第二章2木材的基本結(jié)構(gòu)和性能

1、第二章第二章 木材的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)木材的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)木材木材生物復(fù)合材料生物復(fù)合材料 木材是一種通過樹木自身生長（光合作用，吸收二氧化碳CO2和水 ），以生物方式復(fù)合而成的高強重比 “纖維增強材料”。 2.1 木材的結(jié)構(gòu)木材的結(jié)構(gòu) 2.1.1 木材的宏觀結(jié)構(gòu)木材的宏觀結(jié)構(gòu) 2.1.2 木材的微觀結(jié)構(gòu)木材的微觀結(jié)構(gòu) 2.2 木材的物理性質(zhì)木材的物理性質(zhì) 2.2.1木材的密度木材的密度 2.2.2 木材中的水分木材中的水分 2.2.3 木材的熱學(xué)性質(zhì)木材的熱學(xué)性質(zhì)木材的耐火性木材的耐火性 在加熱情況下，木材加熱到180左右，就有一氧化碳CO（27.88%）、氫H2（4.21%）、甲烷CH4（11

2、.36%）、乙烷C2H6（3.09%）和乙烯C2H4（3.72%）等可燃性氣體釋放出；此外還有不燃性氣體二氧化碳CO2（50.74%）釋出。此時若將木材靠近火焰口，這些氣體就能產(chǎn)生瞬間火焰，但這種火焰不能持續(xù)，因為木材在此階段中是吸熱反應(yīng)，此點溫度稱之為引火點溫度。 250290時，木材開始產(chǎn)生放熱反應(yīng)，分解出更多易燃性氣體，氣體能產(chǎn)生持續(xù)的火苗，但仍不是木材本身的燃燒。把產(chǎn)生這種火苗的燃燒狀態(tài)叫無火苗著火，把這一溫度稱著火點溫度。 350450時，木材能自動著火，把這一溫度叫做發(fā)火點溫度。 木材的燃燒與木材的導(dǎo)熱性、密度、內(nèi)含物等因素有關(guān)，與木材的形狀、斷面積、表面平滑度和含水率等因素也有關(guān)

3、。 大斷面的木材耐火性能，與木材固有的物理性質(zhì)有關(guān)： 高比熱容材料達到著火點時需較多能量； 多孔性材料熱傳導(dǎo)率低，對炭化和火焰的貫通抵抗力強； 不產(chǎn)生金屬材料所具有的變形； 表面易形成炭化層，由此阻止氧的供給，同時消耗了大量熱量，阻止熱的透過； 靠木材中水的汽化潛熱，阻止材料溫度上升等等。 某自行車館為二級耐火等級建筑，地上三層，建筑平面為橢圓形。結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋面為鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。木質(zhì)賽道位于該館二層橢圓形平面的中央，人員集中的觀眾入口大廳設(shè)于該層?xùn)|西兩側(cè)。某自行車館木質(zhì)賽道的試驗研究p本實驗主要通過實體火災(zāi)試驗研究自行車館木賽道的燃燒特性，包括全尺寸火災(zāi)試驗和木賽道材料的

4、錐型量熱計試驗。p通過試驗得到了木賽道的熱釋放速率、CO和CO2的產(chǎn)生速率等燃燒特性參數(shù)。試 驗 背 景獲取木賽道燃燒特性參數(shù)燃燒熱值、熱釋放速率、CO、CO2等熱分解氣體的產(chǎn)生速率等；為該自行車館的火災(zāi)數(shù)值模擬、煙氣流動預(yù)測以及人員安全疏散分析提供邊界條件；為確定該自行車館屋頂鋼結(jié)構(gòu)防火措施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。試 驗 目 的錐形量熱計錐形量熱計錐形量熱計實驗實驗設(shè)備 1）點燃時間本次2組實驗的點燃時間見下表。 由上表看出，在同一輻射熱通量下，木材厚度的增加使得點燃時間延遲。錐形量熱計實驗實驗過程 2）單位面積熱釋放速率由右圖可見，在1#試驗開始后70s，木材的燃燒熱釋放速率出現(xiàn)第一次峰值，為

