木材无损检测技术研究进展

木材无损检测技术研究进展

随着人类文明的进步，木质产品在人们的生活和工作中的比重逐渐提高。木材质量的高低在木材的加工利用方向和附加值高低中起基础作用,而林木本身的遗传品质是决定其质量的关键因素。在林业建设的快速发展中,遗传改良手段早已成为林业发展的重大战略技术措施,木材材性改良也已提上日程,而对木材各种性质进行早期预测与准确评估,不仅对加速遗传改良进程和保证材质改良有着重要意义,也是指导和实现木材资源高效利用的前提和科学依据。传统的木材材质检测方法是在破坏目标物体的条件下进行的,虽然这些方法测得的数据比较准确,但经破坏后的物体使用价值大大降低,造成了极大的浪费,尤其是林木遗传育种需要长期的监测和科学研究,破坏性的检测易导致试验的终止;另外,这种方法需要高额的试验费用,增加了育种试验的成本负担。因此,木材无损检测技术将在这方面发挥极大的优势。无损检测技术是指在不破坏被检测对象的性质和使用效果的前提下,检测被测对象的缺陷或物理力学性能的一种技术。对木材进行无损检测,可不破坏木材及木质材料本身形状、原有结构和原有运动状态,利用当今的物理方法和手段快速测量出木材及木质材料的密度、生长应变等基本物理力学性能。桉树是桃金娘科(Myrtaceae)桉树属(Eucalyptus)植物的总称,共有945个种和变种,其中有亚种或变种137个,且有许多天然的杂种和分化类型。桉树原产地为澳大利亚、印度尼西亚和菲律宾的几个岛屿,具有生长速度快、适应性强、轮伐期短、用途广泛、经济价值高等优点,是优良的工业原料树种。目前,世界已有90多个国家和地区广泛引种,栽培面积约占世界人工林面积的1/3。我国最早于19世纪90年代,由驻意大利领事馆引种桉树到广州和福州等地栽培。截至2009a,我国先后引进桉树树种300多种(含变种和杂交种),其中有180多种进行了树种或种源试验研究,目前保存约有200种,主要种植于广西、广东、海南、福建、云南等18个省(自治区、直辖市)的600多个县市,栽培面积达260万hm2。桉树已成为我国南方主要的商品林造林树种,桉木是我国出口木片和国内造纸、纤维板、胶合板、刨花板以及锯材等工业生产基地的重要原料。利用无损检测技术对桉树立木材性进行早期测定和评估,可预测桉木后期生长材质的优劣、开展早期的优树选择、杂交授粉等改良工作,大大缩短育种周期,加速遗传改良工作进程,促进桉树特种用材产业发展。本文对近几年桉树活立木研究中常用的Pilodyn仪、Fakopp应力波测速仪和CIRAD-Forêt生长应力测定仪三种无损检测仪器进行概述,以期为无损检测技术在桉树的早期选择、定向培育研究中发挥更大作用,为无损检测技术在其他树种的研究提供参考。1pilosin仪、fakopp电压计、cirad-fshuzhaoggrime的主要用途、工作原理和应用方法1.1微生物保护主要用途:Pilodyn仪(简称:Pilodyn)是一种手持测量活立木基本密度的无损检测仪器,于20世纪70年代在丹麦研制成功。最初用于电线杆的安全检测,主要用于测定木材表层一定深度是否产生缺陷或发生腐朽。在国内,已被用于古建筑木结构和古木保护检测。工作原理:Pilodyn仪以预先设定好的能量,将具有一定直径的钢针射入材料中,读数值越大,表示钢针射入的深度越深,钢针射入的深度与材料的性质密切相关。使用方法:在对人工林立木进行测试时,首先预紧Pilodyn仪的弹簧推杆,并通过两个钢柱支点将Pilodyn仪平稳地固定在立木胸高位置处,钢针在弹簧推杆被激发后释放,高速射入立木木材内部,然后在拔出钢针前从标尺窗读数。同样方法可探测伐倒木不同树干高度位置木材钢针射入值。Pilodyn仪实体、立木测试和读数示意图见图1。1.2应力波传播速度测量主要用途:Fakopp应力波测速仪(简称:Fakopp仪)最早产于匈牙利,可探测木材内裂、病虫、腐朽等缺陷,是目前流行的应力波测速仪之一。工作原理:通过应力波在一定长度木材中的传输时间,测算应力波的传输速度,从而判断木材材质。