秸稈板螺釘結(jié)合強度試驗研究?

安文靜 黃圣游

（西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 云南 昆明 650224）

我國平均每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈7億多t[1]。農(nóng)作物秸稈作為一種低碳環(huán)保、可再生的原材料，擁有較高的開發(fā)價值和利用空間。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈墻板的環(huán)保性、保溫性、耐久性和加工性能優(yōu)異，許多國家已把秸稈板材作為一種代木材料，應(yīng)用于建筑與裝飾裝修等領(lǐng)域[2-12]。同時，秸稈板材因強度較高、成本較低，在家具等行業(yè)的應(yīng)用也已成為趨勢。

螺釘具有安裝簡單、連接緊密、可反復(fù)拆卸利用等諸多優(yōu)點。在家具制品中，尤其是對于體積較小而強度要求較高的家具，螺釘是一種重要的家具節(jié)點接合方式[13-16]。有研究表明，螺釘種類、擰入深度等因素對秸稈板材的結(jié)合強度有顯著影響[17-22]。高萃等[23]發(fā)現(xiàn)螺距較小、牙頂較寬的螺釘可以提高棉桿重組方材的螺釘結(jié)合強度。闕澤利等[24]探討了導(dǎo)孔直徑對木結(jié)構(gòu)握釘力性能的影響，試驗結(jié)果表明材料握釘力會隨著導(dǎo)孔直徑增大而減小。李吉慶等[25]用正交試驗法研究了導(dǎo)孔直徑、螺釘種類和擰入深度對家具用竹集成材螺釘結(jié)合強度的影響，結(jié)果表明：導(dǎo)孔直徑與擰入深度對螺釘結(jié)合強度影響較大。螺釘?shù)慕Y(jié)合強度一般用螺釘?shù)目估涡阅鼙硎?，本研究?0 mm厚度的秸稈板為研究對象，以抗拉拔性能為考察指標，采用正交試驗，分析3種常見螺釘在秸稈板材中的抗拉拔性能，探討了影響螺釘結(jié)合強度的3種可能因素，以期為秸稈板材家具螺釘類型的選擇提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

秸稈板材，由盤錦積葭生態(tài)板業(yè)有限公司生產(chǎn)，在同一批次中隨機抽取9 塊秸稈板材。秸稈板材尺寸為150 mm×50 mm×20 mm，靜曲強度為0.4 MPa，含水率為4.8%，2 h吸水厚度膨脹率為2.4%，密度為0.71 g/cm3，彈性模量為3 370 MPa，表面結(jié)合強度為1.04 MPa，板邊握螺釘力為1 090 N。

螺釘：選擇工程和裝修中最常見的開槽沉頭木螺釘、十字沉頭螺釘和墻板自攻螺釘。螺釘?shù)膶崪y參數(shù)見表1。

表1 螺釘參數(shù)Tab.1 Screw parameters

1.2 設(shè)備

Z516 臺式多孔鉆床，最大鉆孔直徑16 mm，海迅陽機電設(shè)備有限公司；力學(xué)試驗機，型號為A6-Xplus50 kN，長春新特試驗機有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 性能測試

本研究以螺釘在秸稈板材上的抗拔力作為考核指標。首先采用Z516 臺式多孔鉆床對秸稈板進行鉆孔，然后用不同種類的螺釘以不同的擰入深度擰入秸稈板。再用力學(xué)試驗機測定將螺釘拔出時所需要的拉拔力，加載速度設(shè)置為3 mm/min?？拱瘟y試參照GB/T17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》中握釘力測試方法進行。

1.3.2 螺釘結(jié)合強度正交試驗設(shè)計

根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗及對人造板的構(gòu)造特點和強度分析可知，家具用人造板中的螺釘抗拔強度主要由螺釘種類、導(dǎo)孔直徑、擰入深度決定。通過分析測試這3個影響因素，可有效獲得螺釘結(jié)合強度的變化規(guī)律，從而為提高秸稈板螺釘結(jié)合強度提供依據(jù)。

對秸稈板材力學(xué)性能分析發(fā)現(xiàn)，其材質(zhì)接近于硬材，對于硬質(zhì)木材，導(dǎo)孔直徑約為螺釘公稱直徑的90%[25]。根據(jù)秸稈板試材厚度和實際生產(chǎn)經(jīng)驗，本研究將螺釘導(dǎo)孔直徑確定為2.6、2.9、3.2 mm，即分別為螺釘公稱直徑的74%、82%、91%；選擇螺釘擰入深度為12、15、18 mm，即分別為板厚的60%、75%、90%。選用L9(34)正交試驗對上述3 個因素進行優(yōu)化處理，確定最佳結(jié)合條件，正交試驗因素水平見表2。