5、90kW/m2，而后有所下降。在90s時，熱釋放速率再次增長，并在130s時出現(xiàn)第二次峰值，為118kW/m2。此后熱釋放速率一直緩慢減小直至實驗結(jié)束。1 1實驗實驗50kW/m50kW/m2 2輻射熱通量輻射熱通量下的熱釋放速率下的熱釋放速率 錐形量熱計實驗實驗過程 2）單位面積熱釋放速率2 2實驗實驗50kW/m50kW/m2 2輻射熱通量輻射熱通量下的熱釋放速率下的熱釋放速率 2#2#試驗的熱釋放速率試驗的熱釋放速率變化趨勢與變化趨勢與1#1#試驗相似，試驗相似，但出現(xiàn)峰值時間及峰值大但出現(xiàn)峰值時間及峰值大小有所差別。試驗開始后小有所差別。試驗開始后84s84s，熱釋放速率出現(xiàn)第一，熱釋

6、放速率出現(xiàn)第一次峰值，為次峰值，為106kW/m106kW/m2 2；在在196s196s時出現(xiàn)第二次峰值，時出現(xiàn)第二次峰值，為為117kW/m117kW/m2 2。錐形量熱計實驗實驗過程 在50kW/m2的輻射熱通量下，木材不易被引燃。在同一輻射熱通量下，木材厚度的增加可使點燃時間延遲。在50kW/m2的輻射熱通量下，2個木材試樣的總釋放熱量分別為13.2 MJ/m2和23.6 MJ/m2，平均有效燃燒熱分別為9.1 MJ/kg和8.43 MJ/kg。在50kW/m2的輻射熱通量下，2個木材試樣的平均CO2生成率相當。試樣厚度的增加會使其平均比減光面積大幅減小。木材點燃后，熱釋放速率會出現(xiàn)一

7、個由于易燃熱解物快速燃燒而產(chǎn)生的峰值。木材的炭化會導(dǎo)致釋熱速率逐步減小，如木材足夠厚，熱釋放速率將處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)。對于一定厚度的木材，剩余木材的溫度在燃燒結(jié)束前會迅速升高，從而產(chǎn)生釋熱速率的第二個峰值。錐形量熱計實驗實驗結(jié)論 p木賽道放置在地面上，木賽道內(nèi)部放置8個0.2m2.5m0.12m的 油盤，每個油盤注入2.5 L正庚烷，見右圖。大型量熱器實驗介紹實驗大型量熱器實驗介紹實驗 1 1木賽道試樣放置在腳手架上，腳手架高4.6m。試樣內(nèi)部放置2個0.2m2.5m0.12m油盤，每個油盤注入4.0L正庚烷，見右圖。木材含水率為15.1%。大型量熱器實驗介紹實驗 3大型量熱器實驗介紹實驗 3

8、 p火源上方煙氣層火源上方煙氣層溫度隨時間的變溫度隨時間的變化見右圖?；娪覉D。p木賽道燃燒時的木賽道燃燒時的煙氣最高溫度為煙氣最高溫度為88 。 煙氣溫度隨時間的變化煙氣溫度隨時間的變化 大型量熱器實驗介紹實驗大型量熱器實驗介紹實驗 1 1p熱釋放速率隨時間的變化，見右圖。p木賽道試樣在正庚烷燃燒完畢后燃燒較平穩(wěn)，熱釋放速率在800 s左右時達到1.8MW的峰值，1020 s后熱釋放速率開始略有降低。 熱釋放速率隨時間的變化熱釋放速率隨時間的變化大型量熱器實驗介紹實驗大型量熱器實驗介紹實驗 1 1結(jié) 論1）根據(jù)實驗所獲數(shù)據(jù)，木質(zhì)賽道的火災(zāi)危險性較小，不會明顯增加自行車館的火災(zāi)荷載。2）賽道用

