鹽溶液對木結(jié)構(gòu)規(guī)格材握釘力的影響

闕澤利 楊 玲 王菲彬 許 瑩 潘 彪 王永兵

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.蘇州皇家整體住宅系統(tǒng)股份有限公司，江蘇 蘇州 215105)

鹽溶液對木結(jié)構(gòu)規(guī)格材握釘力的影響

闕澤利1楊 玲1王菲彬1許 瑩1潘 彪1王永兵2

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.蘇州皇家整體住宅系統(tǒng)股份有限公司，江蘇 蘇州 215105)

通過對木結(jié)構(gòu)規(guī)格材握釘力試件進行鹽溶液處理研究。結(jié)果表明，鹽溶液中規(guī)格材握釘力較清水條件下力?。浑S著鹽濃度的升高，木結(jié)構(gòu)試件的表面握釘力、側(cè)面握釘力均呈下降趨勢，但在各鹽度處理間差異并不顯著；試件端面握釘力與表面、側(cè)面握釘力相比，普遍較小，在不同鹽濃度處理下，差異不明顯，變化平緩；相同濃度的鹽環(huán)境處理條件下，隨著處理周期的延長，木構(gòu)件握釘力性能呈先上升后下降的趨勢。

木結(jié)構(gòu)；規(guī)格材；握釘力；鹽分；濃度

由于木結(jié)構(gòu)建筑的諸多優(yōu)點，目前全國各地已掀起建造木結(jié)構(gòu)建筑的熱潮[1]。我國南部沿海地區(qū)具有高溫、高濕、高鹽的氣候特點，高鹽環(huán)境對木構(gòu)件壽命有一定的影響。在木結(jié)構(gòu)中，各構(gòu)件通過連接[2]的形式進行傳力，方式有很多種，如齒連接、釘連接、銷連接、螺栓連接以及榫卯連接等。其中釘連接具有連接緊密、制作簡單以及韌性好等優(yōu)點，成為木結(jié)構(gòu)建筑中最為廣泛的一種連接形式。釘連接的節(jié)點承受載荷可分為2個方向，分別為垂直于釘桿的側(cè)向剪力和平行于釘桿的拔出力，因此側(cè)向承載力和握釘力是恒量釘連接節(jié)點性能的2個基本強度指標(biāo)。

國內(nèi)外學(xué)者從樹種、釘子種類、木材密度以及板材含水率等方面對握釘力進行研究[3-5]。其中費本華等[6]通過研究得出，木材密度對握釘力強度的影響最大，釘直徑與握釘力呈線性正比關(guān)系。Stern[7]通過試驗發(fā)現(xiàn)，在潮濕的環(huán)境中，即使有覆面板的阻隔作用，釘入墻骨柱中的圓鋼釘也會因為水分在木材中的滲透作用，使得釘入木材中距離表面9.5 mm以上部位的釘生銹，釘?shù)纳P又會造成釘桿周圍相接觸區(qū)木材的腐朽，這種生銹腐朽從長期看來會使得圓鋼釘?shù)奈蔗斄γ黠@下降。

鹽溶液會使木材出現(xiàn)離析、變色等現(xiàn)象，也會加快木結(jié)構(gòu)金屬連接件發(fā)生生銹、變形等現(xiàn)象，從而危害木結(jié)構(gòu)建筑的可靠性和安全性。國內(nèi)外對于這方面的研究較少，因此，研究鹽溶液對木結(jié)構(gòu)連接性能的影響具有較大意義和實用性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

在木結(jié)構(gòu)中使用的釘按形狀可分為圓鋼釘、螺釘(包括木螺釘與方頭螺釘)、麻花釘和U型釘?shù)?。參照GB/T 14018—2009《木材握釘力試驗方法》[8]相關(guān)規(guī)定以及生產(chǎn)實際，試驗用釘選用木結(jié)構(gòu)建筑中使用較為廣泛的環(huán)紋釘，參數(shù)及外形見表1、圖1。

表1 試驗用釘規(guī)格參數(shù)

