盐溶液对木结构规格材握钉力的影响

阙泽利 杨 玲 王菲彬 许 莹 潘 彪 王永兵

(1.南京林业大学材料学院，江苏 南京 210037；2.苏州皇家整体住宅系统股份有限公司，江苏 苏州 215105)

盐溶液对木结构规格材握钉力的影响

阙泽利1杨 玲1王菲彬1许 莹1潘 彪1王永兵2

(1.南京林业大学材料学院，江苏 南京 210037；2.苏州皇家整体住宅系统股份有限公司，江苏 苏州 215105)

通过对木结构规格材握钉力试件进行盐溶液处理研究。结果表明，盐溶液中规格材握钉力较清水条件下力小；随着盐浓度的升高，木结构试件的表面握钉力、侧面握钉力均呈下降趋势，但在各盐度处理间差异并不显著；试件端面握钉力与表面、侧面握钉力相比，普遍较小，在不同盐浓度处理下，差异不明显，变化平缓；相同浓度的盐环境处理条件下，随着处理周期的延长，木构件握钉力性能呈先上升后下降的趋势。

木结构；规格材；握钉力；盐分；浓度

由于木结构建筑的诸多优点，目前全国各地已掀起建造木结构建筑的热潮[1]。我国南部沿海地区具有高温、高湿、高盐的气候特点，高盐环境对木构件寿命有一定的影响。在木结构中，各构件通过连接[2]的形式进行传力，方式有很多种，如齿连接、钉连接、销连接、螺栓连接以及榫卯连接等。其中钉连接具有连接紧密、制作简单以及韧性好等优点，成为木结构建筑中最为广泛的一种连接形式。钉连接的节点承受载荷可分为2个方向，分别为垂直于钉杆的侧向剪力和平行于钉杆的拔出力，因此侧向承载力和握钉力是恒量钉连接节点性能的2个基本强度指标。

国内外学者从树种、钉子种类、木材密度以及板材含水率等方面对握钉力进行研究[3-5]。其中费本华等[6]通过研究得出，木材密度对握钉力强度的影响最大，钉直径与握钉力呈线性正比关系。Stern[7]通过试验发现，在潮湿的环境中，即使有覆面板的阻隔作用，钉入墙骨柱中的圆钢钉也会因为水分在木材中的渗透作用，使得钉入木材中距离表面9.5 mm以上部位的钉生锈，钉的生锈又会造成钉杆周围相接触区木材的腐朽，这种生锈腐朽从长期看来会使得圆钢钉的握钉力明显下降。

盐溶液会使木材出现离析、变色等现象，也会加快木结构金属连接件发生生锈、变形等现象，从而危害木结构建筑的可靠性和安全性。国内外对于这方面的研究较少，因此，研究盐溶液对木结构连接性能的影响具有较大意义和实用性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

在木结构中使用的钉按形状可分为圆钢钉、螺钉(包括木螺钉与方头螺钉)、麻花钉和U型钉等。参照GB/T 14018—2009《木材握钉力试验方法》[8]相关规定以及生产实际，试验用钉选用木结构建筑中使用较为广泛的环纹钉，参数及外形见表1、图1。

表1 试验用钉规格参数

1.2 试验试材

规格材选用云杉-松木-冷杉(Spruce-Pine-Fir，SPF)，树种为云杉。参考GB/T 14018—2009《木材握钉力试验方法》和GB 50005—2003《木结构设计规范》[9]相关规定，结合实际生产加工，制备截面尺寸为89 mm×38 mm，长度尺寸为150 mm的试件样本，平均气干密度[10]为460 kg/m3，平均含水率[11]为15.4%。参考GB/T 14018—2009《木材握钉力试验方法》规定，试验前将钉擦拭干净，在离钉帽15 mm处划一记号。按图2所示，在试件任意表面、侧面和端面上，垂直试件表面，将钉匀速钉入试件至记号处，允许误差±1 mm。

1.3 盐分处理

高盐模拟液分别设5个浓度梯度：0%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%。配制成分比例见表2(0%盐度实为清水对照组)。

表2 高盐模拟液配置比例

将相同数量、相同种类的试件分别置于不同高盐模拟液中进行处理，确保试件被模拟液充分浸没渗透，且不接触水槽壁。为合理研究盐分对规格材握钉力性能的影响，将浸泡2 d、晾晒2 d作为试验的1个周期。每过1个周期即对试件进行测试，每组浓度测试6个试件。

1.4 试验方法

设备采用最大负荷为100 kN的三思纵横万能力学试验机。参照GB/T 14018—2009《木材握钉力试验方法》，将试件置于握钉力夹具中，握紧钉头，以2 mm/min速度均匀加载，在1～2 min内将钉子拔出。记录最大荷载，精确至10 N。试件的握钉力计算，按照公式(1)，精确至0.1 N/mm。

P=Pmax/L

(1)

式中：P为试件的握钉力，N/mm；Pmax为最大载荷，N；L为钉钉入试样的长度，mm。

2 结果与分析

未经过处理的试件通过测试得出表面握钉力平均为44.60 N/mm，侧面握钉力平均为 45.07 N/mm，端面握钉力为15.47 N/mm。经过不同浓度不同循环处理后得出的3面握钉力结果见表3。

2.1 相同盐度不同处理周期规格材握钉力比较

结构耐久性是评估结构可靠性的重要因素，盐分对木结构握钉力性能的影响很大程度上与木构件在盐环境中的处理时间有关，不同盐环境处理时间下，木结构握钉力性能会发生相应的变化。在试验过程中，5种浓度下的试件握钉力大小随着处理周期次数的增加体现出的趋势是相似的，其中4%浓度下最为典型，结果见图3。

