辐射松处理材制备实木家具节点性能研究∗

元海广 王梦蕾 王晓磊 孙照斌 杨丽虎 张国杰

（1.江苏爱美森木业有限公司，江苏 淮安 223001；2.河北爱美森木材加工有限公司，河北 邯郸056800；3.河北农业大学林学院，河北 保定 071000）

辐射松（Pinus radiata）是我国近年来进口量较大的木材种类，在家具、木地板等木制品中应用较多[1-2]。辐射松气干密度较低，材质轻软，抗弯强度等级为中，弹性模量、顺纹抗剪强度、顺纹抗压强度、冲击韧性等级低，耐腐性能较差，属低等级木材[2-3]。对木材进行树脂浸渍增强处理和高温热处理是目前国内外常用的木材改性技术[4-9]，采用改性技术开发辐射松木材，对其高效利用有重要意义[2]。

家具节点的接合方式与接合强度对家具结构强度具有决定性作用[10-12]。实木家具常见的接合方式有榫接合、胶接合、钉及木螺钉接合、连接件接合等[14]。实木家具的框架结构有直角和斜角接合框架2 种形式[13-17]，构件主要有“L”型和“T”型直角构件以及“L”型斜角构件3 种形式。对框架节点强度性能的研究可简化成对“L”型结构和“T”型结构构件节点强度性能的研究[16-18]。

目前关于辐射松树脂改性材与真空热处理树脂改性材用于家具节点的接合强度研究未见报道。本文采用“L”型和“T”型直角构件框架形式，对辐射松树脂增强浸渍材与热处理树脂浸渍材制作的实木家具节点接合强度进行研究，旨在为辐射松改性材在实木家具中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1）辐射松（Pinus radiata）木材：辐射松树脂增强浸渍材（以下简称树脂材）与真空热处理树脂浸渍材（以下简称热处理树脂材），河北爱美森木材加工有限公司。

辐射松树脂材：采用以脲醛树脂为主体的改性液体对木材进行真空加压浸渍处理，液体浓度为22%～25%，浸渍压力2.5～3.0 MPa，真空加压浸渍时间3 h左右；之后进行常规二次干燥，得到树脂浸渍材，含水率为8%～10%。

辐射松真空热处理树脂材：对常规干燥后树脂材进行真空热处理，热处理压力20 kPa，温度达到180 ℃后保持10 h，随后缓慢降温，降温5～8 ℃/h；温度低于50 ℃后开窑出材。

所用试件尺寸规格分为2 种：150 mm×60 mm×20 mm（弦向×端向×径向）和200 mm×60 mm×20 mm（弦向×端向×径向）。

2）双圆棒榫。试验采用的双圆棒榫树种为桦木（外购），类型为螺纹型，尺寸规格选用Φ10 mm×40 mm。圆棒榫含水率在10%左右。

3）连接件。采用的五金连接件为普通三合一偏心连接件，由倒刺螺母、偏心轮、金属连接杆3 部分构成。偏心头尺寸Φ15 mm×11.5 mm；连接杆尺寸Φ7.5 mm×32 mm；倒刺螺母尺寸Φ10 mm×11 mm，材料为尼龙。

1.2 设备

试验主要设备为微机控制电子式木材万能试验，型号：WDW-100E，生产厂家：济南试金集团有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 节点强度测试

采用微机控制电子式木材万能试验机对“T”型和“L”型构件进行理想状态下的抗弯强度试验，使构件节点发生抗弯破坏或变形，从而获得构件节点破坏的强度值与破坏或变形形式[17]。

试验时，垂直载荷P在“L”型和“T”型直角构件横向试件的100 mm处进行匀速加载。图1 为“L”型直角接合构件和“T”型直角接合构件的加载示意图。

图1 “L”型构件和“T”型构件载荷加载示意图Fig.1 Loading diagram of "L" type component and"T" type component

1.3.2 试件制作

试验以树脂材和热处理树脂材为基材，采用贯通直角单榫接合、双圆棒榫接合、偏心连接件接合3 种节点接合方式，每种接合方式均包含“L”、“T”型2 种构件形式，将试件组装成“T”型、“L”型构件，共组成6 组不同试件。

