

已有研究表明,多孔材料受力破壞中聲發射能量概率密度分布滿足冪函數規律,且冪指數能夠反映損傷來源與發展過程。但以往研究多集中在巖石、混凝土等方面,針對不同含水率木材的冪律規律研究較少。對于木材這種天然多孔材料,對聲發射監測的概率密度分析,可以幫助了解其破裂過程中的微觀機制。為此,本研究以樹齡15 a的北非雪松(CedrusatlanticaManetti)為研究對象,在樹干中心部位且無天然樹結的位置截取試件(試件形狀為圓柱狀,半徑30 mm、高度200 mm)。使用烘干機對所有試件干燥脫水,然后用保鮮膜將每組中選擇1根試件完全包裹作為絕干試件;再將其他試件取出后在室溫下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,用保鮮膜包裹作為不同含水率的試件。應用微機伺服控制液壓萬能試驗機以位移控制加載方式加載、應用DS5型聲發射檢測系統監測試件聲發射信號;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中軸向荷載作用時木材發出的聲發射信號數據;使用參數分析、概率密度、最大似然評估方法,分析聲發射能量、統計分布特征。旨在為探索軸向荷載作用時木材裂紋的聲發射動態變化特征、不同含水率木材的聲發射能量冪律分布規律提供參考。

1 材料與方法

試件為樹齡15 a的北非雪松(CedrusatlanticaManetti)木材,試件形狀為圓柱狀,半徑30 mm、高度200 mm、絕干密度0.56 g/cm3。

為減小誤差,木構件截取部分為樹干中心部位且無天然樹結的位置。在試驗開始前,將3組試件標號為L-1、L-2、L-3(L-1、L-3為對照組),每組數量為6根。所有試件使用烘干機((105±5)℃)干燥脫水,累計烘干時間18 h,然后用保鮮膜將每組中選擇1根試件完全包裹,作為絕干試件;再將其他試件取出后在室溫環境分別放入水中充分浸泡,時間間隔為0.5 h,每次浸泡后利用電子秤稱質量,待其含水率分別達到10%、20%、30%、40%、50%之后取出,用濾紙去除表面多余水分,最后用保鮮膜包裹,作為不同含水率的試件(見表1)。

表1 制備的不同含水率的試件

試驗系統由加載體系和聲發射體系構成(見圖1)。采用微機伺服控制液壓萬能試驗機(上海松碩機械設備有限公司)作為加載設備,以位移控制加載作為加載方式,加載速率為0.2 mm/s。以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,設置6個傳感器,傳感器位置設置為40、100、140 mm;為降低噪音,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,耦合劑選擇凡士林。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 對試件加載示意圖

2 結果與分析

2.1 加載過程中不同含水率試件的聲發射信號特征和裂紋變化

在相同試驗條件時,對不同含水率試件進行加載,收集試件的聲發射信號數據。依據聲發射參數分析法,選取加載時間、荷載、加載點位移、能量參數數據,對0(絕干)、10%、20%、30%、40%、50%含水率試件加載過程中采集的聲發射信號進行特征分析,繪制聲發射信號歷程圖(見圖2)。根據各參數隨時間變化的過程,可將木材破壞分為3個階段：試驗開始至P點,為彈性變形階段;P點至Q點,為裂縫蔓延階段;Q點至試驗結束,為受壓破壞階段。

圖2 加載過程中不同含水率試件荷載、聲發射能量隨時間變化曲線

將木材破壞分為3個階段：試驗開始至P點為彈性變形階段,P點至Q點為裂縫蔓延階段,Q點至試驗結束為受壓破壞階段。

(1)彈性變形階段。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,試件的彈性變形隨著荷載不斷增加而增長,荷載曲線呈現為平滑的彈性段,外部加載的能量聚積于木材內部。至P點時,壓力曲線開始發生抖動即產生第一個力降,之后,聚積的能量被釋放。因此在第一個力降前后會有顯著的聲發射信號產生,這一現象也表明木材內部開始發生位錯。0(絕干)、10%、20%、30%、40%、50%含水率的試件,載荷達到最大,依次為85.47、82.49、51.83、41.45、40.66、39.50 kN;說明隨著木材含水率的增加,其最大載荷在不斷降低。該階段聲發射信號較小,但在穩步攀升,絕干試件聲發射信號尤為劇烈,最高達42 000 V·s。宏觀上所有試件均為有肉眼可見的裂縫,但接近P點時,試件會產生少量微觀變形破壞,同時伴隨著輕微的開裂聲。