9、木材在燃燒過程中的發(fā)煙量較小，對人員安全疏散的影響較小。3）自行車館內(nèi)只要配置必要的消防系統(tǒng)，可有效探測和撲滅木質(zhì)賽道的初起火災(zāi)。2.2.4 木材的介電性質(zhì)木材的介電性質(zhì) 2.2.4.1 介電常數(shù)介電常數(shù) 介電常數(shù)是表明木材在交變電場下介質(zhì)極化和儲存電能能力的一個物理量。木材的介電常數(shù)是在交變電場中，以木材為介質(zhì)所得電容量(Cw)和在相同條件下以真空為介質(zhì)所得電容量（C0）之比值，用表示。 當電壓固定不變時， CwQw/V C0=Q0V = Cw/C0= Qw/Q0 式中：Q電容器每一塊式極板的電量； V電容器兩極板間的電勢差。 2.2.4.2 木材介電性質(zhì)與木材加工的關(guān)系木材介電性質(zhì)與木材加

10、工的關(guān)系 2.2.5 木材的聲學(xué)性質(zhì)木材的聲學(xué)性質(zhì) 2.2.5.1 木材的傳聲特性木材的傳聲特性 2.2.5.2 木材的振動特性木材的振動特性2.3 木材的力學(xué)性質(zhì)木材的力學(xué)性質(zhì) 2.3.1 木材的主要力學(xué)性質(zhì)木材的主要力學(xué)性質(zhì) 2.3.1.1 木材的抗拉強度木材的抗拉強度 2.3.1.2木材的抗壓強度木材的抗壓強度 2.3.1.3 木材的抗彎強度和抗彎彈性模量木材的抗彎強度和抗彎彈性模量 2.3.1.4 木材的抗剪強度木材的抗剪強度 2.3.1.5 木材的硬度木材的硬度 2.3.1.6 木材的沖擊韌性木材的沖擊韌性 2.3.1.7 木材的變定木材的變定 2.3.1.8 木材的斷裂木材的斷裂

11、2.3.2 木材力學(xué)性質(zhì)的各向異性木材力學(xué)性質(zhì)的各向異性 2.3.3 長期荷載作用下木材的力學(xué)行為長期荷載作用下木材的力學(xué)行為 木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件在長期承受靜荷載時，其木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件在長期承受靜荷載時，其木構(gòu)件的變形將逐漸增加。若荷載很小，木構(gòu)件的變形將逐漸增加。若荷載很小，經(jīng)過一段時間后，變形就不再增加；當荷經(jīng)過一段時間后，變形就不再增加；當荷載超過某極限值時，變形不但隨時間而增載超過某極限值時，變形不但隨時間而增加，甚至使木構(gòu)件破壞。因此，在木結(jié)構(gòu)加，甚至使木構(gòu)件破壞。因此，在木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計計算建筑設(shè)計計算變形或應(yīng)變變形或應(yīng)變時，必須考慮木時，必須考慮木構(gòu)件在構(gòu)件在長期荷載長期荷載下產(chǎn)生應(yīng)力的

12、情況，變形下產(chǎn)生應(yīng)力的情況，變形隨時間而增加的性質(zhì)，即隨時間而增加的性質(zhì)，即彈性和黏性彈性和黏性的兩的兩個性質(zhì)在木構(gòu)件承受荷載時，應(yīng)同時予以個性質(zhì)在木構(gòu)件承受荷載時，應(yīng)同時予以考慮，這就是考慮，這就是木材的黏彈性或流變學(xué)性質(zhì)木材的黏彈性或流變學(xué)性質(zhì)。長期荷載對木材力學(xué)性質(zhì)的影響長期荷載對木材力學(xué)性質(zhì)的影響 對于所有的材料來說，其強度都與加載速率與加載時間有關(guān)。對于大多數(shù)材料來說這個影響較小，但對于木材來說持續(xù)載荷對強度的影響極大，在工程設(shè)計中時必須考慮的因素。強度的設(shè)計必須經(jīng)過預(yù)知載荷所造成的削減因素的修正。對于實木來說，十年的持續(xù)載荷將使其強度降低40%。2.3.3.1 木材的蠕變木材的蠕變

