曾詩軼， 顧燕妮， 盧嘉楷， 許 斌

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

隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)，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(biāo)功能的植物，在水土保持、環(huán)境保護(hù)、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(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、園林景觀設(shè)計(jì)、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(biāo)準(zhǔn)與測試方法較多，諸如GB 50005-2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yàn)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(duì)木結(jié)構(gòu)中自攻螺釘加強(qiáng)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?jì)算公式[20]。但是對(duì)于竹材的握釘力主要集中于竹集成材方面[21-22]，對(duì)于圓竹，尤其是應(yīng)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(diǎn)處使用自攻螺釘可以傳遞拉力或壓力，或者補(bǔ)償需要的拉力壓力，可使其強(qiáng)度增強(qiáng) 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(diǎn)，使用電動(dòng)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⒖箯澋葟?qiáng)度均有明顯提高[24]。2014年，闕澤利等對(duì)導(dǎo)孔直徑對(duì)木結(jié)構(gòu)用規(guī)格材握螺釘力性能的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，由于木材的握釘力不僅和導(dǎo)孔直徑有關(guān)，還和基材種類有關(guān)[25]。

由于竹材獨(dú)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(shí)性結(jié)構(gòu)上，因此開展增強(qiáng)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(duì)圓竹天然中空多孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用硬泡聚氨酯和毛竹精刨竹條片對(duì)圓竹進(jìn)行填充的方法，使其成為實(shí)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(diǎn)的連接形式與性能。通過探討導(dǎo)孔直徑與填充材料種類對(duì)圓竹握螺釘力性能的影響研究，為圓竹結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接優(yōu)化設(shè)計(jì)及其工程應(yīng)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(xué)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(yù)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(yàn)機(jī)1套，其最大實(shí)驗(yàn)力為30KN，由深圳三思縱橫科技股份有限公司制造。JYL-F901電動(dòng)攪拌棒1支，由九陽股份有限公司制造；JE2002電子天平1臺(tái)，精度為0.01 g，由上海蒲春計(jì)量儀器有限公司制造。

1.2 試件制作與實(shí)驗(yàn)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(jì)32個(gè)。用80目砂紙去除毛竹內(nèi)壁竹膜，打磨粗糙。用電動(dòng)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?jǐn)嚢?0～15 s后生成預(yù)混物。將預(yù)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(shí)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(yàn)方法》，試驗(yàn)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(dǎo)孔，導(dǎo)孔方向?yàn)橹裢矎较?，?dǎo)孔間距35 mm，導(dǎo)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(jì)8種不同直徑導(dǎo)孔的握釘力強(qiáng)度。在螺釘旋入后立即使用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拔釘試驗(yàn)，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(dǎo)孔孔徑比按照式(1)計(jì)算：

(1)

式中：r為導(dǎo)孔孔徑比；d為導(dǎo)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(duì)滑移較小，試件內(nèi)發(fā)出微小聲響。隨著加載達(dá)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(shí)螺紋上帶有被剪切破壞的硬泡聚氨酯和竹材的實(shí)物如圖3所示。

圖2 荷載-位移典型曲線(RPUF-100，導(dǎo)孔直徑2 mm)

圖3 螺釘完整拔出

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)導(dǎo)孔直徑小于等于2 mm時(shí)，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(dāng)導(dǎo)孔直徑大于2 mm時(shí)，導(dǎo)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(dǎo)致竹子縱向方向的強(qiáng)度要大于橫向方向的強(qiáng)度。當(dāng)導(dǎo)孔直徑較小(小于等于2 mm)時(shí)，擰入螺釘對(duì)竹材擠壓較為嚴(yán)重，竹筒橫向承受較大荷載，故在加載時(shí)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(yàn)方法對(duì)32組試件進(jìn)行握釘力試驗(yàn)，每組試驗(yàn)設(shè)置7組平行試件，取其平均值。試驗(yàn)結(jié)果見表2。并對(duì)其進(jìn)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(dǎo)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(duì)于硬泡聚氨酯填充的圓竹構(gòu)件(RPUF-100)而言，當(dāng)導(dǎo)孔直徑為1.5 mm時(shí)達(dá)到最大握釘力，為3 472 N。當(dāng)導(dǎo)孔直徑小于4 mm時(shí)，隨著孔徑比增大握釘力逐漸減小，均可達(dá)到最大握釘力的83.8%以上。當(dāng)導(dǎo)孔直徑達(dá)到4.5 mm時(shí)握釘力急劇減小，只有最大握釘力的41.6%。導(dǎo)孔直徑1.5 mm時(shí)，RB-25、RB-50、RB-75的最大握釘力為3 849 N、3 931 N和4 666 N。當(dāng)導(dǎo)孔直徑小于4 mm時(shí)，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(dāng)孔徑比增加到96.2%時(shí)，握釘力為最大握釘力的8.8%。

當(dāng)孔徑比不變時(shí)，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(dǎo)孔直徑為3 mm時(shí)，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(dāng)導(dǎo)孔孔徑較小時(shí)，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(dǎo)致竹子縱向方向的強(qiáng)度要大于橫向方向的強(qiáng)度，在螺釘擰入過程中易發(fā)生劈裂破壞。此時(shí)擰入螺釘后，導(dǎo)孔直徑直接影響螺釘螺紋牙嵌入構(gòu)件深度，當(dāng)導(dǎo)孔直徑小于4 mm時(shí)，導(dǎo)孔直徑小于螺釘小徑，螺紋牙完全充分的嵌入構(gòu)件。此時(shí)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(duì)螺釘?shù)淖饔昧ΑＳ捎谟才菥郯滨ゲ痪邆淅w維結(jié)構(gòu)，抗拉伸剪切強(qiáng)度有限，因此硬泡聚氨酯對(duì)螺釘?shù)奈蔗斄ο鄬?duì)較小。而毛竹材具有大量纖維結(jié)構(gòu)，抗拉強(qiáng)度優(yōu)異。當(dāng)螺釘擰入時(shí)，螺桿與竹材發(fā)生擠壓，螺紋與纖維發(fā)生部分剪切，此時(shí)粘結(jié)應(yīng)力表現(xiàn)為竹材與竹材之間的摩擦力[26-28]，極大地增強(qiáng)了其握釘力。此時(shí)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(shí)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(duì)基材的擠壓減小，從而導(dǎo)致握釘力逐漸減小。當(dāng)導(dǎo)孔直徑為5 mm時(shí)，螺紋對(duì)基材只存在部分剪切，因此此時(shí)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(duì)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(dǎo)孔直徑為3 mm時(shí)，當(dāng)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(dǎo)孔直徑增加，握釘力逐漸下降。當(dāng)導(dǎo)孔直徑小于4 mm時(shí)握釘力保持在最大握釘力的83.8%以上。

(2)當(dāng)導(dǎo)孔直徑小于2 mm時(shí)，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(shí)在擰入螺釘時(shí)可使用導(dǎo)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(dāng)導(dǎo)孔直徑小于2 mm時(shí)，在拉拔過程中圓竹易發(fā)生劈裂；當(dāng)導(dǎo)孔直徑大于2 mm時(shí)，拉拔過程中易發(fā)生導(dǎo)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(qiáng)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)孔直徑為2.5 mm時(shí)較為理想。