林业科学  2011, Vol. 47 Issue (9): 123-128   PDF    
0

文章信息

徐华东, 王立海
Xu Huadong, Wang Lihai
温度和含水率对红松木材中应力波传播速度的影响
Effects of Moisture Content and Temperature on Propagation Velocity of Stress Waves in Korean Pine Wood
林业科学, 2011, 47(9): 123-128.
Scientia Silvae Sinicae, 2011, 47(9): 123-128.

文章历史

收稿日期:2009-09-09
修回日期:2010-10-25

作者相关文章

徐华东
王立海

温度和含水率对红松木材中应力波传播速度的影响
徐华东, 王立海    
东北林业大学工程技术学院 哈尔滨 150040
摘要: 为分析应力波在木材中传播的影响因素,研究应力波传播规律,在实验室内,采用Arbotom应力波测试仪测试60个红松无疵小试件在不同含水率(从绝干到饱湿)和不同温度(-30,-20,-10,-5,0,5和20 ℃)下的应力波传播速度。在此基础上,分别分析应力波传播速度随含水率或温度变化的规律,探讨导致应力波传播速度变化的原因,并建立三者之间的回归模型。结果表明:含水率和温度是影响木材中应力波传播速度的2个重要因素。应力波传播速度随含水率增加或温度升高均呈逐渐下降趋势。在含水率32%(纤维饱和点附近)以下,传播速度随含水率增加下降幅度较大,反之则较小; 当含水率低于50%时,传播速度随温度升高呈线性下降趋势; 当含水率高于50%时,传播速度在0 ℃上下有一明显的跳跃。含水率、温度与应力波传播速度之间的二元线性回归模型拟合优度较高,决定系数R2均高于0.95。
关键词:应力波    传播速度    温度    含水率    木材    红松    
Effects of Moisture Content and Temperature on Propagation Velocity of Stress Waves in Korean Pine Wood
Xu Huadong, Wang Lihai    
College of Engineering & Technology, Northeast Forestry University Harbin 150040
Abstract: To investigate the effects of temperature and moisture content on the propagation velocity of stress wave in wood, we conducted stress wave tests on sixty korean pine(Pinus koraiensis)clear wood specimens at different moisture contents(MC)and temperatures(-30, -20, -10, -5, 0, 5 and 20 ℃ respectively)in laboratory. Based on this, the relationship between the propagation velocity of stress wave and moisture content or temperature was analyzed respectively, and the regression models among three parameters were built finally. The analysis results indicted that both moisture content and temperature were two important factors for affecting the propagation velocity of stress wave. Stress wave velocity decreased gradually as MC or temperature increased. Stress wave velocity is more significantly affected by moisture content as MC is below the fiber saturation point(FSP)than as MC is above the FSP. When MC was below 50%, stress wave velocity decreased linearly as temperature increased, but stress wave velocity had an abrupt jump near 0 ℃ temperature when MC was above 50%. The binary linear regression models between MC and the propagation velocity of stress wave for specific temperature conditions were found fitting to the experiment data very well(R2 > 0.95).
Key words: stress waves    propagation velocity    temperature    moisture content    timber    pinus koraiensis    

应力波木材无损检测方法具有简单、快速、准确等特点。它能够用于评估立木、原木以及板材的刚度和强度等力学性质(王志同等,1995; Wang,1999),进而评价其等级; 也能够用于检测立木、原木及木结构构件的内部腐朽、空洞或裂纹等缺陷(王立海等,2008; 梁善庆,2008; 安源等,2008; 徐华东等,2010)。然而,应力波在木材内部的传播是一个较为复杂的过程,受到多种因素的影响,木材的温度和含水率就是影响应力波传播的2个重要因素(Sandoz,1993; Bächle et al., 2006; 王立海等,2008; 2009)。

我国东北地区主要为温带季风气候,局部地区属于寒温带,大部分地区冬季长达半年以上,因而该地区树木在较长时间段内处于冰点温度以下。为适应北方特有的气候条件,该地区的森林作业主要是在冬季进行,采伐下来的原木也是处于冰点温度以下。为了能够采用应力波技术对我国东北地区的立木及原木力学性质和内部缺陷进行及时、有效地评估,非常有必要研究温度及含水率对应力波在木材中传播的影响。

本文将在实验室内,针对无疵小试件,研究不同温度时含水率变化对应力波传播速度的影响,以及不同含水率范围温度变化对应力波传播速度的影响,力求找到应力波传播速度随温度或含水率变化的规律,为采用应力波技术评估立木及原木等提供基本技术参数。

