周先雁，汤 威，王智丰

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院，长沙 410004)

竹质工程材料是利用性能优良、可迅速再生的竹子为原材料制造而成，是一种绿色环保、可持续使用的新型工程材料。但由于竹子是一种不规则的薄壁、椭圆锥状材料，其截面尺寸受到限制，要制作成符合实际需要的工程材料需要复杂的加工程序。竹质工程材料主要包括以竹片为基本单元的竹集成材、以竹篾为基本单元的竹层积材、以竹丝为基本单元的复合材料[1]。本研究主要针对以竹片为基本的竹集成材，初步探讨并实现对竹集成材弹性模量的检测。开展对竹质工程材弹性模量检测方法的研究对保证其产品质量、推广其在各领域的应用具有重要的意义。

目前，在国内外开展竹质工程材弹性模量无损检测方法的研究非常少，而在木材领域的应用已非常成熟。在欧美，无损检测方法已成功运用到原木、复合木材的弹性模量、缺陷的检测，可实现对古树虫害程度的评价，并开发了一批无损检测设备。其中应用的比较成熟的方法有超声波法、应力波法和射线扫描等，振动法对研究结构工程材力学性能具有较好的效果，本文主要开展超声波法和冲击回波法对竹材弹性模量检测的研究。

1 试验材料和方法

本试验选用某竹材加工厂生产的单层、双层和三层竹集成板材，裁取共计24个单板试件。该竹材在同一厂家生产，其含水量和密度相对稳定。本实验采用超声波法和冲击回波法检测竹材的动弹性模量，再通过与静载弹性模量作对比，分析其无损方法对竹材弹性模量实现检测的可行性。

1.1 超声波法

本实验采用北京智博联科技有限公司生产的ZBL-U520系列非金属超声检测仪，通过检测仪记录超声波通过已知距离的时间计算超声波的传播速度。同时，为了减小换能器与试件之间空气的影响，在测试的过程中，需用黄油作耦合剂。

利用以下公式可得竹材动弹性模量[2-3]：

MOEUL=ρc2，

(1)

式中：MOEUL为超声波法推算的动弹性模量(GPA)；ρ为试件密度(kg/cm3)；c为传播速度。

1.2 冲击回波法

冲击回波法是基于应力波传播原理而发展深化的，其主要采集应力波在被测物体内的波形参数来实现检测的，而本实验研究通过获取冲击回波仪器两位移传感器接收的波形信号时间差来计算应力波在竹材表面的传播速度。本实验采用的仪器为加拿大OLSON公司生产的IES冲击回波仪，两位移传感器的固定间距30 cm。实验过程中，用力锤在两传感器的同一直线上用力敲击，距最近传感器为15 cm。本实验研究是将该方法在正交异性材料无损检测中的一次尝试，其通过固定间距30 cm范围内的波速推断全长竹材弹性模量具有一定的局限性。

利用以下公式可得竹材动弹性模量[4]：

(2)

式中：MOEIE为冲击回波法推算的动弹性模量(GPA)；ρ为试件密度(kg/cm3)；c为传播速度；t为传播时间。

1.3 静弹性模量测试方法

基于单向受压原理，采用两点加载法测定竹材板的静弹性模量。试验的过程中严格控制每级加载量和加载速度，确保百分表稳定后读数。整理试验数据，绘制荷载-挠度曲线，利用如下公式计算其全跨内的弯曲弹性模量。

(3)

式中：MOEST为静载试验所测弹性模量(GPa)；a为加荷点与反力之间的距离(m)；L为跨距(m)；ΔF为荷载增量(N)；ΔW为中点绕度(m)；I为实际截面的惯性矩。

2 结果与分析

2.1 试验结果分析

通过试验采集的波速来推算竹材的弹性模量，并分析其统计规律，部分统计值见表1。

表1 试验数据统计特征值

从表1可知，动弹性模量平均值均高于静弹性模量，其主要原因是不同测试方法所采用测试原理不尽相同，另外还因为竹材是一种粘弹性材料，在静载荷测试时，木材的变形存在一定的“滞后”效应；超声波法推算的弹性模量平均值比冲击回波法推算的弹性模量平均值更接近于静弹性模量值，可知超声波检测准确性相对较高；从上表数据可知，静载实验所测竹材弹性模量标准差也相对较大，因为竹集成材为竹片胶接，其整体刚度与竹片质量、竹片间的胶接质量有关系，且通过试件数据对比分析，单板静载弹性模量比双层板和三层板的离散性相对较大，故单板集成材弹性模量跟胶接质量有关；再者，冲击回波法推算竹材弹性模量离差相对较大，其可能与冲击回波仪的不稳定性和个人操作有关(铁锤激发，随机性较大)，从这方面看，超声波法比冲击回波法稳定性相对要好。

