銅唑防腐處理對(duì)南方松規(guī)格材握釘性能的影響

楊保鈰，賀紹均，陳迎建，余帆，朱一辛

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京210037)

銅唑防腐處理對(duì)南方松規(guī)格材握釘性能的影響

楊保鈰，賀紹均，陳迎建，余帆，朱一辛*

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京210037)

為研究銅唑(CuAz)防腐處理材的金屬腐蝕性對(duì)南方松規(guī)格材握釘性能的影響，以南方松素材和CuAz防腐處理材為試驗(yàn)材料，采用加速暴露試驗(yàn)處理，研究防腐處理材的金屬腐蝕性對(duì)規(guī)格材拔出握釘性能及剪切握釘性能的影響。結(jié)果表明：經(jīng)加速暴露試驗(yàn)處理后因試件含水率增大，南方松素材及防腐材三切面拔出握釘力均有所增大，但防腐材的增幅小于素材；對(duì)照組與處理組相比，素材和防腐材剪切握釘力分別下降了20.85%和23.62%；CuAz防腐處理材的金屬腐蝕性較大，素材和防腐材處理組圓釘?shù)母g分別呈現(xiàn)紅褐色和黑色，CuAz防腐處理材的金屬腐蝕性會(huì)削弱拔出握釘力及剪切握釘力。

南方松；防腐材；加速暴露試驗(yàn)；握釘性能

木結(jié)構(gòu)建筑在自然環(huán)境中受溫濕度不斷變化的影響會(huì)導(dǎo)致木材含水率的波動(dòng)，影響木材的耐久性[1]。在木結(jié)構(gòu)與地面、砌體或混凝土等直接接觸部位和有白蟻危害的地區(qū)，常用防腐木來(lái)提高木結(jié)構(gòu)的耐久性[2]。另一方面，金屬連接件已成為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑中的基本組成部分，并與所有金屬一樣受制于腐蝕而削弱連接節(jié)點(diǎn)的承載力。連接節(jié)點(diǎn)的金屬腐蝕與木材腐朽是一個(gè)相互促進(jìn)的過(guò)程，會(huì)使金屬件腐蝕性能測(cè)試變得更加復(fù)雜[3]。因此，對(duì)防腐木材的結(jié)構(gòu)耐久性而言，金屬連接件的使用壽命是一個(gè)重要的影響因素。

隨著美國(guó)2004年1月開(kāi)始對(duì)住宅建筑用木材防腐劑的監(jiān)管變化，毒性較大的防腐劑鉻化砷酸銅(CCA)逐漸被胺/氨溶銅季銨鹽(ACQ)和銅唑(CuAz)等替代[4]。但研究表明，防腐劑ACQ和CuAz對(duì)嵌入木材的金屬緊固件的腐蝕性大于CCA[5]。銅基防腐劑作為CCA的替代品，其對(duì)住宅建筑中金屬緊固件的腐蝕已逐漸被廣泛關(guān)注。木材防腐劑對(duì)金屬的腐蝕性與防腐處理木材的金屬腐蝕性不同，用木材防腐劑溶液模擬防腐處理木材是不合理的[6]。因此，有必要對(duì)嵌入木材的金屬緊固件腐蝕壽命及可靠性進(jìn)行研究。

南方松是加壓防腐處理的首選樹(shù)種，在美國(guó)大約85%的加壓防腐處理木材都是南方松[7-8]。釘連接是木結(jié)構(gòu)建筑中常用的機(jī)械連接方式之一，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于釘連接方面的研究還不夠完善[9]。筆者選用南方松素材和CuAz防腐處理材，通過(guò)加速暴露試驗(yàn)處理，測(cè)定南方松拔出握釘性能及剪切握釘性能，分析CuAz防腐處理材的金屬腐蝕性對(duì)規(guī)格材握釘性能的影響，為評(píng)估CuAz防腐劑對(duì)防腐材釘連接可靠性的影響，及其在木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

