秸秆板螺钉结合强度试验研究∗

安文静 黄圣游

（西南林业大学土木工程学院, 云南 昆明 650224）

我国平均每年产生农作物秸秆7亿多t[1]。农作物秸秆作为一种低碳环保、可再生的原材料，拥有较高的开发价值和利用空间。研究发现，秸秆墙板的环保性、保温性、耐久性和加工性能优异，许多国家已把秸秆板材作为一种代木材料，应用于建筑与装饰装修等领域[2-12]。同时，秸秆板材因强度较高、成本较低，在家具等行业的应用也已成为趋势。

螺钉具有安装简单、连接紧密、可反复拆卸利用等诸多优点。在家具制品中，尤其是对于体积较小而强度要求较高的家具，螺钉是一种重要的家具节点接合方式[13-16]。有研究表明，螺钉种类、拧入深度等因素对秸秆板材的结合强度有显著影响[17-22]。高萃等[23]发现螺距较小、牙顶较宽的螺钉可以提高棉杆重组方材的螺钉结合强度。阙泽利等[24]探讨了导孔直径对木结构握钉力性能的影响，试验结果表明材料握钉力会随着导孔直径增大而减小。李吉庆等[25]用正交试验法研究了导孔直径、螺钉种类和拧入深度对家具用竹集成材螺钉结合强度的影响，结果表明：导孔直径与拧入深度对螺钉结合强度影响较大。螺钉的结合强度一般用螺钉的抗拉拔性能表示，本研究以20 mm厚度的秸秆板为研究对象，以抗拉拔性能为考察指标，采用正交试验，分析3种常见螺钉在秸秆板材中的抗拉拔性能，探讨了影响螺钉结合强度的3种可能因素，以期为秸秆板材家具螺钉类型的选择提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

秸秆板材，由盘锦积葭生态板业有限公司生产，在同一批次中随机抽取9 块秸秆板材。秸秆板材尺寸为150 mm×50 mm×20 mm，静曲强度为0.4 MPa，含水率为4.8%，2 h吸水厚度膨胀率为2.4%，密度为0.71 g/cm3，弹性模量为3 370 MPa，表面结合强度为1.04 MPa，板边握螺钉力为1 090 N。

螺钉：选择工程和装修中最常见的开槽沉头木螺钉、十字沉头螺钉和墙板自攻螺钉。螺钉的实测参数见表1。

表1 螺钉参数Tab.1 Screw parameters

1.2 设备

Z516 台式多孔钻床，最大钻孔直径16 mm，海迅阳机电设备有限公司；力学试验机，型号为A6-Xplus50 kN，长春新特试验机有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 性能测试

本研究以螺钉在秸秆板材上的抗拔力作为考核指标。首先采用Z516 台式多孔钻床对秸秆板进行钻孔，然后用不同种类的螺钉以不同的拧入深度拧入秸秆板。再用力学试验机测定将螺钉拔出时所需要的拉拔力，加载速度设置为3 mm/min。抗拔力测试参照GB/T17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中握钉力测试方法进行。

1.3.2 螺钉结合强度正交试验设计

根据实际生产经验及对人造板的构造特点和强度分析可知，家具用人造板中的螺钉抗拔强度主要由螺钉种类、导孔直径、拧入深度决定。通过分析测试这3个影响因素，可有效获得螺钉结合强度的变化规律，从而为提高秸秆板螺钉结合强度提供依据。

对秸秆板材力学性能分析发现，其材质接近于硬材，对于硬质木材，导孔直径约为螺钉公称直径的90%[25]。根据秸秆板试材厚度和实际生产经验，本研究将螺钉导孔直径确定为2.6、2.9、3.2 mm，即分别为螺钉公称直径的74%、82%、91%；选择螺钉拧入深度为12、15、18 mm，即分别为板厚的60%、75%、90%。选用L9(34)正交试验对上述3 个因素进行优化处理，确定最佳结合条件，正交试验因素水平见表2。

表2 正交试验因素水平表Tab.2 Orthogonal factor level table

2 结果与分析

按L9(34)正交表设计的正交方案与试验数据见表3。每一种组合方式均制作3 组试件，拉拔力取平均值。

表3 正交试验设计与检测结果Tab.3 Design and result of orthogonal experiment

（续表3）

1）直观分析。由表3 可知，3 个因素的极差值大小 顺 序 为RC（515.35）＞RA（179.2 ＞RB（82.49）。影响螺钉结合强度的因素顺序为：拧人深度C＞螺钉种类A＞导孔直径B。

每个因素不同水平的均值如图1 所示。由图可知，螺钉种类、导孔直径、拧人深度3 个因素的最佳选择分别为开槽沉头木螺钉、导孔直径2.6 mm、拧入深度18 mm。理想的水平组合为A1B1C3。从均值趋势可以看出，在水平范围内，加大拧人深度，减小导孔直径能增大螺钉的抗拔力。然而，螺钉导孔直径过小，螺钉对秸秆板材的剪切力变大，不仅给螺钉的拧入带来困难，而且会造成螺钉周围秸秆板材的劈裂破坏，影响家具的强度和稳定性。选择适当的导孔直径可以增加螺钉与材料的结合强度。

图1 各因素水平趋势图Fig. 1 Horizontal trend chart of each factor

2)方差分析。为了分析检验螺钉种类、导孔直径、拧入深度这3 个因素对秸秆板材螺钉的结合强度是否有显著影响，对试验数据进行方差分析，分析结果见表4。

表4 方差分析表Tab.4 Analysis of variance

查阅F值分布临界表，对比可知，拧入深度对螺钉结合强度影响显著，螺钉种类与导孔直径对螺钉结合强度影响不显著。

有研究表明螺钉种类对秸秆板材握钉力有影响。螺距和牙顶部宽度作为螺钉重要参数影响螺钉性能。螺钉牙顶部越宽，螺钉与秸秆板材之间的结合强度越高，板材家具稳定性越强[26]。螺钉的螺距小，拧入秸秆板材的螺纹数多，与板材的接触面积大，螺钉与板材的结合强度高。因此，秸秆板材家具的螺钉应适当选择螺距较小、牙顶较宽的螺钉以提高结合强度。

3 结论

以秸秆板为研究对象，以抗拉拔性能为考察指标，采用正交试验，探讨了螺钉种类、导孔直径、拧入深度3个因素对秸秆板螺钉结合强度的影响，得出以下结论：

1）在螺钉种类、导孔直径、拧入深度三因素中，拧入深度对螺钉结合强度影响最显著，其次为螺钉种类和导孔直径。因此，在一般性应用中应根据板材实际厚度尽量加大拧入深度以提高螺钉结合强度；

2）螺钉牙顶部宽，螺距小，利于螺钉与板材的结合。本次试验采用的3 种螺钉中，开槽沉头木螺钉牙顶部最宽，且螺距相对较小，与秸秆板结合强度相对较高。因此，建议在家具装修中尽量选择开槽沉头木螺钉以增强螺钉与板材的结合强度，从而提高家具使用寿命；

3） 螺钉导孔直径是影响螺钉与秸秆板材结合紧密程度的重要因素之一。选择合适的导孔直径可以提高家具的强度和稳定性。就秸秆板材而言，优化导孔直径应为螺钉公称直径的70%～80%。