第7章 木材料

1、Civil Engineering Materials 本章知識(shí)點(diǎn)本章知識(shí)點(diǎn) 【知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)】木材的構(gòu)造，木材中的水分種類及其對(duì)性能的影響，纖維飽和點(diǎn)，平衡含水率，濕脹干縮，強(qiáng)度及其影響因素，木材的用途，人造板材的種類、性能特點(diǎn)及用途，木材的腐蝕機(jī)理與防腐措施。 【重點(diǎn)重點(diǎn)】木材的構(gòu)造，主要性質(zhì)與用途。 【難點(diǎn)難點(diǎn)】木材微觀構(gòu)造與性能的關(guān)系，木材的腐蝕原因。第第7章章 木材料木材料Civil Engineering Materials 木材是使用歷史悠久的土木工程材料之一。 我國(guó)在木材應(yīng)用技術(shù)方面具有很高的水平和獨(dú)到之處。木結(jié)構(gòu)體系是我國(guó)傳統(tǒng)建筑的典型特征之一。概概 述述Civil Engin

2、eering Materials房屋木結(jié)構(gòu)體系房屋木結(jié)構(gòu)體系概概 述述Civil Engineering Materials清明上河圖中的木結(jié)構(gòu)虹橋清明上河圖中的木結(jié)構(gòu)虹橋概概 述述Civil Engineering Materials傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)合院建筑傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)合院建筑概概 述述Civil Engineering Materials木結(jié)構(gòu)民居木結(jié)構(gòu)民居概概 述述Civil Engineering Materials應(yīng)縣木塔應(yīng)縣木塔概概 述述Civil Engineering Materials嶺南木質(zhì)廊橋嶺南木質(zhì)廊橋概概 述述Civil Engineering Materials概概 述述C

3、ivil Engineering Materials 隨著新型工程材料和工程技術(shù)的不斷發(fā)展，雖然木材料在土木工程中用量逐漸減少，但木材料在諸多方面仍表現(xiàn)出許多特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。 優(yōu)點(diǎn)（1）比強(qiáng)度大，輕質(zhì)高強(qiáng)；（2）彈性韌性好，能承受一定的沖擊和振動(dòng)作用；（3）導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫隔熱性能好；（4）易于加工，裝飾性強(qiáng)；（5）無(wú)毒副作用，健康環(huán)保等 缺點(diǎn)（1）構(gòu)造不均勻，各向異性；（2）濕脹干縮大，易翹曲開(kāi)裂；（3）防火性差，易腐朽和蟲(chóng)蛀等木材的性能特點(diǎn)木材的性能特點(diǎn)概概 述述Civil Engineering Materials7.1 木材的分類與構(gòu)造木材的分類與構(gòu)造 7.1.1 木材的分類木材的分類 木

4、材產(chǎn)自木本植物中的喬木，按樹(shù)葉的外觀形狀分針葉樹(shù)材和闊葉樹(shù)材兩類。分類基本特征性能特點(diǎn)與主要用途主要樹(shù)種針葉樹(shù)材 樹(shù)葉細(xì)長(zhǎng)，樹(shù)干通直高大，紋理順直，材質(zhì)均勻，木質(zhì)較軟（又稱軟木材） 強(qiáng)度較高，表觀密度和脹縮變形較小，耐腐性較強(qiáng)，易于加工，主要用作承重構(gòu)件，制作模板和門窗 松、杉、柏等 闊葉樹(shù)材 樹(shù)葉寬大，多數(shù)樹(shù)種的樹(shù)干通直部分較短，材質(zhì)堅(jiān)硬（又稱硬木材） 一般表觀密度較大，脹縮和翹曲變形大，易開(kāi)裂，較難加工，常用于室內(nèi)裝修和制作家具 樟木、水曲柳、柞木、榆木等 木材的分類木材的分類 表表 7-1 Civil Engineering Materials針葉樹(shù)針葉樹(shù)松樹(shù)松樹(shù)7.1.1 木材的分類木

5、材的分類Civil Engineering Materials闊葉樹(shù)闊葉樹(shù)樟樹(shù)樟樹(shù) 7.1.1 木材的分類木材的分類Civil Engineering Materials 7.1.2 木材的構(gòu)造木材的構(gòu)造 1木材的宏觀構(gòu)造 木材的宏觀構(gòu)造是指用肉眼和放大鏡就能觀察到的木材組織。 通常從樹(shù)干的三個(gè)切面上進(jìn)行剖析，即橫切面（垂直于樹(shù)軸的面）、徑切面（通過(guò)樹(shù)軸的面）和弦切面（平行于樹(shù)軸的面）。木材的宏觀構(gòu)造木材的宏觀構(gòu)造 樹(shù)木的宏觀構(gòu)造由： 樹(shù) 皮 木質(zhì)部 髓 心 三部分組成Civil Engineering Materials 一般而言，接近樹(shù)干中心的木質(zhì)部顏色較深，稱為心材；靠近外圍的木質(zhì)部顏色

