楊保鈰，賀紹均，陳迎建，余帆，朱一辛

(南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，南京210037)

銅唑防腐處理對南方松規(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)大學材料科學與工程學院，南京210037)

為研究銅唑(CuAz)防腐處理材的金屬腐蝕性對南方松規(guī)格材握釘性能的影響，以南方松素材和CuAz防腐處理材為試驗材料，采用加速暴露試驗處理，研究防腐處理材的金屬腐蝕性對規(guī)格材拔出握釘性能及剪切握釘性能的影響。結果表明：經加速暴露試驗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；握釘性能

木結構建筑在自然環(huán)境中受溫濕度不斷變化的影響會導致木材含水率的波動，影響木材的耐久性[1]。在木結構與地面、砌體或混凝土等直接接觸部位和有白蟻危害的地區(qū)，常用防腐木來提高木結構的耐久性[2]。另一方面，金屬連接件已成為現(xiàn)代木結構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)點的承載力。連接節(jié)點的金屬腐蝕與木材腐朽是一個相互促進的過程，會使金屬件腐蝕性能測試變得更加復雜[3]。因此，對防腐木材的結構耐久性而言，金屬連接件的使用壽命是一個重要的影響因素。

隨著美國2004年1月開始對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，其對住宅建筑中金屬緊固件的腐蝕已逐漸被廣泛關注。木材防腐劑對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，有必要對嵌入木材的金屬緊固件腐蝕壽命及可靠性進行研究。

南方松是加壓防腐處理的首選樹種，在美國大約85%的加壓防腐處理木材都是南方松[7-8]。釘連接是木結構建筑中常用的機械連接方式之一，目前國內對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，通過加速暴露試驗處理，測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規(guī)格材握釘性能的影響，為評估CuAz防腐劑對防腐材釘連接可靠性的影響，及其在木結構建筑設計中的應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

美國南方松規(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)境分級可達GB/T 22102—2008《防腐木材》中C4B的要求，購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)和2.8 mm(直徑)×60 mm(長)，市購；晶型石蠟，熔點58℃，市購。

1.2 試驗儀器與設備

AG-IC型島津萬能力學試驗機，日本島津公司；UTM4304型三思縱橫萬能力學實驗機，深圳新三思集團；GDS-100型高低溫濕熱試驗箱，無錫意爾達試驗設備制造有限公司；RDM1600BN型激光鉆床，青島地恩地機電科技股份有限公司；自制釘連接卡具。

1.3 試驗方法

參照美國木材保護協(xié)會AWPA E12-15標準中加速暴露試驗的處理條件，將處理試件置于溫度為49℃、相對濕度為90%的恒溫恒濕箱中處理15 d進行加速暴露處理。試件取出后，室溫放置24 h后進行測試。每組試件重復數(shù)量為15個。

1.3.1 拔出握釘性能試驗

參照GB/T 14018—2009《木材握釘力試驗方法》測定拔出握釘力，其中，圓釘尺寸為2.5 mm×50 mm。圓釘釘入后，對照組試件立即進行試驗，處理組試件用石蠟封住圓釘外露部分在加速暴露試驗后進行測試，加載速度2.5 mm/min，至試驗機荷載讀數(shù)明顯下降。試驗后，隨機選取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，采用絕干法測定含水率。

1.3.2 剪切握釘性能試驗

參照ASTM D1761-12標準測定剪切握釘性能，其中，用2.8 mm×60 mm的圓釘從300 mm×50 mm×20 mm木條的一側釘入固定。圓釘釘入后，對照組試件立即進行試驗，處理組試件在暴露試驗后進行測試。試驗后，隨機選取5組試件，立即在300 mm×50 mm×50 mm木條試樣一側中部截取25 mm(順紋方向)×50 mm×50 mm的薄木片，采用絕干法測定含水率。

2 結果與分析

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饕獊碓从陟o摩擦力，隨著時間和使用環(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。

經加速暴露試驗處理后，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，對圓釘?shù)臄D壓力增大，從而導致靜摩擦力增大，拔出握釘力最大。雖然松弛效應會使握釘力下降，但在時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。南方松經加速暴露試驗后，試件含水率增大至20%左右，其濕脹作用大于松弛效應對拔出握釘力的影響，表現(xiàn)出與文獻[10]中美國南方松握釘力上升的一致結果。

