铜唑防腐处理对南方松规格材握钉性能的影响

杨保铈，贺绍均，陈迎建，余帆，朱一辛

(南京林业大学材料科学与工程学院，南京210037)

铜唑防腐处理对南方松规格材握钉性能的影响

杨保铈，贺绍均，陈迎建，余帆，朱一辛*

(南京林业大学材料科学与工程学院，南京210037)

为研究铜唑(CuAz)防腐处理材的金属腐蚀性对南方松规格材握钉性能的影响，以南方松素材和CuAz防腐处理材为试验材料，采用加速暴露试验处理，研究防腐处理材的金属腐蚀性对规格材拔出握钉性能及剪切握钉性能的影响。结果表明：经加速暴露试验处理后因试件含水率增大，南方松素材及防腐材三切面拔出握钉力均有所增大，但防腐材的增幅小于素材；对照组与处理组相比，素材和防腐材剪切握钉力分别下降了20.85%和23.62%；CuAz防腐处理材的金属腐蚀性较大，素材和防腐材处理组圆钉的腐蚀分别呈现红褐色和黑色，CuAz防腐处理材的金属腐蚀性会削弱拔出握钉力及剪切握钉力。

南方松；防腐材；加速暴露试验；握钉性能

木结构建筑在自然环境中受温湿度不断变化的影响会导致木材含水率的波动，影响木材的耐久性[1]。在木结构与地面、砌体或混凝土等直接接触部位和有白蚁危害的地区，常用防腐木来提高木结构的耐久性[2]。另一方面，金属连接件已成为现代木结构建筑中的基本组成部分，并与所有金属一样受制于腐蚀而削弱连接节点的承载力。连接节点的金属腐蚀与木材腐朽是一个相互促进的过程，会使金属件腐蚀性能测试变得更加复杂[3]。因此，对防腐木材的结构耐久性而言，金属连接件的使用寿命是一个重要的影响因素。

随着美国2004年1月开始对住宅建筑用木材防腐剂的监管变化，毒性较大的防腐剂铬化砷酸铜(CCA)逐渐被胺/氨溶铜季铵盐(ACQ)和铜唑(CuAz)等替代[4]。但研究表明，防腐剂ACQ和CuAz对嵌入木材的金属紧固件的腐蚀性大于CCA[5]。铜基防腐剂作为CCA的替代品，其对住宅建筑中金属紧固件的腐蚀已逐渐被广泛关注。木材防腐剂对金属的腐蚀性与防腐处理木材的金属腐蚀性不同，用木材防腐剂溶液模拟防腐处理木材是不合理的[6]。因此，有必要对嵌入木材的金属紧固件腐蚀寿命及可靠性进行研究。

南方松是加压防腐处理的首选树种，在美国大约85%的加压防腐处理木材都是南方松[7-8]。钉连接是木结构建筑中常用的机械连接方式之一，目前国内对于钉连接方面的研究还不够完善[9]。笔者选用南方松素材和CuAz防腐处理材，通过加速暴露试验处理，测定南方松拔出握钉性能及剪切握钉性能，分析CuAz防腐处理材的金属腐蚀性对规格材握钉性能的影响，为评估CuAz防腐剂对防腐材钉连接可靠性的影响，及其在木结构建筑设计中的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

美国南方松规格材，尺寸89 mm×89 mm×630 mm，气干密度0.61 g/cm3；防腐规格材，气干密度0.60 g/cm3，使用防腐剂CuAz-4，载药量4.44 kg/m3，其中Cu为4.27 kg/m3、teb(戊唑醇)+ppz(丙环唑)为0.17 kg/m3，边材透入率95%，使用环境分级可达GB/T 22102—2008《防腐木材》中C4B的要求，购自苏州菲特威尔木屋有限公司；普通低碳钢圆钉(主要成分为C、Si、Mn、P和S，其中碳含量<0.25%)，尺寸分别为 2.5 mm(直径)×50 mm(长)和2.8 mm(直径)×60 mm(长)，市购；晶型石蜡，熔点58℃，市购。

1.2 试验仪器与设备

AG-IC型岛津万能力学试验机，日本岛津公司；UTM4304型三思纵横万能力学实验机，深圳新三思集团；GDS-100型高低温湿热试验箱，无锡意尔达试验设备制造有限公司；RDM1600BN型激光钻床，青岛地恩地机电科技股份有限公司；自制钉连接卡具。