6、較淺，稱為邊材。 從橫切面上看到的木質(zhì)部深淺相間的同心圓環(huán)稱為年輪。在同一年輪內(nèi)，春天生長(zhǎng)的木質(zhì)顏色較淺，木質(zhì)較松，稱為春材（早材）；夏秋兩季生長(zhǎng)的木質(zhì)顏色較深，木質(zhì)較密，稱為夏材（晚材）。相同樹(shù)種的年輪越密而均勻，其材質(zhì)越好；夏材部分越多，木材的強(qiáng)度越高。7.1.2 木材的構(gòu)造木材的構(gòu)造Civil Engineering Materials 從髓心向外的輻射線稱為木射線，木射線與周圍連結(jié)較差，木材干燥時(shí)易沿木射線開(kāi)裂。7.1.2 木材的構(gòu)造木材的構(gòu)造Civil Engineering Materials7.1.2 木材的構(gòu)造木材的構(gòu)造Civil Engineering Materials 2

7、木材的微觀構(gòu)造 木材的微觀構(gòu)造是指在顯微鏡下觀察到的由無(wú)數(shù)管狀細(xì)胞緊密結(jié)合而成的木材組織。管狀細(xì)胞絕大部分沿樹(shù)干的軸向（縱向）排列，少數(shù)橫向排列。每個(gè)細(xì)胞由細(xì)胞壁和中央的細(xì)胞腔兩部分組成。 柞木的顯微結(jié)構(gòu)柞木的顯微結(jié)構(gòu)1導(dǎo)管；2髓線；3木纖維 木材的細(xì)胞壁越厚，細(xì)胞腔越小，木材就越密實(shí)，其表觀密度和強(qiáng)度也越大，但脹縮變形也大。與春材相比，夏材的細(xì)胞壁較厚，其強(qiáng)度和硬度較大。7.1.2 木材的構(gòu)造木材的構(gòu)造Civil Engineering Materials 木材細(xì)胞因功能不同可分為管胞、導(dǎo)管、木纖維髓線等。 針葉樹(shù)材顯微結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而規(guī)則，它主要由管胞和髓線組成，且髓線較細(xì)而不明顯；闊葉樹(shù)材顯微

8、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，主要由導(dǎo)管、木纖維和髓線組成，其髓線發(fā)達(dá)，粗大而明顯。 有無(wú)導(dǎo)管和髓線粗細(xì)是鑒別闊葉樹(shù)和針葉樹(shù)的重要特征。7.1.2 木材的構(gòu)造木材的構(gòu)造Civil Engineering Materials 7.2 木材的主要性質(zhì)和用途木材的主要性質(zhì)和用途 7.2.1 木材的主要性質(zhì)木材的主要性質(zhì) 木材屬于天然高分子化合物，其化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多變，物理和力學(xué)性質(zhì)因樹(shù)種、產(chǎn)地、氣候、樹(shù)齡等因素的不同而異。與木材使用密切相關(guān)的技術(shù)性質(zhì)主要有以下幾個(gè)方面。 1含水率與吸濕性 木材的含水率是指木材所含水的質(zhì)量占干燥木材質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。含水率的大小對(duì)木材的濕脹干縮和強(qiáng)度影響很大。 由于組成木材細(xì)胞的纖維素中含有

9、羥基（-OH基），所以木材很容易從周圍的環(huán)境中吸收水分，且含水量隨環(huán)境的濕度變化而不同。新伐木材的含水率常在35以上；風(fēng)干木材的含水率為1525；室內(nèi)干燥木材的含水率為815。Civil Engineering Materials 木材所含水分的存在形式以及對(duì)木材性能的影響見(jiàn)表7-2。水分種類存在形式對(duì)木材性能的影響自由水 存在于木材細(xì)胞腔和細(xì)胞間隙中的水分 自由水受到木材組織約束力很小，當(dāng)木材干燥時(shí)，自由水首先蒸發(fā)，其含量將影響木材的表觀密度、燃燒性和抗腐蝕性吸附水 被吸附在木材細(xì)胞壁內(nèi)細(xì)纖維之間的水分 木材細(xì)胞壁基體相具有較強(qiáng)的親水性，能夠吸附和滲透水分，水分進(jìn)入木材后首先被吸入細(xì)胞壁，吸