使用方法:在立木状态下,选择树干的长短径方向各2个方向,共4个方向进行测量,在距地面0.7m处插入起始端传感器,在此点正上方1.0m或1.5m处插入终止端传感器,保持起始端传感器与终止端感应器与树干夹角不超过45°的方向插入树干,用铁锤敲打起始端传感器,读数表上会显示出数字,此数字即为应力波传输所用时间,通过两个传感器间的距离除以时间计算出该方向应力波的传播速度,用这种方法同样测量另外3个方向的传播速度,即每株树从不同方向测量4次,然后求出4个不同方向应力波传播速度的平均值,即是最终该树干应力波的传播速度。Fakopp仪实体、立木测试和读数示意图见图2。1.3生长应力检测主要用途:CIRAD-ForêtGrowthStrainGaugeMethod(轴向生长应变仪法)由法国经历了20a的发展与改善,形成了目前最新的生长应变测试方法之一。工作原理:木材表面受到损伤后会发生应变,进而产生应力,通过CIRAD-ForêtGrowthStrainGaugeMethod生长应力测定仪(简称:CIRAD-Forêt生长应力测定仪)可测得木材的应变值,进而判断其应力大小。使用方法:测试时要先剥去树皮,露出新鲜木质部,在木质部上钉入2枚钢钉,将应变仪挂在上面一个钢钉上,应变仪的传感器与下面的钢钉相接触,然后在两个钉角之间钻孔,当孔深达到一定程度时,应变仪示数稳定在一个很小的区域变化,取其中间值,则此读数为测点的尺寸变化量,再通过公式计算得到轴向生长应变量。CIRAD-Forêt生长应力测定仪实体、立木测试和读数示意图见图3。2木材材料研究2.1pilodyn研究木材密度是木材重要的物理性质,是木材最基本的物理性质之一,与木材力学性质和木材利用方向有着密切的关系。长期以来,我国林业工作者在林木育种、木材材性测定工作中,测定木材密度的常规方法是采用生长锥在树木的胸高处取锥芯,然后利用饱和排水法测定木材的基本密度,或是选取少量的样木伐倒,截取圆盘,试制成标准小木块,烘干称重,计算出木材气干和全干密度。尽管这两种方法都能较准确真实地得出木材密度,但过程繁琐,工作量大,消耗过多人力、物力,增加了试验成本;另一方面,取样都会对林木造成机械损伤,对林木后期的生长发育有一定影响,尤其是通过木材解析,伐倒优株取样,对优良遗传资源直接造成了无法弥补的损失。Pilodyn仪原本是作为一种专门用于进行木材电线杆安全检测的无损检测仪器。近年来,此方法已经逐渐在木结构建筑保护和检测方面得到了较为广泛的应用。在立木木材密度研究方面,最早见于Cown等在1978年发现Pilodyn测定值与针叶树种木材基本密度密切相关。随后,越来越多的研究表明,Pilodyn测定值与木材边缘密度呈显著负相关[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。Pilodyn仪在桉树方面的应用研究也有较多报道。国外方面,Greaves等应用Pilodyn对亮果桉(E.nitens)基本密度进行研究。Muneri等应用Pilodyn对蓝桉(E.globulus)基本密度的遗传参数与环境互作关系做了探讨。Shakti等应用Pilodyn研究14个细叶桉(E.tereticornis)无性系木材材性,结果表明探针射入值与木材基本密度呈现显著负相关,相关系数达0.74。近年来,国内学者应用Pilodyn仪对桉树材性也开展较多研究,如殷亚方等使用Pilodyn对粗皮桉(E.pellita)、尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)和尾叶桉(E.urophylla)树干外侧基本密度进行了测定,结果显示在未剥除树皮条件下,使用Pilodyn方法评估立木胸高处外侧的基本密度比整个径向的基本密度更具有优势,但通过剥除树皮的方法可显著提高其预测立木外侧及整个径向基本密度的准确性。任世奇等对多个6年生桉树无性系生长和材性进行了测定,结果显示Pilodyn值与木材密度表现极显著的负相关;Pilodyn值与木材生长量表现极显著正相关,即木材密度越大,材积越小。吴世军等对22个桉树无性系进行了研究,结果表明Pilodyn值与木材边缘密度呈显著负相关,相关系数为0.433~0.770,同时,得出未剥皮的Pilodyn值变异系数是9.15%~11.83%,而剥皮后的Pilodyn值变异系数是13.40%~14.45%。