第九章 木材分析

第九章 木材
2.木材的含水状态
• ①自由水。自由水是存在于细胞腔和细胞间隙中的水分，木细胞 对其约束很弱。当木材处于较干燥环境时，自由水首先蒸发。 • ②吸附水。吸附水是渗透于细胞壁中的水分，其含量多少与细胞 壁厚度有关。木材受潮时，细胞壁会首先吸水而使体积膨胀；而 木材干燥时吸附水会缓慢蒸发而使体积收缩，因此，吸附水含量 的变化将直接影响木材体积的大小和强度的高低。 • ③化合水。化合水是构成木材各化学组成中的结合水，同一树种 的木材其化合水含量基本不变。它对木材性质的影响也不大。 通常，当干燥木材吸收环境中的水分时，会首先将其吸附于 细胞壁中而成为吸附水；待吸附水饱和后，再吸入的水分才进入 细胞腔或腔间空隙而成为自由水。当含水率较高的木材处于干燥 环境中时，最先脱离木材而进入环境中的水分是自由水，然后才 是吸附水。
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2.木材的微观构造
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• 针叶树的微观结构简单而规则，它主要是由管胞 和髓线构成。其髓线较细小，且不很明显。某些 树种（如松树）在管胞间还有树脂道。 • 阔叶树的微观结构较复杂，它主要是由导管、木 纤维及髓线等组成，且其髓线很发达，粗大而明 显；导管是由壁薄而腔大的细胞所构成的大管孔。 根据导管分布，阔叶树木材又分为环孔材和散孔 材。
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4.木材的硬度和耐磨性
• 木材的硬度和耐磨性主要取决于其细胞组 织的紧密程度，且不同切面上的硬度和耐 磨性也有较大差别。木材横截面的硬度和 耐磨性都较径切面和弦切面要高。对于木 髓线发达的木材，其弦切面的硬度和耐磨 性均比径切面高。
9.3 木材的防护与防火
9.3.1 木材的腐朽与防腐
第一节木材的分类
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阔叶树的特点是 树干通直部分一般 较短，材质较硬且 多疵病和缺陷，故 较难加工。因此， 由阔叶树加工而成 的木材又称为硬木 材。土木工程中常 用的硬木材主要取 自水曲柳、榆树、 槐树、柞树等阔叶 树。
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9.1.2木材的构造
• 1.木材的宏观构造
• 木材的宏观构造是指可以用ຫໍສະໝຸດ Baidu肉眼或放大镜观察到的结构。 由于木材构造的不均匀性， 可从树干的三个切面剖析其 结构。其中： 横切面为垂直于树轴的切面。 径切面是通过树轴的纵切面。 弦切面是平行于树轴纵切面。
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（4）剪切强度
• 木材的抗剪强度可分为顺纹剪切、横纹剪切和横纹切断三 种。 • 木材顺纹抗压强度的15％～30％。木材的横纹切断强度很 高，一般为顺纹剪切强度的4～5倍。
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2.影响木材强度的主要因素
• （1）含水率
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• 国家标准（GB1923～1943-91）规定木材以含水率为12％ 时的强度为标准值，其他含水率时的强度可按下式换算：
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9.2.2木材的物理性质
• 1.密度与表观密度 • 木材的实质密度是指构成木材细胞壁物质 的密度。约为 1.48～1.56 g／cm3，各材种 之间相差不大，实际计算和使用中常取 1.53 g/cm3。 • 木材的表观密度则随木材孔隙率、含水量 以及其他一些因素的变化而不同。一般有 气干表观密度、绝干表观密度和饱水表观 密度之分。木材的表观密度愈大，其湿胀 干缩率也愈大。
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3.木材的湿胀干缩
• 只有含水率在纤维 饱和点以下变化时， 木材中吸附水的改 变才会影响木材的 体积变化。 • 木材的湿胀干缩性 通常因树种不同而 有所差异。一般来 讲，表观密度大或 夏材含量多时，木 材的湿胀干缩性更 明显。
木材含水率与胀缩变形关系
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• 由于木材构造不均匀，各方 向的胀缩也不同，同一木材 弦向胀缩最大，径向其次， 而顺纤维的纵向最小。木材 干燥时： –弦向收缩为6％～12％ –径向收缩为3％～6％ –顺纤维纵向为0.1％～ 0.35％。
