图1 试验用古建旧木构件
Fig.1 The ancient timber components for test
BAI Xiaobin，WU Jingshu，YANG Na，et al.Study on nondestructive testing technology of material properties for ancient larch wood in Shanxi［J］.Journal of Taiyuan University of Technology，2023，54(6）：1101-1108.
山西省的木结构古建筑数量居全国之首，包含了从唐代到清代各个时期的建筑，代表了完整的中国木结构古建筑风采。在古建筑的保护工作中，木构件的材料性能勘查是重要的环节，可为后期的结构安全评估和修缮工作提供重要的数据支撑和评判依据。
与现代结构不同，古建筑木结构的现场勘查必须在保护第一、最小干扰的原则下进行，使得一些有损性的检测方法难以使用。近年来，包括应力波检测、超声波检测、微钻阻力仪检测等无损检测技术已得到了广泛的应用，无损检测技术克服了传统检测方法的弊端，能更直观地评价古建筑木构件的材料性能和内部缺陷状况［1-4］。ROSS et al［5］通过试验研究获得了木材的弹性模量与应力波速和密度的关系，CERALDI et al［6］、BILGIN et al［7］、ZHANG et al［8］均建立了木材力学性能和微钻阻力值之间的相关模型，段新芳等［9］等将应力波用于评价古建筑木构件的残余弹性模量，张厚江等［10］、朱磊等［11］、李鑫［12］均建立了波阻模量与古建筑木构件材料力学性能指标之间的统计模型。
由于木材是天然生长的材料，不同树种、不同地域的木材性能均有较大差别，目前已有的研究成果不一定适用于山西古建筑。本文以山西古建筑维修替换的旧木材为试验对象，建立了古建筑木构件材料性能参数和无损检测参数之间的最优统计模型，并研究了不同检测条件对检测结果的影响，旨在为山西古建筑木结构的安全评估提供参考。
山西木结构古建筑的常用树种包括松木、杨木、榆木、杉木等［13-15］。本文试验所用木材均是从山西太原晋祠和平遥白云寺取下的旧木材，共7 根檩构件(见图1）。结合树种鉴定和维修资料，所取木材均为山西落叶松。
图1 试验用古建旧木构件
Fig.1 The ancient timber components for test
实验室试验包括含水率、密度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、应力波速、微钻阻力值。根据国家标准GB/T 1929—2009［16］将木构件进行分割，并避开表面开裂、腐朽、木节等缺陷位置，将木构件加工成3 种标准无疵试件，所加工试件大部分源于构件中部。其中，密度和含水率试验的试件尺寸为20 mm×20 mm×20 mm，顺纹抗压强度的试件尺寸为20 mm×20 mm×30 mm，应力波、微钻阻力值、抗弯强度和抗弯弹性模量的试件尺寸为20 mm×20 mm×300 mm，各试验的试件数量如表1 所示。
表1 试件数量汇总
Table 1 Summary of specimen number
试验名称密度顺纹抗压强度抗弯强度抗弯弹性模量应力波速微钻阻力值含水率试件数量/件95 64 64 64 64 64 20试件尺寸/mm 20×20×20 20×20×30 20×20×300 20×20×300 20×20×300 20×20×300 20×20×20
1.3.1 材料性能试验
材料性能试验均按照国家标准在实验室进行，木材密度的测试先于木材含水率的测试，顺纹抗压强度、抗弯弹性模量和抗压强度测试均使用美国英斯特朗万能试验机进行，如图2—图4 所示。抗弯试验依抗弯弹性模量、抗弯强度的测试先后顺序进行。
图2 顺纹抗压强度试验
Fig.2 Compression strength test along grain
图3 抗弯弹性模量试验
Fig.3 Flexural elastic modulus test
图4 抗弯强度试验
Fig.4 Bending strength test
1.3.2 无损检测试验
应力波检测的基本原理是基于木材的声学特性开展的，即当在木材表面的某一点施以机械敲击作用时，就会在木材内部产生应力波的传播。应力波检测仪就是通过该原理，利用特定的探针发射和接收在木材中传播的应力波，测定两个探针之间的传播时间，以此判断木材的材质性能和内部残损情况。应力波速测试使用的仪器为匈牙利生产的FAKOPP 木材微秒计(图5），测试时首先将木材微秒计的两个探针插入试件两端，连续敲击3 次所得传播时间的平均值作为该试件的试验结果，并根据传播时间t和试件长度l计算应力波传播速度v，即v=l/t，单位为km/s.
