土木工程材料：第7章 木材

1、第7章 木材本章簡要介紹了木材的分類及木材的宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造。詳細地論述了木材的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。應(yīng)深刻領(lǐng)會木材的各向異性、濕脹干縮性、含水率對木材性質(zhì)的影響，影響木材強度大小的因素等。此外，還應(yīng)了解木材在建筑工程中的主要用途及木材的綜合利用途徑，木材的腐朽原理及防腐途徑。 本章提要本 章 內(nèi) 容7.1 木材的分類及構(gòu)造7.2 木材的主要性質(zhì)7.3 木材的應(yīng)用7.1 木材的分類及構(gòu)造一、分類木材是由樹木加工而成的，樹木分為針葉樹和闊葉樹兩大類，見表7-1。建筑中應(yīng)用最多的是針葉樹。 木材的構(gòu)造是決定木材性質(zhì)的主要因素。一般對木材的研究可以從宏觀和微觀兩方面進行。表7-1 樹木的分類和特點

2、種類特點用途樹種針葉樹 樹葉細長，成針狀，多為常綠樹；紋理順直，木質(zhì)較軟，強度較高，表觀密度??；耐腐蝕性較強，脹縮變形小 是建筑工程中主要使用的樹種，多用作承重構(gòu)件、門窗等 松樹、杉樹、柏樹等闊葉樹 樹葉寬大，葉脈呈網(wǎng)狀，大多為落葉樹；木質(zhì)較硬，加工較難；表觀密度大，脹縮變形大 常用作內(nèi)部裝飾、次要的承重構(gòu)件和膠合板等 榆樹、樺樹、水曲柳等用肉眼或低倍放大鏡所看到的木材組織稱為宏觀構(gòu)造。為便于了解木材的構(gòu)造，將樹木切成3個不同的切面，如圖7-1所示。橫切面垂直于樹軸的切面；徑切面通過樹軸的切面；弦切面和樹軸平行與年輪相切的切面。在宏觀下，樹木可分為樹皮、木質(zhì)部和髓心三個部分。而木材主要使用木質(zhì)

3、部。 二. 宏觀構(gòu)造圖7-1 樹干的3個切面 1樹皮；2木質(zhì)部；3年輪；4髓線；5髓心 (1)邊材、心材在木質(zhì)部中，靠近髓心的部分顏色較深，稱為心材。心材含水量較少，不易翹曲變形，抗蝕性較強； 外面部分顏色較淺，稱為邊材。 邊材含水量高，易干燥，也易被濕潤，所以容易翹曲變形，抗蝕性也不如心材 木質(zhì)部的構(gòu)造特征(2)年輪、春材、夏材橫切面上深淺相間的同心圓，稱為年輪。 年輪中淺色部分是樹木在春季生長的，由于生長快，細胞大而排列疏松，細胞壁較薄，顏色較淺，稱為春材(早材)； (2)年輪、春材、夏材 深色部分是樹木在夏季生長的，由于生長遲緩，細胞小，細胞壁較厚，組織緊密堅實，顏色較深，稱為夏材(晚材

4、)。 每一年輪內(nèi)就是樹木一年的生長部分。 同一樹種年輪密實均勻、材質(zhì)好。 年輪中夏材所占的比例越大，木材的強度越高。 第一年輪組成的初生木質(zhì)部分稱為髓心(樹心)。從髓心成放射狀橫穿過年輪的條紋，稱為髓線。髓心材質(zhì)松軟，強度低，易腐朽開裂。髓線與周圍細胞聯(lián)結(jié)軟弱，在干燥過程中，木材易沿髓線開裂。 髓心、髓線在顯微鏡下所看到的木材組織，稱為木材的微觀構(gòu)造(見圖7-2和圖7-3)。在顯微鏡下，可以看到木材是由無數(shù)管狀細胞緊密結(jié)合而成。 三、 微觀構(gòu)造在顯微鏡下，可以看到木材是由無數(shù)管狀細胞緊密結(jié)合而成。 每個細胞分為細胞壁和細胞腔兩個部分，細胞壁由若干層纖維組成。 細胞之間縱向聯(lián)結(jié)比橫向聯(lián)結(jié)牢固，造

5、成細胞縱向強度高，橫向強度低。細胞之間有極小的空隙，能吸附水和滲透水分。 三、 微觀構(gòu)造圖7.2 顯微鏡下松木的橫切片示意圖 1細胞壁；2細胞腔；3樹脂流出孔；4木髓線 圖7.3 細胞壁的結(jié)構(gòu) 1細胞腔；2初生層；3細胞間層 7.2 木材的主要性質(zhì)(1)木材中的水分表7-2自由水：存在于木材細胞腔和細胞間隙中的水分吸附水：吸附在細胞壁內(nèi)細纖維之間的水分結(jié)合水：形成細胞化學(xué)成分的化合水 一、 木材的物理性質(zhì)1 木材的含水率(2)木材的纖維飽和點木材受潮時，首先形成吸附水，吸附水飽和后，多余的水成為自由水；木材干燥時，首先失去自由水，然后才失去吸附水。當吸附水處于飽和狀態(tài)而無自由水存在時，此時對應(yīng)

