文章信息
- 彭辉, 蒋佳荔, 詹天翼, 吕建雄
- Peng Hui, Jiang Jiali, Zhan Tianyi, Lü Jianxiong
- 木材密度和含水率对其轴向超声波传播速度的影响
- Influence of Density and Moisture Content on Ultrasound Velocities along the Longitudinal Direction in Wood
- 林业科学, 2016, 52(10): 117-124
- Scientia Silvae Sinicae, 2016, 52(10): 117-124.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20161015
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文章历史
- 收稿日期:2015-07-31
- 修回日期:2015-11-26
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作者相关文章
超声波检测作为木材无损检测技术的一种,在不破坏木材尺寸、结构的前提下,可以实现木材质量和强度的评估与预测。超声波检测技术的原理是基于声在木材中的传播速度v、木材密度ρ和弹性模量E三者之间的关系,如式(1):
$ v = \sqrt {E/\rho } 。 $ | (1) |
研究者们对木材密度与声传播速度的关系进行了探讨,但目前对二者之间的关系仍无统一定论。一些研究认为超声波在木材中的传播速度并不取决于木材密度,即二者之间无显著相关性(Ilic,2003;Mishiro,1996;Baar et al., 2012);也有一些研究指出木材密度对超声波在木材中的传播速度具有显著影响,声速或者随木材密度的增加而增大(Oliveira et al., 2006),或者随木材密度的增加而减小(Bucur,2006)。
由于木材具有吸湿性、非均质性和各向异性的特点,因此,超声波在木材中的传播受树种、组织构造、含水率和环境温度等因素的影响(Chauhan et al., 2006;徐华东等,2011;Baar et al., 2012)。由式(1)可知,弹性模量也是影响木材声速的关键因子,而含水率是决定弹性模量的重要因素,因此,含水率对木材声速的影响规律研究受到了研究者们的关注。迄今的研究发现:对于纤维饱和点以下的含水率范围,木材声速与含水率之间呈负相关关系(Oliveira et al., 2005;Chan et al., 2011;刘昊等,2014)。但之前围绕含水率与木材声速之间的关系研究多集中在对单一树种木材的探讨上,鲜有涉及对多树种木材的统一分析,对于“由含水率增加所引起的声速降低程度在不同树种木材之间的差异研究”更是鲜见报道。
鉴于此,本文以6个树种木材为研究对象,考察密度和含水率对木材轴向声速的影响,分析木材密度与其轴向声速之间的相关性,探讨含水率增加所引起的轴向声速降低量在不同树种木材之间的差异,以期为木材超声波无损检测技术的应用提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料本研究以6个树种木材的心材作为试验材料。其中,3种针叶材:杉木(Cunninghamia lanceolata)、红松(Pinus koraiensis)和樟子松(Pinus sylvestrisvar. mongolica),气干密度分别为394,456和509 kg·m-3;3种阔叶材:核桃楸(Juglans mandshurica)、白桦(Betula platyphylla)和蒙古栎(Quercus mongolica),气干密度分别为529,568和749 kg·m-3。对于每一个树种,均在同一根原木心材部位的相同年轮区域内取材,制成尺寸为20 mm(L)× 20 mm(R)× 20 mm(T)的无疵小试样,每个树种的试样数为72个。
1.2 试样含水率调整将每个树种的木材试样分成5组,前4组每组15个试样,分别放置在20 ℃,相对湿度为50%,65%,85%和95%的恒温恒湿箱中达到含水率平衡,用于分析木材平衡含水率对其轴向声速的影响。6个树种木材在4个相对湿度环境中达到的平衡含水率列于表 1。第5组12个试样,按照GB/T 1931-2009《木材含水率测定方法》,用干燥箱在温度为(103±2) ℃的条件下烘至绝干,获得绝干木材试样,用于分析木材绝干密度对其轴向声速的影响。
