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无损检测技术在木材保护中的应用

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  无损检测( Non Destructive Testing 或 Non Destructive Evaluation ,简称 NDT 或 NDE ),又称非破坏性检测,是利用材料的不同物理力学或化学性质在不破坏目标物体内部及外观结构与特性的前提下,对目标物体相关特性(如形状、位移、应力、光学特性、流体性质、力学性质等)进行测试与检验,尤其是对各种缺陷的测量 [1] 。无损检测的最大特点是既不破坏材料的原有特性,而且能在短时间内获得期望的结果,以便操作人员迅速作出判断,有利于连续生产和提高生产效率,还有利于作出正确的决策。 

  木材是天然生长的植物材料,与各向同性材料如金属、玻璃、塑料、陶瓷制品等有着巨大的不同,具有形状不规则性及变异性和各向异性的特点,因而对木材及其制品的无损检测有其独特性,也有着许多困难。尽管如此,木材无损检测技术经过 40 多年的发展,已取得很大的成就,在木材分等、木材水分测定、干燥控制、温湿度测定、强度与弹性模量、木材缺陷的检测等方面得到了广泛的应用 [1-5] 。为提高我国木材保护技术水平,对无损检测技术在木材保护中的应用进行介绍。 

  1. 无损检测在木材保护中的主要用途 

  1.1 木材含水率无损检测 

  木材含水率是影响与决定木材使用的重要指标,对古建筑木构件,含水率更具有重要意义。一般地,木构件含水含水率过高,则意味着古建筑木构件发生病虫害的可能性增大,必须引起重视。 

  常用的木材含水率无损检测仪器有根据直流电、高频电流、介电常数、微波、红外线等原理开发制造的仪器,这些设备目前国内外产品种类较多,其中国内产仪器价格较便宜。  2 古建筑木结构部件的现场检测 

  古建筑木结构维修和保护,不能破坏原有木构件,就需要采用无损检测技术对其木结构安全进行评价,通过无损检测为在维修前进行设计与确定维修或更换木构件等工作,提供有力的证据。这也是无损检测的一个重要应用,主要检测木构件的残余强度和木构件内部缺陷 , 为木结构建筑的可靠性、安全性和使用寿命做出评价。  3 古树名木的健康状况评价 

  古树名木不仅是重要的自然资源和景观,也已成为重要的文化遗产,得到世界各国政府的重视与保护。为加强古树名木的保护,必须对古树内部缺陷在不破坏其生长和引起新的灾害的条件下进行检测,这就需要应用无损检测技术,这也是目前美国、欧洲和日本等发达国家对城市树木进行保护必须采用的重要技术 。   木材保护中常用的无损检测技术  1 肉眼观察

  最简单和最古老至今仍在使用的无损检测方法就是肉眼观察,可帮助对无损检测结果进行判别和验证。如对产品和组成成分的变化等需要做出判断时,就需要肉眼观察和识别,采用的办法包括对破裂碎片、机械破坏、后期腐朽和严重的虫蛀等情况的进行仔细观察和分析。根据肉眼观察判断的结果确定检测部件或产品的优劣与是否合格或淘汰。  2 近似无损检测的办法

  近似无损检测的方法常和肉眼观察联合使用。这些方法包括: 

  ① 用锤子敲击来判断柱子或原木有无空洞或腐朽; 

  ② 用刀子刮树皮,检查木材表面硬度,根据硬度的大小初步判断腐朽程度; 

  ③ 钻取木芯来检测木材内部的腐朽; 

  ④ 使用木材阻力测定仪(如阻抗图波仪)测定木材内部腐朽。 

  采用近似无损检测方法可以帮助肉眼观察获得的信息,如用生长锥木芯可以判断腐朽深度和大小。 

  目前我国古建筑维修和古树保护中,主要采用肉眼观察和用锤子敲击来判断木结构部件有无空洞或腐朽,然后确定这些木构件是否更换。  3 声应力波

  声应力波是最常用的古建筑木结构安全评价的无损检测方法。声应力波是通过冲击或用给定的应力使其产生振动,但目前主要采用的是冲击产生振动的方法。 

  声应力波方法常采用测定声传播速度或测定振动波谱的方法来进行分析。 

  对木构件常用测定声速来计算木构件的残余动弹性模量,因为声速测定简便易行,其计算公式为: 

  E=DV 2 

  其中 E 是木材动弹性模量; D 木材密度; V 声应力波速度 

  利用应力波测定残余动弹性模量需要检测木材密度,而密度测定必须在现场采样,然后在实验室进行测定。 

  当木材发生腐朽或虫蛀时,垂直于木材纹理方向的传播速度急速增加。一般地,当应力波传播速度增加 30% 时,就意味着木材强度损失已达到 50% ;当应力波传播速度增加 50% 时,就意味着木材遭到了严重损害;横向(径向或弦向)是探测腐朽的最佳途径。 

  健康材应力波的传播速度是进行无损检测判断分析木材是否腐朽以及纵向传播速度的重要依据和参考, 部分树种的应力波传播速度如 表 1 所示。 

  还可以选择测定声应力波振动波谱的的方法,基本能克服检测传播速度带来的缺点,这是因为:声应力波波谱能提供被检测材料所有的条件和特征,还可以从其波谱中选取多个变量,如最大能量、主频率、频率位移等,以及多个无损检测参数可提供同破坏性质相关的相关联系;还可选择与环境关系(温度、水分、边界条件)不大的变量进行检测。

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  为此在进行应力波无损检测时,最好选择声应力波振动波谱分析的应力波检测仪,如果采用测定声传播速度检测方法的仪器,应采用相应的方法弥补测定仪器带来的不便。  4 超声(应力)波 