13、 在恒定的應(yīng)力下，木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件應(yīng)變隨時間而增加，稱為蠕變。若梁承受的恒載為最大瞬時恒載的60，受蠕變的影響，大約一年就破壞了。木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件使用時承受不超過比例極限的荷載，由于蠕變而形成一持續(xù)的、速度是遞減的變形，直到破壞時所發(fā)生的變形約2倍于前一種情況的變形；當其它情況相同時，木材因長期恒載而產(chǎn)生應(yīng)力，試驗證明此應(yīng)力并不影響木構(gòu)件的破壞強度。 從木材的微觀結(jié)構(gòu)來看，它是既有彈性又有塑性。圖28為木材的蠕變曲線，它是在to時給予木材應(yīng)力，便立即產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形OA，在此應(yīng)力作用下，隨時間的推移而產(chǎn)生蠕變AB。在時間t1時解除應(yīng)力，便立即產(chǎn)生彈性恢復(fù)BC1(=OA)；至t2又出現(xiàn)部分的蠕變恢

14、復(fù)，即從C1回到D，恢復(fù)的變形是C1C2；t2以后進一步的恢復(fù)不大，可以忽略不計。因此，DE便是荷載卸載循環(huán)終結(jié)時殘留的永久變形。在時間t2的殘存變形中，包括全部蠕變恢復(fù)量及永久變形，后者從to到t1止，沿OC直線增加。一個物體按照圖28的曲線變化的性質(zhì)，稱為“黏彈性”。木材的蠕變曲線木材的蠕變曲線 溫度對蠕變的影響溫度對蠕變的影響 根據(jù)木材的剪切和彎曲試驗，當空氣的溫度和濕度增加時，木材的總變形及變形的速度也增加。 隨著木材隨著木材含水率含水率的增加，木材的的增加，木材的塑性塑性和變形和變形會隨之增加。會隨之增加。 2.3.3.2 木材的塑性變形木材的塑性變形 木材屬于高分子結(jié)構(gòu)的材料，它在

15、受外力作用時有三種變形：瞬時彈性變形、彈性后效變形及塑性變形。木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件承載時，產(chǎn)生與加荷速度相適應(yīng)的變形稱為瞬時彈性變形，它服從于虎克定律。加荷過程終止，木材立即產(chǎn)生隨時間遞減的彈性變形，也稱黏彈性變形，是因纖維素分子鏈的卷曲或伸展促成，這種變形也是可逆的。纖維素分子鏈因荷載而彼此滑動所造成的變形，稱為塑性變形，不可逆轉(zhuǎn)。2.3.3.3木材的松弛木材的松弛 木材這類黏彈性材料在外力作用下產(chǎn)生變形，長時間觀測就會發(fā)現(xiàn)，如果變形不變，對應(yīng)此恒定變形的應(yīng)力會隨著時間延長而逐漸減小，木材這種恒定應(yīng)變條件下應(yīng)力隨著時間延長而逐漸減小的現(xiàn)象稱之為應(yīng)力松弛現(xiàn)象。木材松弛曲線木材松弛曲線2.3.4 影響

16、木材力學(xué)性質(zhì)的因素影響木材力學(xué)性質(zhì)的因素 2.3.4.1 水分的影響水分的影響 2.3.4.2 木材密度的影響木材密度的影響 2.3.4.3 溫度的影響溫度的影響 2.3.4.4 缺陷的影響缺陷的影響2.4 木材的化學(xué)性質(zhì)木材的化學(xué)性質(zhì) 木材是由天然形成的有機物質(zhì)構(gòu)成的，屬于高分子化合物。要研究木材作為木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的基本性能，首先要了解組成木材的化學(xué)成分及其化學(xué)性質(zhì)。 2.4.1 木材的化學(xué)成分木材的化學(xué)成分2.4.2 纖維素對木材材性的影響纖維素對木材材性的影響 2.4.2.1 纖維素對木材斷裂的影響纖維素對木材斷裂的影響 木材的斷裂與纖維素結(jié)晶度高低、微晶大小和微晶取向度等有密切的關(guān)系。

