曾詩軼， 顧燕妮， 盧嘉楷， 許 斌

(南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037)

隨著科技的進步，人們對于環(huán)境保護，資源的循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展越來越重視。木材作為世界上的三大建筑材料之一，有著悠久的使用歷史[1-5]。由于我國的木材資源較為缺乏，“以竹代木”勢在必行[6]。中國是世界竹類資源最豐富的國家，有竹子39屬870多種，竹種資源、竹林面積和蓄積量均居世界前列[7]。竹類植物是能影響居民日常生活的、具有多目標功能的植物，在水土保持、環(huán)境保護、旅游發(fā)展等方面具有重要意義[8-9]。由于竹材生長迅速，來源廣泛且具有良好的軸向抗壓能力，被廣泛應用于建筑結(jié)構(gòu)、園林景觀設(shè)計、室內(nèi)外裝修等領(lǐng)域，備受人們的青睞[10-14]。關(guān)于木結(jié)構(gòu)建筑的標準與測試方法較多，諸如GB 50005-2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[15]中規(guī)定了釘連接中木構(gòu)件的最小厚度以及釘排列的間距；GB/T 14018-2009《木材握釘力試驗方法》[16]中規(guī)定了木材握螺釘力的測試方法等等。國內(nèi)外對木結(jié)構(gòu)中自攻螺釘加強連接性能已有許多研究[17-19]，并提出了木材中螺釘?shù)奈蔗斄τ嬎愎絒20]。但是對于竹材的握釘力主要集中于竹集成材方面[21-22]，對于圓竹，尤其是應用于建筑結(jié)構(gòu)的圓竹結(jié)構(gòu)握釘力研究較少。釘連接結(jié)構(gòu)形式簡單，施工方便、迅速，竹木節(jié)點處使用自攻螺釘可以傳遞拉力或壓力，或者補償需要的拉力壓力，可使其強度增強 300%[23]。新型自攻螺釘具有自攻頭、切削螺紋和表面覆層的特點，使用電動工具即可方便、快捷地安裝它，自攻螺釘?shù)奶厥饴菁y形狀使木材不易劈裂，而且自攻螺釘?shù)目估?、抗彎等強度均有明顯提高[24]。2014年，闕澤利等對導孔直徑對木結(jié)構(gòu)用規(guī)格材握螺釘力性能的影響進行了研究。結(jié)果表明，由于木材的握釘力不僅和導孔直徑有關(guān)，還和基材種類有關(guān)[25]。

由于竹材獨特的中空多節(jié)結(jié)構(gòu)，釘連接的性能較差，通常只用于臨時性結(jié)構(gòu)上，因此開展增強圓竹握釘力性能的方法及影響因素研究尤為重要。為此，本文針對圓竹天然中空多孔的結(jié)構(gòu)特點，采用硬泡聚氨酯和毛竹精刨竹條片對圓竹進行填充的方法，使其成為實心致密結(jié)構(gòu)，可釘可鋸可削，極大增加了竹結(jié)構(gòu)節(jié)點的連接形式與性能。通過探討導孔直徑與填充材料種類對圓竹握螺釘力性能的影響研究，為圓竹結(jié)構(gòu)節(jié)點連接優(yōu)化設(shè)計及其工程應用提供有益技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

毛竹(Phyllostachys heterocycla(Carr.)Mitford cv.Pubescens)，竹齡為4年，其含水率為8.3%，外徑和壁厚分別為80 mm和8 mm，產(chǎn)地為浙江安吉。聚醚多元醇4110，其羥值為430 mg KOH/g，由廣東啟東化工有限公司生產(chǎn)；聚合異氰酸酯(MDI)，其NCO值為30.5%～31.5%，由山東優(yōu)麥化學有限公司生產(chǎn)；催化劑A-33(三乙烯二胺)，其密度為1.033 g/cm3；硅油L580，其粘度為600 mPa·s，由上海譽宇新材料科技有限公司生產(chǎn)；QAS雙沉頭快攻二代木螺釘，螺桿長為70 mm，外徑為5.2 mm，鍍鋅鋼釘，由上海美固漢得威五金有限公司生產(chǎn)；砂紙，80目。

