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(zhǎng)（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(qiáng)重比 “纖維增強(qiáng)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(shí)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?yàn)槟静脑诖穗A段中是吸熱反應(yīng)，此點(diǎn)溫度稱之為引火點(diǎn)溫度。 250290時(shí)，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(diǎn)溫度。 350450時(shí)，木材能自動(dòng)著火，把這一溫度叫做發(fā)火點(diǎn)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(dá)到著火點(diǎn)時(shí)需較多能量； 多孔性材料熱傳導(dǎo)率低，對(duì)炭化和火焰的貫通抵抗力強(qiáng)； 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(shí)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(jí)耐火等級(jí)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(yàn)研究p本實(shí)驗(yàn)主要通過實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)研究自行車館木賽道的燃燒特性，包括全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)和木賽道材料的

4、錐型量熱計(jì)試驗(yàn)。p通過試驗(yàn)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(yàn) 背 景1.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；2.為該自行車館的火災(zāi)數(shù)值模擬、煙氣流動(dòng)預(yù)測(cè)以及人員安全疏散分析提供邊界條件；3.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(yàn) 目 的錐形量熱計(jì)錐形量熱計(jì)錐形量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備 1）點(diǎn)燃時(shí)間本次2組實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)燃時(shí)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(diǎn)燃時(shí)間延遲。錐形量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程 2）單位面積熱釋放速率由右圖可見，在1#試驗(yàn)開始后70s，木材的燃燒熱釋放速率出現(xiàn)第

5、一次峰值，為90kW/m2，而后有所下降。在90s時(shí)，熱釋放速率再次增長(zhǎng)，并在130s時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)束。1 1實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)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(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程 2）單位面積熱釋放速率2 2實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)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(yàn)的熱釋放速率試驗(yàn)的熱釋放速率變化趨勢(shì)與變化趨勢(shì)與1#1#試驗(yàn)相似，試驗(yàn)相似，但出現(xiàn)峰值時(shí)間及峰值大但出現(xiàn)峰值時(shí)間及峰值大小有所差別。試驗(yàn)開始后小有所差別。試驗(yàn)開始后84s84s，熱釋放速率出

6、現(xiàn)第一，熱釋放速率出現(xiàn)第一次峰值，為次峰值，為106kW/m106kW/m2 2；在在196s196s時(shí)出現(xiàn)第二次峰值，時(shí)出現(xiàn)第二次峰值，為為117kW/m117kW/m2 2。錐形量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程 1.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(diǎn)燃時(shí)間延遲。2.在50kW/m2的輻射熱通量下，2個(gè)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。3.在50kW/m2的輻射熱通量下，2個(gè)木材試樣的平均CO2生成率相當(dāng)。試樣厚度的增加會(huì)使其平均比減光面積大幅減小。4.木

7、材點(diǎn)燃后，熱釋放速率會(huì)出現(xiàn)一個(gè)由于易燃熱解物快速燃燒而產(chǎn)生的峰值。木材的炭化會(huì)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(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。對(duì)于一定厚度的木材，剩余木材的溫度在燃燒結(jié)束前會(huì)迅速升高，從而產(chǎn)生釋熱速率的第二個(gè)峰值。錐形量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)論 p木賽道放置在地面上，木賽道內(nèi)部放置8個(gè)0.2m2.5m0.12m的 油盤，每個(gè)油盤注入2.5 L正庚烷，見右圖。大型量熱器實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn)大型量熱器實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn) 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(gè)0.2m2.5m0.12m油盤，每個(gè)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(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn)

8、3大型量熱器實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn) 3 p火源上方煙氣層火源上方煙氣層溫度隨時(shí)間的變溫度隨時(shí)間的變化見右圖?；娪覉D。p木賽道燃燒時(shí)的木賽道燃燒時(shí)的煙氣最高溫度為煙氣最高溫度為88 。 煙氣溫度隨時(shí)間的變化煙氣溫度隨時(shí)間的變化 大型量熱器實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn)大型量熱器實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn) 1 1p熱釋放速率隨時(shí)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(shí)達(dá)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(shí)間的變化熱釋放速率隨時(shí)間的變化大型量熱器實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn)大型量熱器實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn) 1 1結(jié) 論1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)，木質(zhì)賽道的火災(zāi)危險(xiǎn)性較小，不會(huì)明顯增加自