10、附水的變化是影響木材強(qiáng)度和脹縮變形的主要因素 結(jié)合水 木材化學(xué)組成中的化合水 木材中結(jié)合水在常溫下不變化，對(duì)木材常溫下的性質(zhì)無(wú)影響 木材中的水分木材中的水分 表表7-2 7.2.1 木材的主要性質(zhì)木材的主要性質(zhì)Civil Engineering Materials 水分進(jìn)入木材后，首先吸附在細(xì)胞壁內(nèi)的細(xì)纖維中，成為吸附水。吸附水飽和后，其余的水則成為自由水。木材被干燥時(shí)，首先是去自由水，然后才失去吸附水。當(dāng)細(xì)胞腔與細(xì)胞間隙中無(wú)自由水，細(xì)胞壁內(nèi)吸附水達(dá)到飽和時(shí)的含水率稱為木材的纖維飽和點(diǎn)，它是木材物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 纖維飽和點(diǎn)因樹(shù)種不同而異，一般在25%35%之間。7.2.1 木材的

11、主要性質(zhì)木材的主要性質(zhì)Civil Engineering Materials 干燥的木材能從周圍濕空氣中吸收水分，而潮濕的木材也能在較干燥的空氣中失去水分，且含水率隨著環(huán)境的溫度和濕度變化而改變。 當(dāng)木材長(zhǎng)時(shí)間處于一定的溫度和濕度環(huán)境中時(shí)，木材中的含水量最后會(huì)達(dá)到與周圍空氣濕度相平衡的狀態(tài)，此時(shí)的木材含水率稱為平衡含水率。 平衡含水率是木材進(jìn)行干燥時(shí)的重要指標(biāo)。在我國(guó)， 北方木材的平衡含水率約為12； 南方木材的平衡含水率約為18； 長(zhǎng)江流域木材的平衡含水率一般為15左右。7.2.1 木材的主要性質(zhì)木材的主要性質(zhì)Civil Engineering Materials 2濕脹干縮 濕脹干縮是指木

12、材在含水率增加時(shí)體積膨脹、含水率減少時(shí)體積收縮的現(xiàn)象。表觀密度大和晚材含量多的木材，其脹縮變形較大。木材含水率與其脹縮變形的關(guān)系見(jiàn)圖7-2 所示。 木材為非勻質(zhì)構(gòu)造，在各方向和部位上有不同的脹縮變形，其中弦向最大，徑向次之，縱向（順纖維方向）最小，邊材大于心材。圖7-2 含水率對(duì)松木脹縮變形的影響7.2.1 木材的主要性質(zhì)木材的主要性質(zhì)Civil Engineering Materials 3木材的強(qiáng)度 （1）強(qiáng)度值與相對(duì)值 木材的強(qiáng)度因木材的種類、施荷方式、受力部位等因素的不同而存在較大差異。木材的強(qiáng)度值與相對(duì)值見(jiàn)表7-3。強(qiáng)度類別強(qiáng)度值范圍（MPa）強(qiáng)度相對(duì)值缺陷對(duì)強(qiáng)度的影響抗壓強(qiáng)度順紋

13、25851較小橫紋 1/101/3抗拉強(qiáng)度順紋 5017023很大橫紋 1/201/3抗剪強(qiáng)度順紋 4231/71/3大橫紋 1/141/6抗彎強(qiáng)度 501701.52很大木材的強(qiáng)度值與相對(duì)值木材的強(qiáng)度值與相對(duì)值 表表 7-3 7.2.1 木材的主要性質(zhì)木材的主要性質(zhì)Civil Engineering Materials 木材的順紋強(qiáng)度比其橫紋強(qiáng)度大得多，工程上應(yīng)充分利用木材的順紋抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度，避免其橫向承受拉力或壓力。 木材在生長(zhǎng)期間或多或少會(huì)受到環(huán)境的不利因素影響而造成一些缺陷（如木節(jié)、斜紋、夾皮、蟲(chóng)蛀、腐朽等），這些缺陷對(duì)木材的抗壓強(qiáng)度影響較小，而對(duì)木材的抗拉強(qiáng)度影響極為顯著，從