表2 正交試驗因素水平表Tab.2 Orthogonal factor level table

2 結(jié)果與分析

按L9(34)正交表設(shè)計的正交方案與試驗數(shù)據(jù)見表3。每一種組合方式均制作3 組試件，拉拔力取平均值。

表3 正交試驗設(shè)計與檢測結(jié)果Tab.3 Design and result of orthogonal experiment

（續(xù)表3）

1）直觀分析。由表3 可知，3 個因素的極差值大小 順 序 為RC（515.35）＞RA（179.2 ＞RB（82.49）。影響螺釘結(jié)合強度的因素順序為：擰人深度C＞螺釘種類A＞導(dǎo)孔直徑B。

每個因素不同水平的均值如圖1 所示。由圖可知，螺釘種類、導(dǎo)孔直徑、擰人深度3 個因素的最佳選擇分別為開槽沉頭木螺釘、導(dǎo)孔直徑2.6 mm、擰入深度18 mm。理想的水平組合為A1B1C3。從均值趨勢可以看出，在水平范圍內(nèi)，加大擰人深度，減小導(dǎo)孔直徑能增大螺釘?shù)目拱瘟?。然而，螺釘?dǎo)孔直徑過小，螺釘對秸稈板材的剪切力變大，不僅給螺釘?shù)臄Q入帶來困難，而且會造成螺釘周圍秸稈板材的劈裂破壞，影響家具的強度和穩(wěn)定性。選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)孔直徑可以增加螺釘與材料的結(jié)合強度。

圖1 各因素水平趨勢圖Fig. 1 Horizontal trend chart of each factor

2)方差分析。為了分析檢驗螺釘種類、導(dǎo)孔直徑、擰入深度這3 個因素對秸稈板材螺釘?shù)慕Y(jié)合強度是否有顯著影響，對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，分析結(jié)果見表4。

表4 方差分析表Tab.4 Analysis of variance

查閱F值分布臨界表，對比可知，擰入深度對螺釘結(jié)合強度影響顯著，螺釘種類與導(dǎo)孔直徑對螺釘結(jié)合強度影響不顯著。

有研究表明螺釘種類對秸稈板材握釘力有影響。螺距和牙頂部寬度作為螺釘重要參數(shù)影響螺釘性能。螺釘牙頂部越寬，螺釘與秸稈板材之間的結(jié)合強度越高，板材家具穩(wěn)定性越強[26]。螺釘?shù)穆菥嘈?，擰入秸稈板材的螺紋數(shù)多，與板材的接觸面積大，螺釘與板材的結(jié)合強度高。因此，秸稈板材家具的螺釘應(yīng)適當(dāng)選擇螺距較小、牙頂較寬的螺釘以提高結(jié)合強度。

3 結(jié)論

以秸稈板為研究對象，以抗拉拔性能為考察指標，采用正交試驗，探討了螺釘種類、導(dǎo)孔直徑、擰入深度3個因素對秸稈板螺釘結(jié)合強度的影響，得出以下結(jié)論：

1）在螺釘種類、導(dǎo)孔直徑、擰入深度三因素中，擰入深度對螺釘結(jié)合強度影響最顯著，其次為螺釘種類和導(dǎo)孔直徑。因此，在一般性應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)板材實際厚度盡量加大擰入深度以提高螺釘結(jié)合強度；

2）螺釘牙頂部寬，螺距小，利于螺釘與板材的結(jié)合。本次試驗采用的3 種螺釘中，開槽沉頭木螺釘牙頂部最寬，且螺距相對較小，與秸稈板結(jié)合強度相對較高。因此，建議在家具裝修中盡量選擇開槽沉頭木螺釘以增強螺釘與板材的結(jié)合強度，從而提高家具使用壽命；

3） 螺釘導(dǎo)孔直徑是影響螺釘與秸稈板材結(jié)合緊密程度的重要因素之一。選擇合適的導(dǎo)孔直徑可以提高家具的強度和穩(wěn)定性。就秸稈板材而言，優(yōu)化導(dǎo)孔直徑應(yīng)為螺釘公稱直徑的70%～80%。