9、行車館的火災(zāi)荷載。2）賽道用木材在燃燒過程中的發(fā)煙量較小，對(duì)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(cè)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(chǎng)下介質(zhì)極化和儲(chǔ)存電能能力的一個(gè)物理量。木材的介電常數(shù)是在交變電場(chǎng)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(dāng)電壓固定不變時(shí)， 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(shì)差。 2.2.4.2 木材介電性質(zhì)與木材加

10、工的關(guān)系木材介電性質(zhì)與木材加工的關(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(dòng)特性木材的振動(dòng)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(qiáng)度木材的抗拉強(qiáng)度 2.3.1.2木材的抗壓強(qiáng)度木材的抗壓強(qiáng)度 2.3.1.3 木材的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量木材的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量 2.3.1.4 木材的抗剪強(qiáng)度木材的抗剪強(qiáng)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

11、.8 木材的斷裂木材的斷裂 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(zhǎng)期荷載作用下木材的力學(xué)行為長(zhǎng)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(zhǎng)期承受靜荷載時(shí)，其木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件在長(zhǎng)期承受靜荷載時(shí)，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(shí)間后，變形就不再增加；當(dāng)荷經(jīng)過一段時(shí)間后，變形就不再增加；當(dāng)荷載超過某極限值時(shí)，變形不但隨時(shí)間而增載超過某極限值時(shí)，變形不但隨時(shí)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(jì)計(jì)算建筑設(shè)計(jì)計(jì)算變形或應(yīng)變變形或應(yīng)變時(shí)，必須考慮木時(shí)，必須考慮木構(gòu)件在構(gòu)件在

12、長(zhǎng)期荷載長(zhǎng)期荷載下產(chǎn)生應(yīng)力的情況，變形下產(chǎn)生應(yīng)力的情況，變形隨時(shí)間而增加的性質(zhì)，即隨時(shí)間而增加的性質(zhì)，即彈性和黏性彈性和黏性的兩的兩個(gè)性質(zhì)在木構(gòu)件承受荷載時(shí)，應(yīng)同時(shí)予以個(gè)性質(zhì)在木構(gòu)件承受荷載時(shí)，應(yīng)同時(shí)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(zhǎng)期荷載長(zhǎng)期荷載對(duì)木材對(duì)木材力學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的影響的影響 對(duì)于所有的材料來說，其強(qiáng)度都與加載速率與加載時(shí)間有關(guān)。對(duì)于大多數(shù)材料來說這個(gè)影響較小，但對(duì)于木材來說持續(xù)載荷對(duì)強(qiáng)度的影響極大，在工程設(shè)計(jì)中時(shí)必須考慮的因素。強(qiáng)度的設(shè)計(jì)必須經(jīng)過預(yù)知載荷所造成的削減因素的修正。對(duì)于實(shí)木來說，十年的持續(xù)載荷將使其強(qiáng)度降低40%。2.3.

13、3.1 木材的蠕變木材的蠕變 在恒定的應(yīng)力下，木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件應(yīng)變隨時(shí)間而增加，稱為蠕變。若梁承受的恒載為最大瞬時(shí)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(shí)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(shí)所發(fā)生的變形約2倍于前一種情況的變形；當(dāng)其它情況相同時(shí)，木材因長(zhǎng)期恒載而產(chǎn)生應(yīng)力，試驗(yàn)證明此應(yīng)力并不影響木構(gòu)件的破壞強(qiáng)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(shí)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(shí)間的推移而產(chǎn)生蠕變AB。在時(shí)間t1時(shí)解除應(yīng)力，便立即產(chǎn)生彈性恢復(fù)BC1(=OA

14、)；至t2又出現(xiàn)部分的蠕變恢復(fù)，即從C1回到D，恢復(fù)的變形是C1C2；t2以后進(jìn)一步的恢復(fù)不大，可以忽略不計(jì)。因此，DE便是荷載卸載循環(huán)終結(jié)時(shí)殘留的永久變形。在時(shí)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(gè)物體按照?qǐng)D28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(duì)蠕變的影響溫度對(duì)蠕變的影響 根據(jù)木材的剪切和彎曲試驗(yàn)，當(dāng)空氣的溫度和濕度增加時(shí)，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(huì)隨之增加。會(huì)隨之增加。 2.3.3.2 木材的塑性變形木材的塑性變形 木

