土木工程材料第九章木材

土木工程材料第九章木材第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四9.1木材的分類與構(gòu)造9.2木材的物理力學(xué)性質(zhì)

9.3木材的防腐與防火

9.4木材的綜合利用

第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四9.1木材的分類與構(gòu)造

9.1.1分類木材產(chǎn)自木本植物中的喬木，分為針葉樹和闊葉樹兩大類。大部分針葉樹理直、木質(zhì)較軟、易加工、變形小，建筑上廣泛用作承重構(gòu)件和裝修材料，如杉樹、松樹等。大部分闊葉樹質(zhì)密、木質(zhì)較硬、加工較難、易翹裂、紋理美觀，適用于室內(nèi)裝修，如水曲柳、核桃木等。第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四按木材的用途和加工的不同，可以分為原條、原木、普通鋸材和枕木等四類。原條是指已經(jīng)去皮、根及樹梢，但尚未加工成規(guī)定尺寸的木料。原木是指由原條按一定尺寸加工成規(guī)定直徑和長度的木材。普通鋸材是指已經(jīng)加工鋸解成材的木料。枕木是指按枕木斷面和長度加工而成的木材。第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

9.1.2木材的構(gòu)造

1.

木材的宏觀構(gòu)造從木材三個不同切面觀察木材的宏觀構(gòu)造可以看出，樹干由樹皮、木質(zhì)部、髓心組成。髓心木質(zhì)部樹皮第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

從木材的橫切面上看，有許多樹種的木材，靠近樹皮的部分材色較淺，水分較多，稱為邊材。在髓心周圍部分，材色較深，水分較少，稱為心材。第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

每個生長周期所形成的木材，在橫切面上所看到的，圍繞著髓心構(gòu)成的同心圓稱為生長輪。溫帶和寒帶樹木的生長期，一年僅形成一個生長輪就是年輪。在同一年輪內(nèi)，生長季節(jié)早期所形成的木材，胞壁較薄、形體較大、顏色較淺、材質(zhì)較松軟稱為早材（春材）。

到秋季形成的木材，胞壁較厚、組織致密、顏色較深、材質(zhì)較硬稱為晚材（秋材）。年輪第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四木材的微觀構(gòu)造

木材的微觀構(gòu)造是指借助光學(xué)顯微鏡觀察的結(jié)構(gòu)。各種木材的微觀構(gòu)造是各式各樣的。針葉樹顯微構(gòu)造簡單而規(guī)則，它主要由管胞和髓線組成針葉材的木射線一般較細(xì)且在肉眼下不可見。一般，針葉材的年輪界明顯，早、晚材區(qū)別明顯。早材壁薄腔大，顏色較淺，晚材則壁厚腔小，顏色較深。

第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四闊葉材的顯微構(gòu)造較復(fù)雜，其細(xì)胞主要有導(dǎo)管、木纖維、木射線和軸向薄壁組織等。闊葉材因管孔大小和分布不同分為環(huán)孔材、散孔材和半環(huán)孔材（半散孔材）。環(huán)孔材的早材管孔明顯比晚材管孔大；散孔材的早、晚材的管孔的大小沒有明顯區(qū)別。分布也比較均勻；半環(huán)孔材是指早材管孔到晚材管孔漸變，但界限不明顯。

有無導(dǎo)管是區(qū)分闊葉材和針葉材的重要標(biāo)志。第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四9.2木材的物理力學(xué)性質(zhì)

9.2.1密度與表觀密度

木材的實質(zhì)密度是指構(gòu)成木材細(xì)胞壁物質(zhì)的密度。約為1.50～1.56g／cm3，各材種之間相差不大，實際計算和使用中常取1.53g/cm3。木材的表觀密度則歲木材空隙率、含水率及其他一些因素的變化而不同。木材的表觀密度越大，其濕脹干縮率有越大。處于氣干狀態(tài)下的木材表觀密度平均為500Kg/m3。第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四9.2.2含水率與吸濕性

木材的含水率是木材中水分質(zhì)量占干燥木材質(zhì)量的百分比。木材中的水分按其與木材結(jié)合形式和存在的位置，可分為：自由水、吸附水和化學(xué)結(jié)合水。自由水是存在于木材細(xì)胞腔和細(xì)胞間隙中的水，它影響木材的表觀密度、抗腐蝕性、燃燒性和干燥性；吸附水是被吸附在細(xì)胞壁內(nèi)纖維之間的水，吸附水的變化則影響木材強(qiáng)度和木材脹縮變形性能；化學(xué)結(jié)合水即為木材中的化合水，它在常溫下不變化故其對木材的性質(zhì)無影響。