1.2 試驗試材

規(guī)格材選用云杉-松木-冷杉(Spruce-Pine-Fir，SPF)，樹種為云杉。參考GB/T 14018—2009《木材握釘力試驗方法》和GB 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[9]相關(guān)規(guī)定，結(jié)合實際生產(chǎn)加工，制備截面尺寸為89 mm×38 mm，長度尺寸為150 mm的試件樣本，平均氣干密度[10]為460 kg/m3，平均含水率[11]為15.4%。參考GB/T 14018—2009《木材握釘力試驗方法》規(guī)定，試驗前將釘擦拭干凈，在離釘帽15 mm處劃一記號。按圖2所示，在試件任意表面、側(cè)面和端面上，垂直試件表面，將釘勻速釘入試件至記號處，允許誤差±1 mm。

1.3 鹽分處理

高鹽模擬液分別設(shè)5個濃度梯度：0%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%。配制成分比例見表2(0%鹽度實為清水對照組)。

表2 高鹽模擬液配置比例

將相同數(shù)量、相同種類的試件分別置于不同高鹽模擬液中進行處理，確保試件被模擬液充分浸沒滲透，且不接觸水槽壁。為合理研究鹽分對規(guī)格材握釘力性能的影響，將浸泡2 d、晾曬2 d作為試驗的1個周期。每過1個周期即對試件進行測試，每組濃度測試6個試件。

1.4 試驗方法

設(shè)備采用最大負荷為100 kN的三思縱橫萬能力學(xué)試驗機。參照GB/T 14018—2009《木材握釘力試驗方法》，將試件置于握釘力夾具中，握緊釘頭，以2 mm/min速度均勻加載，在1～2 min內(nèi)將釘子拔出。記錄最大荷載，精確至10 N。試件的握釘力計算，按照公式(1)，精確至0.1 N/mm。

P=Pmax/L

(1)

式中：P為試件的握釘力，N/mm；Pmax為最大載荷，N；L為釘釘入試樣的長度，mm。

2 結(jié)果與分析

未經(jīng)過處理的試件通過測試得出表面握釘力平均為44.60 N/mm，側(cè)面握釘力平均為 45.07 N/mm，端面握釘力為15.47 N/mm。經(jīng)過不同濃度不同循環(huán)處理后得出的3面握釘力結(jié)果見表3。

2.1 相同鹽度不同處理周期規(guī)格材握釘力比較

結(jié)構(gòu)耐久性是評估結(jié)構(gòu)可靠性的重要因素，鹽分對木結(jié)構(gòu)握釘力性能的影響很大程度上與木構(gòu)件在鹽環(huán)境中的處理時間有關(guān)，不同鹽環(huán)境處理時間下，木結(jié)構(gòu)握釘力性能會發(fā)生相應(yīng)的變化。在試驗過程中，5種濃度下的試件握釘力大小隨著處理周期次數(shù)的增加體現(xiàn)出的趨勢是相似的，其中4%濃度下最為典型，結(jié)果見圖3。

表3 不同處理濃度和不同處理周期下的握釘力

注：數(shù)值代表平均值，括號里的數(shù)值代表方差；M.C.代表含水率；ρ代表密度；PS1代表表面握釘力；PS2代表側(cè)面握釘力；PE代表端面握釘力。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，在相同濃度的鹽環(huán)境處理條件下，端面握釘力明顯小于表面和側(cè)面，這是由于木材的弦向干縮遠大于徑向和縱向，使得木材在自然干燥時端部易產(chǎn)生開裂，木材與釘子之間的摩擦力變小，從而握釘力較小。隨著處理周期的延長，規(guī)格材握釘力性能總體上呈明顯下降趨勢，第4周期握釘力稍微上升，而第6周期下降幅度較大，但端面握釘力沒有表面和側(cè)面下降快。這是由于木材開始泡浸鹽水又暴曬后，使得其干縮濕脹，木纖維和釘子之前的距離變大，所以握釘力在第1周期明顯降低，同時鍍鋅的環(huán)紋釘在NaCl溶液中形成了原電池反應(yīng)，陰極：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2；陽極：O2+2H2O+4e-=4OH-，隨著反應(yīng)的進行，鋅被氧化逐步溶解使得木纖維和釘子之間的摩擦力變大，從而在第4周期握釘力有稍許的上升，隨著反應(yīng)進一步進行，鋅全部溶解，握釘力持續(xù)下降。試驗中也發(fā)現(xiàn)，從第5周期向后，釘子已開始生銹，也是鋅已溶解的緣故。