1.3 试验方法

参照美国木材保护协会AWPA E12-15标准中加速暴露试验的处理条件，将处理试件置于温度为49℃、相对湿度为90%的恒温恒湿箱中处理15 d进行加速暴露处理。试件取出后，室温放置24 h后进行测试。每组试件重复数量为15个。

1.3.1 拔出握钉性能试验

参照GB/T 14018—2009《木材握钉力试验方法》测定拔出握钉力，其中，圆钉尺寸为2.5 mm×50 mm。圆钉钉入后，对照组试件立即进行试验，处理组试件用石蜡封住圆钉外露部分在加速暴露试验后进行测试，加载速度2.5 mm/min，至试验机荷载读数明显下降。试验后，随机选取5块试件，立即在试件中部截取10 mm(顺纹方向)×50 mm×50 mm的薄木片，采用绝干法测定含水率。

1.3.2 剪切握钉性能试验

参照ASTM D1761-12标准测定剪切握钉性能，其中，用2.8 mm×60 mm的圆钉从300 mm×50 mm×20 mm木条的一侧钉入固定。圆钉钉入后，对照组试件立即进行试验，处理组试件在暴露试验后进行测试。试验后，随机选取5组试件，立即在300 mm×50 mm×50 mm木条试样一侧中部截取25 mm(顺纹方向)×50 mm×50 mm的薄木片，采用绝干法测定含水率。

2 结果与分析

2.1 南方松规格材拔出握钉性能

2.1.1 拔出握钉力

圆钉的拔出握钉力主要来源于静摩擦力，随着时间和使用环境湿度的变化，钉表面接触的木材纤维逐渐松驰，表面摩擦力下降，握钉力也随之产生明显的变化[10]。南方松试件三切面上的拔出握钉力数据如表1所示。由于木材为各向异性材料，圆钉拔出握钉力之间有较大的差别。南方松规格材三切面的拔出握钉力大小依次为弦切面>径切面>端面。

经加速暴露试验处理后，南方松素材及防腐材三切面拔出握钉力均有所增大。与对照组相比，处理组素材拔出握钉力在径切面增大20.03%、弦切面增大22.90%、端面增大18.04%；而防腐材经加速暴露处理后，处理组试件拔出握钉力在径切面增大14.20%、弦切面增大15.16%、端面增大10.95%。因此，素材与防腐材的拔出握钉力增幅整体表现出弦切面增长幅度最大，径切面次之，端面最小。南方松试件弦向尺寸受湿胀作用增幅最大，对圆钉的挤压力增大，从而导致静摩擦力增大，拔出握钉力最大。虽然松弛效应会使握钉力下降，但在时间和含水率变化的共同作用下，造成木材握钉力变化的主要原因是由于含水率变化所引起的木材纤维干缩湿胀作用。南方松经加速暴露试验后，试件含水率增大至20%左右，其湿胀作用大于松弛效应对拔出握钉力的影响，表现出与文献[10]中美国南方松握钉力上升的一致结果。

表1 南方松规格材拔出握钉力

注：S表示南方松素材；F表示南方松防腐材；A表示加速暴露试验处理。下同。

图1 拔出握钉力试件圆钉表面形态Fig. 1 The nails’ surface morphology of pull-out nail holding test sample

处理组与对照组试件的拔出握钉力增幅相比，素材在三切面上的拔出握钉力增幅均大于防腐材。由于木材属于毛细管多孔有限膨胀胶体，与木材接触的金属腐蚀速率很大程度上取决于木材的含水率。当木材含水率低于15%时，嵌入木材的金属不发生腐蚀；而含水率超过18%时，腐蚀速率会随木材含水率的增加而增大，最终达到峰值[11-12]。加速暴露试验处理后素材与防腐材的含水率约为20%，均高于木材发生金属腐蚀的含水率(18%)。加速暴露试验处理条件下，圆钉钉入试件的钉体部分金属表面会形成一层薄液膜，导致圆钉发生电化学腐蚀，出现明显锈蚀。此外，与素材相比，CuAz防腐剂处理材的金属腐蚀速率较大[4,13]，因此，防腐材的拔出握钉力增长幅度较小。