美國(guó)南方松規(guī)格材，尺寸89 mm×89 mm×630 mm，氣干密度0.61 g/cm3；防腐規(guī)格材，氣干密度0.60 g/cm3，使用防腐劑CuAz-4，載藥量4.44 kg/m3，其中Cu為4.27 kg/m3、teb(戊唑醇)+ppz(丙環(huán)唑)為0.17 kg/m3，邊材透入率95%，使用環(huán)境分級(jí)可達(dá)GB/T 22102—2008《防腐木材》中C4B的要求，購(gòu)自蘇州菲特威爾木屋有限公司；普通低碳鋼圓釘(主要成分為C、Si、Mn、P和S，其中碳含量<0.25%)，尺寸分別為 2.5 mm(直徑)×50 mm(長(zhǎng))和2.8 mm(直徑)×60 mm(長(zhǎng))，市購(gòu)；晶型石蠟，熔點(diǎn)58℃，市購(gòu)。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

AG-IC型島津萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，日本島津公司；UTM4304型三思縱橫萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)，深圳新三思集團(tuán)；GDS-100型高低溫濕熱試驗(yàn)箱，無(wú)錫意爾達(dá)試驗(yàn)設(shè)備制造有限公司；RDM1600BN型激光鉆床，青島地恩地機(jī)電科技股份有限公司；自制釘連接卡具。

1.3 試驗(yàn)方法

參照美國(guó)木材保護(hù)協(xié)會(huì)AWPA E12-15標(biāo)準(zhǔn)中加速暴露試驗(yàn)的處理?xiàng)l件，將處理試件置于溫度為49℃、相對(duì)濕度為90%的恒溫恒濕箱中處理15 d進(jìn)行加速暴露處理。試件取出后，室溫放置24 h后進(jìn)行測(cè)試。每組試件重復(fù)數(shù)量為15個(gè)。

1.3.1 拔出握釘性能試驗(yàn)

參照GB/T 14018—2009《木材握釘力試驗(yàn)方法》測(cè)定拔出握釘力，其中，圓釘尺寸為2.5 mm×50 mm。圓釘釘入后，對(duì)照組試件立即進(jìn)行試驗(yàn)，處理組試件用石蠟封住圓釘外露部分在加速暴露試驗(yàn)后進(jìn)行測(cè)試，加載速度2.5 mm/min，至試驗(yàn)機(jī)荷載讀數(shù)明顯下降。試驗(yàn)后，隨機(jī)選取5塊試件，立即在試件中部截取10 mm(順紋方向)×50 mm×50 mm的薄木片，采用絕干法測(cè)定含水率。

1.3.2 剪切握釘性能試驗(yàn)

參照ASTM D1761-12標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定剪切握釘性能，其中，用2.8 mm×60 mm的圓釘從300 mm×50 mm×20 mm木條的一側(cè)釘入固定。圓釘釘入后，對(duì)照組試件立即進(jìn)行試驗(yàn)，處理組試件在暴露試驗(yàn)后進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)后，隨機(jī)選取5組試件，立即在300 mm×50 mm×50 mm木條試樣一側(cè)中部截取25 mm(順紋方向)×50 mm×50 mm的薄木片，采用絕干法測(cè)定含水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 南方松規(guī)格材拔出握釘性能

2.1.1 拔出握釘力

圓釘?shù)陌纬鑫蔗斄χ饕獊?lái)源于靜摩擦力，隨著時(shí)間和使用環(huán)境濕度的變化，釘表面接觸的木材纖維逐漸松馳，表面摩擦力下降，握釘力也隨之產(chǎn)生明顯的變化[10]。南方松試件三切面上的拔出握釘力數(shù)據(jù)如表1所示。由于木材為各向異性材料，圓釘拔出握釘力之間有較大的差別。南方松規(guī)格材三切面的拔出握釘力大小依次為弦切面>徑切面>端面。