表3 不同处理浓度和不同处理周期下的握钉力

注：数值代表平均值，括号里的数值代表方差；M.C.代表含水率；ρ代表密度；PS1代表表面握钉力；PS2代表侧面握钉力；PE代表端面握钉力。

从图3可以发现，在相同浓度的盐环境处理条件下，端面握钉力明显小于表面和侧面，这是由于木材的弦向干缩远大于径向和纵向，使得木材在自然干燥时端部易产生开裂，木材与钉子之间的摩擦力变小，从而握钉力较小。随着处理周期的延长，规格材握钉力性能总体上呈明显下降趋势，第4周期握钉力稍微上升，而第6周期下降幅度较大，但端面握钉力没有表面和侧面下降快。这是由于木材开始泡浸盐水又暴晒后，使得其干缩湿胀，木纤维和钉子之前的距离变大，所以握钉力在第1周期明显降低，同时镀锌的环纹钉在NaCl溶液中形成了原电池反应，阴极：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2；阳极：O2+2H2O+4e-=4OH-，随着反应的进行，锌被氧化逐步溶解使得木纤维和钉子之间的摩擦力变大，从而在第4周期握钉力有稍许的上升，随着反应进一步进行，锌全部溶解，握钉力持续下降。试验中也发现，从第5周期向后，钉子已开始生锈，也是锌已溶解的缘故。

2.2 相同周期不同盐浓度处理规格材握钉力比较

不同浓度的盐环境处理下，规格材握钉力大小的改变取决于盐溶液的浓度和水解程度[12]。其中取第3周期时的结果，见图4。

由图4可知，盐水的握钉力均比清水小，随着处理盐浓度的逐渐增加，握钉力呈现下降趋势，但下降幅度缓慢。这是由于溶液对木材影响的大小与盐溶液的浓度和水解程度有关，木材泡晒时，特别在高温时，氯化钠会和空气中的水蒸气反应生成HCl，从而与钉子上的ZnO反应生成ZnCl2，锌的逐步溶解使得钉子和规格材之间摩擦力减小，握钉力下降，同时盐浓度越大代表溶液中的氯离子越多，上述反应变快，从而握钉力会随着盐浓度的增大而下降。由于试验中的水蒸气不是太多，所以反应并不完全，因此，下降的程度并不是很明显。

3 结 论

1) 端面握钉力比正面和侧面小，但稳定性较好。

2) 盐分会使木材的握钉力减小。

3) 盐分越大，握钉力越小。

4) 同一盐浓度下，处理周期越久，握钉力呈现先上升后下降的趋势。

5) 盐溶液会使钉子生锈，使木材变色。

由试验知，木结构建筑应尽量避免盖在高盐度的地区。本试验只研究了握钉力这一力学特性，后续还应研究盐分对木结构建筑其他连接性能的影响，同时试验应该加大处理周期，得出更可靠更具有价值的数据和结论。

[1] 周海宾. 中国木结构产业的现状及发展[J]. 木材工业，2012，26(1)：7-10.

[2] 费建波，王鹏. 木结构连接的概述与分析[J]. 山西建筑，2010，36(19)：100-101.

[3] 赵荣军，费本华.杉木规格材圆钢钉握钉强度研究[J].建筑材料学报，2010(13):463-467.

[4] 陈恩灵,费本华,郭伟.木结构握钉力的研究与发展[J].木材加工机械, 2008(3):38-43.

[5] 阙泽利，蒋海东，付勍，等. 导孔直径对单板层积材握螺钉力性能的影响[J].中国人造板，2012(6):14-16.

[6] 费本华.杉木规格材圆钢钉握钉力性能研究[J].木材加工机械，2008(5)：31-34.

[7] Stern E G. Deterioration of green wood along steel-nail shank and its influence on the nail-holding properties[J]. The Virginia Journal of Science, 1950, 1(3): 200-218.

[8] 全国木材标准化技术委员会.GB/T 14018—2009木材握钉力试验方法[S].北京：中国标准出版社，2009.

[9] 中华人民共和国建设部.GB 50005—2003木结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[10] 全国木材标准化技术委员会.GB/T 1993—2009木材密度测定方法[S].北京：中国标准出版社，2009.

[11] 全国木材标准化技术委员会.GB/T 1931—2009 木材含水率测定方法[S].北京：中国标准出版社,2009.

[12] 张洋,谢力生.木结构建筑检测与评估[M].北京:中国林业出版社,2011.

(责任编辑 曹 龙)

The Effect of Salinity on the Nail-Holding Power of Dimension Lumber

QUE Ze-li1, YANG Ling1, WANG Fei-bin1, XU Ying1, PAN Biao1, WANG Yong-bing2

(1. College of Material Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing Jiangsu 210037, China；2. Suzhou Crownhomes Co., Ltd., Suzhou Jiangsu 215105, China)

This article mainly studied the effect of salinity on the nail-holding power in wood construction. The results showed that: in saline solution, the holding power of nails was smaller than that in purified water condition. With the increase of salt concentration, both of the surface and side nail-holding power of the wood specimens was decline, but the differences between salinity treatments were not significant. However, compared to the surface and side nail-holding power, the power on the edge was generally smaller and the difference was not obvious in the treatment of different salt concentrations. In the same concentration of salt environment, with the extension of the processing cycle, the holding power of nails showed an increasing first and then downward trend.

timberwork; dimension stock; nail-holding power; salinity; concentration

2013-12-16

“十二五”国家科技计划项目(2012BAD24B010204)资助；江苏省高校优势学科建设工程项目(PAPD201104)资助。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.04.019

S718.64

A

2095-1914(2014)04-0100-04

第1作者：阙泽利(1973—)，博士，副教授。研究方向：木结构建筑。Email：zelique.nfu@gmail.com。