秸稈板螺釘結合強度試驗研究?

安文靜 黃圣游

（西南林業大學土木工程學院, 云南 昆明 650224）

我國平均每年產生農作物秸稈7億多t[1]。農作物秸稈作為一種低碳環保、可再生的原材料，擁有較高的開發價值和利用空間。研究發現，秸稈墻板的環保性、保溫性、耐久性和加工性能優異，許多國家已把秸稈板材作為一種代木材料，應用于建筑與裝飾裝修等領域[2-12]。同時，秸稈板材因強度較高、成本較低，在家具等行業的應用也已成為趨勢。

螺釘具有安裝簡單、連接緊密、可反復拆卸利用等諸多優點。在家具制品中，尤其是對于體積較小而強度要求較高的家具，螺釘是一種重要的家具節點接合方式[13-16]。有研究表明，螺釘種類、擰入深度等因素對秸稈板材的結合強度有顯著影響[17-22]。高萃等[23]發現螺距較小、牙頂較寬的螺釘可以提高棉桿重組方材的螺釘結合強度。闕澤利等[24]探討了導孔直徑對木結構握釘力性能的影響，試驗結果表明材料握釘力會隨著導孔直徑增大而減小。李吉慶等[25]用正交試驗法研究了導孔直徑、螺釘種類和擰入深度對家具用竹集成材螺釘結合強度的影響，結果表明：導孔直徑與擰入深度對螺釘結合強度影響較大。螺釘的結合強度一般用螺釘的抗拉拔性能表示，本研究以20 mm厚度的秸稈板為研究對象，以抗拉拔性能為考察指標，采用正交試驗，分析3種常見螺釘在秸稈板材中的抗拉拔性能，探討了影響螺釘結合強度的3種可能因素，以期為秸稈板材家具螺釘類型的選擇提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

秸稈板材，由盤錦積葭生態板業有限公司生產，在同一批次中隨機抽取9 塊秸稈板材。秸稈板材尺寸為150 mm×50 mm×20 mm，靜曲強度為0.4 MPa，含水率為4.8%，2 h吸水厚度膨脹率為2.4%，密度為0.71 g/cm3，彈性模量為3 370 MPa，表面結合強度為1.04 MPa，板邊握螺釘力為1 090 N。

螺釘：選擇工程和裝修中最常見的開槽沉頭木螺釘、十字沉頭螺釘和墻板自攻螺釘。螺釘的實測參數見表1。

表1 螺釘參數Tab.1 Screw parameters

1.2 設備

Z516 臺式多孔鉆床，最大鉆孔直徑16 mm，海迅陽機電設備有限公司；力學試驗機，型號為A6-Xplus50 kN，長春新特試驗機有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 性能測試

本研究以螺釘在秸稈板材上的抗拔力作為考核指標。首先采用Z516 臺式多孔鉆床對秸稈板進行鉆孔，然后用不同種類的螺釘以不同的擰入深度擰入秸稈板。再用力學試驗機測定將螺釘拔出時所需要的拉拔力，加載速度設置為3 mm/min?？拱瘟y試參照GB/T17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》中握釘力測試方法進行。

1.3.2 螺釘結合強度正交試驗設計

根據實際生產經驗及對人造板的構造特點和強度分析可知，家具用人造板中的螺釘抗拔強度主要由螺釘種類、導孔直徑、擰入深度決定。通過分析測試這3個影響因素，可有效獲得螺釘結合強度的變化規律，從而為提高秸稈板螺釘結合強度提供依據。

對秸稈板材力學性能分析發現，其材質接近于硬材，對于硬質木材，導孔直徑約為螺釘公稱直徑的90%[25]。根據秸稈板試材厚度和實際生產經驗，本研究將螺釘導孔直徑確定為2.6、2.9、3.2 mm，即分別為螺釘公稱直徑的74%、82%、91%；選擇螺釘擰入深度為12、15、18 mm，即分別為板厚的60%、75%、90%。選用L9(34)正交試驗對上述3 個因素進行優化處理，確定最佳結合條件，正交試驗因素水平見表2。

表2 正交試驗因素水平表Tab.2 Orthogonal factor level table

2 結果與分析

按L9(34)正交表設計的正交方案與試驗數據見表3。每一種組合方式均制作3 組試件，拉拔力取平均值。

表3 正交試驗設計與檢測結果Tab.3 Design and result of orthogonal experiment

（續表3）

1）直觀分析。由表3 可知，3 個因素的極差值大小 順 序 為RC（515.35）＞RA（179.2 ＞RB（82.49）。影響螺釘結合強度的因素順序為：擰人深度C＞螺釘種類A＞導孔直徑B。

每個因素不同水平的均值如圖1 所示。由圖可知，螺釘種類、導孔直徑、擰人深度3 個因素的最佳選擇分別為開槽沉頭木螺釘、導孔直徑2.6 mm、擰入深度18 mm。理想的水平組合為A1B1C3。從均值趨勢可以看出，在水平范圍內，加大擰人深度，減小導孔直徑能增大螺釘的抗拔力。然而，螺釘導孔直徑過小，螺釘對秸稈板材的剪切力變大，不僅給螺釘的擰入帶來困難，而且會造成螺釘周圍秸稈板材的劈裂破壞，影響家具的強度和穩定性。選擇適當的導孔直徑可以增加螺釘與材料的結合強度。

圖1 各因素水平趨勢圖Fig. 1 Horizontal trend chart of each factor

2)方差分析。為了分析檢驗螺釘種類、導孔直徑、擰入深度這3 個因素對秸稈板材螺釘的結合強度是否有顯著影響，對試驗數據進行方差分析，分析結果見表4。

表4 方差分析表Tab.4 Analysis of variance

查閱F值分布臨界表，對比可知，擰入深度對螺釘結合強度影響顯著，螺釘種類與導孔直徑對螺釘結合強度影響不顯著。

有研究表明螺釘種類對秸稈板材握釘力有影響。螺距和牙頂部寬度作為螺釘重要參數影響螺釘性能。螺釘牙頂部越寬，螺釘與秸稈板材之間的結合強度越高，板材家具穩定性越強[26]。螺釘的螺距小，擰入秸稈板材的螺紋數多，與板材的接觸面積大，螺釘與板材的結合強度高。因此，秸稈板材家具的螺釘應適當選擇螺距較小、牙頂較寬的螺釘以提高結合強度。

3 結論

以秸稈板為研究對象，以抗拉拔性能為考察指標，采用正交試驗，探討了螺釘種類、導孔直徑、擰入深度3個因素對秸稈板螺釘結合強度的影響，得出以下結論：

1）在螺釘種類、導孔直徑、擰入深度三因素中，擰入深度對螺釘結合強度影響最顯著，其次為螺釘種類和導孔直徑。因此，在一般性應用中應根據板材實際厚度盡量加大擰入深度以提高螺釘結合強度；

2）螺釘牙頂部寬，螺距小，利于螺釘與板材的結合。本次試驗采用的3 種螺釘中，開槽沉頭木螺釘牙頂部最寬，且螺距相對較小，與秸稈板結合強度相對較高。因此，建議在家具裝修中盡量選擇開槽沉頭木螺釘以增強螺釘與板材的結合強度，從而提高家具使用壽命；

3） 螺釘導孔直徑是影響螺釘與秸稈板材結合緊密程度的重要因素之一。選擇合適的導孔直徑可以提高家具的強度和穩定性。就秸稈板材而言，優化導孔直徑應為螺釘公稱直徑的70%～80%。