17、當纖維素受到拉伸外力作用后，分子鏈會沿著外力方向平行排列起來而產(chǎn)生擇優(yōu)取向，分子間的相互作用力會大大加強，其結(jié)果對木材斷裂強度、斷裂韌性、彈性模量產(chǎn)生顯著的影響。 2.4.2.2 纖維素對木材尺寸穩(wěn)定性的影響纖維素對木材尺寸穩(wěn)定性的影響 2.4.3 木材的酸堿性質(zhì)木材的酸堿性質(zhì) 2.4.3.1 木材的木材的PH值值 2.4.3.2 木材的緩沖容量木材的緩沖容量 2.5 木材的表面性質(zhì)木材的表面性質(zhì) 2.5.1 木材的潤濕性木材的潤濕性 2.5.2 木材的耐候性木材的耐候性 2.6 木材的環(huán)境學(xué)特性木材的環(huán)境學(xué)特性 2.6.1木材的視覺特性木材的視覺特性 2.6.2 木材的觸覺特性木材的觸覺特性

18、 2.6.3 木材的調(diào)濕特性木材的調(diào)濕特性第三章第三章 結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料性能的無損檢測結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料性能的無損檢測 本章概括性介紹結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料的無損檢測與評價原理、技術(shù)及設(shè)備。主要介紹幾種常見的無損檢測與評價方法，包括橫向振動法、應(yīng)力波法、聲發(fā)射法、射線法。表3-1 木質(zhì)材料力學(xué)性能無損檢測技術(shù)主要方法主要方法檢測原理檢測原理機械應(yīng)力檢測機械應(yīng)力檢測采用機械方法施加恒定變形(或載荷)于被測試樣上，測得相應(yīng)的載荷(或變形)，由計算機系統(tǒng)算出試樣的彈性模量，并推測靜曲強度。振動檢測振動檢測通過施加外力使試樣產(chǎn)生橫向振動之后，通過傳感器測取試樣的自由振動頻率，計算出試樣的彈性模量。沖擊應(yīng)力波檢測沖擊

19、應(yīng)力波檢測檢測通過試樣的縱向應(yīng)力波的速度，結(jié)合試樣的密度，確定出試樣的彈性模量，對靜曲強度及內(nèi)結(jié)合強度等也可進行有效的預(yù)測。射線檢測射線檢測以射線透射木質(zhì)材料，用射線接收傳感器直接測量窄小范圍內(nèi)透過試樣前后射線強度的變化，根據(jù)射線衰減率以及試樣的平均吸收系數(shù)推算出木材的密度。進而推測力學(xué)性能。超聲波檢測超聲波檢測通過測定超聲波經(jīng)過試樣預(yù)定距離的傳播時間計算平均波速，然后可利用波速和密度計算試樣的彈性模量。表3-2 規(guī)格材應(yīng)力分等方法主要方法主要方法分等原理分等原理目測分等目測分等主要根據(jù)木材表面的節(jié)子、紋理、開裂、和腐朽等木材缺陷，在目測觀察的基礎(chǔ)上預(yù)測木材等級的方法。機械分等機械分等根據(jù)木材

20、根據(jù)木材變形變形由機械連續(xù)測量木材的變形，計算木材的靜彈性模量，并從彈性模量和強度的關(guān)系，推測木材的強度值。根據(jù)振動根據(jù)振動特性特性由木材的振動特性得出固有頻率，計算木材的動彈性模量，并根據(jù)與強度的關(guān)系，推測木材的強度值。3.1力學(xué)性能測試原始方法 3.1.1中心點單載荷彎曲測定法中心點單載荷彎曲測定法 圖 1為中心點單載荷彎曲測定法（亦稱：三點彎曲測試法）的示意圖。木質(zhì)材料試件被簡支在兩端，一個載荷施加在試件中間點并垂直于試件。測定載荷大小和試件中間點的變形量。試件彎曲彈性模量(MOE)可以通過下面方程式計算得到。 式中： P載荷（N）, L兩支承間距（m）， I試件慣性距（m4）， 試件中間點變形（m）。IPLMOE483圖 1 中心