14、而造成抗拉強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度。7.2.1 木材的主要性質(zhì)木材的主要性質(zhì)Civil Engineering Materials （2）影響木材強(qiáng)度的主要因素 木材的強(qiáng)度除了與木材種類、強(qiáng)度類別等有關(guān)以外，木材的含水率、環(huán)境溫度、外力作用時(shí)間、木材使用時(shí)間以及木材的缺陷等因素，都將在一定程度上影響木材的強(qiáng)度。 木材的含水率對(duì)木材的強(qiáng)度影響很大。當(dāng)木材的含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，其強(qiáng)度隨含水率降低而升高；反之，木材的強(qiáng)度降低。當(dāng)木材含水率在纖維飽和點(diǎn)以上變化時(shí)，木材強(qiáng)度基本不變。木材的干濕變形木材的干濕變形7.2.1 木材的主要性質(zhì)木材的主要性質(zhì)Civil Engineering Materials

15、木材的含水率變化，對(duì)各種強(qiáng)度的影響程度是不同的。含水率變化對(duì)木材抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度影響較大，對(duì)順紋抗剪強(qiáng)度影響較小，對(duì)順紋抗拉強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。 為了比較判定不同含水率條件下的木材強(qiáng)度，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB19231943-91）規(guī)定，以含水率為12%時(shí)的強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)值，其他含水率時(shí)的強(qiáng)度按下式換算。12112Ww式中 含水率為12%時(shí)的木材標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度（MPa）； 含水率為W%時(shí)的木材強(qiáng)度（MPa）； W 木材含水量率（%）； 校正系數(shù)，按表7-4取值（P147)。（7-1）12w7.2.1 木材的主要性質(zhì)木材的主要性質(zhì)Civil Engineering Materials 環(huán)境溫度對(duì)木材的強(qiáng)度有直

16、接影響。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)溫度從25升高至50時(shí)，由于木纖維及纖維間的膠體被軟化，使得木材的抗壓強(qiáng)度降低20%40%，抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度降低12%20%。另外，當(dāng)木材長(zhǎng)時(shí)間受到熱干作用后，其脆性增加。 外力作用時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)木材強(qiáng)度的影響表現(xiàn)出不同的特征值。木材抵抗短時(shí)間外力破壞的能力用極限強(qiáng)度表示，而木材在長(zhǎng)期荷載作用下所能承受的最大應(yīng)力稱為持久強(qiáng)度。 木材受力后將產(chǎn)生塑性流變，木材的強(qiáng)度隨荷載作用時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，長(zhǎng)時(shí)間負(fù)荷后的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于極限強(qiáng)度，木材的持久強(qiáng)度一般僅為極限強(qiáng)度的50%60%。因此，木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以木材的持久強(qiáng)度作為計(jì)算依據(jù)。7.2.1 木材的主要性質(zhì)木材的主要性質(zhì)Civil Eng

17、ineering Materials 7.2.2 木材及人造板材的用途木材及人造板材的用途 按木材的加工程度和用途，木材分為原木、板材和方材。 原木是指去皮去枝梢后按一定規(guī)格鋸成一定長(zhǎng)度的木料，主要用作屋架、柱或用于加工板材、方木和膠合板材等；板材是指寬度為厚度的三倍或三倍以上的木料；方材是指寬度不足厚度三倍的木料。Civil Engineering Materials 板材和方材統(tǒng)稱為鋸材，其用途見(jiàn)表7-5。鋸材規(guī)格尺寸主要用途板材薄板厚度（mm）1221門芯板、隔斷、木裝修等中板2530屋面板、地板、裝修等厚板4060門窗方木小方木橫截面積（cm2）54椽條、隔斷木筋、吊頂擱柵等中方木55

18、100扶手、擱柵、檁條等大方木101225屋架、檁條等特大方木226屋架鋸材的規(guī)格尺寸與主要用途鋸材的規(guī)格尺寸與主要用途 表表 7-5 工程中除直接使用木材外，為提高木材的綜合利用率，還可對(duì)木材加工制成人造板材。常用人造板材的加工工藝、性能特點(diǎn)和主要用途見(jiàn)表7-6。7.2.2 木材及人造板材的用途木材及人造板材的用途Civil Engineering Materials膠合板膠合板纖維板纖維板細(xì)木工板細(xì)木工板木絲板木絲板7.2.2 木材及人造板材的用途木材及人造板材的用途Civil Engineering Materials刨花板刨花板木屑板木屑板7.2.2 木材及人造板材的用途木材及人造板材