1 材料与方法 1.1 试验材料

选用红松(Pinus koraiensis)无疵小试件进行测试,试件规格: 350 mm×20 mm×20 mm,数量为60个,计为1,2,…,60号,气干材,含水率介于6%~10%之间。

1.2 试验设备

本研究主要用到以下7种设备: 1) 德国RINNTECH公司生产的Arbotom应力波测试仪,用于测试试件中纵向应力波的传播时间; 2) 型号为FD -100B的高周波木材水分仪,用于快速测定试件的含水率,测量含水率范围为0%~100%;3) 超低温冰柜,用于调节被测试件的温度; 4) 数字温度计,用于测定实验室及冰柜内部温度; 5) 电子天平,用于测定试件质量; 6) 型号为101-1A号电热鼓风干燥箱,在采用烘干法测量试件含水率时,用来烘干试件; 7) AZ8851K/J/T热电偶温度计,用于测量木材试件温度。

1.3 试验方法 1.3.1 温度及含水率对应力波传播影响试验

首先,在实验室,常温状况(经测定,试验期间实验室平均温度约为20 ℃)下,在每一被测试件纵向切面的中间位置划一竖线,并用高周波木材水分仪在划线位置依次测定每一试件含水率; 接着,在每一试件2个端面的中心各钉入1枚钢钉,钢钉刺入深度控制在5 mm以内; 然后,在试件两端的钢钉上悬挂传感器,采用力锤敲击激励传感器,用Arbotom配套软件分析信号并获取应力波传播时间。为减小人为误差,测试时均由同一人敲击,敲击每一试件的次数至少为5次,取应力波传播时间平均值参与计算。依据上述方法,测试所有试件,并记录含水率与应力波传播时间。

常温状况测试完成后,把所有试件放入超低温冰柜调节试件温度后再进行测试。冰柜温度分别设定为-30,-20,-10,-5,0,5 ℃。为防治试件吸水或内部水分蒸发,采用塑料袋将试件密封好,并将其放置在冰柜内达12 h,以使试件内外温度相同。采用热电偶温度计插入试件内部测试试件实际温度,确保木材实际温度与设定温度相差在±0.3 ℃范围以内,再进行下一步测试。在每一温度,依次取出每一试件测量应力波传播时间和含水率,并记录。测试过程中为了防止测试样内部温度发生变化,从冰柜取出试件后,迅速进行测试,测试每一试件的时间控制在30 s之内,测试完后迅速放入冰柜。

为研究含水率对应力波传播的影响,以及不同含水率下温度对应力波传播的影响,在做完上述试验之后,把所有试件放入水中进行浸泡,以提高其含水率。在试件浸泡不同时间后,依次取出每一试件测量其含水率及在不同温度下的应力波传播时间,并记录。在完成上述试验后,选取含水率较高的试件若干(≥30),继续进行浸泡,直到试件含水率达到90%以上,其间取出试件做同上测试。最后,对所有样本进行烘干,测量样本绝干状态下不同温度时的应力波传播时间。

1.3.2 含水率校正

测量木材含水率最为准确的方法为烘干法,但由于本研究中含水率的测量需要实时的数据,即在测量完样本试件含水率后,为防止试件含水率变化,必须立刻把试件放入冰柜进行冷冻,并进行该含水率下温度对应力波传播影响的试验,因此试件并不能及时采用烘干法测量其含水率,只能采用方便、快捷的高周波木材水分仪来实时地测量试件含水率。

然而,为保证试验中含水率数据的准确性,须对高周波木材水分仪测定的含水率数据进行校正。本研究选取30个不同含水率的相同规格试件,利用高周波木材水分仪测量其含水率,再利用电子天平依次称量各试件质量,然后再把各试件放入烘干箱内进行烘干,烘干箱温度调节为105 ℃,每烘干12 h取出试件称量,直至试件的质量不再发生变化为止。计算各试件的绝对含水率,并与高周波木材水分仪测量的含水率数据进行比对。

表 1中列出了采用高周波木材水分仪(高频法)和烘干法2种方法测量的30个试件的含水率。由表 1可知:试件含水率在10%以下时,2种方法所测结果比较接近,表明在木材试件含水率低于10%时,高频法所测结果比较准确; 然而,当试件含水率高于10%时,与烘干法所测含水率数据相比,高频法所测数值明显偏低。造成这一结果的原因主要是试件尺寸较小,高频周波穿透木材受到了其他介质的影响。

表 1 高频法与烘干法所测含水率比较 Tab.1 Comparison of MC measured by high frequency method and oven drying method