第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四木材干燥時，首先是自由水蒸發(fā)，而后是吸附水蒸發(fā)木材受潮時，先是細(xì)胞壁吸水，細(xì)胞壁吸水達(dá)飽和后，自由水才開始吸入。

①木材的纖維飽和點(diǎn)

當(dāng)木材中無自由水，而細(xì)胞壁內(nèi)吸附水達(dá)到飽和時，這時的木材含水率稱為纖維飽和點(diǎn)。木材的纖維飽和點(diǎn)隨樹種而異，一般介于23％～32％之間，通常取30％。

纖維飽和點(diǎn)是木材性質(zhì)變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在纖維飽和點(diǎn)之上，含水量變化是自由水含量的變化，它對木材強(qiáng)度和體積影響甚微；在纖維飽和點(diǎn)之下，含水量變化即吸附水含量的變化將對木材強(qiáng)度和體積等產(chǎn)生較大的影響。

第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四②木材的平衡含水率

木材中所含的水分是隨著環(huán)境的溫度和濕度的變化而改變的，當(dāng)木材長時間處于一定溫度和濕度的環(huán)境中時，木材中的含水量最后會達(dá)到與周圍環(huán)境濕度相平衡，這時木材的含水率稱為平衡含水率。

木材的平衡含水率是木材進(jìn)行干燥時的重要指標(biāo)。木材的平衡含水率隨其所在地區(qū)的不同而異，我國北方為12％左右，南方約為18％，長江流域一般為15％。第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四9.2.3濕脹與干縮變形

木材具有顯著的濕脹干縮性。木材含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時吸濕具有明顯的膨脹變形現(xiàn)象，解吸時具有明顯的收縮變形現(xiàn)象。當(dāng)木材的含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時，隨著含水率的增大，木材體積產(chǎn)生膨脹；含水率減小，木材體積收縮；而當(dāng)木材含水率在纖維飽和點(diǎn)以上，只是自由水增減變化時，木材的體積不發(fā)生變化。纖維飽和點(diǎn)是木材發(fā)生濕脹干縮變形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。木材含水率與脹縮變形關(guān)系第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

木材具有各向異性，各個方向的干縮率不同。木材弦向干縮率最大。木材在干燥的過程中會產(chǎn)生變形、翹曲和開裂等現(xiàn)象木材的干縮濕脹變形還隨樹種不同而異。木材的密度大的、晚材含量多的木材，其干縮率就較大。木材含水率與脹縮變形關(guān)系第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四9.2.4木材的強(qiáng)度及其影響因素

工程上常利用木材的以下幾種強(qiáng)度：抗壓、抗拉、抗彎和抗剪。由于木材是一種非均質(zhì)材料，具有各向異性，使木材的強(qiáng)度有很強(qiáng)的方向性。木材各強(qiáng)度大小的比值關(guān)系見下表：

木材各項強(qiáng)度值的比較(以順紋抗壓強(qiáng)度為1)順紋抗壓

橫紋抗壓

順紋抗拉

橫紋抗拉

抗彎

順紋抗剪

橫紋切斷

11/10～1/3

2～3

1/20～1/3

3/2～2

1/7～1/3

1/2～1

第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

木材強(qiáng)度的影響因素主要有：含水率、環(huán)境溫度、負(fù)荷時間、表觀密度、疵病等①含水率的影響

木材的含水率在纖維飽和點(diǎn)以內(nèi)變化時，含水量增加使細(xì)胞壁中的木纖維之間的聯(lián)結(jié)力減弱、細(xì)胞壁軟化，故強(qiáng)度降低；當(dāng)水分減少使細(xì)胞壁比較緊密，故強(qiáng)度增高。

含水率的變化對各強(qiáng)度的影響是不一樣的。對順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的影響較大，對順紋抗拉強(qiáng)度和順紋抗剪強(qiáng)度影響較小。測定木材強(qiáng)度時規(guī)定12%為標(biāo)準(zhǔn)含水率。第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四②環(huán)境溫度的影響

木材隨環(huán)境溫度升高會降低。當(dāng)溫度由25℃升到50℃時，針葉樹抗拉強(qiáng)度降低10％～15％，抗壓強(qiáng)度降低20％～24％。當(dāng)木材長期處于60～100℃溫度下時，會引起水分和所含揮發(fā)物的蒸發(fā)，而呈暗褐色，強(qiáng)度下降，變形增大。溫度超過140℃時，木材中的纖維素發(fā)生熱裂解，色漸變黑，強(qiáng)度明顯下降。因此，長期處于高溫的建筑物，不宜采用木結(jié)構(gòu)。

第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四③負(fù)荷時間的影響

木材的長期承載能力遠(yuǎn)低于暫時承載能力。這是因為在長期承載情況下，木材會發(fā)生纖維等速蠕滑，累積后產(chǎn)生較大變形而降低了承載能力的結(jié)果。