试验采用过盈配合，控制圆棒榫（Φ10 mm×40 mm）与榫孔间隙量为1.0 mm，圆棒榫与榫孔配合间隙为0.0 mm，贯通直角单榫榫头端部与榫孔底部间隙为1.0 mm，组装时使用白乳胶单面（榫孔）涂胶。

图2～7 分别为“T”型和“L”型构件具体的连接形式与结构尺寸图及载荷的加载位置图。

图2 改性材贯通直角单榫“L”型接合构件Fig.2 "L" joint member with right angle through single tenon of modified timber

图3 改性材贯通直角单榫“T”型接合构件Fig.3 Right angle through single tenon "T" joint member of modified timber

图4 改性材双圆棒榫“L”型接合构件Fig.4 "L" joint member with double round bar tenon of modified timber

图5 改性材双圆棒榫“T”型接合构件Fig.5 "T" joint member with double round bar tenon of modified timber

图6 改性材三合一偏心连接件“L”型接合构件Fig.6 "L" joint component of three in one eccentric connector of modified material

图7 改性材三合一偏心连接件“T”型接合构件Fig.7 "T" joint component of three in one eccentric connector of modified material

1.3.3 节点强度计算

家具节点强度以破坏弯矩作为抗弯强度指标，破坏弯矩越高，表明节点强度越高[18-20]。如图1 所示，在试件加荷载点上施加荷载，直至屈服极限，按照下式计算破坏弯矩：式中：M为破坏弯矩，N·m；P为屈服极限荷载，N；L为加荷点至基点的距离，m。

2 结果与分析

2.1 树脂材和热处理树脂材构件节点接合强度对比分析

树脂材与热处理树脂材“T”型、“L”型不同结合方式节点接合强度如图8 所示。

由图8 可知，无论是“T”型还是“L”型构件，树脂材3 种接合方式的节点平均接合强度均大于热处理树脂材。与树脂材相比，为贯通直角单榫接合时，热处理树脂材“T”型构件节点接合强度降低了33.87%，“L”型降低了40.71%；双圆棒榫接合时，热处理树脂材“T”型构件节点接合强度降低了21.02%，“L”型降低了18.72%；偏心连接件接合时，热处理树脂材“T”型构件节点接合强度降低了14.51%，“L”型降低了9.84%。

上述结果主要受基材物理力学性能因素影响，基材的力学性质在一定程度上决定节点接合部位的接合强度。杨丽虎[21]等对改性辐射松物理力学性能的研究表明：热处理树脂材的密度和力学强度，相对于树脂材均不同幅度有所下降，其中热空气处理浸渍材相较浸渍材，抗弯强度下降9.35%、抗弯弹性模量下降14.62%、顺纹抗压强度下降13.74%，树脂材密度大于热处理树脂材。因此在相同试验条件下，辐射松树脂材节点接合强度大于真空热处理辐射松树脂材。

2.2 “L”型构件与“T”型构件节点接合强度对比与分析

由图8 可知，同为树脂材，贯通直角单榫“T”型构件节点接合破坏弯矩值（237.16 N·m）比“L”型构件（205.86 N·m）高15.20%。同为热处理树脂材，贯通直角单榫“T”型构件节点接合破坏弯矩值（156.83 N.m）比“L”型构件（122.06 N·m）高28.48%。

同样，同为树脂材，双圆棒榫“T”型构件节点破坏弯矩值（87.80 N·m）比“L”型构件（74.75 N·m）高17.45%。同为热处理树脂材，双圆棒榫“T”型构件节点接合破坏弯矩值（69.34 N·m）比“L”型构件（60.75 N·m）高14.13%。

同为树脂材，偏心连接件节点“T”型构件节点破坏弯矩值（10.82 N·m）比“L”型构件（9.75 N·m）高10.97%。同为热处理树脂材，偏心连接件“T”型构件节点接合破坏弯矩值（9.25 N·m）比“L”型构件（8.79 N·m）高5.23%。

