土木工程材料第九章 木材講述

1、第第9章章 木材木材 本章學習目標一般性了解木材物理力學性能及其應用。一般性了解木材物理力學性能及其應用。 重點重點是木材物理力學性能及其對土木工程應是木材物理力學性能及其對土木工程應用的影響。用的影響。 難點難點是木材的濕脹是木材的濕脹與與。F9.19.1木材的分類與構造木材的分類與構造F9.29.2木材的物理力學性質木材的物理力學性質 F9.39.3木材的防腐與防火木材的防腐與防火 F9.49.4木材的綜合利用木材的綜合利用 9.1 木材的分類與構造木材的分類與構造 v 9.1.1分類分類T木材產(chǎn)自木本植物中的喬木，分為木材產(chǎn)自木本植物中的喬木，分為和和兩大類。兩大類。T大部分大部分理直、

2、木質較軟、易加工、變形小，理直、木質較軟、易加工、變形小，建筑上廣泛用作承重構件和裝修材料，如杉樹、松樹建筑上廣泛用作承重構件和裝修材料，如杉樹、松樹等。等。T大部分大部分質密、木質較硬、加工較難、易翹裂、質密、木質較硬、加工較難、易翹裂、紋理美觀，適用于室內裝修，如水曲柳、核桃木等。紋理美觀，適用于室內裝修，如水曲柳、核桃木等。v按木材的用途和加工的不同，可以分為按木材的用途和加工的不同，可以分為原條、原木、原條、原木、普通鋸材普通鋸材和和枕木枕木等四類。等四類。v原條原條是指已經(jīng)去皮、根及樹梢，但尚未加工成規(guī)定是指已經(jīng)去皮、根及樹梢，但尚未加工成規(guī)定尺寸的木料。尺寸的木料。v原木原木是指由

3、原條按一定尺寸加工成規(guī)定直徑是指由原條按一定尺寸加工成規(guī)定直徑和長度的木材。和長度的木材。v普通鋸材普通鋸材是指已經(jīng)加工鋸解成材的木料。是指已經(jīng)加工鋸解成材的木料。v枕木枕木是指按枕木斷面和長度加工而成的木材。是指按枕木斷面和長度加工而成的木材。v 9.1.2 9.1.2 木材的構造木材的構造 1. 木材的宏觀構造木材的宏觀構造從木材三個不同切面觀察木材的宏觀構造可以看出，從木材三個不同切面觀察木材的宏觀構造可以看出，樹干由樹干由樹皮樹皮、木質部木質部、髓心髓心組成。組成。髓心髓心木質部木質部樹皮樹皮v 從木材的橫切面上看，有許多樹種的木材，靠近從木材的橫切面上看，有許多樹種的木材，靠近樹皮的

4、部分材色較淺，水分較多，稱為樹皮的部分材色較淺，水分較多，稱為邊材邊材。v 在髓心周圍部分，材色較深，水分較少，稱為在髓心周圍部分，材色較深，水分較少，稱為心心材材。v 每個生長周期所形成的木材，在橫每個生長周期所形成的木材，在橫切面上所看到的，圍繞著髓心構成的同切面上所看到的，圍繞著髓心構成的同心圓稱為心圓稱為。v 溫帶和寒帶樹木的生長期，一年僅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。形成一個生長輪就是年輪。v 在同一年輪內，生長季節(jié)早期所形在同一年輪內，生長季節(jié)早期所形成的木材，胞壁較薄、形體較大、顏色成的木材，胞壁較薄、形體較大、顏色較淺、材質較松軟稱為較淺、材質較松軟稱為

5、早材（春材）。早材（春材）。 v 到秋季形成的木材，胞壁較厚、組到秋季形成的木材，胞壁較厚、組織致密、顏色較深、材質較硬稱為織致密、顏色較深、材質較硬稱為晚材晚材（秋材）。（秋材）。年輪年輪2. 木材的微觀構造木材的微觀構造 v 木材的微觀構造是指借助光學顯微鏡觀察的結構。木材的微觀構造是指借助光學顯微鏡觀察的結構。各種木材的微觀構造是各式各樣的。各種木材的微觀構造是各式各樣的。v 針葉樹針葉樹顯微構造簡單而規(guī)則，它主要由顯微構造簡單而規(guī)則，它主要由管胞管胞和和髓線髓線組成針葉材的木射線一般較細且在肉眼下不可見。組成針葉材的木射線一般較細且在肉眼下不可見。v 一般，針葉材的年輪界明顯，早、晚材