  超声应力波同声应力波方法基本相同,主要不同在于超声波应用的频率超过 20kHz 。 

  超声波测定的原理分为穿透应力波系统和脉冲 - 反应系统两种,现有设备也是按照这两种原理设计生产制造的。穿透应力波系统是指超声波沿被检测木材的厚度方向传播,而被检测的木材的声波特性就在另一边被记录下来;而脉冲 - 反应系统是指测定记录被传播到材料内部表面的回声波的特征,可以测定木材腐朽深度等。  5 其它无损检测技术

  ① 电学方法:利用木材电阻和木材含水率的相关关系进行无损检测,可以测定木材含水率。还可以利用木材电阻特征在现场探测木材腐朽。 

  ② γ 射线:利用 γ 射线可以定量化探测木材内部腐朽程度,也可以定量测定防腐剂痕量元素在木材中的分布。这种检测方法的不利因素是要用到放射性元素。 

  ③ X- 射线: 这是实验室和生产线上常用的一种方法,主要用于检测木材内部腐朽、木材微密度测定、木材节疤等的检测等,如常见的软 X 射线木材微密度测定仪、 X- 射线木材缺陷检测系统等。   木材保护中常用的无损检测仪器 

  木材保护中常用的无损检测仪器有:含水率测定仪、木材阻抗测定仪、应力波测定仪、超声波测定仪器等。其中含水率测定仪目前应用很多,这里不作介绍,而对其它的仪器作重点介绍。  1 木材阻抗测定仪 —Resistograph (阻抗图波仪)和 SIBTEC microProbe [11] 

  木材阻抗测定仪的原理是采用一个直径 1 毫米或稍大一点的小钻针,在通电情况下,使用均匀速度加力使小钻针穿入木材内部,测定仪就采用携带的记录纸或计算机磁盘记录小钻针根据木材密度分布不同而产生的阻力曲线,其中阻力大小和进入深度直接相关。根据阻抗曲线可以判断木材内部具体部位的早晚材密度、应力木、年轮密度以及空洞、腐朽等情况,为判断木材内部腐朽、虫蛀、白蚁危害程度提供有效可靠的依据。 

  木材阻抗测定仪是一类近似无损检测设备,主要用于木结构、木桥、电线杆、地板和树木等的腐朽与虫蛀、白蚁危害、空洞、应力木等的探测,在美国、欧洲、日本和我国台湾在古建筑木结构维修前对木结构安全评价常用的仪器为阻抗图波仪( Resistograph ),利用该设备可快速获得对被检测 建筑 木构件、 活立木或木材 内部缺陷结果,可以迅速确定是否更换被测木构件。 市场前景很好, 但阻抗图波仪价格不菲。 

  目前木材阻抗测定仪有由总部设在美国的德国 Frank Rinn, IML 公司生产的 Resistograph 和由英国 Sibert Technology Limited 公司生产的 SIBTEC microProbe 两大品牌。其中 Resistograph 是 1994 年就开始生产的产品,其 小钻针 直径为 1.5 毫米 -3 毫米,钻取深度可长达 1.5 米;而 microProbe 直径为 1.0 毫米,钻取深度可长达 1.5 米。 

  Resistograph 种类较多,仪器型号有: IML-Resi F300S , IML-Resi F400S , IML-Resi F500S , IML-Resi F150SDUO 多种 系列产品,其中 IML-Resi F400S 销售最好,可用于柱材、梁和树木的检测;而 IML-Resi F150S 系列产品可以检测白蚁危害。而 SIBTEC microProbe 测定仪,产品价格比 Resistograph 产品便宜。目前生产的产品型号为 Digital microProbe ,有计算机接口,还带有野外用的打印机。 2 应力波测定仪 

  应力波测定仪有很多种,如德国 Frank Rinn, IML 公司生产 的电子锤 (Electronic Hammer) 和 ARBOTOM ,美国生产的 JAMES-V 应力波测定仪、匈牙利的 Fakopp, 德国产 PICUS sonic tomograph 等产品。这些产品基本都是以测定应力波传播时间为原理的仪器。 

  电子锤 (Electronic Hammer) 和匈牙利产的 Fakopp 测定仪 , 可以用于木材和树木的检测;而德国产的 PICUS sonic tomograph 和 ARBOTOM 是具有多通道的应力波测定仪,可以获得树木横切面内部的二维或三维图像,如前者具有 13 个通道。这很容易从图像中发现木材内部健康与腐朽情况以及腐朽的程度大小,因而在古树名木的健康监测中应用广泛。 

  目前台湾使用超声波或应力波无损检测技术检测古建筑木构件强度与腐朽程度,进行古建筑维修前与维修后木构件安全的评价。  3 超声波测定仪 

  超声波测定仪目前常见的有瑞士生产的 SYLVATEST 和 PUNDIT ( Portable Ultrasonic Non-destructive Digital Indicating Tester ),都可以对木材内部腐朽进行检测,也可以对活立木材质进行评价。其中 SYLVATEST 体积较小,便于野外使用。  4 Pilodyn 

  这是丹麦一个公司研制生产的原本专门用于进行电杆安全检测的一种无损检测仪器,目前已经广泛用于古建筑木结构和古木保护的检测中。 

  测定原理是以预先设定好的能量,将一个钢钉射入到木材中,钉子射入的深度就是检测的结果,这与木材密度密切相关。木材密度大,则射入深度浅,反之,射入深度大。通过测定木构件表面硬度,确定木材表层一定深度是否产生缺陷或木材是否发生腐朽。我国目前也有在古建筑维修中应用该仪器的报道。缺陷是只能用于木材表面特性检测。

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