6、的含水率稱為木材的纖維飽和點。纖維飽和點隨樹種而異，一般為23%33%，平均為30%。木材的纖維飽和點是木材物理、力學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)折點。(3)木材的平衡含水率木材的含水率是隨著環(huán)境溫度和濕度的變化而改變的。當木材長期處于一定溫度和濕度下，其含水率趨于一個定值，與空氣濕度達到平衡，此時的含水率稱為平衡含水率。它與周圍空氣的溫度、相對濕度的關(guān)系如圖7.4所示。根據(jù)周圍空氣的溫度和相對濕度可求出木材的平衡含水率。 圖7.4 木材的平衡含水率 木材細胞壁內(nèi)吸附水的變化而引起木材的變形，即濕脹干縮。圖7-2是木材含水率與脹縮變形的關(guān)系。由于木材構(gòu)造的不均勻性，在不同的方向干縮值不同。順紋方向(纖維方向)干縮

7、值最小，平均為0.1%0.35%；徑向較大，平均為3%6%；弦向最大，平均為6%12%。 一般來講，表觀密度大、夏材含量多的木材，濕脹變形較大。2 濕脹干縮圖7-2 木材含水率與脹縮變形的關(guān)系 不同樹種的密度相差不大，平均約為1.55g/cm3。 表觀密度的大小隨木材的孔隙率、含水量以及其他一些因素的變化而不同。因此確定木材的表觀密度時，應(yīng)在含水率為標準含水率情況下進行。3 木材的密度、表觀密度1 木材的強度按受力狀態(tài)，木材的強度分為抗拉、抗壓、抗彎和抗剪四種強度。 木材的強度檢驗是采用無疵病的木材制成標準試件，按木材物理力學(xué)試驗方法(GB 1927194391)進行測定。 木材受剪切作用時，

8、由于作用力對于木材纖維方向的不同，可分為順紋剪切、橫紋剪切和橫紋切斷三種，如圖7.6所示。 二、 木材的力學(xué)性質(zhì)圖7.6 木材的剪切 (a)順紋剪切；(b)橫紋剪切；(c)橫紋切斷 表7-3 木材各種強度間的關(guān)系 抗壓抗拉抗彎抗剪 順紋橫紋順紋橫紋順紋橫紋1101/32311.521/721當以木材的順紋抗壓強度為1時，木材理論上各強度大小關(guān)系見表7-3。 (1)含水率 當含水率在纖維飽和點以上變化時，僅僅是自由水的增減，對木材強度沒有影響；當含水率在纖維飽和點以下變化時，隨含水率的降低，細胞壁趨于緊密，木材強度增加。如圖7.7所示。我國木材試驗標準規(guī)定，以標準含水率(即含水率12%)時的強度

9、為標準值，其他含水率時的強度，可按下式換算成標準含水率時的強度。 2 影響木材強度的因素圖7.7 含水率對木材強度的影響 1順紋抗拉；2抗彎；3順紋抗壓；4順紋抗剪 (2)負荷時間的影響木材在長期荷載作用下，只有當其應(yīng)力遠低于強度極限的某一范圍時，才可避免木材因長期負荷而破壞。木材在長期荷載作用下不致引起破壞的最大強度，稱為持久強度（設(shè)計依據(jù)）。木材的持久強度比其極限強度小得多，一般為極限強度的50%60%，如圖7.8所示。 圖7.8 木材持久強度 (3)環(huán)境溫度溫度對木材強度有直接影響。當溫度由25升至50時，將因木纖維和其間的膠體軟化等原因，使木材抗壓強度降低20%40%，抗拉和抗剪強度降

10、低12%20%；當溫度在100以上時，木材中部分組織會分解、揮發(fā)，木材變黑，強度明顯下降。因此，長期處于高溫環(huán)境下的建筑物不宜采用木結(jié)構(gòu)。(4)木材的缺陷節(jié)子 節(jié)子能提高橫紋抗壓和順紋抗剪強度。 木材受腐朽菌侵蝕后，不僅顏色改變，結(jié)構(gòu)也變得松軟、易碎，呈篩孔和粉末狀形態(tài)。 裂紋會降低木材的強度，特別是順紋抗剪強度。而且縫內(nèi)容易積水，加速木材的腐爛。構(gòu)造缺陷木纖維排列不正常均會降低木材的強度，特別是抗拉及抗彎強度。 9.3 木材的應(yīng)用工程中木材按其加工程度和用途分為原條、原木、鋸材、枕木四類。此外還有各類人造板材。 一、 木材產(chǎn)品1 原條原條是已經(jīng)除去皮(也有不去皮的)、根、樹梢而未加工成規(guī)定材

