不同含水率雪松木的裂纹演化规律试验研究_何佳明.pdf

投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):01888-07科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-05-16;修订日期:2022-11-19基金项目:国家自然科学基金(51408057);住房与城乡建设部科学技术项目(2021-K-086)第一作者:何佳明(1999)，男，汉族，河北石家庄人，硕士研究生。研究方向:工程检测。E-mail:884527914 qq com。*通信作者:佘艳华(1982)，女，汉族，湖北荆州人，博士，副教授。研究方向:工程检测。E-mail:syh916126 com。引用格式:何佳明，李猛，蔡高洁，等 不同含水率雪松木的裂纹演化规律试验研究 J 科学技术与工程，2023，23(5):1888-1894He Jiaming，Li Meng，Cai Gaojie，et al Experimental study on the crack evolution pattern of cedar wood with different moisture content J Science Technology and Engineering，2023，23(5):1888-1894农业科学不同含水率雪松木的裂纹演化规律试验研究何佳明，李猛，蔡高洁，胡彬，佘艳华*(长江大学城市建设学院，荆州 434023)摘要为了研究不同含水率工况下木材试件的裂纹发展，探寻含水率对木材的力学性能影响和裂纹演化规律。以 0、10%、20%、30%、40%及 50%含水率的雪松木试件为研究对象，利用力学试验机和声发射设备收集在荷载下木材发出的声发射能量信号。结果表明，不同含水率下木试件的裂纹演化规律与声发射检测得出的结果一致。含水率越高，试件的裂纹发展越平缓，承载能力也越低，说明振铃计数和能量可以准确反映出木材的损伤，木材的裂纹演化程度与含水率成反比。试验结果为进一步研究含水率与木材的影响关系提供了参考。关键词雪松木;含水率;声发射;裂纹演化中图法分类号S7-05;文献标志码AExperimental Study on the Crack Evolution Pattern ofCedar Wood with Different Moisture ContentHE Jia-ming，LI Meng，CAI Gao-jie，HU Bin，SHE Yan-hua*(School of Urban Construction，Yangtze University，Jingzhou 434023，China)Abstract In order to study the crack development of wood specimens under different moisture contents，the influence of moisturecontent on the mechanical properties of wood and the law of crack evolution were explored Taking cedar wood specimens with 0，10%，20%，30%，40%and 50%moisture content as the research object，the acoustic emission energy signals emitted by wood underload were collected by mechanical testing machine and acoustic emission equipment The results show that the crack evolution pattern ofwood specimens at different moisture contents is consistent with the results obtained from acoustic emission testing The higher the mois-ture content is，the slower the crack development of the specimen is，and the lower the bearing capacity is，which indicates that the rin-ging count and energy can accurately reflect the damage of wood，and the crack evolution of wood is inversely proportional to the moisturecontent The experimental results provide a reference for further study on the relationship between moisture content and wood Keywords cedar wood;moisture;acoustic emission;crack evolution木材作为一种环保便捷可再生的天然资源，从古至今都是应用和研究的热点。雪松木主杆直，树体高大，并且耐寒、耐旱，为世界著名树种。雪松木质地坚实，纹理密集，是一种重要的家具、建筑、桥梁、船舶材料。正常状态下的雪松木及其制品均含有一定水分，这些水分会对木材的物理性能产生显著影响，因此研究含水率对裂纹演化的规律十分有必要。声发射(acoustic emission，AE)技术作为一种动态的无损检测技术，可以收集木材内的瞬时弹性波，再由传感器处理成电信号，而这些信号中就包含了材料内状态的信息 1-4，而含水率会影响波在木材内的传播速度，在一定含水率范围内，两者成反比 5-8。