經(jīng)加速暴露試驗(yàn)處理后，南方松素材及防腐材三切面拔出握釘力均有所增大。與對(duì)照組相比，處理組素材拔出握釘力在徑切面增大20.03%、弦切面增大22.90%、端面增大18.04%；而防腐材經(jīng)加速暴露處理后，處理組試件拔出握釘力在徑切面增大14.20%、弦切面增大15.16%、端面增大10.95%。因此，素材與防腐材的拔出握釘力增幅整體表現(xiàn)出弦切面增長(zhǎng)幅度最大，徑切面次之，端面最小。南方松試件弦向尺寸受濕脹作用增幅最大，對(duì)圓釘?shù)臄D壓力增大，從而導(dǎo)致靜摩擦力增大，拔出握釘力最大。雖然松弛效應(yīng)會(huì)使握釘力下降，但在時(shí)間和含水率變化的共同作用下，造成木材握釘力變化的主要原因是由于含水率變化所引起的木材纖維干縮濕脹作用。南方松經(jīng)加速暴露試驗(yàn)后，試件含水率增大至20%左右，其濕脹作用大于松弛效應(yīng)對(duì)拔出握釘力的影響，表現(xiàn)出與文獻(xiàn)[10]中美國(guó)南方松握釘力上升的一致結(jié)果。

表1 南方松規(guī)格材拔出握釘力

注：S表示南方松素材；F表示南方松防腐材；A表示加速暴露試驗(yàn)處理。下同。

圖1 拔出握釘力試件圓釘表面形態(tài)Fig. 1 The nails’ surface morphology of pull-out nail holding test sample

處理組與對(duì)照組試件的拔出握釘力增幅相比，素材在三切面上的拔出握釘力增幅均大于防腐材。由于木材屬于毛細(xì)管多孔有限膨脹膠體，與木材接觸的金屬腐蝕速率很大程度上取決于木材的含水率。當(dāng)木材含水率低于15%時(shí)，嵌入木材的金屬不發(fā)生腐蝕；而含水率超過(guò)18%時(shí)，腐蝕速率會(huì)隨木材含水率的增加而增大，最終達(dá)到峰值[11-12]。加速暴露試驗(yàn)處理后素材與防腐材的含水率約為20%，均高于木材發(fā)生金屬腐蝕的含水率(18%)。加速暴露試驗(yàn)處理?xiàng)l件下，圓釘釘入試件的釘體部分金屬表面會(huì)形成一層薄液膜，導(dǎo)致圓釘發(fā)生電化學(xué)腐蝕，出現(xiàn)明顯銹蝕。此外，與素材相比，CuAz防腐劑處理材的金屬腐蝕速率較大[4,13]，因此，防腐材的拔出握釘力增長(zhǎng)幅度較小。

將徑切面和弦切面握釘力的平均值作為南方松縱向握釘力值，南方松規(guī)格材拔出握釘力端縱比見(jiàn)表2，端面變異系數(shù)均大于縱面。木材端面縱向木纖維間空隙較多，所以端面變異系數(shù)大[14]。素材及防腐材經(jīng)加速暴露后，端縱比都有所降低。對(duì)即時(shí)握釘力，拔出握釘力的端縱比一般為0.50～0.75；對(duì)于延時(shí)握釘力，一段時(shí)間或含水率變化后大多數(shù)樹(shù)種的端縱面抗拔握釘力的比值相比即時(shí)握釘力均有所增大。而南方松樹(shù)種表現(xiàn)出降低趨勢(shì)，這是因?yàn)槟戏剿山?jīng)加速暴露試驗(yàn)處理后，試件含水率增大導(dǎo)致其試驗(yàn)延時(shí)握釘力上升，使得端縱比下降，但端縱比均下降0.01，下降趨勢(shì)并不明顯。