(2)裂縫蔓延階段。該階段,試件載荷不斷降低,表明出現大量肉眼可見的裂縫,破壞程度進一步加深。木材內部不斷產生破裂、裂紋擴展以及摩擦等各種位錯行為。這種行為在壓力曲線上表現為抖動即力降,在聲學上則有明顯的聲發射信號產生。對于力的變化曲線,可以觀察到在木材壓縮過程中,壓力的峰值前后會伴隨有明顯的力降。對應于聲發射信號的能量,每一個大的力降前后都伴隨著顯著的聲發射信號。絕干試件、10%含水率試件的裂縫擴展極為迅速,并且有較大破裂聲;而其他試件則發生滑移破壞,含水率越高滑移程度越深。此階段,聲發射信號雖沒有高過P點,但出現密集高峰,表明試件內部裂紋快速發展,破壞程度迅速加重。

(3)受壓破壞階段。至Q點時,試件荷載曲線斜率發生改變,之后聲發射信號逐漸降低。至300 s時,試件已基本破壞,絕干試件破壞程度很低,含水率越高試件破壞程度越高,但滑移破壞程度隨之越嚴重。

2.2 加載過程中不同含水率試件的破壞狀態

收集聲發射數據進行處理,繪制軸壓荷載作用時各含水率試件損傷聲源定位圖(見圖3);為展示試件加載后的不同破壞狀態,給出試件加載結束后的破壞狀態圖(見圖4)。由圖3、圖4可見：隨著試件含水率的提高,試件損傷時聲源的數量逐漸變少,含水率為0(絕干)、10%的試件,損傷聲源數量最多,受壓過程中釋能最大,破壞最嚴重。

圖中紅點為聲源的位置

2.3 加載過程中不同含水率試件在聲發射峰值頻率不同階段的裂紋釋放能量特征

按照聲發射峰值頻率及能量信號的分布規律,將不同含水率試件在荷載作用時的峰值頻率(f),分成低頻(0150 kHz)3個區域(見圖5)。整體看,木材聲發射信號峰值頻率與能量分布具有明顯頻帶特征,且以低幅值信號為主。能量值較高的聲發射信號主要集中在低頻區域,根據木材在受壓破壞過程中破裂尺度和產生能量值呈正相關關系,可得出木材試件的大尺度破裂對應的峰值頻率主要集中在低頻區域,少部分出現在中頻區域,而高頻區域聲發射信號極少。對比不同含水率木材峰值頻率與能量分布特征,絕干木材聲發射信號最多,能量峰值更高;而隨著木材含水率的增加,聲發射信號愈低,但均存在低頻、中頻、高頻率共存的特征,并且在低頻率,同時存在著低能量值和高能量值的聲發射信號。這表明在不同含水率木材的破壞過程中,微小裂縫的發展和宏觀裂縫的形成是共同發生的。而水分的存在：一方面會填充木材中的縫隙,阻礙能量傳播;另一方面會軟化木組織,使其由脆性特征向延性特征轉變,導致釋放的能量降低。

圖5 加載過程中不同含水率試件在不同聲發射峰值頻率的能量分布

2.4 加載過程中不同含水率試件聲發射能量概率密度分布

試驗采集到的聲發射信號能量值在多個數量級均有分布。每一個聲發射信號能量值樣本都是獨立的,共同組成能量樣本集合。對于離散的樣本集,其概率密度冪律分布可以表示為p(x)=pr(X=x)=Cx-α;式中的X為樣本能量值、C為歸一化常數。當x→0時,函數分布會出現分岔,在此定義理論邊界值xmin>0。對于樣本能量值的累積概率密度分布P(x)=Pr,X>x;通過歸一化計算,p(x)=ξ(α,x)/ξ(α,xmin)。