将径切面和弦切面握钉力的平均值作为南方松纵向握钉力值，南方松规格材拔出握钉力端纵比见表2，端面变异系数均大于纵面。木材端面纵向木纤维间空隙较多，所以端面变异系数大[14]。素材及防腐材经加速暴露后，端纵比都有所降低。对即时握钉力，拔出握钉力的端纵比一般为0.50～0.75；对于延时握钉力，一段时间或含水率变化后大多数树种的端纵面抗拔握钉力的比值相比即时握钉力均有所增大。而南方松树种表现出降低趋势，这是因为南方松经加速暴露试验处理后，试件含水率增大导致其试验延时握钉力上升，使得端纵比下降，但端纵比均下降0.01，下降趋势并不明显。

表2 南方松规格材拔出握钉力端纵比

2.1.2 钉腐蚀状态

拔出握钉力试件圆钉的表面形态如图1所示。图1b和1c中的1号和2号圆钉为钉入试件径切面圆钉，3号和4号为弦切面圆钉，5号和6号为端面圆钉。与圆钉初始表面状态相比，经加速暴露试验后，钉入木材的钉体部分明显发生锈蚀。处理组素材圆钉的腐蚀呈红褐色，且从端面拔出的圆钉明显带有丝状木纤维；而处理组防腐材的圆钉表面呈黑色。

南方松处理组素材试件在温度为49℃，相对湿度为90%条件下，钉杆表面会形成连续薄液膜，氧扩散比较容易。初期的腐蚀都是以氧的去极化为主，正极反应为O2+2H2O+4e-→4OH-，负极反应为Fe+2H2O→Fe2+·2H2O+2e-；之后形成Fe(OH)2，又被氧化为Fe2O3·nH2O，表现为红褐色。潮湿铜基防腐处理材的金属腐蚀性与铜离子有直接关系[6,15]。防腐处理材在加速暴露条件下，钉杆表面形成的薄液膜会构成原电池，形成电化学腐蚀，正极反应为Fe+2e-→Fe2+，负极反应为Cu2++2e-→Cu。原电池反应置换出的单体铜应为红色，但并未出现在钉杆上。圆钉表面的黑色物质可能为钉体中的杂质，普通圆钉为铁碳合金，不可避免地会含有碳和铁的氧化物，当圆钉表面的Fe转化为Fe2+后，黑色杂质就会显现出来。

此外，木材本身的内含物及pH对接触的金属也有一定腐蚀性，而防腐剂的固着性也会对防腐材的金属腐蚀速率产生影响[6]。因此，防腐木材的金属腐蚀是一个复杂的过程，有待进一步研究。

2.2 南方松规格材剪切握钉性能

2.2.1 南方松规格材剪切握钉力

剪切握钉力的典型荷载-位移曲线如图2所示。在剪切握钉试验初期，南方松剪切握钉力快速增大；当增大到一定值后荷载增长速度变缓，一段时间后，荷载增长速度再次减缓；剪切握钉力增长至最大值后开始缓慢下降，在一段时间后迅速下降至零。

图2中荷载-位移曲线的变化规律与低碳钢在拉伸试验过程中的变化规律一致，表现出明显的弹塑性[16]。以南方松防腐材F的典型曲线(图2b)为例，曲线可大致分为5个阶段：

第Ⅰ阶段为弹性阶段，圆钉受力在比例极限范围内，厚木条和薄木条之间产生较小的相对位移；第Ⅱ阶段为屈服阶段，圆钉钉杆受剪切力而开始表现出非弹性行为，圆钉近薄木条一侧剪切面内开始发生屈服，钉体周围木材受挤压变形而使钉孔变大，荷载上升速度减缓；第Ⅲ阶段为强化阶段，圆钉表现出低碳钢特性，超过其屈服点后又恢复对变形的抵抗能力，弯曲程度缓慢增加，钉孔因周围木纤维受挤压而继续增大，剪切握钉力继续增大至最大值。第Ⅳ阶段为局部变形阶段，钉孔继续增大，圆钉钉入厚木条一侧被缓慢拔出，薄木条与厚木条之间相对位移增大；第Ⅴ阶段为最终破坏阶段，剪切握钉力逐渐变小，直至圆钉被完全拔出。