UTM4000系列電子萬能試驗機1套，其最大實驗力為30KN，由深圳三思縱橫科技股份有限公司制造。JYL-F901電動攪拌棒1支，由九陽股份有限公司制造；JE2002電子天平1臺，精度為0.01 g，由上海蒲春計量儀器有限公司制造。

1.2 試件制作與實驗方法

1.2.1 試件制作

選取毛竹距地面100～250 cm部位，鋸截為長100 mm的竹筒(外徑為80 mm，壁厚為8 mm)，不包含竹節(jié)，共計32個。用80目砂紙去除毛竹內(nèi)壁竹膜，打磨粗糙。用電動攪拌器將聚醚多元醇、硅油、A-33、水和MDI按質(zhì)量比100∶2∶1∶0.1∶108.15在燒杯中快速充分攪拌10～15 s后生成預混物。將預混物澆注到圓竹筒中于室溫下發(fā)泡，固化成型。并根據(jù)實際配比在硬泡聚氨酯(RPUF)發(fā)泡前插入尺寸為10 mm×8 mm×100 mm的毛竹精刨竹條，使其在竹筒內(nèi)的體積比分別為0%、25%、50%和75%，填充物配比見表1。

表1 填充物配比

1.2.2 握釘力測試方法及步驟

硬泡聚氨酯填充圓竹如圖1所示，根據(jù)GB/T 14018-2009《木材握釘力試驗方法》，試驗環(huán)境溫度20 ℃～25 ℃，環(huán)境濕度35%～45%。其步驟如下：

圖1 硬泡聚氨酯填充圓竹

在竹筒試件表面選取導孔，導孔方向為竹筒徑向，導孔間距35 mm，導孔深度均為35 mm。自攻螺釘旋入深度為30 mm。測試1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm、3.5mm、4 mm、4.5 mm、5 mm共計8種不同直徑導孔的握釘力強度。在螺釘旋入后立即使用萬能力學試驗機進行拔釘試驗，在1.0～2.0 min內(nèi)將螺釘完全拔出。加載過程中的最大荷載即為握釘力，讀數(shù)精確到1 N。

導孔孔徑比按照式(1)計算：

(1)

式中：r為導孔孔徑比；d為導孔直徑，mm；D為螺釘直徑，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞模式

荷載-位移典型曲線如圖2所示，在加載初期各組試件均處于彈性階段，沒有出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象，自攻螺釘錨固相對滑移較小，試件內(nèi)發(fā)出微小聲響。隨著加載達到極限荷載，試件發(fā)生劈裂聲，竹材表面破損開裂。螺釘拔出時螺紋上帶有被剪切破壞的硬泡聚氨酯和竹材的實物如圖3所示。

圖2 荷載-位移典型曲線(RPUF-100，導孔直徑2 mm)

圖3 螺釘完整拔出

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當導孔直徑小于等于2 mm時，在釘拔出的過程中，發(fā)出爆裂聲，竹筒表面易出現(xiàn)軸向開裂，竹筒表面軸向開裂如圖4所示。當導孔直徑大于2 mm時，導孔周圍竹材破損，螺釘完整拔出，表面竹材破損如圖5所示。這是由于竹子中的維管束在縱向上平行分布，橫向上聯(lián)系較小，導致竹子縱向方向的強度要大于橫向方向的強度。當導孔直徑較小(小于等于2 mm)時，擰入螺釘對竹材擠壓較為嚴重，竹筒橫向承受較大荷載，故在加載時容易發(fā)生表面劈裂。

圖4 竹筒表面軸向開裂

圖5 表面竹材破損

2.2 結(jié)果分析

按照試驗方法對32組試件進行握釘力試驗，每組試驗設(shè)置7組平行試件，取其平均值。試驗結(jié)果見表2。并對其進行曲線擬合，擬合結(jié)果如圖6～圖9所示。擬合方程為Y=B1×X3+B2×X2+B3×X+C，擬合結(jié)果見表3。