6、區(qū)別明顯。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，顏色較早材壁薄腔大，顏色較淺，晚材則壁厚腔小，顏色較深。深。v闊葉材的顯微構造較復雜，其細胞主要有闊葉材的顯微構造較復雜，其細胞主要有導管導管、木木纖維纖維、木射線木射線和和軸向薄壁組織軸向薄壁組織等。等。v 闊葉材因管孔大小和分布不同分為闊葉材因管孔大小和分布不同分為環(huán)孔材環(huán)孔材、散孔材散孔材和和半環(huán)孔材（半散孔材）半環(huán)孔材（半散孔材）。v 環(huán)孔材的早材管孔明顯比晚材管孔大；散孔材的早、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；晚材的管孔的大小沒有明

7、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，但界限不明半環(huán)孔材是指早材管孔到晚材管孔漸變，但界限不明顯。顯。v 有無導管是區(qū)分闊葉材和針葉材的重要標志。有無導管是區(qū)分闊葉材和針葉材的重要標志。9.2 9.2 木材的物理力學性質木材的物理力學性質v 9.2.1密度與表觀密度密度與表觀密度 是指構成木材細胞壁物質的密度。是指構成木材細胞壁物質的密度。約為約為 1.501.501.56 g1.56 gcmcm3 3，各材種之間相差不大，實際，各材種之間相差不大，實際計算和使用中常取計算和使用中常取1.53 g/cm1.53 g/cm3 3。則歲木材空隙率、含水率及其他一則歲木材空隙率

8、、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干縮率有越大。處于氣干狀態(tài)下的木材表觀密度平均為為500Kg/m500Kg/m3 3。v 9.2.2含水率與吸濕性含水率與吸濕性 是木材中水分質量占干燥木材質量的百是木材中水分質量占干燥木材質量的百分比。分比。 木材中的水分按其與木材結合形式和存在的位置，可木材中的水分按其與木材結合形式和存在的位置，可分為：分為：自由水自由水、吸附水吸附水和和化學結合水化學結合水。 自由水自由水是存在于木材細胞腔和細胞間隙中的水，它影是存在于木材細胞腔和細胞

9、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；響木材的表觀密度、抗腐蝕性、燃燒性和干燥性； 吸附水吸附水是被吸附在細胞壁內纖維之間的水，吸附水的是被吸附在細胞壁內纖維之間的水，吸附水的變化則影響木材強度和木材脹縮變形性能；變化則影響木材強度和木材脹縮變形性能； 化學結合水化學結合水即為木材中的化合水，它在常溫下不變化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無影響。故其對木材的性質無影響。 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，先是細胞壁吸水，細胞壁吸水達飽和后，自木材受潮時，先是細胞壁吸水，細胞壁吸水

10、達飽和后，自由水才開始吸入。由水才開始吸入。 木材的纖維飽和點木材的纖維飽和點當木材中無自由水，而細胞壁內吸附水達到飽和時，當木材中無自由水，而細胞壁內吸附水達到飽和時，這時的木材含水率稱為纖維飽和點。木材的纖維飽和點隨這時的木材含水率稱為纖維飽和點。木材的纖維飽和點隨樹種而異，一般介于樹種而異，一般介于2323 3232之間，通常取之間，通常取3030。 纖維飽和點是木材性質變化的轉折點。纖維飽和點是木材性質變化的轉折點。在纖維飽和點之在纖維飽和點之上，含水量變化是自由水含量的變化，它對木材強度和體上，含水量變化是自由水含量的變化，它對木材強度和體積影響甚微；在纖維飽和點之下，含水量變化即吸

11、附水含積影響甚微；在纖維飽和點之下，含水量變化即吸附水含量的變化將對木材強度和體積等產(chǎn)生較大的影響量的變化將對木材強度和體積等產(chǎn)生較大的影響。木材的平衡含水率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，當木材長時間處于一定溫度和濕度的環(huán)境中時，改變的，當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到與周圍環(huán)境濕度相平衡，這時木材中的含水量最后會達到與周圍環(huán)境濕度相平衡，這時木材的含水率稱為平衡含水率。木材的含水率稱為平衡含水率。 木材的平衡含水率是木材進行干燥時的重要指標木材的平衡含水率是木材進行干燥時的