陈少雄等应用Pilodyn对8个桉树树种的木材基本密度做了对比研究。罗建中等应用Pilodyn对巨桉(E.grandis)的遗传参数和年龄关系进行了研究。综上所述,表明Pilodyn探测值与桉树边缘木材密度呈显著负相关性,这与Pilodyn在其他树种上的研究得出的结论一致。因此,认为Pilodyn仪可用于对桉树树干边缘木材密度的评估。2.2应力波研究现状关于应力波无损检测技术的研究,国外早在20世纪60年代就发现木材的内部缺陷会影响木材的强度,因而冲击波在木材中的传播时间会受到影响,通过检测时间的差别可以判断木材的性质。随后,在20世纪80年代,由于量材优化设计理论的迅速发展,多种无损检测技术如超声波、射线、激光、微波、应力波等得到了很好的发展,为木材物理力学、缺陷等方面的检测提供较高的技术水平,其中应力波无损检测技术因其使用经济、方便等优于其它无损检测技术,因此得到林业研究人员的广泛关注,开始应用于木材性质的检测。如在木材缺陷检测上,Ross等使用应力波技术对板材进行检测,结果表明应力波在正常板材中的传播时间比在有缺陷的板材中要短。Schad等应用应力波对木材的中空、节子进行研究,结果表明应力波对树干大节影响敏感,但很难对树干中的小节做出预测。Ross等应用应力波对美国南部松树制成的木桩进行检测与分析,得出应力波传播速度与木桩腐朽程度的相关关系。在木材力学性质上,Halabe等对长叶松(Pinuspalustris)在保证其含水率状态下采伐并进行试验,发现应力波在木材潮湿状态下检测的弹性模量可以直接预测其干燥状态下的弹性模量。Wang等利用静态弯曲法、横向振动法、纵向应力波法对109根斑克松(P.banksiana)和50根红松(P.koraiensis)小直径原木的刚度和弹性模量进行试验,发现应力波法的精度与原木的含水率、原木直径和长度有关。Ross等应用应力波检测剥皮后的花旗松(Pseudotsugamenziesii)进行检测,结果表明剥皮后木材的动态弹性模量与原木的动态、静态弹性模量关系密切,但与原木的抗弯、抗压弹性模量的关系不显著。段新芳等应用Fakopp应力波测速仪对塔尔寺大金瓦殿的脊、梁等五种木构建的动态弹性模量进行了测量,结果表明应力波可以有效地测定残余构建的力学强度,不同构建的弹性模量保持率与其承重作用大小相关。在活立木缺陷和质量预测上,陈清波等对杨树(Populus)进行的试验结果表明,应力波传播速度能够用来评价树干的弹性模量大小。王立海等的研究结果表明应力波在冻结白桦(Betulaplatyphylla)立木中的纵向传播速度受含水率的影响较大,随含水率的增加而减小,降低速率只是在常温木材中的1/2左右。冻结状态下,应力波在活立木中的径向传播速度高于常温状态;纵向传播速度是径向传播速度的2.4倍左右。张厚江等以美国红松(P.koraiensis)原木来模拟立木研究Fakopp应力波在立木中的传播机理,结果表明纵截面上原木表层的应力波传播距离与传播时间比例关系显著。桉树研究方面,Dickson等对不同林龄邓恩桉(E.dunnii)原木和立木硬度进行研究,结果表明应力波在原木中的传播速度与原木木材硬度呈显著正相关,但在立木中的传播速度仅与木材硬度表现出较弱的相关性。Shakti等应用应力波对14个细叶桉无性系木材材性研究,结果表明在立木中的应力波传输速度与在原木中的速度显著相关,相关系数达0.88。罗彬等对14年生巨尾桉(E.grandis×E.urophylla)人工林加工的191个无疵小试样进行了抗弯和抗压强度性质预测,结果显示应力波法获得的动态弹性模量与静态弹性模量的相关系数达到0.635,与抗弯强度的相关系数达到0.567,与顺纹抗压强的相关系数达到0.649,均在P值等于0.001水平上显著相关,但与纵向基频振动法和超声波法相比,有一定的局限性。任世奇等分别在2009年和2010年应用Fakopp仪对桉树无性系的材性和单板出材率做了研究,结果表明弹性模量与木材密度呈显著正相关,相关系数达到0.609,应力波传输速度与单板出材率和价值存在显著负相关性。陈少雄等应用应力波对8个桉树树种的木材弹性模量进行了对比研究。以上表明,使用Fakopp应力波测速仪产生的应力波传播速度与桉树木材性关系密度,可以用于桉树木材材性预测。