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9.2.3木材的力学性质
• 1.木材的强度 • （1）抗压强度 • 木材的抗压强度可分为顺纹抗压强度和横纹抗 压强度两种。 • 顺纹抗压强度较高，仅次于顺纹抗拉强度和抗 弯强度。土木工程中常利用其顺纹抗压强度， 制作木桩、木柱、木斜撑及木桁架等承重构件。 • 木材的横纹抗压强度比顺纹抗压强度低得多， 一般只有其顺纹抗压强度的10％～20％。
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纤维饱和点:
• 当木材中的吸附水达到饱和，且尚无自由水存 在时的含水率称为纤维饱和点。 • 木材的纤维饱和点与其细观结构有关，且因树 种而异，一般为25％～35％，通常取30％。 • 纤维饱和点是木材性质变化的转折点。
–在纤维饱和点之上，含水量变化是自由水含量的 变化，它对木材强度和体积影响甚微； –在纤维饱和点之下，含水量变化即吸附水含量的 变化将对木材强度和体积等产生较大的影响。
• 当木纤维方向与树轴成一定夹角时便会形成斜纹。 斜纹可严重降低木材的顺纹抗拉强度，并对抗弯 强度也有较大影响，但对顺纹抗压强度影响较小。 斜纹还会使板材容易开裂和翘曲。
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• 木材常见的裂纹有径裂（心裂）、轮裂和干裂三 种。 • 径裂在木材的横切面内部，沿半径方向延伸，它 是立木受风摇动或在生长时产生内应力所造成的 开裂。 • 轮裂是木材横切面沿年轮方向的裂纹，其裂纹为 整圈时称为环裂，未形成整圈时则称为弧裂。轮 裂产生的原因和径裂相同，加工中若干燥不当， 也会使其逐渐扩大。 • 干裂是因为木材干燥不均匀引起的，其特点是外 宽内窄，由外向内发展，在纵向表面呈沟状。干 裂纹的存在不仅破坏了木材的完整性，还会影响 其强度。它对木材强度的影响程度通常因裂纹尺 寸、方向而异。
12 w 1 W 12
式中 σ 12——含水率为12％时的木材强度； σ w——含水率为W％时的木材强度； W——试验时木材含水率，取值范围为9％～15％； α ——校正系数，随荷载种类和力作用方式而异，见 表。
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• （2）荷载作用时间
–木材长期受力时将产生明显的塑性流变（蠕变），且 随着变形的增加而使其强度降低。木材在长期荷载下 不致引起破坏的最大强度，称为持久强度。通常木材 的持久强度仅为其短时荷载下极限强度的50％～60％。 土木工程中的木结构设计，应以持久强度作为强度依 据。
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（3）抗弯强度 • 木材在承受弯曲荷载时的内部应力十分复 杂。从理论分析来看，其上部为顺纹受压， 下部为顺纹受拉，而在水平面中和垂直面 上则分布着剪应力。 • 木材抗弯强度的高低除与其纤维间联接能 力有关外，还与所含疵病和缺陷的多少及 位置有关。通常，处于受拉区的缺陷会严 重降低其抗弯强度。 • 土木工程中木结构抗弯也是木材最为常见 的受力形式，通常主要用于制作各种梁、 板及桁架等。
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木材是人类 使用最早的建筑 材料之一。我国 使用木材的历史 不仅悠久，而且 在技术上也有独 到之处，如保存 至今己达千年之 久的山西佛光寺 正殿、山西应县 木塔等都集中反 映了我国古代建 筑工程中应用木 材的水平。
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木材的优点 :
• ①轻质高强，可满足大跨度结构或高层结构的力学性 能要求； • ②具有良好的弹性和韧性，能承受冲击和振动等作用， 从而可构成抗震性能良好的木结构； • ③导热性低，具有较好的隔热、保温性能； • ④在干燥环境或长期置于水中时均有很好的耐久性； • ⑤有良好的可加工性，易于制成各种形状的产品，并 可加工成各种性能优良的深加工产品； • ⑥具有漂亮的天然外观，可将不同品种的木材加工成 千变万化的花纹，从而获得良好的装饰效果。
• （3）温度
–当温度从25℃升至50℃时，木材的顺纹抗压强度会降 低20％～40％；温度升至150℃时，其中的木质细胞会 产生较快的分解，并开始碳化；当温度达到275℃时， 木材开始燃烧。通常，在长期受热（如温度长期超过 50℃）环境中不宜采用木结构。当温度降至0℃以下时， 其中水分结冰，木材强度增大，但木材变得较脆。一 旦解冻，各项强度都将比未解冻时的强度低。