尽管高频法与烘干法所测试件含水率数据有一定的差异,但是两者之间却有非常显著的相关关系。从图 1可知:高频法与烘干法所测含水率数值之间具有非常显著的正相关性,决定系数达到0.933。因此,可以采用高频法估计烘干法所测试件含水率数值,即木材试件的真实含水率。本文后面讨论中有关含水率的数据,含水率10%以下直接采用高频法所测数据; 含水率高于10%时则为估计的烘干法所测含水率。

图 1 高频法与烘干法测含水率的关系 Figure 1 Relationship between MC measured by high frequency method and MC measured by oven drying method
2 结果与分析 2.1 不同含水率和温度下应力波传播时间和速度

采用Arbotom应力波测试仪对60个红松试件进行测试,得到不同温度下、不同含水率范围的应力波传播时间数据,并计算了相应的应力波传播速度,见表 2

表 2 红松试件在不同温度和含水率下应力波传播参数均值 Tab.2 The mean values of stress wave propagation parameters of the korean pine samples at different temperatures and MC
2.2 应力波传播速度随含水率变化的规律

图 2为不同温度时,木材中应力波传播速度随含水率变化的曲线。从图 2可知:在不同温度时,含水率变化对木材中应力波传播速度的影响规律具有相似性,即随着木材含水率的增加,应力波传播速度均具有逐渐下降的趋势。其中,在含水率32%之前,应力波传播速度下降速度比较快,下降幅度也比较大; 而在含水率32%之后,传播速度的下降趋势逐渐变得平缓。这主要是由于木材的纤维饱和点在含水率32%附近,木材的纤维饱和点是木材物理力学性质改变的一个重要的分界点(李坚,2002)。在纤维饱和点以下,木材中的水分存在于细胞壁中,对木材的性质具有较大的影响; 而在纤维饱点以上,木材细胞壁中结合水已饱和,水分则以自由水形式存在于细胞腔中,此时水分对木材性质的影响也在逐渐降低。

图 2 不同温度下含水率变化对应力波传播速度的影响 Figure 2 Effect of MC on propagation velocity of stress wave at different temperatures

通过以上分析可知:在不同温度时,在纤维饱和点以下,木材中应力波传播速度随含水率变化下降幅度较大; 而在纤维饱和点以上,木材中应力波传播速度随含水率变化下降趋势逐渐平缓。

2.3 应力波传播速度随温度变化的规律

图 34分别为样本含水率低于和高于50%时应力波传播速度随温度变化的关系。从图 34可知:无论木材含水率为多少,木材中应力波传播速度均随着温度的升高呈逐渐下降的趋势。其中,在含水率小于50%时,应力波传播速度随温度下降的趋势近似为一条直线,0 ℃上下传播速度变化趋势基本相同; 而在含水率大于50%时,虽然应力波传播速度随温度升高仍然是逐渐下降的趋势,但在0 ℃上下传播速度有一非常明显的跳跃。当含水率为50%~55%时,应力波在-30 ℃木材中传播速度比-5 ℃时高627 m·s-1,变化速率为25 m·s-1-1; -5 ℃比5 ℃时高360 m·s-1,变化速率为36 m·s-1-1; 5 ℃比20 ℃时高227 m·s-1,变化速率为15 m·s-1-1。当含水率大于90%时,应力波在-30 ℃木材中传播速度比-5 ℃时高551 m·s-1,变化速率为22 m·s-1-1; -5 ℃比5 ℃时高587 m·s-1,变化速率为59 m·s-1-1; 5 ℃比20 ℃时高134 m·s-1,变化速率为9 m·s-1-1。对比可知:在-5 ℃与5 ℃之间,应力波传播速度变化幅度较大,变化速率较快,且随着含水率增高变化速率在加快。这主要是由于含水率大于50%时,木材内部含有较多自由水,温度在0 ℃上下变化时自由水发生相变引起的。

图 3 含水率50%以下温度变化对应力波传播速度的影响 Figure 3 Effect of temperature on propagation velocity of stress wave when MC is below 50%
图 4 含水率50%以上温度变化对应力波传播速度的影响 Figure 4 Effect of temperature on propagation velocity of stress wave when MC is above 50%