木材在長期荷載作用下不致引起破壞的最大強(qiáng)度，稱為持久強(qiáng)度。木材的持久強(qiáng)度比其極限強(qiáng)度小得多，一般為極限強(qiáng)度的50％～60％。一切木結(jié)構(gòu)都處于某一種負(fù)荷的長期作用下，因此在設(shè)計木結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮負(fù)荷時間對木材強(qiáng)度的影響。第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四④木材的疵病

木材在生長、采伐及保存過程中，會產(chǎn)生內(nèi)部和外部的缺陷，這些缺陷統(tǒng)稱為疵病。木材的疵病主要有木節(jié)、斜紋、腐朽及蟲害等，這些疵病將影響木材的力學(xué)性質(zhì)，但同一疵病對木材不同強(qiáng)度的影響不盡相同。

第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

木節(jié)分為活節(jié)、死節(jié)、松軟節(jié)、腐朽節(jié)等幾種，活節(jié)影響最小。木節(jié)使木材順紋抗拉強(qiáng)度顯著降低，對順紋抗壓影響最小。在木材受橫紋抗壓和剪切時，木節(jié)反而增加其強(qiáng)度。

斜紋為木纖維與樹軸成一定夾角，斜紋木材嚴(yán)重降低其順紋抗拉強(qiáng)度，抗彎次之，對順紋抗壓強(qiáng)度影響較小。裂紋、腐朽、蟲害等疵病，會造成木材構(gòu)造的不連續(xù)性或破壞其組織，因此嚴(yán)重影響木材的力學(xué)性質(zhì)，有時甚至能使木材完全失去使用價值。

木材的疵病第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四9.3木材的防腐與防火

木材作為土木工程材料，最大缺點(diǎn)是容易腐朽、蟲柱和燃燒，因此大大地縮短了木材的使用壽命，并限制了它的應(yīng)用范圍。采取措施來提高木材的耐久性，對木材的合理使用具有十分重要的意義。

9.3.1木材的腐朽與防腐木材的腐朽

木材的腐朽是真菌在木材中寄生引起的。真菌在木材中生存和繁殖，必須同時具備四個條件：①溫度適宜；②木材含水率適當(dāng)；③有足夠的空氣；④適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)料。

第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四真菌生長最適宜溫度是25～30℃，最適宜含水率在木材纖維飽和點(diǎn)飽和點(diǎn)左右，含水率低于20％時，真菌難于生長，含水率過大時，空氣難于流通，真菌得不到足夠的氧或排不出廢氣。破壞性真菌所需養(yǎng)分是構(gòu)成細(xì)胞壁的木質(zhì)素或纖維素。2、木材的防腐與防蟲根據(jù)木材產(chǎn)生腐朽的原因，木材防腐有兩種方法：創(chuàng)造條件，使木材不適于真菌的寄生和繁殖；把木材變成有毒的物質(zhì)，使其不能作真菌的養(yǎng)料。第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

木材防腐的基本方法破壞真菌生存的條件注入化學(xué)防腐劑木材常用防腐、防蟲劑的種類和配方免漆復(fù)合門第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

將木材保持在很高的含水率，木材由于缺乏空氣而破壞了真菌生存所需的條件，從而達(dá)到防腐的目的。如濕存保管法和水存保管法?；蛘邔⒛静倪M(jìn)行干燥，使其含水率降至20％以下（即干法保管法）。在儲存和使用木材時要注意通風(fēng)和排濕。對木材構(gòu)件表面應(yīng)刷以油漆，使木材隔絕空氣和水汽。

破壞真菌生存的條件

第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

注入化學(xué)防腐劑

將化學(xué)防腐劑注入木材內(nèi)，把木材變成對真菌有毒的物質(zhì)，使真菌無法生存。這是木材的化學(xué)保管法。注人防腐劑的方法很多，通常有表面涂刷法、表面噴涂法、浸漬法、冷熱槽浸透法、壓力滲透法等，其中以冷熱槽浸透法和壓力滲透法效果最好。常用防腐劑的種類有：

A.水溶性防腐劑——能溶于水，應(yīng)用方便，主要用于房屋內(nèi)部，如氟化鈉、氯化鋅、硫酸銅、硼鉻合劑、硼酚合劑等。

B.油溶性防腐劑——能溶于油不溶于水，可用于室外藥效持久，如林丹五氨酸合劑。

第26頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四C.防腐油——不溶于水，藥效持久，但有臭味，且呈暗色，不能油漆，主要用于室外和地下（枕木、坑木、拉木等），如煤焦油等。第27頁，共29頁，2023年，2月20日