19、的用途Civil Engineering Materials人造板材加工工藝性能特點(diǎn)主要用途膠合板 用蒸煮軟化的原木旋切成大張薄片，再用膠粘劑按奇數(shù)層以各層纖維互相垂直的方向粘合熱壓而成的人造板材。如三合板、五合板等，膠合板層數(shù)可達(dá)15層 由小直徑的原木就能制得寬幅的板材；能消除各向異性，得到縱橫一樣的均勻強(qiáng)度；干濕變形??；沒(méi)有木節(jié)和裂紋等缺陷 室內(nèi)隔墻板、天花板、門框、門面板、家具面及室內(nèi)裝修等 纖維板硬質(zhì)纖維板 用木材廢料，經(jīng)切片、磨漿、施膠、成型、干燥或熱壓等工序制成 材質(zhì)均勻，完全避免了木節(jié)、蟲(chóng)眼等缺陷；脹縮性小，不翹曲，不開(kāi)裂 壁板、門板、地板、家具、室內(nèi)裝修等 中密度纖維板 家具、

20、室內(nèi)裝修等 軟質(zhì)纖維板 吸聲與絕熱材料 細(xì)木工板 以實(shí)木為板芯的膠合板 兼有實(shí)木板與膠合板的性能 門板、壁板、裝飾構(gòu)造材料等 刨花板木絲板木屑板 分別以刨花碎片、短小廢料刨制的木絲、木屑為原料，經(jīng)干燥后拌入膠料，再經(jīng)熱壓而制成的人造板材 表觀密度較小，強(qiáng)度較低 吸聲材料、吊頂、隔墻、家具等 人造板材的性能特點(diǎn)與主要用途人造板材的性能特點(diǎn)與主要用途 表表 7-67.2.2 木材及人造板材的用途木材及人造板材的用途Civil Engineering Materials7.3 木材的防護(hù)木材的防護(hù) 7.3.1 木材的干燥木材的干燥 在加工和使用木材之前應(yīng)對(duì)木材進(jìn)行一定程度的干燥處理，以防止收縮變形、

21、翹曲開(kāi)裂，提高強(qiáng)度和耐久性。木材的干燥有自然干燥法和人工干燥法。木材干燥方法特點(diǎn)與效果自然干燥法 將木材放置在通風(fēng)良好的棚舍中，利用大氣熱能蒸發(fā)木材中的水分進(jìn)行干燥 方法簡(jiǎn)單、節(jié)能，但干燥速度緩慢，干燥程度較低，受環(huán)境條件影響較大人工干燥法 在室內(nèi)以常壓濕空氣作為干燥介質(zhì)，先用熱蒸汽（100）使木材達(dá)到一定溫度，然后逐步調(diào)整空氣的溫度、濕度和氣流循環(huán)速度，利用對(duì)流傳熱作用使木材逐漸干燥 該方法干燥周期短，干燥程度較高木材的干燥方法與效果木材的干燥方法與效果Civil Engineering Materials 7.3.2 木材的防腐木材的防腐 木材屬于天然有機(jī)材料，在條件可能的情況下易受真菌、

22、昆蟲(chóng)的侵害而腐朽變質(zhì)。 真菌的種類很多，常見(jiàn)的真菌有霉菌、變色菌和腐朽菌，它們對(duì)木材的腐蝕過(guò)程及危害程度見(jiàn)表7-7。木材的腐朽木材的腐朽Civil Engineering Materials真菌種類 真菌對(duì)木材的腐蝕危害 霉菌 只寄生在木材的表面，通?？梢运⒊蚺俪话銓?duì)材質(zhì)無(wú)影響，但使木材發(fā)霉變色 變色菌 多寄生在邊材，以細(xì)胞腔內(nèi)含物為食料，不破壞細(xì)胞壁，對(duì)木材強(qiáng)度影響不大，但使木材變色，影響外觀 腐朽菌 以木質(zhì)素為食料，通過(guò)分泌酶來(lái)分解細(xì)胞壁中的纖維素和半纖維素，危害嚴(yán)重 真菌在木材中的生存與繁殖須同時(shí)具備水分、溫度、氧氣三個(gè)適宜的條件。有目的地控制這三個(gè)條件是防止真菌對(duì)木材的基本原理。 民間諺語(yǔ) “干千年，濕千年，干干濕濕兩三年”其意思是講，木材只要一直保持通風(fēng)干燥或完全浸于水中，就不會(huì)腐朽破壞，但是如果使木材干濕交替變化，則易腐朽。真菌的種類以及對(duì)木材的腐蝕危害真菌的種類以及對(duì)木材的腐蝕危害 表表 7-77.3.2