2.3应变片法与轴向生长应变仪法的比较生长应力是树木在形成层细胞不断分化形成的木质部细胞间产生的相互作用力,是木材组织正常发育的结果,许多树种都存在生长应力,某些树种还特别严重。树干内生长应力的形成,有利于树干承受外界的各种载荷而不被破坏,但当此应力超过了木质部细胞自身的抗压强度极限时,在活立木内易产生脆心和心裂;而具有高生长应力的树木,在砍伐和锯解时由于残余应力的重新平衡,使原木易发生端裂,板材则出现开裂和弯曲等现象,严重影响木材质量和木质产品品质,降低经济价值。生长应力在树木内的分布有一定的规律,因树种、树龄、树干部位和生长状态不同,在质和量上都有差异。由于生长应力无法直接测量,通常都是先测定与生长应力密切相关的生长应变。目前,主要有3种测试方法被大量用于树木生长应变测试中,其中Nicholson发展的轴向生长应变仪法和应变片法较常用。刘晓丽等进行轴向生长应变仪法和应变片法测试林木生长应力的对比研究,结果表明:两种方法无论是否共点测试,所得应变值与树高及测试方位均无显著相关,两种方法比较,应变片法所得结果间差异不显著,而轴向生长应变仪法所得结果有显著性差异;轴向生长应变仪的测定结果要大于应变片法,不共点测试时前者是后者的1.3倍,共点测试时前者是后者的2倍。周亮等采用应变片法对立木表面轴向生长应变和伐倒木内部残余轴向生长应变做了研究。桉树因生长应力大,其木材易收缩、变形、较难干燥等,使得实际利用率大幅减低。因此,探测桉树生长应变值,成为桉树材性选育的重要工作。近几年,轴向生长应变仪法逐渐在桉树研究中得到应用。早期,费本华等使用CIRAD-Forêt生长应力测定仪对3~5年生的尾叶桉、4年生的巨尾桉、尾园桉(E.urophylla×E.tereticornis)和粗皮桉人工林生长应力进行研究,结果表明不同人工林桉树树种纵向生长应变差异显著,生长应变对木材的加工利用有直接影响,为提高人工林桉树木材的使用价值,在桉树实体木材的利用过程中,应针对不同的树种采取相应的处理和加工工艺。同时,不同龄级和不同胸径的桉树立木生长应变的变异规律复杂,仍存在较多不确定因素。瞿超等进行尾巨桉DH33-27和EC1两个无性系人工林轴向生长应变水平的评估研究,发现两个无性系生长应力差异显著,DH33-27生长应力均值和变化幅度比EC1分别小18%和31%,此间差异主要来源于无性系基因型,同时这两个无性系生长应力与生长性状无显著相关。刘晓丽等对尾巨桉DH32与DH33两个家系生长应力的研究表明,家系间及南北两个方位的表面轴向生长应力差异不显著,生长应力自胸高处沿树干方向先增后降并趋于稳定,应力最大处发生在树高3.5m处,但不同高度生长应力差异不显著。吕建雄等对我国南方地区的尾巨桉、尾叶桉、大花序桉(E.cloeziana)、粗皮桉和细叶桉等5种桉树人工林树种在立木和伐倒状态进行了系统的生长应力研究,结果表明不同树种间圆周4个方向活立木生长应变平均值差异显著;而活立木同一高度的不同方向的生长应变差异不显著;在树种中,大花序桉的生长应变水平最低,而尾叶桉生长应变水平最高;各树种立木和伐倒木之间生长应变水平差异不显著;各树种不同高度间生长应变无显著差异。秦莉等对8年生粗皮桉生长应变及生长遗传变异进行了研究,结果表明家系间存在显著差异,种源间差异不显著,家系和单株生长应变遗传控制强烈,遗传力分别为0.695和0.533。刘晓丽等对人工林尾巨桉原木内部轴向残余应变径向分布的研究表明,原木内部轴向残余应变径向上分布沿髓心的对称性较好,在靠近树皮处为拉应变,沿髓心方向拉应变逐渐减小,到达树干半径时降低到零,随后变为压应变,向髓心方向压应变逐渐增大。综上针对桉树生长应力的研究已在诸多方面得到开展,为减少木材因生长应力大而对加工改性造成的不利影响,需进一步开展系统的研究,以形成特定树种、种源、家系、无性系的生长应力变化体系,通过遗传改良和经营措施减少林木生长应力,同时有针对性地改良加工工艺,最大程度地降低林木生长应力和因生长应力而造成的损失,提高木材出材率。3无损检测技术的应用随着木材原料缺口的不断增大,提高木材的产量和质量是缓解其不足压力的有效措施。桉树人工林是我国华南地区主要的木材原料林,在木材资源的供应中占据重要份额,尤