常用木材无损检测方法及其选择

无损检测技术（Non-destructive testing）又称非破坏性检测或无损探伤，指的是以无损或微损的可靠性方式，对材料或制件进行形状特征测量、内部缺陷检测、材质性能评定（化学成分、力学性能、组织结构等）等操作，获取相关信息数据，并基于此就材料或制件是否能够适宜于某特定应用而作出评价的一门技术方法。换言之，即在不破坏被测物体原有状态和化学性质的前提下，利用超声、射线、电磁和红外等原理特性，对零件、构件、设备等进行缺陷、材性、物理参数检测的技术手段的统称。

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常用木材无损检测方法

①应力波检测：基本工作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（机械波）的传播（图1）。应力波检测仪就是通过该原理，利用特定的感应探针发射和接收在木材中传播的应力波振动波束，测定两个感应探针间的传播时间，以此判断木材的材质性能和内部残损情况，如空洞、腐朽及计算木材的弹性模量等。

图1 应力波检测原理

②超声波检测：超声波的工作原理与应力波类似，都属振动波检测范畴。超声波应用于木材检测基于其两个主要特征展开的：①超声波在不同介质的界面上会发生反射、折射和波形转换，因此可以通过获取缺陷界面反射回波的方式来达到探测内部缺陷的目的；②振动波在木材中的传播速率，可以用来预测其弹性模量。

③射线检测：X射线能够穿透可见光不能穿透的物体，其检测原理是基于X射线在透过被测物体时会发生吸收和散射的特性，当射线通过物质时，会与物质发生复杂的物理和化学作用，可以使原子发生电离，也可以使某些物质产生光化学反应，因此当被测物体存在材质性能差异或内部缺陷时，通过特定的检测设备（如感光胶片）来检测透射射线的强度，即可准确判断被测物体内部的材质性能和缺陷的面积、位置等信息。

④微钻阻力检测：将一根直径约1.5mm的钻针，依靠电机驱动以恒定的速率钻入木材的内部，通过阻力值的大小变化反映出木材的密度变化，并形成检测路径上的阻力曲线。通过对阻力曲线的分析，即可得到木材的早晚材密度情况，是否存在腐朽、裂缝、空洞等残损情况等。微钻阻力检测在单路径上的结果，数据能真实准确地反映木材的内部情况，精确度较高且结果直观。微钻阻力检测时会在木材表面留下一个孔径约2.5~3mm的贯穿型孔洞，因此严格意义上来说应属微损检测。

⑤皮罗钉（Pilodyn）检测：最初应用于木质电杆的安全性检测，后广泛应用于古建筑木构件和活立木检测，主要是测定木材表面一定深度范围内的材质性能和缺陷情况。其检测原理是将探针以预先设定好的能量射入木材中，通过射入的深度分析木材密度的变化情况，木材越致密则射入深度越浅，木材越疏松则射入深度越深；进而即基于此分析木材的材质性能情况和是否存在缺陷，这一点与微钻阻力的检测思路较为相似。

表1：不同无损检测技术的适用范围

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基于木材特性的检测方法优选

在基于便携性、破坏性、数据的准确性等多方面因素衡量后，确定在木结构古建筑的现场构件检测中，以应力波检测设备和微钻阻力检测设备为主要的检测手段开展工作；必要时，例如当历史建筑不能进针检测时，可以使用非金属超声波检测设备进行辅助残损判断。

表2：不同无损检测设备的适宜度分析

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基于现场条件的检测方法优选

（1）构件位置因素

木结构古建筑的检测勘查工作中，应根据不同的检测项目选用不同的检测方法，当同一检测项目可以有多种检测方法供选用时，应考虑构件的材质特性和现场作业条件进行综合选择。例如，当承重柱裸露在外、周围未被围护结构包裹或遮挡时，应力波检测、微钻阻力检测、超声波检测等多种方法皆可选用；而当承重柱周围存在部分被围护结构包裹或遮挡，只有部分裸露在外的情况，应力波检测无法沿截面外围均匀布置感应探针，显然就不适宜于此种情况的检测，这时就需要选用微钻阻力检测或超声波检测的方法进行，在微钻阻力检测时，还需让检测路径避开包裹的位置，避免钻针损伤。

（2）构件形状尺寸因素

多路径应力波检测的图像识别精度和其检测感应探针的数量成正比关系，探针数量越多，则计算机图像对被测构件的轮廓形状拟合越精确。因此，一般在对截面尺寸较大的构件进行应力波检测时，尤其是在初查时发现内部可能存在残损时，应尽量采用数量多的感应探针，以获得较高的检测精度。