12、重要指標。木木材的平衡含水率隨其所在地區(qū)的不同而異，我國北方為材的平衡含水率隨其所在地區(qū)的不同而異，我國北方為1212左右，南方約為左右，南方約為1818，長江流域一般為，長江流域一般為 1515。 v 9.2.3濕脹與干縮變形濕脹與干縮變形 木材具有顯著的濕脹干縮性。木材含水木材具有顯著的濕脹干縮性。木材含水率在纖維飽和點以下時吸濕具有明顯的膨率在纖維飽和點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脹變形現(xiàn)象，解吸時具有明顯的收縮變形現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 當木材的含水率在纖維飽和點以下時，當木材的含水率在纖維飽和點以下時，隨著含水率的增大，木材體積產(chǎn)生膨脹；隨著含水率的增大，木材體積

13、產(chǎn)生膨脹；含水率減小，木材體積收縮；而當木材含含水率減小，木材體積收縮；而當木材含水率在纖維飽和點以上，只是自由水增減水率在纖維飽和點以上，只是自由水增減變化時，木材的體積不發(fā)生變化。纖維飽變化時，木材的體積不發(fā)生變化。纖維飽和點是木材發(fā)生濕脹干縮變形的轉折點。和點是木材發(fā)生濕脹干縮變形的轉折點。木材含水率與脹縮變形關系木材含水率與脹縮變形關系v 木材具有各向異性，各個方向的干木材具有各向異性，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和開裂等現(xiàn)象木材的干縮濕脹變形

14、還隨樹種不同而異。木材的密度大的、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。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系木材含水率與脹縮變形關系v 9.2.4木材的強度及其影響因素木材的強度及其影響因素 工程上常利用木材的以下幾種強度：抗壓、抗拉、工程上常利用木材的以下幾種強度：抗壓、抗拉、抗彎和抗剪。由于木材是一種非均質材料，具有各向抗彎和抗剪。由于木材是一種非均質材料，具有各向異性，使木材的強度有很強的方向性。木材各強度大異性，使木材的強度有很強的方向性。木材各強度大小的比值關系見下表：小的比值關系見下表： 木材各項強度值的比較木材各項強度值的比較(

15、(以順紋抗壓強度為以順紋抗壓強度為1)1)順紋順紋抗壓抗壓 橫紋抗壓橫紋抗壓 順紋順紋抗拉抗拉 橫紋抗拉橫紋抗拉 抗彎抗彎 順紋抗順紋抗剪剪 橫紋橫紋切斷切斷 11/101/3 23 1/201/3 3/22 1/71/3 1/21 木材強度的影響因素主要有：木材強度的影響因素主要有：含水率、環(huán)境含水率、環(huán)境溫度、負荷時間、表觀密度、疵病等溫度、負荷時間、表觀密度、疵病等含水率的影響含水率的影響木材的含水率在纖維飽和點以內變化時，含水量增木材的含水率在纖維飽和點以內變化時，含水量增加使細胞壁中的木纖維之間的聯(lián)結力減弱、細胞壁軟加使細胞壁中的木纖維之間的聯(lián)結力減弱、細胞壁軟化，故強度降低；當水分

16、減少使細胞壁比較緊密，故化，故強度降低；當水分減少使細胞壁比較緊密，故強度增高。強度增高。含水率的變化對各強度的影響是不一樣的。對順含水率的變化對各強度的影響是不一樣的。對順紋抗壓強度和抗彎強度的影響較大，對順紋抗拉強度紋抗壓強度和抗彎強度的影響較大，對順紋抗拉強度和順紋抗剪強度影響較小。測定木材強度時規(guī)定和順紋抗剪強度影響較小。測定木材強度時規(guī)定12%為標準含水率。為標準含水率。環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度的影響木材隨環(huán)境溫度升高會降低木材隨環(huán)境溫度升高會降低。當溫度由。當溫度由25升到升到50時，針葉樹抗拉強度降低時，針葉樹抗拉強度降低1015，抗壓強度降低，抗壓強度降低2024。當木材長期處于