节点接合强度与节点接合部位有很大关系。当接合部位靠近“L”型构件端部时，其接合强度小于接合部位远离端部的“T”构件的接合强度。试验中，2种改性辐射松均为“T”型构件节点接合强度大于“L”型节点接合强度。其原因可能是2 种构件受力部位不同，“L”构件纵向试件端部会受到顺纹方向的挤压、破坏而导致节点失效；“T”型构件节点远离试件端部，纵向试件节点受力时上部木材抗弯强度增高，从而试件基本无损坏，此时节点接合强度主要受胶合强度等因素影响。因此，节点接合强度是胶合强度、基材力学性能、接合部位等因素共同决定的[22]。

2.3 贯通直角单榫、双圆棒榫与偏心连接件节点接合强度对比分析

从图8 可知，3 种节点接合方式的接合强度关系为：贯通直角单榫接合＞双圆棒榫接合＞偏心连接件接合，且每种节点接合方式中“T”型构件的节点接合强度均大于“L”型构件节点接合强度。

偏心连接件节点接合强度远小于双圆棒榫与贯通直角单榫接合的原因在于：双圆棒榫与贯通直角单榫接合中均采用了胶接合作为辅助接合，胶合强度提升了节点的整体接合强度，而偏心连接件接合方式的节点接合强度受连接件与基材的影响，影响接合强度的因素较为单一。预埋螺母材料为尼龙，自身强度不高，加之预埋螺母深度为11 mm，在加载垂直荷载时，预埋螺母螺纹与基材接触受力，预埋螺母材料强度低于基材强度，因此易破坏、拔出。还有受试件尺寸与安装方式的影响，试件宽度为厚度3 倍，相差较大。当横向试件水平放置时，在加载荷载情况下，横向试件发生偏转，但由于厚度较小，不能在横向试件接近接合部位的下端形成有效支撑点，因此偏心连接件的接合强度只能依靠连接件的抗拔力。

贯通直角单榫高于双圆棒榫节点接合强度的原因可能受胶合面积与应力的影响。贯通直角单榫的胶合面积大于其余2 种接合方式，当对横向试件施加垂直载荷时，胶合力较大，接合部位就不易被破坏，同时贯通直角单榫的受力面积大，而其余2 种接合方式受力面积小，应力等于单位面积上的承载力，因此，双圆棒榫与偏心连接件的应力相对集中，当横向试件承载的牵引力大于圆棒榫与榫孔的摩擦力与胶合力的矢量和时，或大于预埋螺母与孔位的摩擦力时，试件遭到破坏。同时还受构件接合强度与基材尺寸的影响。当横向试件竖直放置时如图2～3 所示，横向试件受力偏移时在其左下端会形成一个支点，在一定程度上可增加接合强度。而在偏心连接件接合构件中，横向试件水平放置并且试件宽度远大于厚度，因此其左下端支点发挥的作用很小。

2.4 构件节点破坏特征分析

2.4.1 贯通榫构件节点破坏特征

树脂材与热处理树脂材贯通直角单榫接合构件破坏形式见图9。由图9a可见，纵向试件沿木材顺纹方向开裂，榫头底部沿顺纹方向开裂。而图9b中，纵向试件表现为沿榫孔方向开裂，然后胶层受损，榫头下端开裂，最终榫头被拔出或断裂。

对比“L”型与“T”型构件发现，“L”型构件破坏主要是纵向试件端部开裂，试件节点失效，而“T”构件是胶层受损，节点失效。在“T”构件中节点远离端部，同时胶合强度大于树脂材自身强度，“L”型构件接合部位在端部，在胶层未受损时，纵向试件就已被破坏，因此树脂材贯通直角单榫接合“T”型构件节点破坏强度大于“L”型。