11、品的木材。主要用于腳手架或供進一步加工。原木是將原條按一定尺寸切取的木料?？煞譃橹苯邮褂迷竞图庸ぴ?。直接使用原木用于屋架、檁、椽、木樁、坑木等。加工原木用于加工鋸材、膠合板等。2 原木(1)鋸材的規(guī)格、尺寸鋸材按其厚度、寬度可分為薄板、中板、厚板。其尺寸見表7-5。(2)鋸材的分等鋸材有特等鋸材和普通鋸材之分。根據(jù)針葉樹鋸材(GB 153.284)和闊葉樹鋸材分等(GB 481.7284)的規(guī)定，普通鋸材分為一、二、三等。各等級技術(shù)指標見表7-6。 3 鋸材表7-5 針葉樹、闊葉樹鋸材寬度、厚度(mm) 分類厚度 寬度 尺寸范圍進級薄板中板厚板 12，15，18，2125，3040，50，

12、60 502405026060300 10“級”是指標準規(guī)定的規(guī)格系列(長級、徑級、寬度、厚度)，而公差是指規(guī)格所允許的尺寸誤差限度。實際尺寸加上公差尺寸后若達到某“級”則進至某“級”，若達不到某“級”則退至較小一“級”。 表7-6 鋸材的分等標準 干燥能減輕自重，防止腐朽、開裂及彎曲，從而提高木材的強度和耐久性。鋸材的干燥方法可分為自然干燥和人工干燥兩種。自然干燥方法的優(yōu)點是簡單，不需要特殊設(shè)備，但干燥時間長，而且只能干燥到風(fēng)干狀態(tài)。人工干燥利用人工方法排除鋸材中水分，常用方法有浸樹法、蒸樹法和熱坑法。 二、 木材的干燥1 木材的腐朽木材的腐朽為真菌侵害所致。真菌分霉菌、變色菌和腐朽菌三種，

13、前兩種真菌對木材質(zhì)量影響較小，但腐朽菌影響很大。此外，木材還易受到白蟻、天牛等昆蟲的蛀蝕，使木材形成很多孔眼或溝道，甚至蛀穴，破壞木質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性而使強度嚴重降低。 三、 木材的防腐1 木材的腐朽真菌在木材中生存和繁殖必須具備三個條件，即適當?shù)乃帧⒆銐虻目諝夂瓦m宜的溫度。水分：35-50%適宜，18%以下難生存水中、地下缺氧不腐朽（干千年、濕千年）25-35適宜繁殖、低于5 停止繁殖、高于60 殺死三、 木材的防腐木材防腐的基本原理在于破壞真菌及蟲類生存和繁殖條件，常用方法有以下兩種：(1)結(jié)構(gòu)預(yù)防法在結(jié)構(gòu)和施工中，使木結(jié)構(gòu)不受潮濕，要有良好的通風(fēng)條件；在木材與其他材料之間用防潮墊；不將支點

14、或其他任何木結(jié)構(gòu)封閉在墻內(nèi)；木地板下設(shè)通風(fēng)洞；木屋架設(shè)老虎窗等（油漆）。 2 木材的防腐(2)防腐劑法這種方法是通過涂刷或浸漬水溶性防腐劑(如氯化鈉、氧化鋅、氟化鈉、硫酸銅)、油溶性防腐劑(如林丹五氯酚合劑)、乳劑防腐劑(如氟化鈉、瀝青膏)等，使木材成為有毒物質(zhì)，達到防腐要求 木材經(jīng)加工成型和制作構(gòu)件時，會留下大量的碎塊廢屑，將這些廢腳料或含有一定纖維量的其他作物作原料，采用一般物理和化學(xué)方法加工而成的即為人造板材。這類板材與天然木材相比，板面寬，表面平整光潔，沒有節(jié)子，不翹曲、開裂，經(jīng)加工處理后還具有防水、防火、防腐、防酸性能。 常用人造板材有膠合板、纖維板、刨花板。 四、 人造板材膠合板是

15、用原木旋切成薄片，經(jīng)干燥處理后，再用膠粘劑按奇數(shù)層數(shù)，以各層纖維互相垂直的方向粘合熱壓而成的人造板材。一般為313層，建筑工程中常用的有三合板和五合板。一般可分為闊葉樹普通膠合板和松木普通膠合板兩種。膠合板厚度為2.4mm、3mm、3.5mm、4mm、5.5mm、6mm，自6mm起按1mm遞增。膠合板幅面尺寸見表7.5。其特性及適用范圍見表7.6。1 膠合板表7.5 膠合板的幅面尺寸(mm) 寬度 長度 9151220183021352440915915122018302135 1220 1220183021352440表7.6 膠合板分類、特性及適用范圍 纖維板是以植物纖維為原料經(jīng)破碎、浸泡、研磨成漿，然后經(jīng)熱壓成型、干燥等工序制成的一種人造板材。纖維板所選原料可以是木材采伐或加工的剩余物(如板皮、刨花、樹枝)，也可以是稻草、麥秸、玉米稈、竹材等。纖維板按其體積密度分為硬質(zhì)纖維板(體積密度800kg/m3)、中密度纖維板(體積密度500800kg/m3)和軟質(zhì)纖維板(體積密度500kg/m3)三種。2 纖維板硬質(zhì)纖維板的強度高、耐磨、不易變形，可代替木板用于墻面、天花板、地板、家具等。 中密度纖維板表面光滑、材質(zhì)細密、性能穩(wěn)定、邊緣牢固，且板材表面的再裝飾性能好。主要用于隔斷、隔墻、地面、