表2 填充原竹的導孔直徑與握釘力的關(guān)系

圖6 RPUF-100握釘力及曲線擬合

圖7 RB-25握釘力及曲線擬合

圖8 RB-50握釘力及曲線擬合

表3 握釘力曲線擬合

圖9 RB-75握釘力及曲線擬合

由圖6～圖9可知，硬泡聚氨酯填充圓竹握螺釘力隨著孔徑比的增大而減小。對于硬泡聚氨酯填充的圓竹構(gòu)件(RPUF-100)而言，當導孔直徑為1.5 mm時達到最大握釘力，為3 472 N。當導孔直徑小于4 mm時，隨著孔徑比增大握釘力逐漸減小，均可達到最大握釘力的83.8%以上。當導孔直徑達到4.5 mm時握釘力急劇減小，只有最大握釘力的41.6%。導孔直徑1.5 mm時，RB-25、RB-50、RB-75的最大握釘力為3 849 N、3 931 N和4 666 N。當導孔直徑小于4 mm時，RB-25、RB-50、RB-75的握釘力為最大握釘力的80.3%、90.3%和94.2%?？讖奖却笥?6.9%后握釘力急劇下降。當孔徑比增加到96.2%時，握釘力為最大握釘力的8.8%。

當孔徑比不變時，隨著毛竹精刨竹條填充體積的增加，構(gòu)件握釘力不斷增加。導孔直徑為3 mm時，同無毛竹精刨竹條填充相比，RB-25、RB-50、RB-75的握釘力分別增加了16.1%，24.8%和41.1%。

當導孔孔徑較小時，由于竹子中的維管束在縱向上平行分布，橫向上聯(lián)系較小，導致竹子縱向方向的強度要大于橫向方向的強度，在螺釘擰入過程中易發(fā)生劈裂破壞。此時擰入螺釘后，導孔直徑直接影響螺釘螺紋牙嵌入構(gòu)件深度，當導孔直徑小于4 mm時，導孔直徑小于螺釘小徑，螺紋牙完全充分的嵌入構(gòu)件。此時螺釘螺桿與構(gòu)件之間發(fā)生擠壓，擠壓作用可以增加構(gòu)件對螺釘?shù)淖饔昧?。由于硬泡聚氨酯不具備纖維結(jié)構(gòu)，抗拉伸剪切強度有限，因此硬泡聚氨酯對螺釘?shù)奈蔗斄ο鄬^小。而毛竹材具有大量纖維結(jié)構(gòu)，抗拉強度優(yōu)異。當螺釘擰入時，螺桿與竹材發(fā)生擠壓，螺紋與纖維發(fā)生部分剪切，此時粘結(jié)應力表現(xiàn)為竹材與竹材之間的摩擦力[26-28]，極大地增強了其握釘力。此時握釘力是表面磨擦力與木材抗剪力共同作用的結(jié)果，在拔出時存在著竹材纖維的旋轉(zhuǎn)扭曲現(xiàn)象，因此隨著填充毛竹含量增加，試件的握釘力不斷增加。隨著孔徑比的逐漸增大，螺紋牙嵌入構(gòu)件深度變淺，螺紋線形成并不充分，剪切力下降，螺釘對基材的擠壓減小，從而導致握釘力逐漸減小。當導孔直徑為5 mm時，螺紋對基材只存在部分剪切，因此此時的握釘力最小，只有最大握釘力的8.26%。

3 結(jié)論

(1)填充材料對于原竹填充構(gòu)件的握釘力影響較大，隨著填充材料中竹材比例增加，握釘力逐漸增加。導孔直徑為3 mm時，當竹材含量為25%，50%，75%，最大握釘力分別增加了16.1%，24.8%和41.1%。隨著導孔直徑增加，握釘力逐漸下降。當導孔直徑小于4 mm時握釘力保持在最大握釘力的83.8%以上。

(2)當導孔直徑小于2 mm時，螺釘擰入過程中容易發(fā)生外側(cè)原竹筒軸向劈裂，這是由于竹材有著豐富的軸向纖維，橫向抗劈裂性能較差。同時在擰入螺釘時可使用導向塊規(guī)等輔助裝置，避免由擰入角度偏差等誤差帶來的影響。

(3)所有螺釘均能完整拔出，破壞形式包括螺釘拔出破壞和圓竹劈裂破壞兩種形貌。當導孔直徑小于2 mm時，在拉拔過程中圓竹易發(fā)生劈裂；當導孔直徑大于2 mm時，拉拔過程中易發(fā)生導孔周圍竹材破損，螺釘完整拔出。螺紋上帶有被剪切破壞的硬泡聚氨酯和竹材。綜合考慮圓竹增強結(jié)構(gòu)的導孔直徑為2.5 mm時較為理想。