本试验采用超声波探伤仪Epoch XT(美国Olympus NDT公司)进行木材轴向声速测试,如图 1所示。一对超声波探头(Olympus A133s)直径12 mm,纵波频率2.27 MHz,用于测定超声波沿木材轴向的传播速度。将超声波探头与木材试样之间的接触面涂抹耦合剂,以尽量减小空气介质对试验结果的影响。此外,采用一套夹紧装置以确保测试过程中超声波探头与木材试样之间的接触压力保持恒定。测试时,一端探头产生超声脉冲波,在所检测的木材试样中沿轴向传播,并由另一端探头接收。将接收到的第1次超声信号的峰值强度放大至100%,以30%的峰值强度为界,超声波由此处至最大振幅所经历的时间设为超声波在两探头之间的传播时间,其以微秒显示在仪器液晶屏上。
根据木材试样的轴向长度L(m)、超声波沿木材轴向的传播时间t(s),由式(2)可求得超声波沿木材轴向的传播速度v(m·s-1):
$ v = L/t。 $ | (2) |
图 2比较了6个树种木材在50%,65%,85%和95%相对湿度下(20 ℃)的平衡含水率。从图中可以看出,6个树种木材的平衡含水率均随着相对湿度的增加而增大。当相对湿度为50%时,6个树种木材的平衡含水率比较接近,介于9.4%~10.5%之间;随着相对湿度的增加,不同树种木材之间平衡含水率的差异随之增大,对于65%,85%和95%相对湿度,6个树种木材相应的平衡含水率范围分别介于11.2%~12.9%,13.7%~16.8%和16.8%~20.1%之间。此外,从总体来看,在任一相对湿度条件下,针叶材的平衡含水率略高于阔叶材的平衡含水率。
在相同的环境温湿度条件下,不同树种木材平衡含水率存在差异的原因主要归结为吸湿性的不同。一方面,木材的吸湿性取决于半纤维素的含量。由于半纤维素中大量的-OH,-COOH等极性基团可为水分子提供更多的吸着点,因此与纤维素和木质素相比,半纤维素具有更强的吸湿能力(Skaar,1988;Siau,1995)。可以认为,在其他条件都相同的情况下,半纤维素含量越高,木材的吸湿性越强。另一方面,木材的吸湿性与抽提物含量有关。木材中疏水性抽提物的存在堵塞了水分的运输通道,减弱了木材的吸湿能力。研究表明,抽提物对单分子层吸着水的吸着行为几乎无影响;由于抽提物对木材细胞壁的充胀效应(bulking action),占据了水分子的吸着空间,阻碍了多分子层吸着水的吸着行为(Nzokou et al., 2004;Keunecke et al., 2007)。因此可以推测,不同树种木材抽提物含量的差异是引起高湿条件下木材平衡含水率差异增大的主要原因。此外,有报道指出:在同一温湿度条件下,“具有明显颜色心材的针叶材”(如杉木、红松、樟子松)达到的平衡含水率要高于“具有明显颜色心材的阔叶树环孔材和半环孔材”(如核桃楸、蒙古栎)(王松永,1986),可以用这一点来解释图 2中“任一相对湿度条件下,与阔叶材相比,针叶材的平衡含水率总体上较高”这一现象。
2.2 木材密度对其轴向声速的影响表 2列出了6个树种木材在绝干状态下的密度ρoven、轴向声速v以及绝干密度与轴向声速之间相关性分析的决定系数R2。从表中可看出,6个树种木材的绝干密度介于369(杉木)~707 kg·m-3(蒙古栎)之间,所测得的轴向声速最小值为4 235 m·s-1(蒙古栎)、最大值为4 716 m·s-1(红松)。对每一个树种木材的绝干密度与轴向声速进行线性回归,结果表明二者之间的相关性不显著,6个树种木材的决定系数R2均低于0.24。此外,3种阔叶材的绝干密度均高于3种针叶材,但是,对于阔叶材与针叶材之间轴向声速的比较,没有发现明显的规律性。