本研究所发现的规律与以往研究结论也较吻合。Sandoz(1993)研究了木材含水率为0%,8%,12%和大于纤维饱和点时,温度变化范围为-20~60 ℃时的超声波传播速度变化规律,研究发现:超声波速度随温度升高有线性下降的趋势,即使是在0 ℃附近。然而,通过Sandoz(1993)可以看出:当含水率大于纤维饱和点时,超声波速度在0 ℃上下也存在一个跳跃或不连续。此外,Bächle等(2006)研究了温度对声波在辐射松(Pinus taeda)生材中传播速度的影响,研究结论为声波传播速度随温度升高逐渐下降,并且在0 ℃上下有一个突然的跳跃。尽管应力波与超声波不同,但都属于声波,只是频率不同而已,因此它们也都应该具有相似的传播规律。

2.4 温度及含水率对应力波传播速度的综合影响及其回归模型

含水率和温度对应力波在红松木材纵向传播速度的综合影响规律见图 5图 5可以更为直观地显示出不同温度和含水率所对应的应力波传播速度。同样,从图 5也可以看出:应力波传播速度随着温度升高或含水率增加在逐渐下降。

图 5 含水率和温度对应力波传播速度的综合影响 Figure 5 Three dimensions curves about the effects of MC and temperature on stress wave propagation velocity

为找到含水率、温度与应力波传播速度之间更为具体的关系,采用SPSS统计软件对不同温度和含水率时所测得的应力波传播数据进行多元线性回归分析,建立三者之间的回归模型,见表 3。从表 3可知:以含水率32%(纤维饱和点附近)为界,所建立的2个回归模型,决定系数R2均达到0.95以上,表明模型具有较高的拟合优度,F检验置信度也都在0.001水平上。因此,可以通过回归模型对红松木材在不同温度、不同含水率所对应的纵向应力波传播速度进行估计。

表 3 应力波传播速度与温度及含水率的二元线性回归模型 Tab.3 The binary linear regression models between stress wave propagation velocity and MC for specific temperature conditions
3 结论

通过测试红松无疵小试件在不同含水率和-30~20 ℃温度下的应力波传播速度,分别分析了含水率和温度对木材中应力波传播速度的影响,并利用SPSS软件建立了三者的回归模型。分析得到如下结论:

1) 在不同温度时,木材中应力波传播速度随含水率变化具有相似的规律,均是随着含水率增加有逐渐下降的趋势。其中,在含水率32%(纤维饱和点附近)以下,传播速度随含水率变化下降幅度较大; 而在含水率32%上,传播速度随含水率变化下降趋势逐渐平缓。

2) 不同含水率时,应力波传播速度随温度升高呈逐渐下降的趋势。其中,在含水率低于50%时,应力波传播速度随温度升高呈线性下降趋势,在0 ℃附近变化趋势也是连续的; 而在含水率高于50%时,传播速度在0 ℃上下有一比较明显的跳跃。

3) 所建立的含水率、温度与应力波传播速度之间的二元线性回归模型,拟合优度较高,决定系数R2均在0.95以上。

参考文献(References)
安源, 殷亚方, 姜笑梅, 等. 2008. 应力波和阻抗仪技术勘查木结构立柱腐朽分布[J]. 建筑材料学报, 11(4): 457-463.
李坚. 2002. 木材科学[M]. 北京: 高等教育出版社: 256-262.
梁善庆. 2008. 古树名木应力波断层成像诊断与评价技术研究[J]. 中国林业科学研究院博士学位论文.
王立海, 徐华东, 闫在兴, 等. 2008. 传感器的数量与分布对应力波检测原木缺陷效果的影响[J]. 林业科学, 44(5): 115-121. DOI:10.11707/j.1001-7488.20080522
王立海, 王洋, 高珊, 等. 2009. 冻结状态下应力波在长白落叶松立木中传播速度的研究[J]. 北京林业大学学报, 31(3): 96-99.
王志同, 曹志强, 袁卫国. 1995. 用应力波非破损检测技术检测中密度纤维板弹性模量的研究[J]. 木材工业, 9(5): 17-19.
徐华东, 王立海, 游祥飞, 等. 2010. 应力波在旱柳立木内的传播规律分析及其安全评价[J]. 林业科学, 46(8): 145-150. DOI:10.11707/j.1001-7488.20100822
Bächle H, Walker J. 2006. The influence of temperature on the velocity of sound in green pine wood[J]. Holz als Roh-und Werkstoff, 64: 429-430. DOI:10.1007/s00107-005-0083-7
Sandoz J L. 1993. Moisture content and temperature effect on ultrasonic timber grading[J]. Wood Science and Technology, 27(5): 373-380.
Wang X P. 1999. Stress wave-based nondestructive evaluation(NDE)methods for wood quality of standing trees[J]. A Doctoral dissertation of Michigan Technological University.