15、材屬于高分子結(jié)構(gòu)的材料，它在受外力作用時(shí)有三種變形：瞬時(shí)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(shí)，產(chǎn)生與加荷速度相適應(yīng)的變形稱為瞬時(shí)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(shí)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(dòng)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(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果變形不變，對(duì)應(yīng)此恒定變形的應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減小，木材這種恒定應(yīng)變條件下應(yīng)力隨著時(shí)間延長(zhǎng)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

16、木材松弛曲線2.3.4 影響木材力學(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(jī)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(duì)木材材性的影響纖維素對(duì)木材材性的影響 2.4.2.1 纖維素對(duì)木材斷裂的影響纖維素對(duì)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

17、和微晶取向度等有密切的關(guān)系。當(dāng)纖維素受到拉伸外力作用后，分子鏈會(huì)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(huì)大大加強(qiáng)，其結(jié)果對(duì)木材斷裂強(qiáng)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(duì)木材尺寸穩(wěn)定性的影響纖維素對(duì)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(rùn)濕性木材的潤(rùn)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

18、木材的觸覺特性木材的觸覺特性 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(cè)結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料性能的無損檢測(cè) 本章概括性介紹結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料的無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)原理、技術(shù)及設(shè)備。主要介紹幾種常見的無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法，包括橫向振動(dòng)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(cè)技術(shù)主要方法主要方法檢測(cè)原理檢測(cè)原理機(jī)械應(yīng)力檢測(cè)機(jī)械應(yīng)力檢測(cè)采用機(jī)械方法施加恒定變形(或載荷)于被測(cè)試樣上，測(cè)得相應(yīng)的載荷(或變形)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)算出試樣的彈性模量，并推測(cè)靜曲強(qiáng)度。振動(dòng)檢測(cè)振動(dòng)檢測(cè)通過施加外力使試樣產(chǎn)生橫向振動(dòng)之后，通過傳感器測(cè)取試樣的自由振動(dòng)頻率，計(jì)算出試樣的

19、彈性模量。沖擊應(yīng)力波檢測(cè)沖擊應(yīng)力波檢測(cè)檢測(cè)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(duì)靜曲強(qiáng)度及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度等也可進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。射線檢測(cè)射線檢測(cè)以射線透射木質(zhì)材料，用射線接收傳感器直接測(cè)量窄小范圍內(nèi)透過試樣前后射線強(qiáng)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(jìn)而推測(cè)力學(xué)性能。超聲波檢測(cè)超聲波檢測(cè)通過測(cè)定超聲波經(jīng)過試樣預(yù)定距離的傳播時(shí)間計(jì)算平均波速，然后可利用波速和密度計(jì)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(cè)分等目測(cè)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(cè)觀察的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)木材等級(jí)的方

20、法。機(jī)械分等機(jī)械分等根據(jù)木材根據(jù)木材變形變形由機(jī)械連續(xù)測(cè)量木材的變形，計(jì)算木材的靜彈性模量，并從彈性模量和強(qiáng)度的關(guān)系，推測(cè)木材的強(qiáng)度值。根據(jù)振動(dòng)根據(jù)振動(dòng)特性特性由木材的振動(dòng)特性得出固有頻率，計(jì)算木材的動(dòng)彈性模量，并根據(jù)與強(qiáng)度的關(guān)系，推測(cè)木材的強(qiáng)度值。3.1力學(xué)性能測(cè)試原始方法 3.1.1中心點(diǎn)單載荷彎曲測(cè)定法中心點(diǎn)單載荷彎曲測(cè)定法 圖 1為中心點(diǎn)單載荷彎曲測(cè)定法（亦稱：三點(diǎn)彎曲測(cè)試法）的示意圖。木質(zhì)材料試件被簡(jiǎn)支在兩端，一個(gè)載荷施加在試件中間點(diǎn)并垂直于試件。測(cè)定載荷大小和試件中間點(diǎn)的變形量。試件彎曲彈性模量(MOE)可以通過下面方程式計(jì)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(diǎn)變形（m）。IPLMOE483圖 1 中