袁晓聪等 9 使用不同年限的木材进行三点弯曲声发射试验，表明声发射参数表现与木材使用年限正相关。张钰等 10 通过人工模拟蛀干害虫取食时的信号，研究得出 AE 信号在云南松活立木中传播规律。程丽婷等 11 以应力波和微钻阻力的检测技术为基础，深入研究了不同含水率下落叶松木材材性的变化规律。王明华等 12 通过人为制造木材表面裂纹，研究出木材的 AE 信号受到表面裂纹的影响。对于胶合木，李新慈等 13 结合高级规避技术(advanced evasion technique，AET)方法，研究证明胶层会影响 AE 信号的传播，并且指接投稿网址:www stae com cn胶层对信号传播速率的影响比胶接胶层更明显。鞠双等 14 使用一种基于瞬时频率的方法，研究总结出木材损伤过程中的 AE 信号特征规律。李扬等 15 以4 种含水率云南松木材试件为研究基础，探寻出不同含水率木材对声发射信号和特征的影响。涂郡成等 16 制备含横纹裂纹木，采用 AE 与数字图像相关法(digital image correlation，DIC)相结合的方法监测试件的裂纹演化规律。Francisco 等 17 利用 AE 技术监测碳纤维复合材料加固的含缺陷旧木梁，研究表面AE 技术可以准确预测应力集中及主损伤位置。将声发射技术用于对木材的检测已比较成熟，但大多试验研究只针对单一含水率的木材，而含水率对木材的各项性能均有重要影响，特别是其力学性能，不同含水率下的木材力学性能差异巨大，含水率对木材试件的裂纹演化影响分析还比较欠缺。基于以上研究成果，现以预制 0、10%、20%、30%、40%及 50%含水率的雪松木为研究对象，从材料在不同含水率条件下的声发射信号参数来分析和研究松木裂纹的声发射动态演化特征，寻找不同含水率下松木的裂纹演化规律。1材料与方法1.1试验材料试件为北非雪松木(Cedrus atlantica Manetti)，半径为 30 mm，高度为 200 mm，密度为 0.56 g/cm3，雪松木树龄为 15 年。依照木材含水率测定方法(GB/T 19312009)进行不同含水率木材试件的制备，在试验开始前，将 3 组试件标号为 TP-1、TP-2、TP-3，每组数量为 6 根，试件用烘干机(105 5)脱水，后用保鲜膜将每组中一根试件完全包裹，标记为 WC0(数字表示试件的含水率)，再将其他试件取出后分别放入水中充分浸泡，待其含水率分别达到 10%、20%、30%、40%、50%之后取出，用滤纸擦去除表面多余水分备用，最后用保鲜膜包裹，并分别标记为 WC10、WC20、WC30、WC40、WC50 备用。由于所采集的数据较多，各组试件的破坏过程规律相似，所以以 TP-2 组的试验数据为例，表 1 即为该组各含水率试件制备过程中的质量变化。表 1试件制备Table 1Specimen preparation试件脱水质量/g浸泡质量/g误差/%WC0202 109202 1090WC10196 522216 43501WC20200 826241 28901WC30181 723236 64502WC40212 895298 41102WC50178 523267 918011.2试验方法试验所用设备如图 1、图 2 所示，该套设备由加载系统和声发射系统构成。采用电子万能力学试验机为试件加载，以位移控制加载作为试验机的加载方式，加载速率为 0.2 mm/s;使用 DS5 型声发射检测系统(北京软岛时代科技)作为声发射检测仪器系统，布置 6 个传感器，传感器位置距底端分别为40、100、140 mm，为降低噪声，通道门限值设为 25mV，放大器增益为 40 dB，传感器频率范围为 50 400 kHz，采样频率为 2.5 MHz/s，选择凡士林作为耦合剂。启动试验机的同时触发声发射系统，同步采集试件损伤过程的声发射信号数据。图 1加载示意图Fig.1Loading schematic图 2试验设备Fig.2Test equipment2结果与分析在相同的试验条件下，对不同含水率松木试件进行加载，收集试件的声发射信号数据，探究不同含水率雪松木试件的裂纹演化规律。依据声发射参数分析法，选取加载时间、荷载、加载点位移、振铃计数、能量参数数据，对 0、10%、20%、30%、40%、50%含水率的松木试件加载过程中采集得到的声发射信号进行特征分析，得到声发射信号历程98812023，23(5)何佳明，等:不同含水率雪松木的裂纹演化规律试验研究投稿网址:www stae com cn图、声发射累计振铃计数和累计能量图、声发射信号数据表和声发射声源示意图。根据各参数随时间变化的过程，可将整个试验分成 5 个演化阶段:起始增压阶段、弹性变形阶段、裂纹滋生阶段、裂缝蔓延阶段、受压破坏阶段。2.1演化阶段分析2.1.10 含水率的试件0 含水率的试件声发射信号如图 3 所示。起始增压阶段:在 0 20 s 的范围内，荷载曲线近似为直线。在此阶段，试验机与试件接触位置发生屈曲反应，试件内部产生竖向应力，声发射信号较小。弹性变形阶段:在 20 35 s 的范围内，材料的弹性变形随着荷载不断增加而增长，试件会产生少量微观变形破坏，但肉眼并未发现裂缝，振铃计数和能量相应增加。裂纹滋生阶段:在 35 42 s 的范围内，荷载值在 P0点达到 85.47 kN，试件加载点位移为 2.23mm。试件上出现大量裂纹，裂纹数目不断增加，声发射振铃计数、能量信号急剧增加。从 P0点开始，荷载曲线斜率逐步发生变化，荷载值不断降低，而试件破坏程度进一步加大。裂缝蔓延阶段:在 42 70 s 的时间段内，试件出现大量肉眼可见的裂缝，破坏程度进一步加深，此时承载力已出现明显下滑，声发射信号降低，在受压过程中有破裂声音，加载到 Q0点时，荷载曲线斜率发生了改变，试件破坏严重。受压破坏阶段:大约70 s