由于多路径应力波检测设备的识别软件支持最少6个感应探针的数据方能生成计算机模拟图像，因此在现场检测时，该设备就不适宜用于截面尺寸很小的构件，如椽子、枋、清式做法中的铺作构件等。对于这些构件的检测，在敲击初查的基础上，必要是可采用单路径应力波检测或非金属超声波检测，获取声波传播速率，以此判断其内部状况；或使用微钻阻力检测，通过阻力曲线判断。

木结构古建筑中的许多构件截面形状皆是圆形，尤以圆柱居多。如果在对其进行超声波检测时，构件表面曲率过大往往会造成构件与超声波探头之间的耦合不充分，从而无法采集到准确数据。因此，超声波检测较适宜用于表面形状平直的构件，如铺作构件、方梁、枋等。

（3）构件表面状态因素

很多古建筑中的木构件表面常会附有油漆层、地仗层、沥青防腐层或彩画层，尤以明清时期官式建筑居多；此外，还有一些构件经铁件加固后，外层再附以油漆地仗层，从外表不易发觉。

针对于此类构件的检测方法选择，应注意以下若干方面的问题：①对于表面彩画具有保护价值的，检测时应避免对彩画层的破坏，因此应尽量选择对构件表面完全无破坏的检测设备，如非金属超声波检测；如实在不可避免对表层彩画造成微小破坏的，应注意检测后对彩画的复原。②对于表层附有坚硬地仗层的构件，检测前应首先使用手电钻等工具钻通地仗层，破除其对检测数据的影响，令检测设备的探针(或钻针)可以直接接触木材。③对于内部可能存在铁件或其他加固材料的构件，检测前应首先使用金属探测器对构件进行探测，如发现有金属层，则严禁使用微钻阻力仪进行检测，以免对钻针造成损伤。

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基于残损类型的检测方法优选

不同检测设备由于其检测原理不同，对不同类型残损的识别能力也不尽相同。在现场检测中，应根据构件不同的残损状况，合理选择适宜的检测设备，才能保证检测数据的准确性和可靠性。

（1）对裂缝和腐朽的识别

通过对木材试件的截面中部人工挖凿筛状小孔，以模拟裂缝和腐朽残损，并对其进行应力波和微钻阻力检测，以考察其分别的识别精度，如图2所示。从图中可知，通过应力波的颜色识别图像，可以较好地反映木材中部存在密度降低的情况，并未识别为空洞，且基本能确定裂缝或腐朽的大致范围；但需要指出的是，应力波颜色识别图像仅能判断残损面域的范围，对条状裂缝和密集分布的裂缝识别精度不高。 

图2 应力波对模拟裂缝和腐朽的识别

通过对残损部位进行微钻阻力检测，可以对应力波判断结果进行修正。图3所示为呈 90°夹角的两条进针路径上的微钻阻力曲线，从图中阻力曲线的衰减段可以直观得出在检测路径上裂缝或腐朽的具体分布和宽度。

图3 微钻阻力检测对裂缝和腐朽的识别

（2）对空洞的识别

应力波和超声波在遇到木材内部空洞时都会存在波速衰减，因此理论上都可作为判断空洞残损的依据。二者的区别在于，应力波检测的相应设备可以进行多路径波速采集；而超声波检测目前的设备仅支持获取单路径上的波速数值和波形图，且缺乏直观的图像显示，对空洞位置和面积判断的直观程度不及应力波检测。

从理论上而言，微钻阻力检测能够通过阻力曲线最为准确地判断单路径上的空洞直径，通过多路径交叉检测，可以较为准确地判断空洞的位置和面积。但实际操作的情况是，如果空洞直径过大，钻针在空洞中高速旋转前进时，会产生大幅度摆动，钻针在抵达空洞边界的木材内表面时，可能会因为钻入角度偏差，造成检测路径偏移，严重时甚至会造成钻针折弯或折断。试验表明，当空洞直径超过15cm时，就易发生此种风险。

综上，在对木构件内部空洞的识别上，应力波检测方便、直观，且具有一定的识别精度，是该类残损的首选检测设备。

文章来源：《古建筑木构件材质性能与残损检测关键技术研究》--李鑫，图片版权归属原作者，如侵权请联系删除。

知识点：常用木材无损检测方法及其选择