2.2 动、静弹性模量的相关性分析

为了分析竹材动、静弹性模量之间的相关性，运用相关分析软件分别对2种方法测得的动弹性模量与静弹性模量进行一元线性回归分析，结果如图1所示。

图1 MOEUL与MOEST的关系

图2 MOEIE与MOEST的关系

由上图可知，2种方法测得的动弹性模量与静弹性模量之间均具有比较明显的线性相关性，其相关系数均大于0.5，可以认定有较好的拟和度。因此可判断，超声波法和冲击回波法对竹集成材弹性模量进行检测是可行的。超声波检测相关系数(R2=0.783)大于冲击回波法相关系数(R2=0.576)，可知，超声波法检测竹材弹性模量相比冲击回波法检测竹材弹性模量线性规律更明显。

2.3 样本弹性模量差值分析

以静载弹性模量(MOEST)为基准，对超声波法得到的弹性模量(MOEUL)、冲击回波法得到的弹性模量(MOEIE)与静弹性模量(MOEST)进行配对差值分析。样本配对差值分析结果见表2。

表2 配对差值统计特征值

从上表可知，超声波得到的弹性模量MOEUL与静弹性模量MOEST的差均值相对较小，为0.43。表明超声波检测竹材弹性模量比冲击回波更接近其静载弹性模量。本研究中，MOEUL、MOEIE比MOEST分别高出9.7%和18.3，比同种方法在木材弹性模量检测中的偏差要小，推测其原因可能为竹纤维比木纤维更紧密，均匀性较好[5-6]。

3 结论和展望

3.1 结 论

(1)超声波、冲击回波得到的竹材弹性模量均高于静载弹性模量。

(2)两种方法得到的弹性模量与静载弹性模量有较明显的线性关系，R2均大于0.5，因而超声波法和冲击回波法都可用来估计竹材弹性模量。

(3)试验结果也表明，超声波法得到的竹材弹性模量差值均值较小，相关性也相对较高。所以，超声波法对竹材弹性模量估算相对较准确，且较接近静载弹性模量值。

3.2 展 望

目前，竹材主要应用于装饰装修和建筑模板，而在建筑结构尤其是大跨度结构中的应用还非常少。竹材相比木材具有更高的强度，其韧性也相对较好，但对竹材的基础研究相对较少，相比国外木材在大跨度桥梁和房建方面的应用，竹质工程材具有广阔的应用前景。

本研究是基于竹材良好的应用前景而开展的基础性研究。本实验主要针对竹集成单板、双层板和三层板，采用的方法也只限于超声波法和冲击回波法，而其冲击回波仪也具有一定的局限性。本研究表明，超声波和冲击回波用于检测竹集成材的弹性模量是可行的。基于本次研究，竹材的无损检测也将深入到大型集成材、重组材等结构工程材领域，也不仅仅检测竹材的弹性模量，也将开展竹材的缺陷、胶缝质量等方面的无损检测，其不同的检测方法也会应用到竹材的无损检测中去，如应力波、振动法和射线扫描等。总之，有效竹质工程材的无损检测方法是保证竹质工程材质量的有效手段，是推广并保证其安全使用的可靠保证。

【参 考 文 献】

[1]孙正军，程 强，江泽慧.竹质工程材料的制造方法与性能[J].复合材料学报，2008，24(1)：80-83.

[2]嵇伟兵，马灵飞.利用超声波检测杉木抗弯弹性模量[J].浙江林业科技，2006，26(3)：21-24.

[3]江京辉，吕建雄，任海青，等.3种无损检测技术评估足尺规格材的静态弹性模量[J].浙江林学院学报，2008，25(3)：277-281.

[4]Wang X，Ross R J，Eriskson J，et al.Nondestructive Evaluation of standing trees with stress wave methods[A].Proceedings of 12 international Symposium on Nondestructive Testing of Wood[C]，2000：197-206.

[5]齐永峰，徐华东，王立海.四种方法测木质材料动弹性模量的对比研究[J].森林工程，2011，27(1)：19-22.

[6]孙燕良，张厚江，朱 磊.木材弹性模量无损检测方法及其研究现状[J].林业机械与木工设备，2011，39(7)：9-11.