2.2 相同周期不同鹽濃度處理規(guī)格材握釘力比較

不同濃度的鹽環(huán)境處理下，規(guī)格材握釘力大小的改變?nèi)Q于鹽溶液的濃度和水解程度[12]。其中取第3周期時的結(jié)果，見圖4。

由圖4可知，鹽水的握釘力均比清水小，隨著處理鹽濃度的逐漸增加，握釘力呈現(xiàn)下降趨勢，但下降幅度緩慢。這是由于溶液對木材影響的大小與鹽溶液的濃度和水解程度有關(guān)，木材泡曬時，特別在高溫時，氯化鈉會和空氣中的水蒸氣反應(yīng)生成HCl，從而與釘子上的ZnO反應(yīng)生成ZnCl2，鋅的逐步溶解使得釘子和規(guī)格材之間摩擦力減小，握釘力下降，同時鹽濃度越大代表溶液中的氯離子越多，上述反應(yīng)變快，從而握釘力會隨著鹽濃度的增大而下降。由于試驗中的水蒸氣不是太多，所以反應(yīng)并不完全，因此，下降的程度并不是很明顯。

3 結(jié) 論

1) 端面握釘力比正面和側(cè)面小，但穩(wěn)定性較好。

2) 鹽分會使木材的握釘力減小。

3) 鹽分越大，握釘力越小。

4) 同一鹽濃度下，處理周期越久，握釘力呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

5) 鹽溶液會使釘子生銹，使木材變色。

由試驗知，木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)盡量避免蓋在高鹽度的地區(qū)。本試驗只研究了握釘力這一力學(xué)特性，后續(xù)還應(yīng)研究鹽分對木結(jié)構(gòu)建筑其他連接性能的影響，同時試驗應(yīng)該加大處理周期，得出更可靠更具有價值的數(shù)據(jù)和結(jié)論。

[1] 周海賓. 中國木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 木材工業(yè)，2012，26(1)：7-10.

[2] 費建波，王鵬. 木結(jié)構(gòu)連接的概述與分析[J]. 山西建筑，2010，36(19)：100-101.

[3] 趙榮軍，費本華.杉木規(guī)格材圓鋼釘握釘強度研究[J].建筑材料學(xué)報，2010(13):463-467.

[4] 陳恩靈,費本華,郭偉.木結(jié)構(gòu)握釘力的研究與發(fā)展[J].木材加工機械, 2008(3):38-43.

[5] 闕澤利，蔣海東，付勍，等. 導(dǎo)孔直徑對單板層積材握螺釘力性能的影響[J].中國人造板，2012(6):14-16.

[6] 費本華.杉木規(guī)格材圓鋼釘握釘力性能研究[J].木材加工機械，2008(5)：31-34.

[7] Stern E G. Deterioration of green wood along steel-nail shank and its influence on the nail-holding properties[J]. The Virginia Journal of Science, 1950, 1(3): 200-218.

[8] 全國木材標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 14018—2009木材握釘力試驗方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[9] 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50005—2003木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[10] 全國木材標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 1993—2009木材密度測定方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[11] 全國木材標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 1931—2009 木材含水率測定方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[12] 張洋,謝力生.木結(jié)構(gòu)建筑檢測與評估[M].北京:中國林業(yè)出版社,2011.

(責(zé)任編輯 曹 龍)

The Effect of Salinity on the Nail-Holding Power of Dimension Lumber

QUE Ze-li1, YANG Ling1, WANG Fei-bin1, XU Ying1, PAN Biao1, WANG Yong-bing2

(1. College of Material Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing Jiangsu 210037, China；2. Suzhou Crownhomes Co., Ltd., Suzhou Jiangsu 215105, China)

This article mainly studied the effect of salinity on the nail-holding power in wood construction. The results showed that: in saline solution, the holding power of nails was smaller than that in purified water condition. With the increase of salt concentration, both of the surface and side nail-holding power of the wood specimens was decline, but the differences between salinity treatments were not significant. However, compared to the surface and side nail-holding power, the power on the edge was generally smaller and the difference was not obvious in the treatment of different salt concentrations. In the same concentration of salt environment, with the extension of the processing cycle, the holding power of nails showed an increasing first and then downward trend.

timberwork; dimension stock; nail-holding power; salinity; concentration

2013-12-16

“十二五”國家科技計劃項目(2012BAD24B010204)資助；江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(PAPD201104)資助。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.04.019

S718.64

A

2095-1914(2014)04-0100-04

第1作者：闕澤利(1973—)，博士，副教授。研究方向：木結(jié)構(gòu)建筑。Email：zelique.nfu@gmail.com。