图5 应力波检测
Fig.5 Stress wave test
微钻阻力仪检测的原理是将钻针在电机的驱动下以恒定的速率钻入木材内部，通过阻力值的大小反映出木材性能的变化，并形成检测路径上的阻力曲线。微钻阻力值的测试使用的仪器为德国生产的Resistograph-SC650 型微钻阻力仪(图6），取微钻曲线中第一个波峰至最后一个波峰之间数据的平均值，作为微钻阻力的代表值F.该仪器自身定义了阻力值单位为resi 代表微钻过程中轴向阻力和扭矩阻力的综合阻力值大小，与常见的力单位(N）或扭矩单位(N·m）没有一一对应关系(图7）.为了研究不同进针方向对检测结果的影响，将钻针分别沿横纹方向和弦向进行检测(图8）；为了研究不同钻针速率对检测结果的影响，分别对每个试件进行了20、40、60、80 mm/s 等4 种速率的检测，因此每组试件可得到8 个微钻阻力值。
图6 微钻阻力仪检测
Fig.6 Micro-drill resistance test
图7 微钻阻力曲线
Fig.7 Micro-drill resistance curve
图8 微钻检测方向
Fig.8 Micro-drill test direction
含水率的变化会影响无损检测及材料性能的结果［17-18］，因此材料性能试验之前需进行含水率的测定。本试验在密度测试结束后随机抽取了20 个试件进行了含水率测试，并取其平均值作为木构件含水率的代表值。经测试，含水率平均值为7.8%，由于本文的关注点是古建筑木材在实际环境中的材料性能，因此并未进行含水率调整。
试验中每组试件均进行了2 个方向和4 种钻针速率的微钻测试，本节中以钻针速率为20 mm/s 的数据为例进行分析，横纹阻力值记为F1，弦向阻力值记为F2.分别对两种微钻阻力值与密度(ρ）、顺纹抗压强度(σc）、抗弯强度(σb）、抗弯弹性模量(E）的相关性进行回归分析，如图9 所示，其中密度的单位为kg/m3，抗压强度、抗弯强度的单位均为MPa，抗弯弹性模量的单位为GPa.由图9 可知，微钻阻力值与各材料性能参数均呈线性关系，其中密度与横纹阻力值的相关性最高，拟合优度R2=0.68，顺纹抗压强度与弦向阻力值的相关性最低，拟合优度R2=0.48；横纹阻力值与密度、抗压强度、抗弯弹性模量的相关性均优于弦向阻力值，与抗弯强度的相关性低于弦向阻力值。总体而言，两个方向的微钻阻力值与各材料参数均有较好的相关性。
图9 微钻阻力值与材料性能参数的相关性分析
Fig.9 Correlation analysis between micro-drill resistance and material properties
应力波速与4 种材料性能参数的相关性分析如图10 所示，由图10 可知，应力波速与各材料性能参数均呈线性关系，其中抗弯弹性模量与应力波速的相关性最高，拟合优度R2=0.49，顺纹抗压强度与应力波速的相关性最低，拟合优度R2=0.36.总体而言，应力波速与各材料性能参数的相关性均偏低。
图10 应力波速与材料性能参数的相关性分析
Fig.10 Correlation analysis between stress wave and material properties
除应力波速和微钻阻力值外，波阻模量Fv2也作为常用的无损检测指标进行材料性能的推算，单位为resi·km2·s-2.由于进行了两个方向的微钻试验，因此每组试件对应两个波阻模量值，横纹波阻模量为F1v2，弦向波阻模量为F2v2.波阻模量与材料性能参数的相关性分析如图11 所示。由图11 可知，波阻模量与各材料性能参数均呈线性关系，其中抗弯弹性模量与横纹波阻模量的相关性最高，拟合优度R2=0.81，抗压强度与弦向波阻模量的相关性最低，拟合优度R2=0.55.波阻模量与各材料性能参数的相关性较高。
图11 波阻模量与材料性能参数的相关性分析
Fig.11 Correlation analysis between wave resistance modulus and material properties
由于木材是各向异性材料，微钻阻力仪的检测是沿横纹方向，应力波的检测是沿顺纹方向，因此两种检测参数与木材力学性能的相关性会有所差异。将图9、图10、图11 的相关性分析结果进行对比分析可知：木材密度与微钻阻力值的相关性最高，抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量与横纹波阻模量的相关性最高，对比结果与参考文献［11］中相同。因此最优检测方法为：使用微钻阻力值进行木材密度的检测，使用横纹波阻模量进行抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量的检测。各材料性能参数的最优推算模型如表2 所示。
表2 最优推算模型
Table 2 The optimal calculation model
材料性能参数密度顺纹抗压强度抗弯强度抗弯弹性模量推算模型ρ=3.18F1+240.48 σc=0.013F1v2+48.06 σb=0.024F1v2+56.41 E=0.006F1v2+3.91拟合优度R2 0.68 0.62 0.69 0.81
在实际的检测操作中，设备参数的调试选取没有一定的标准，是由人为决定的。本试验中设置了2 种钻入方向和4 种钻针速率，分别求出不同前进速率下的阻力平均值，如图12 所示。弦向和横纹检测的微钻阻力值均随钻针速率的增大而减小，且弦向检测的阻力值大于横纹检测的阻力值。
图12 微钻阻力值和钻针速率的关系
Fig.12 Correlation between micro-drill resistance and needle rate
本文进行了山西落叶松古旧木材的材料性能试验和无损检测试验，分析了材料性能参数和无损检测参数的相关性，得到了最优的山西落叶松古旧木材材料性能的推算模型，可为山西古建筑木结构的安全评估提供理论支持。
1）古建筑木材无损检测参数与材料性能参数均呈线性关系，其中横纹波阻模量与各参数的相关性最好，应力波与各参数的相关性最低。
2）最优的推算模型为使用横纹微钻阻力值进行古建筑木材密度的推算，拟合优度为0.68；使用横纹波阻模量进行顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量的推算，拟合优度分别为0.62、0.69 和0.81.
3）弦向和横纹检测的微钻阻力值均随钻针速率的增大而减小，弦向检测的阻力值大于横纹检测的阻力值。
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