17、。當木材長期處于60100溫度下時，會引起水溫度下時，會引起水分和所含揮發(fā)物的蒸發(fā)，而呈暗褐色，強度下降，變形增分和所含揮發(fā)物的蒸發(fā)，而呈暗褐色，強度下降，變形增大。溫度超過大。溫度超過140時，木材中的纖維素發(fā)生熱裂解，色漸時，木材中的纖維素發(fā)生熱裂解，色漸變黑，強度明顯下降。因此，長期處于高溫的建筑物，不變黑，強度明顯下降。因此，長期處于高溫的建筑物，不宜采用木結構。宜采用木結構。負荷時間的影響負荷時間的影響 木材的長期承載能力遠低于暫時承載能力木材的長期承載能力遠低于暫時承載能力。這是因為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)在長期承載情況下，木材會發(fā)生纖維等速蠕滑，

18、累積后產(chǎn)生較大變形而降低了承載能力的結果。生較大變形而降低了承載能力的結果。 木材在長期荷載作用下不致引起破壞的最大強度，稱木材在長期荷載作用下不致引起破壞的最大強度，稱為持久強度為持久強度。木材的持久強度比其極限強度小得多，一般木材的持久強度比其極限強度小得多，一般為極限強度的為極限強度的5060。一切木結構都處于某一種負荷。一切木結構都處于某一種負荷的長期作用下，因此在設計木結構時，應考慮負荷時間對的長期作用下，因此在設計木結構時，應考慮負荷時間對木材強度的影響。木材強度的影響。 木材的疵病木材的疵病 木材在生長、采伐及保存過程中，會產(chǎn)生內部和外木材在生長、采伐及保存過程中，會產(chǎn)生內部和外

19、部的缺陷，這些缺陷統(tǒng)稱為疵病。部的缺陷，這些缺陷統(tǒng)稱為疵病。木材的疵病主要有木材的疵病主要有木木節(jié)節(jié)、斜紋斜紋、腐朽腐朽及及蟲害蟲害等，這些疵病將影響木材的力學等，這些疵病將影響木材的力學性質，但同一疵病對木材不同強度的影響不盡相同。性質，但同一疵病對木材不同強度的影響不盡相同。木節(jié)木節(jié)分為分為活節(jié)、死節(jié)、松軟節(jié)、腐朽節(jié)活節(jié)、死節(jié)、松軟節(jié)、腐朽節(jié)等幾種，活節(jié)影等幾種，活節(jié)影響最小。木節(jié)使木材順紋抗拉強度顯著降低，對順紋抗壓響最小。木節(jié)使木材順紋抗拉強度顯著降低，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)反而增加其強度。強度。 斜紋為木纖

20、維與樹軸成一定夾角斜紋為木纖維與樹軸成一定夾角，斜紋木材嚴重降低其，斜紋木材嚴重降低其順紋抗拉強度，抗彎次之，對順紋抗壓強度影響較小。裂順紋抗拉強度，抗彎次之，對順紋抗壓強度影響較小。裂紋、腐朽、蟲害等疵病，會造成木材構造的不連續(xù)性或破紋、腐朽、蟲害等疵病，會造成木材構造的不連續(xù)性或破壞其組織，因此嚴重影響木材的力學性質，有時甚至能使壞其組織，因此嚴重影響木材的力學性質，有時甚至能使木材完全失去使用價值。木材完全失去使用價值。 v 木材的疵病木材的疵病9.3 9.3 木材的防腐與防火木材的防腐與防火 木材作為土木工程材料，最大缺點是容易腐朽、蟲柱木材作為土木工程材料，最大缺點是容易腐朽、蟲柱和

21、燃燒，因此大大地縮短了木材的使用壽命，并限制了它和燃燒，因此大大地縮短了木材的使用壽命，并限制了它的應用范圍。采取措施來提高木材的耐久性，對木材的合的應用范圍。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。理使用具有十分重要的意義。v 9.3.19.3.1木材的腐朽與防腐木材的腐朽與防腐1.1. 木材的腐朽木材的腐朽 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：生存和繁殖，必須同時具備四個條件： 溫度適宜；溫度適宜；木木材含水率適當；材含水率適當；有足夠的空氣；有足夠的空氣；適當?shù)酿B(yǎng)料。適當