表2 南方松規(guī)格材拔出握釘力端縱比

2.1.2 釘腐蝕狀態(tài)

拔出握釘力試件圓釘?shù)谋砻嫘螒B(tài)如圖1所示。圖1b和1c中的1號(hào)和2號(hào)圓釘為釘入試件徑切面圓釘，3號(hào)和4號(hào)為弦切面圓釘，5號(hào)和6號(hào)為端面圓釘。與圓釘初始表面狀態(tài)相比，經(jīng)加速暴露試驗(yàn)后，釘入木材的釘體部分明顯發(fā)生銹蝕。處理組素材圓釘?shù)母g呈紅褐色，且從端面拔出的圓釘明顯帶有絲狀木纖維；而處理組防腐材的圓釘表面呈黑色。

南方松處理組素材試件在溫度為49℃，相對(duì)濕度為90%條件下，釘桿表面會(huì)形成連續(xù)薄液膜，氧擴(kuò)散比較容易。初期的腐蝕都是以氧的去極化為主，正極反應(yīng)為O2+2H2O+4e-→4OH-，負(fù)極反應(yīng)為Fe+2H2O→Fe2+·2H2O+2e-；之后形成Fe(OH)2，又被氧化為Fe2O3·nH2O，表現(xiàn)為紅褐色。潮濕銅基防腐處理材的金屬腐蝕性與銅離子有直接關(guān)系[6,15]。防腐處理材在加速暴露條件下，釘桿表面形成的薄液膜會(huì)構(gòu)成原電池，形成電化學(xué)腐蝕，正極反應(yīng)為Fe+2e-→Fe2+，負(fù)極反應(yīng)為Cu2++2e-→Cu。原電池反應(yīng)置換出的單體銅應(yīng)為紅色，但并未出現(xiàn)在釘桿上。圓釘表面的黑色物質(zhì)可能為釘體中的雜質(zhì)，普通圓釘為鐵碳合金，不可避免地會(huì)含有碳和鐵的氧化物，當(dāng)圓釘表面的Fe轉(zhuǎn)化為Fe2+后，黑色雜質(zhì)就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。

此外，木材本身的內(nèi)含物及pH對(duì)接觸的金屬也有一定腐蝕性，而防腐劑的固著性也會(huì)對(duì)防腐材的金屬腐蝕速率產(chǎn)生影響[6]。因此，防腐木材的金屬腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，有待進(jìn)一步研究。

2.2 南方松規(guī)格材剪切握釘性能

2.2.1 南方松規(guī)格材剪切握釘力

剪切握釘力的典型荷載-位移曲線如圖2所示。在剪切握釘試驗(yàn)初期，南方松剪切握釘力快速增大；當(dāng)增大到一定值后荷載增長(zhǎng)速度變緩，一段時(shí)間后，荷載增長(zhǎng)速度再次減緩；剪切握釘力增長(zhǎng)至最大值后開(kāi)始緩慢下降，在一段時(shí)間后迅速下降至零。

圖2中荷載-位移曲線的變化規(guī)律與低碳鋼在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中的變化規(guī)律一致，表現(xiàn)出明顯的彈塑性[16]。以南方松防腐材F的典型曲線(圖2b)為例，曲線可大致分為5個(gè)階段：

第Ⅰ階段為彈性階段，圓釘受力在比例極限范圍內(nèi)，厚木條和薄木條之間產(chǎn)生較小的相對(duì)位移；第Ⅱ階段為屈服階段，圓釘釘桿受剪切力而開(kāi)始表現(xiàn)出非彈性行為，圓釘近薄木條一側(cè)剪切面內(nèi)開(kāi)始發(fā)生屈服，釘體周圍木材受擠壓變形而使釘孔變大，荷載上升速度減緩；第Ⅲ階段為強(qiáng)化階段，圓釘表現(xiàn)出低碳鋼特性，超過(guò)其屈服點(diǎn)后又恢復(fù)對(duì)變形的抵抗能力，彎曲程度緩慢增加，釘孔因周圍木纖維受擠壓而繼續(xù)增大，剪切握釘力繼續(xù)增大至最大值。第Ⅳ階段為局部變形階段，釘孔繼續(xù)增大，圓釘釘入厚木條一側(cè)被緩慢拔出，薄木條與厚木條之間相對(duì)位移增大；第Ⅴ階段為最終破壞階段，剪切握釘力逐漸變小，直至圓釘被完全拔出。