2.4.2 双圆棒榫构件节点破坏特征

树脂材与热处理树脂材圆棒榫接合构件破坏形式如图10 所示。由图10a和10b可见，树脂材和热处理树脂材试件在加载力过程中主要破坏特征相似：主要为接近端部的一个圆棒榫先被拔出，同时发生变形。在力学试验机测试软件曲线图中力瞬间下降，2 个圆棒榫均被从榫孔中拔出，圆棒榫上附着少量木屑，同时发生变形，而后下端圆棒榫受力变形逐渐被拔出，下方圆棒榫变形程度大于上方圆棒榫受损程度，部分下方圆棒榫断裂，纵向试件榫孔处有裂纹出现，其余部分基本未受损，横纵试件均完好。

从构件节点破坏形式分析，“L”型构件节点主要是由于纵向试件的上端受到圆棒榫沿木材顺纹方向挤压而首先遭到破坏。“T”型构件端部几乎不受力，最上端的圆棒榫首先受力从榫孔中拔出，而后第二圆棒榫开始受力，整个过程中横纵试件几乎无损坏。节点接合强度与节点接合部位有很大关系[24-25]。当接合部位靠近“L”型构件端部时，其接合强度小于接合部位远离端部的“T”型构件的接合强度。

2.4.3 偏心连接件节点破坏特征

树脂材与热处理树脂材偏心连接件接合构件破坏形式如图11所示。由图11a和11b可见，在对构件施加垂直载荷过程中，2个预埋螺母被同时从纵向试件中拔出，螺母螺纹被破坏，剩余组件则完好无损。

2.5 改性辐射松与其他木材构件节点接合强度对比分析

李素瑕[23]在马尾松家具框架节点接合强度性能研究中，对改性辐射松与脱脂马尾松构件节点的最大破坏载荷值进行比较分析，其中脱脂马尾松贯通直角单榫接合的“L”型和“T”型构件破坏载荷分别为492.7 N和604.7 N，双圆棒榫接合“L”型和“T”型构件破坏载荷分别为655.5 N和1 054.0 N；改性辐射松贯通直角单榫接合“L”型和“T”型构件的破坏载荷分别为607.5 N和693.4 N，双圆棒榫接合“L”型和“T”型构件破坏载荷分别为1 220.6 N和1 568.3 N。改性辐射松双圆棒榫接合与贯通直角单榫接合节点接合强度均明显高于脱脂马尾松。

陶颖[26]研究了八角木的加工性能，其中贯通直角单榫接合“L”型构件的破坏载荷为1 127.1 N，“T”型构件破坏载荷为1 264.1 N，平均破坏载荷为1 195.6 N。图8 数据显示，热处理树脂材与树脂材贯通直角单榫构件的节点破坏载荷均高于八角木。八角木物理力学性能优于改性辐射松，但本试验的改性辐射松贯通直角单榫接合的节点接合强度却高于八角木，其原因可能为：本试验中试件宽度大于八角木试件宽度，同时八角木试件榫头尺寸为50 mm×30 mm×25 mm（长×宽×厚）小于本试验尺寸，因此本试验试件的胶合强度可能会因榫卯尺寸变大、胶合面积增大而提高，同时这也从侧面验证了改性辐射松通过改进加工方式与优化结构，优化零部件尺寸关系等可以达到优质木材的使用性能。试验结果表明：经树脂浸渍改性的辐射松在一定条件下可以达到或接近优质木材的节点接合强度，具备制作高、中档家具的潜能。

3 结论

本文对辐射松树脂增强浸渍材与真空热处理树脂浸渍材制作的实木家具几种连接方式的节点接合强度进行研究，得出以下结论：

1）相同试验条件下，3 种“T”型和“L”型构件接合形式中，辐射松树脂材节点接合强度均大于真空热处理辐射松树脂材；

2）改性辐射松（树脂材与热处理树脂材）“T”型构件的节点接合强度大于“L”型构件；

3）3 种“T”型和“L”型构件节点接合强度关系均为贯通直角单榫接合＞双圆棒榫接合＞三合一偏心连接件接合；

4）改性辐射松经过一定加工处理，通过优化结构、优化零部件尺寸关系、多种接合方式配合使用等，其应用于实木家具制造的节点强度可达到或接近优质木材的节点接合强度。