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。當木材含水率低于15%時，嵌入木材的金屬不發(fā)生腐蝕；而含水率超過18%時，腐蝕速率會隨木材含水率的增加而增大，最終達到峰值[11-12]。加速暴露試驗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%)。加速暴露試驗處理條件下，圓釘釘入試件的釘體部分金屬表面會形成一層薄液膜，導致圓釘發(fā)生電化學腐蝕，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]。素材及防腐材經加速暴露后，端縱比都有所降低。對即時握釘力，拔出握釘力的端縱比一般為0.50～0.75；對于延時握釘力，一段時間或含水率變化后大多數(shù)樹種的端縱面抗拔握釘力的比值相比即時握釘力均有所增大。而南方松樹種表現(xiàn)出降低趨勢，這是因為南方松經加速暴露試驗處理后，試件含水率增大導致其試驗延時握釘力上升，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號和2號圓釘為釘入試件徑切面圓釘，3號和4號為弦切面圓釘，5號和6號為端面圓釘。與圓釘初始表面狀態(tài)相比，經加速暴露試驗后，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℃，相對濕度為90%條件下，釘桿表面會形成連續(xù)薄液膜，氧擴散比較容易。初期的腐蝕都是以氧的去極化為主，正極反應為O2+2H2O+4e-→4OH-，負極反應為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構成原電池，形成電化學腐蝕，正極反應為Fe+2e-→Fe2+，負極反應為Cu2++2e-→Cu。原電池反應置換出的單體銅應為紅色，但并未出現(xiàn)在釘桿上。圓釘表面的黑色物質可能為釘體中的雜質，普通圓釘為鐵碳合金，不可避免地會含有碳和鐵的氧化物，當圓釘表面的Fe轉化為Fe2+后，黑色雜質就會顯現(xiàn)出來。

此外，木材本身的內含物及pH對接觸的金屬也有一定腐蝕性，而防腐劑的固著性也會對防腐材的金屬腐蝕速率產生影響[6]。因此，防腐木材的金屬腐蝕是一個復雜的過程，有待進一步研究。

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。在剪切握釘試驗初期，南方松剪切握釘力快速增大；當增大到一定值后荷載增長速度變緩，一段時間后，荷載增長速度再次減緩；剪切握釘力增長至最大值后開始緩慢下降，在一段時間后迅速下降至零。

圖2中荷載-位移曲線的變化規(guī)律與低碳鋼在拉伸試驗過程中的變化規(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個階段：

第Ⅰ階段為彈性階段，圓釘受力在比例極限范圍內，厚木條和薄木條之間產生較小的相對位移；第Ⅱ階段為屈服階段，圓釘釘桿受剪切力而開始表現(xiàn)出非彈性行為，圓釘近薄木條一側剪切面內開始發(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階段為強化階段，圓釘表現(xiàn)出低碳鋼特性，超過其屈服點后又恢復對變形的抵抗能力，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被緩慢拔出，薄木條與厚木條之間相對位移增大；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果如表3所示。素材的剪切握釘力都稍大于防腐材，經加速暴露試驗處理后，素材與防腐材的剪切握釘力都出現(xiàn)明顯下降。對照組與處理組相比，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)格材材質及試件含水率的影響，變異系數(shù)較大。加速暴露試驗處理后，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，南方松防腐處理對剪切握釘力的影響較大，同時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

在美國木結構設計規(guī)范中對螺栓、方頭螺釘、木螺釘、圓鋼釘及長釘?shù)忍岢隽?種主要的單剪連接屈服模式，如圖3所示。Im與Is分別表示較厚構件、較薄構件與連接件接觸的木材纖維承壓屈服；Ⅱ為在連接件與兩個木構件的結合面附近，由于木材纖維局部壓潰變形，連接件發(fā)生剪切面內旋轉。Ⅲm和Ⅲs是連接件的抗彎屈服，每一剪切面內有1個塑性鉸點，與緊固件接觸木纖維的承壓屈服發(fā)生在較薄或較厚構件的一側。Ⅳ是連接構件抗彎屈服，1個剪切面內出現(xiàn)2個塑性鉸點，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)捻敿庖粋葟暮衲緱l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圖4，圓釘?shù)钠茐哪Ｊ街饕獮閳D3中Ⅲm，較薄的木構件一側圓釘出現(xiàn)1個塑性鉸點。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程中受變形擠壓使木材發(fā)生屈服，釘孔尺寸變大。經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的釘孔位置都可見明顯的木纖維，對照組試件受釘桿擠壓，釘孔的平均長度擴大至18 mm左右，而處理組試件因含水率較高，釘孔平均長度擴大至約23 mm。

3 結 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。經加速暴露試驗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，經加速暴露試驗處理后，素材的剪切握釘力下降了20.85%，而防腐材下降了23.62%。防腐處理對剪切握釘力的影響較大，同時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”農村領域國家科技計劃項目(20158BAL03B03-03)。

楊保鈰，男，研究方向為木結構建筑。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