按聲發射能量概率密度冪律分布研究方法進行分析,使用直方圖法得到各含水率試件壓縮過程中聲發射能量的概率密度分布函數P(見圖6)。

圖6 加載過程中不同含水率試件聲發射能量概率分布曲線

E為聲發射信號能量。該方法對聲發射信號能量的原始數據,按選定范圍的對數區間進行分割,并采用直方圖的形式建立雪崩能量的概率密度函數。為了避免區間間隔選取對概率分布函數的函數形式的影響,對數區間劃分在對數空間中從10-2到105之間保持等間距。在防止數據發散方面,對數區間比線性區間有更好的效果,并且可以保證在大能量區間有足夠的數據樣本得到合理的概率估計。

由圖6可見：在雙對數坐標時,不同含水率木材在超過4個能量量級內均表現出較良好的線性關系,即服從冪律分布(古登堡-里克特定律,P(E)～E-∈=0)。絕干木材冪律指數最小(為1.25),隨著木材含水率的增加,冪律指數也隨之增大(最高達到1.56)。

2.5 加載過程中不同含水率試件聲發射能量的最大似然評估

為了進一步研究不同含水率木材的聲發射能量冪律指數,采用最大似然估計法[17]對木材試件聲發射能量信號進行分析(見圖7)。最大似然估計法,可以避免區間選取間隔和直方圖的結構對直方圖法結果的影響,從而對直方圖結構進行驗證與評估。在最大似然估計法中,如果曲線出現平臺段,則此分布滿足良好的冪律分布,而平臺段即為此分布的最佳冪律指數。

圖7 加載過程中不同含水率試件聲發射能量最大似然估計結果及誤差分布曲線

由圖7可見：不同含水率木材的聲發射能量信號均符合冪律分布規律,滿足無尺度分布。能量信號呈現緩慢上升的趨勢,并且出現一個平穩的平臺段,該階段冪值能良好表征整個過程的能量分布規律。此外,由平臺段確定的不同含水率木材聲發射能量信號冪律指數與直方圖法得到的相同。該指數隨著含水率的增加而增大,出現這一現象的原因有兩個,一是木材為疏松多孔結構,水分的存在填補了木材的內部空隙,水分越多,木材軸向荷載受損時傳播出的能量越少;二是木材為木質細胞組成的微毛細管材料,其接觸水分時,木質纖維會在水分影響下軟化,而軟化后木質纖維的各項特性均會發生變化,最明顯的是承載能力的降低,所以會導致冪律指數的變化。

木材受壓破壞過程中存在兩種主要的競爭機制,一個與孔隙的塌陷有關,另一個與位錯的運動有關。孔隙坍塌產生的聲發射信號非常強,而位錯運動產生的聲發射信號很弱。此前對非均質Mg-Ho合金的研究[18]表明,弱能量信號的指數(ε)約為1.96、強能量信號的指數約為1.45,這表示強和弱能量信號遵循不同的冪律分布。而根據圖5、圖6、圖7所示,不同含水率木材受壓破壞過程中,強能量信號的指數為1.25、弱能量信號的指數為1.56;這表明木材含水率較低時,其內部為疏松多孔脆性特性結構,由空隙坍塌破壞產生的聲發射信號占主導,而隨著含水率的增大,水分逐漸填補內部空隙,使木材逐漸由孔隙坍塌破壞轉向位錯運動破壞,由強能量信號占主導轉向弱能量信號占主導。這一規律在圖4試件最終破壞形式上得到了驗證。

3 結論

聲發射技術可以有效地反映不同含水率木材試件內部損傷程度及損傷位置,并且實用范圍廣、精度高、工程應用前景良好。

按照聲發射峰值頻率及能量信號的分布規律,將不同含水率木材試件在軸向荷載作用時的峰值頻率(f),分成低頻(0150 kHz)3個區域,木材損傷信號在3個頻段均表現出良好的分布特征。

木材壓縮損傷的聲發射能量信號符合冪律分布規律,由概率密度分析、最大似然估計得出的冪律指數一致。當木材含水率為0(絕干)、10%、20%、30%、40%、50%時,承受荷載依次降低,分別為85.47、82.49、51.83、41.45、40.66、39.50 kN;而冪律指數依次上升,分別為1.25、1.28、1.33、1.44、1.49、1.56。說明冪律分布可以反映木材軸向裂紋變化行為的損傷機理。