将6个树种木材的绝干密度和轴向声速综合起来进行统一的线性回归,结果如图 3所示。从图中可看出:总体上,木材轴向声速随着绝干密度的增大呈减小的变化趋势,但二者之间的相关性不显著,决定系数R2仅为0.42。在Bucur(2006)的研究中,对密度范围为200~900 kg·m-3的40种木材的轴向声速进行了测定,声速范围介于2 500~5 800 m·s-1之间,轴向声速也呈现出随木材密度增加而降低的变化趋势。此外,Mishiro(1996)、Ilic(2003)和Baar等(2012)的研究均指出,木材密度与声速之间没有显著的相关性,这与本研究的试验结果一致。Mishiro(1996)研究认为:当比较密度(~100 kg·m-3)最小的轻木(Ochroma lagopus)和密度(~1 300 kg·m-3)最大的愈疮木(Guajacum officinale)二者之间的轴向声速时,木材密度对其轴向声速具有显著影响;若将轻木和愈疮木排除,其余树种木材的密度与轴向声速之间并无显著相关性。Ilic(2003)测定了55种木材的声传播速度,结果显示,铁木桉(Eucalyptus sideroxylon)和赤桉(Eucalyptus marginata)等树种木材具有很高的密度,但超声波在此类木材中的传播速度很低;此外,对55种木材的综合分析表明,木材密度与声速之间的相关性不显著。Baar等(2012)采用超声波法和声共振法研究了5个树种木材的密度对其轴向声速的影响,2种方法的测试结果均表明,木材密度与其轴向声速之间无显著相关性。
此外,由式(1)可知,木材的声速v正比于弹性模量和密度的比值E/ρ,即比弹性模量,这也就意味着,木材中声速的变化是由弹性模量与密度比值的改变所引起的。当木材密度较低而弹性模量较高时,超声波在木材中的传播速度较快。然而,对于木材而言,较大的密度往往对应于较高的弹性模量,因此,弹性模量高的木材,其声速并不一定高(Hori et al., 2002)。此外,对于密度较大的木材,若由于扭转纹理、纤维长度或微纤丝角等组织构造的原因使得木材的弹性模量较低,则此时的声速往往也较低(Brancheriau et al., 2006)。由此可见,要想弄清楚木材密度单一因子对其声速的影响规律是很困难的,这也是研究者们在开展相关研究时得出不同结论的原因。可以设想,超声波在木材中的传播速度不能仅用密度来预测,其在很大程度上还取决于木材的组织构造特点,如木材的轴向声速与管胞、导管和木纤维的长度呈正相关,而与木射线比率呈负相关等(Oliveira et al., 2006;Keunecke et al., 2007;张训亚,2011)。
2.3 木材含水率对其轴向声速的影响表 3列出了6个树种木材在4个平衡含水率下的木材密度ρraw和轴向声速v。从表 3可以看出,木材的轴向声速均随着含水率的增加而降低。原因在于:木材可看作是由木材实质、水和空气组成的系统,超声波在木材实质中的传播速度(顺纹声速>2 500 m·s-1)远大于在水和空气中的传播速度(水中声速约1 500 m·s-1,空气中声速约340 m·s-1),因此,木材中的水分含量增加,则其声速降低(Oliveira et al., 2005;Chan et al., 2011;刘昊等,2014)。同时,一些研究指出,在纤维饱和点以下的含水率范围,木材中的声速随着含水率的增加呈线性降低的变化趋势(Sakai et al., 1990;Bucur,2006;Keunecke et al., 2007;Ozyhar et al., 2013),在本研究中也观察到此现象(图 4)。从图 4中可以看到,6个树种木材的轴向声速均随含水率的增加呈线性降低趋势,线性回归的决定系数R2均大于0.91。
在纤维饱和点以下,木材含水率增加,其轴向声速降低。分析其原因:一方面,可认为吸着水增多使得木材轴向细胞的声阻增加,等效于在木材细胞壁实质的声阻上并联了吸着水的声阻;另一方面,吸着水分子进入木材细胞壁中,或与无定形纤维素分子链上的游离羟基直接形成氢键结合,或切断无定形纤维素分子链内部/之间的氢键连接,产生新的游离羟基,水分子再与这些新生成的游离羟基形成氢键结合,进而增大了无定形纤维素分子链之间的距离,即降低了单位体积木材细胞壁物质的量(Placet et al., 2007;2012;吕建雄等,2015),从而增大了木材细胞壁实质的声阻,致使声速降低。
为了比较6个树种木材之间“由含水率增加所引起的轴向声速降低程度”的差异,引入“木材单位含水率的轴向声速降低量Δv/ΔMC”这一参数,计算公式如下:
$ \begin{array}{l} \Delta v/\Delta {\rm{MC = }}\left( {{v_{50{\raise0.5ex\hbox{$\scriptstyle 0$} \kern-0.1em/\kern-0.15em \lower0.25ex\hbox{$\scriptstyle 0$}}{\rm{RH}}}} - {v_{95{\raise0.5ex\hbox{$\scriptstyle 0$} \kern-0.1em/\kern-0.15em \lower0.25ex\hbox{$\scriptstyle 0$}}{\rm{RH}}}}} \right)/\\ \;\;\;\;\;\;\;\left( {{\rm{M}}{{\rm{C}}_{95{\raise0.5ex\hbox{$\scriptstyle 0$} \kern-0.1em/\kern-0.15em \lower0.25ex\hbox{$\scriptstyle 0$}}{\rm{RH}}}} - {\rm{M}}{{\rm{C}}_{50{\raise0.5ex\hbox{$\scriptstyle 0$} \kern-0.1em/\kern-0.15em \lower0.25ex\hbox{$\scriptstyle 0$}}{\rm{RH}}}}} \right)。 \end{array} $ | (3) |
式中:v50%RH和v95%RH分别为木材在50%和95%相对湿度达平衡含水率时的轴向声速;MC50%和MC95%分别为木材在50%和95%相对湿度下的平衡含水率。
将6个树种木材单位含水率的轴向声速降低量绘于图 5中,总体上看,红松、杉木和樟子松3种针叶材之间单位含水率的轴向声速降低量Δv/ΔMC差异较小:红松和樟子松的Δv/ΔMC几乎相等,分别为42.6 m·s-1%-1和42.4 m·s-1%-1,杉木的Δv/ΔMC值最低,为38.1 m·s-1%-1;核桃楸、白桦和蒙古栎3种阔叶材之间的Δv/ΔMC差异较大,其中,核桃楸的Δv/ΔMC与针叶材中的杉木相似,为38.6 m·s-1%-1,蒙古栎和白桦的Δv/ΔMC分别为55.4 m·s-1%-1和23.1 m·s-1%-1,前者约为后者的2.4倍。分析其原因:一方面,针叶材的组织构造比较简单、细胞种类较单一,而阔叶材的组织构造复杂、细胞种类较多,因此,在材性的比较上阔叶材往往较针叶材复杂多变,包括声性质(Bucur,2006);另一方面,抽提物含量的高低和侵填体的有无可能是引起3种阔叶材之间的轴向声速受含水率影响程度差异较大的原因。据报道(表 4),核桃楸、白桦和蒙古栎的热水抽提物与苯-乙醇抽提物之和分别为10.11%,5.19%和10.08%,蒙古栎的侵填体丰富,白桦不含侵填体(成俊卿等,1992);此外,沿木材径向排列的木射线细胞阻碍了声波沿轴向的传播(Ilic,2003;Brancheriau et al., 2006),而含水率的变化会引起木射线细胞分子链的间距发生改变,进而加剧其对超声波沿轴向传播的阻碍作用。本试验的6个树种木材中,蒙古栎的木射线比率最高,每毫米为11~12根(表 4),木射线比率越大,木材单位含水率引起其轴向声速的降低程度越显著。
本研究采用超声波探伤仪Epoch XT对不同平衡含水率的6个树种木材(杉木、红松、樟子松、核桃楸、白桦和蒙古栎)的轴向声速进行测定,讨论了木材密度和含水率对其轴向声速的影响,分析了引起不同树种木材之间“单位含水率的轴向声速降低量”存在差异的原因,主要结论如下:
1)在相同的温湿度条件下,6个树种木材达到的平衡含水率存在差异,并且随着相对湿度增加,不同树种木材之间平衡含水率的差异随之增大。推测不同树种木材中半纤维素和抽提物含量的不同是引起木材吸湿性存在差异的主要原因。
2)单一树种木材的绝干密度与轴向声速之间的相关性不显著,6个树种木材的决定系数R2均低于0.24;对6个树种木材的绝干密度和轴向声速综合分析的结果表明,木材轴向声速随着绝干密度的增加呈现降低的变化趋势,但二者之间无显著相关性,决定系数R2仅为0.42。超声波在木材中的传播速度不能仅用密度单一因子来预测,其在很大程度上还取决于木材的组织构造特点,如管胞、导管和木纤维的长度以及木射线比率等。
3)在纤维饱和点以下,6个树种木材的轴向声速均随含水率的增加呈线性降低的变化趋势,线性回归的决定系数均大于0.91。吸着水增多使得木材细胞壁实质的声阻增加是引起木材轴向声速与含水率呈负相关的原因。此外,木材组织构造和细胞类型的差异、抽提物含量的高低、侵填体的有无以及木射线比率等均可能是引起不同树种木材之间“单位含水率的轴向声速降低量”存在差异的原因。
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