22、的養(yǎng)料。 真菌生長最適宜溫度是真菌生長最適宜溫度是25253030，最適宜含水率在木材纖，最適宜含水率在木材纖維飽和點飽和點左右，含水率低于維飽和點飽和點左右，含水率低于2020時，真菌難于生長，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。出廢氣。 破壞性真菌所需養(yǎng)分是破壞性真菌所需養(yǎng)分是。2、木材的防腐與防蟲、木材的防腐與防蟲根據(jù)木材產(chǎn)生腐朽的原因，木材防腐有根據(jù)木材產(chǎn)生腐朽的原因，木材防腐有兩種方法兩種方法： 創(chuàng)造條件，使木材不適于真菌的寄生和繁殖；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

23、的物質，使其不能作真菌的養(yǎng)料。把木材變成有毒的物質，使其不能作真菌的養(yǎng)料。 ( 木材防腐的基本方法木材防腐的基本方法破壞真菌生存的條件破壞真菌生存的條件注入化學防腐劑注入化學防腐劑木材常用防腐、防蟲劑的種類木材常用防腐、防蟲劑的種類 和配方和配方 免漆復合門 將木材保持在很高的含水率，木材由于缺乏空氣而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，從而達到防腐的目的。如破壞了真菌生存所需的條件，從而達到防腐的目的。如 或者將木材進行干燥，使其含水率降至或者將木材進行干燥，使其含水率降至 2020以下以下（即（即）。在儲存和使用木材時要注意通風和排）。在儲存和使用木材時要

24、注意通風和排濕。對木材構件表面應刷以油漆，使木材隔絕空氣和水汽。濕。對木材構件表面應刷以油漆，使木材隔絕空氣和水汽。 破壞真菌生存的條件破壞真菌生存的條件 注入化學防腐劑注入化學防腐劑將化學防腐劑注入木材內，把木材變成對真菌有毒將化學防腐劑注入木材內，把木材變成對真菌有毒的物質，使真菌無法生存。這是木材的化學保管法。注人的物質，使真菌無法生存。這是木材的化學保管法。注人防腐劑的方法很多，通常有防腐劑的方法很多，通常有表面涂刷法、表面噴涂法、浸表面涂刷法、表面噴涂法、浸漬法、冷熱槽浸透法、壓力滲透法漬法、冷熱槽浸透法、壓力滲透法等，其中以冷熱槽浸透等，其中以冷熱槽浸透法和壓力滲透法效果最好。常用

25、防腐劑的種類有：法和壓力滲透法效果最好。常用防腐劑的種類有： A. A. 水溶性防腐劑水溶性防腐劑能溶于水，應用方便，主要用于能溶于水，應用方便，主要用于房屋內部，如氟化鈉、氯化鋅、硫酸銅、硼鉻合劑、硼酚房屋內部，如氟化鈉、氯化鋅、硫酸銅、硼鉻合劑、硼酚合劑等。合劑等。B. B. 油溶性防腐劑油溶性防腐劑能溶于油不溶于水，可用于室外能溶于油不溶于水，可用于室外藥效持久，如林丹五氨酸合劑。藥效持久，如林丹五氨酸合劑。C. C. 防腐油防腐油不溶于水，藥效持久，但有臭味，且呈暗不溶于水，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。等），如煤焦油等。v 9.3.2 9.3.2木材的防火木材的防火 木材是可燃性建筑材料。在木材被加熱過程中，析出可木材是可燃性建筑材料。在木材被加熱過程中，析出可燃氣體，隨著溫度不同，析出的可燃氣濃度也不同，此時燃氣體，隨著溫度不同，析出的可燃氣濃度也不同，此時若遇火源，析出的可燃氣也會出現(xiàn)閃燃、引燃。若無火源，若遇火源，析出的可燃氣也會出現(xiàn)閃燃、引燃。若無火源，只要加熱溫度足夠高，也會發(fā)生自燃現(xiàn)象。只要加熱溫度足夠高，也會發(fā)生自燃現(xiàn)象。 對木材及其制品的防火保護有對木材及其制品的防火保護有浸漬浸漬添加阻燃劑添加阻燃劑和和覆蓋覆蓋三三種方法。種方法