圖2 剪切握釘力荷載-位移曲線Fig. 2 Typical load-displacement curves for lateral resistance test of nails

南方松規(guī)格材剪切握釘力的結(jié)果如表3所示。素材的剪切握釘力都稍大于防腐材，經(jīng)加速暴露試驗(yàn)處理后，素材與防腐材的剪切握釘力都出現(xiàn)明顯下降。對(duì)照組與處理組相比，素材的剪切握釘力下降了20.85%，而防腐材下降了23.62%。受南方松規(guī)格材材質(zhì)及試件含水率的影響，變異系數(shù)較大。加速暴露試驗(yàn)處理后，試件的拔出握釘力均增大，且素材拔出握釘力增幅較大，而處理組防腐材的剪切握釘力卻大幅下降。因此，南方松防腐處理對(duì)剪切握釘力的影響較大，同時(shí)也表明銅唑防腐處理材的金屬腐蝕性大于素材。

表3 南方松規(guī)格材的剪切握釘力

2.2.2 屈服模式及破壞形態(tài)分析

在美國(guó)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)螺栓、方頭螺釘、木螺釘、圓鋼釘及長(zhǎng)釘?shù)忍岢隽?種主要的單剪連接屈服模式，如圖3所示。Im與Is分別表示較厚構(gòu)件、較薄構(gòu)件與連接件接觸的木材纖維承壓屈服；Ⅱ?yàn)樵谶B接件與兩個(gè)木構(gòu)件的結(jié)合面附近，由于木材纖維局部壓潰變形，連接件發(fā)生剪切面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。Ⅲm和Ⅲs是連接件的抗彎屈服，每一剪切面內(nèi)有1個(gè)塑性鉸點(diǎn)，與緊固件接觸木纖維的承壓屈服發(fā)生在較薄或較厚構(gòu)件的一側(cè)。Ⅳ是連接構(gòu)件抗彎屈服，1個(gè)剪切面內(nèi)出現(xiàn)2個(gè)塑性鉸點(diǎn)，剪切面附近木纖維伴有局部壓潰[9,17]。

圖3 單剪連接屈服模式Fig. 3 Single shear connection yield modes

剪切握釘力試件在兩端拉力的作用下，圓釘受剪切力發(fā)生屈服破壞和彎曲變形，圓釘?shù)捻敿庖粋?cè)從厚木條中緩慢滑移出，直至厚、薄木條完全分離，圓釘最后留在薄木條上。剪切握釘力試件的圓釘屈服模式見(jiàn)圖4，圓釘?shù)钠茐哪Ｊ街饕獮閳D3中Ⅲm，較薄的木構(gòu)件一側(cè)圓釘出現(xiàn)1個(gè)塑性鉸點(diǎn)。圓釘?shù)膹澠鸾嵌燃s為45°，部分試件因厚薄木條密度相差較大，圓釘彎起角度增大至60°左右。

圖4 剪切握釘力試件圓釘屈服模式Fig. 4 The nails’ yield modes of lateral resistance test of nails