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3.木材的韧性
在土木工程中木材通常表现出较高的韧 性，适合于制作承受振动或冲击荷载作用的 结构。但是，木材的材质或所处环境条件不 同时，其韧性也会表现为较大的差别。影响 韧性的因素很多，如木材的密度越大，冲击 韧性越好；在负温下时，湿木材会因冰冻而 变脆，其韧性也会严重降低；高温时也会使 木材变脆，韧性降低。任何缺陷的存在都可 能严重降低木材的冲击韧性。
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（2）抗拉强度 • 木材的顺纹抗拉强度与横纹抗拉强度差别很大。 在受力状态均匀的情况下，顺纹抗拉强度在木材 所有强度中最大，通常，木材的顺纹抗拉强度为 横纹抗压强度的2～3倍。 • 在土木工程建设中，很少利用木材作为受拉构件。 当承受拉力时，木材结构两端点只能通过横纹受 压或顺纹受剪的方式传递拉力，而其横纹受压和 顺纹受剪的强度均较低；因此，实际工程中，木 材结构难以表现出较高的顺纹抗拉强度。木材的 疵病和缺陷（如木节、斜纹及开裂等）也会严重 降低其顺纹抗拉强度。 • 木材横纹抗拉强度很低，仅为顺纹抗拉强度的 1/10～1/40。
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木材的缺点:
• ①内部构造不均匀，具有明显的各向异性； • ②受环境湿度影响很大，具有显著的湿胀 干缩而使其变形、强度下降或腐朽破坏； • ③易燃、易腐蚀，需要可靠的表面保护； • ④木材的可利用资源有限。
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树木可分为针叶树和 阔叶树两大类。 针叶树的树叶多呈针 状，其树干一般通直而高 大，纹理平顺，材质均匀 而松软，故易于加工成材。 因此，由针叶树加工而成 的木材又称软木材。土木 工程中常用的软木材主要 是由杉木、冷杉、雪杉、 柏树、各种松木等加工而 成的木材。
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• 树木是由树皮、木质部和髓心所构成的整体。 • 木质部是树皮至中心的部分，靠近树皮的部分色 浅，称为边材；靠近髓心的部分色深，称为心材。 • 髓心位于树干的中心，它质地松软、强度低，易 受腐蚀和虫蛀。 • 横切面上颜色深浅相间的同心圆环称为年轮。在 同一年轮内：
–春天生长的木质颜色较浅，其材质松软，强度也较低， 故称为春材（或早材）； –夏秋二季生长的木质颜色较深，材质坚硬且强度较高， 故称为夏材（或晚材）。 –横切面上径向单位长度中，所含夏材宽度总和占全长 的百分率，称为夏材率。
第九章 木材
1.木材的腐蚀
• 木材腐蚀是由真菌或虫害所造成的内部结构 破坏。可腐蚀木材的常见真菌有霉菌、变色 菌和腐朽菌等。
–有些木材（如栋木、榆木）的春材中导管很大并成环 状排列的，称环孔材； –而有些木材（如桦木，锻木）中的导管大小差不多， 且散乱分布，其年轮不明显，被称为散孔材。
• 有无导管和髓线的粗细是鉴别阔叶树和针叶树的 重要特征。
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9.2木材的主要性能
• 9.2.1木材的化学性质 • 纤维素、半纤维素、木质素是木材细胞壁的主要组 成，其中纤维素占50％左右。此外，还有少量的油 脂、树脂、果胶质、蛋白质、无机物等等。由此可 见，木材的组成主要是一些天然高分子化合物。 • 木材的化学性质复杂多变。在常温下木材对稀的盐 溶液、稀酸、弱碱有一定的抵抗能力，但随着温度 升高，木材的抵抗能力显著降低。而强氧化性的酸、 强碱在常温下也会使木材发生变色、湿胀、水解、 氧化、酷化、降解交联等反应。在高温下即使是中 性水也会使木材发生水解等反应。
第九章 木材
（4）疵病
• 木材在生长、采伐和贮运过程中，均可能造成其 内部或表面的某些缺陷，这些缺陷统称为疵病。 木材的疵病主要有木节、斜纹、裂纹、腐朽和虫 害等。 • 木节可分为活节、死节、松软节、腐朽节等几种。 木节可使顺纹抗拉强度显著降低，而对顺纹抗压 强度影响较小。在木材承受横纹抗压或剪切时， 木节反而会增加其强度。
第九章 木材
木材的平衡含水率:
木材的平衡含水率是随周围环境温度及湿度而改变的可变参 数，不同温度和相对湿度条件下，木材的平衡含水率不同。 通常，新伐树木的木材 含水率一般在35％以上， 经风干后木材含水率为 15％～25％，室内干燥 的木材含水率为8％～15 ％。 木材的平衡含水率随其 所在地区不同而异，我 国北方为12％左右，南 方约为18％，长江流域 一般为 15％。