图2 剪切握钉力荷载-位移曲线Fig. 2 Typical load-displacement curves for lateral resistance test of nails

南方松规格材剪切握钉力的结果如表3所示。素材的剪切握钉力都稍大于防腐材，经加速暴露试验处理后，素材与防腐材的剪切握钉力都出现明显下降。对照组与处理组相比，素材的剪切握钉力下降了20.85%，而防腐材下降了23.62%。受南方松规格材材质及试件含水率的影响，变异系数较大。加速暴露试验处理后，试件的拔出握钉力均增大，且素材拔出握钉力增幅较大，而处理组防腐材的剪切握钉力却大幅下降。因此，南方松防腐处理对剪切握钉力的影响较大，同时也表明铜唑防腐处理材的金属腐蚀性大于素材。

表3 南方松规格材的剪切握钉力

2.2.2 屈服模式及破坏形态分析

在美国木结构设计规范中对螺栓、方头螺钉、木螺钉、圆钢钉及长钉等提出了4种主要的单剪连接屈服模式，如图3所示。Im与Is分别表示较厚构件、较薄构件与连接件接触的木材纤维承压屈服；Ⅱ为在连接件与两个木构件的结合面附近，由于木材纤维局部压溃变形，连接件发生剪切面内旋转。Ⅲm和Ⅲs是连接件的抗弯屈服，每一剪切面内有1个塑性铰点，与紧固件接触木纤维的承压屈服发生在较薄或较厚构件的一侧。Ⅳ是连接构件抗弯屈服，1个剪切面内出现2个塑性铰点，剪切面附近木纤维伴有局部压溃[9,17]。

图3 单剪连接屈服模式Fig. 3 Single shear connection yield modes

剪切握钉力试件在两端拉力的作用下，圆钉受剪切力发生屈服破坏和弯曲变形，圆钉的顶尖一侧从厚木条中缓慢滑移出，直至厚、薄木条完全分离，圆钉最后留在薄木条上。剪切握钉力试件的圆钉屈服模式见图4，圆钉的破坏模式主要为图3中Ⅲm，较薄的木构件一侧圆钉出现1个塑性铰点。圆钉的弯起角度约为45°，部分试件因厚薄木条密度相差较大，圆钉弯起角度增大至60°左右。

图4 剪切握钉力试件圆钉屈服模式Fig. 4 The nails’ yield modes of lateral resistance test of nails

图5 剪切握钉力试件破坏形态Fig. 5 The failure mode of lateral resistance test of nails

剪切握钉力试件破坏形态如图5所示。部分试件一侧有圆钉向下滑移的痕迹，圆钉顶部陷入薄木条1～3 mm左右。厚木条钉孔位置因圆钉在拔出过程中受变形挤压使木材发生屈服，钉孔尺寸变大。经加速暴露处理的素材及防腐材试件，圆钉均发生锈蚀，且锈迹蔓延，污染钉体周围的木材[18]。与拔出握钉力试件钉的锈蚀状态相似，AS组试件圆钉锈蚀呈红褐色，AF组试件圆钉锈蚀呈黑色。处理组试件厚木条一侧的钉孔位置都可见明显的木纤维，对照组试件受钉杆挤压，钉孔的平均长度扩大至18 mm左右，而处理组试件因含水率较高，钉孔平均长度扩大至约23 mm。

3 结 论

1)南方松规格材三切面的拔出握钉力大小依次为弦切面>径切面>端面。经加速暴露试验处理后试件的含水率增大，南方松素材及防腐材三切面拔出握钉力均有所增大，但与对照组相比，由于铜唑防腐处理材的金属腐蚀性影响，处理组防腐材的增幅小于素材，端纵比均下降0.01。

2)南方松素材的剪切握钉力大于防腐材，经加速暴露试验处理后，素材的剪切握钉力下降了20.85%，而防腐材下降了23.62%。防腐处理对剪切握钉力的影响较大，同时也表明铜唑防腐处理材的金属腐蚀性大于素材。

3)加速暴露试验处理组素材圆钉的腐蚀呈红褐色，而处理组防腐材的圆钉表面呈黑色。

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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”农村领域国家科技计划项目(20158BAL03B03-03)。

杨保铈，男，研究方向为木结构建筑。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