圖5 剪切握釘力試件破壞形態(tài)Fig. 5 The failure mode of lateral resistance test of nails

剪切握釘力試件破壞形態(tài)如圖5所示。部分試件一側(cè)有圓釘向下滑移的痕跡，圓釘頂部陷入薄木條1～3 mm左右。厚木條釘孔位置因圓釘在拔出過(guò)程中受變形擠壓使木材發(fā)生屈服，釘孔尺寸變大。經(jīng)加速暴露處理的素材及防腐材試件，圓釘均發(fā)生銹蝕，且銹跡蔓延，污染釘體周圍的木材[18]。與拔出握釘力試件釘?shù)匿P蝕狀態(tài)相似，AS組試件圓釘銹蝕呈紅褐色，AF組試件圓釘銹蝕呈黑色。處理組試件厚木條一側(cè)的釘孔位置都可見(jiàn)明顯的木纖維，對(duì)照組試件受釘桿擠壓，釘孔的平均長(zhǎng)度擴(kuò)大至18 mm左右，而處理組試件因含水率較高，釘孔平均長(zhǎng)度擴(kuò)大至約23 mm。

3 結(jié) 論

1)南方松規(guī)格材三切面的拔出握釘力大小依次為弦切面>徑切面>端面。經(jīng)加速暴露試驗(yàn)處理后試件的含水率增大，南方松素材及防腐材三切面拔出握釘力均有所增大，但與對(duì)照組相比，由于銅唑防腐處理材的金屬腐蝕性影響，處理組防腐材的增幅小于素材，端縱比均下降0.01。

2)南方松素材的剪切握釘力大于防腐材，經(jīng)加速暴露試驗(yàn)處理后，素材的剪切握釘力下降了20.85%，而防腐材下降了23.62%。防腐處理對(duì)剪切握釘力的影響較大，同時(shí)也表明銅唑防腐處理材的金屬腐蝕性大于素材。

3)加速暴露試驗(yàn)處理組素材圓釘?shù)母g呈紅褐色，而處理組防腐材的圓釘表面呈黑色。

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Influence of CuAz-treated southern pine dimensionlumber on nail-holding capacity

YANG Baoshi, HE Shaojun, CHEN Yingjian, YU Fan, ZHU Yixin*

(College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

With the development of new wood preservatives, the increased use of alkaline copper quaternary (ACQ) and copper azole (CuAz) as wood preservatives for residential buildings has led to the concerns of the corrosion performance of fasteners. In order to examine the nail-holding capacity of CuAz preservative treated southern pine, the pull-out nail holding capacity and lateral resistance test of nails were examined through the accelerated corrosion exposure test. The treated group was exposed to the accelerated corrosion under the temperature of 49℃, 90% relative humidity for 15 d and then was placed indoor for 24 h referred to the specifications of the American Wood Protection Association Standard. The results showed that among the cross section, radial section and tangential section of the untreated and CuAz-treated timber, the tangential section pull-out performance was the best, and the cross section was the worst. The moisture content of the specimen increased after the accelerated corrosion exposure test, and the pull-out nail holding capacity of the control group and treated group increased. However, the increase of the CuAz-treated timber was less than that of untreated wood due to the corrosion performance. The ratio of changes of the end to side-grain strength were not noticeable, and both the untreated and CuAz-treated timber declined by 0.01. When compared the lateral resistances, the nail holding capacities of the untreated and treated southern pine decreased by 20.85% and 23.62%, respectively. The corrosion performance of the CuAz-treated timber was higher than that of the untreated wood. The surface morphology of nails of untreated wood showed brownish red substance, while surfaces of the nails for CuAz-treated timber were black. The metal corrosion of CuAz preservative treated wood manifested a weakening influence on the pull-out nail holding capacity and the lateral resistance of nail capacity.

southern pine；preservative treated timber；accelerated corrosion exposure test；nail-holding capacity

2016-06-21

2016-08-01

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目(20158BAL03B03-03)。

楊保鈰，男，研究方向?yàn)槟窘Y(jié)構(gòu)建筑。通信作者：朱一辛，男，教授。E-mail:zhuyixin@njfu.edu.cn

TU531.16

A

2096-1359(2017)02-0039-06