木材的力学性能

1．化学性质

化学组成——纤维素、木质素和半纤维素是构成细胞壁的主要成分，此外还有脂肪、树脂、蛋白质、挥发油以及无机化合物等。

木材对酸碱有―定的抵抗力，对氧化性能强的酸，则抵抗力差；对强碱，会产生变色、膨胀、软化而导致强度下降。―般液体的浸透对木材的影响较小。

2．物理性质

1）含水量

木材中的含水量以含水率表示，指所含水的质量占干燥木材质量的百分比。

木材内部所含水分，可分为以下三种。

（1）自由水。存在于细胞腔和细胞间隙中的水分。自由水的得失影响木材的表观密度、保存性、燃烧性、抗腐蚀性、干燥性、渗透性。

（2）吸附水。被吸附在细胞壁内细纤维间的水分。吸附水的得失影响木材的强度和胀缩。

（3）化合水。木材化学成分中的结合水。对木材性能无大影响。

纤维饱和点——指当木材中无自由水，仅细胞壁内充满了吸附水时的木材含水率。树种不同，纤维饱和点随之不同，―般介于25%～35%，平均值约为30%。纤维饱和点是木材物理力学性质发生变化的转折点。

平衡含水率——木材长期处于―定温、湿度的空气中，达到相对稳定（即水分的蒸发和吸收趋于平衡）的含水率。平衡含水率是随大气的温度和相对湿度的变化而变化的。

木材的含水率：新伐木材常在35%以上；风干木材在15%～25%；室内干燥木材在8%～15%。

2）湿胀、干缩的特点

当木材从潮湿状态干燥至纤维饱和点时，自由水蒸发，其尺寸不变，继续干燥时吸附水蒸发，则发生体积收缩。反之，干燥木材吸湿时，发生体积膨胀，直至含水量达纤维饱和点为止。继续吸湿，则不再膨胀，见图10．7．1。―般地，表观密度大的，夏材含量多的，胀缩就较大。

因木材构造不均匀，其胀缩具有方向性，同―木材，其胀缩沿弦向最大，径向次之，纤维方向最小，见图10．7．1。这主要是受髓线的影响，其次是边材的含水量高于心材含水量。

图10．7．1含水量对松木胀缩变形的影响

木材长期湿胀干缩交替，会产生翘曲开裂。因而潮湿的木材在加工或使用前应进行干燥处理，使木材的含水率达到平衡含水率，与将来使用的环境湿度相适应。

3．力学性质

木材的力学性质也具各向异性的特点。当受力方向与纤维方向―致时，为顺纹受力。当受力方向垂直于纤维方向时，为横纹受力。

木材中由厚壁细胞承担外力，这类细胞愈多，细胞壁愈厚，则强度愈高，因此，木材的表观密度愈大、夏材含量愈多，则强度愈高。

1）抗拉强度

木材顺纹受拉破坏，往往木纤维未被拉断，而纤维间先被撕裂。顺纹抗拉强度是木材所有强度中最大的，约为顺纹抗压强度的2～3倍。木材的疵点（木节、斜纹等）对顺纹抗拉强度影响很大，因而木材实际的顺纹抗拉能力反较顺纹抗压能力低。再者，木材受拉杆件连接处应力复杂，使顺纹抗拉强度难以充分利用。

木材横纹抗拉强度很小，仅为顺纹抗拉强度的2．5%～10%，工程中―般不使用。

2）抗压强度

（1）顺纹抗压。木材顺纹受压破坏是木材细胞壁丧失稳定性的结果，而非纤维的断裂。木材顺纹抗压强度较高，仅次于顺纹抗拉与抗弯强度，且木材的疵点对其影响甚小，因此这种强度在土木工程中利用最广。

（2）横纹抗压。这种受压作用，使木材的细胞腔被压扁，产生大量变形。开始时变形与外力成正比，超过比例极限时，细胞壁失去稳定，细胞腔被压扁。木材的横纹抗压强度以使用中所限制的变形量来决定，通常取其比例极限作为横纹抗压强度极限指标。横纹抗压强度―般为顺纹抗压强度的10%～20%。

3）抗弯强度

木材受弯曲时，内部应力复杂，在梁的上部受到顺纹抗压、下部为顺纹抗拉，而在水平面和垂直面中是剪应力。木材受弯时，受压区首先达到强度极限，出现小皱纹，但不立即破坏，随着外力增大，受压区皱纹扩展，产生大量塑性变形，受拉区达到强度极限时，纤维本身及纤维间联结断裂而导致破坏。

木材顺纹抗弯强度很高，为顺纹抗压强度的1．5～2倍，所以土木工程中应用很广。但木材疵病对其影响很大，特别是当它们分布在受拉区时。

4）抗剪强度

（1）顺纹抗剪。这种受剪作用，绝大部分纤维本身不破坏，而只破坏剪切面中纤维间的联结。所以顺纹抗剪强度很小，为顺纹抗压强度的15%～30%。木材中疵病对其影响显著。

（2）横纹抗剪。这种受剪作用，是剪切面中纤维的横向联结破坏，因此横纹抗剪强度比顺纹抗剪强度还低。

（3）横纹切断。这种剪切破坏是将木材纤维横向切断，因此这种强度较大，为顺纹抗剪强度的4～5倍。

为了便于比较，现将木材各种强度间数值大小关系列于表10．7．1中。

表10．7．1木材各种强度的大小关系

5）影响木材强度的主要因素

（1）含水量的影响。含水量在纤维饱和点以上变化时，木材强度不变；在纤维饱和点以下时，随含水量降低强度增大，反之则强度减小。见图10．7．2。

含水量的变化，对抗弯和顺纹抗压影响较大，对顺纹抗剪影响小，对顺纹抗拉几乎无影响。见图10．7．2。

图10．7．2含水量对木材强度的影响

l―顺纹受拉；2―弯曲；3―顺纹受压；4―顺纹受剪

（2）负荷时间的影响。木材对长期荷载的抵抗能力与暂时荷载不同，在长期荷载作用下木材产生蠕滑。最终产生大量变形。木材在长期荷载作用下不引起破坏的最大强度，称持久强度，―般为极限强度的50%～60%。

（3）温度的影响。木材随温度升高，强度降低。

（4）疵点（病）的影响。木材的疵点主要有木节、斜纹、裂纹、腐朽和虫害等。

木节分活节、死节、松软节、腐朽节等，活节影响较小。木节、斜纹它们对力学性能的影响见强度部分。

裂纹、腐朽、虫害等，造成木林构造的不连续性或组织破坏，严重影响木材的力学性质。