第九章-木材分析

木材是人類使用最早的建筑材料之一。我國使用木材的歷史不僅悠久，而且在技術(shù)上也有獨到之處，如保存至今己達(dá)千年之久的山西佛光寺正殿、山西應(yīng)縣木塔等都集中反映了我國古代建筑工程中應(yīng)用木材的水平。第九章木材木材的優(yōu)點

:①輕質(zhì)高強(qiáng)，可滿足大跨度結(jié)構(gòu)或高層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要求；②具有良好的彈性和韌性，能承受沖擊和振動等作用，從而可構(gòu)成抗震性能良好的木結(jié)構(gòu)；③導(dǎo)熱性低，具有較好的隔熱、保溫性能；④在干燥環(huán)境或長期置于水中時均有很好的耐久性；⑤有良好的可加工性，易于制成各種形狀的產(chǎn)品，并可加工成各種性能優(yōu)良的深加工產(chǎn)品；⑥具有漂亮的天然外觀，可將不同品種的木材加工成千變?nèi)f化的花紋，從而獲得良好的裝飾效果。第九章木材木材的缺點:①內(nèi)部構(gòu)造不均勻，具有明顯的各向異性；②受環(huán)境濕度影響很大，具有顯著的濕脹干縮而使其變形、強(qiáng)度下降或腐朽破壞；③易燃、易腐蝕，需要可靠的表面保護(hù)；④木材的可利用資源有限。第九章木材第一節(jié)木材的分類樹木可分為針葉樹和闊葉樹兩大類。

針葉樹的樹葉多呈針狀，其樹干一般通直而高大，紋理平順，材質(zhì)均勻而松軟，故易于加工成材。因此，由針葉樹加工而成的木材又稱軟木材。土木工程中常用的軟木材主要是由杉木、冷杉、雪杉、柏樹、各種松木等加工而成的木材。第九章木材闊葉樹的特點是樹干通直部分一般較短，材質(zhì)較硬且多疵病和缺陷，故較難加工。因此，由闊葉樹加工而成的木材又稱為硬木材。土木工程中常用的硬木材主要取自水曲柳、榆樹、槐樹、柞樹等闊葉樹。

第九章木材1.木材的宏觀構(gòu)造

木材的宏觀構(gòu)造是指可以用肉眼或放大鏡觀察到的結(jié)構(gòu)。由于木材構(gòu)造的不均勻性，可從樹干的三個切面剖析其結(jié)構(gòu)。其中：橫切面為垂直于樹軸的切面。徑切面是通過樹軸的縱切面。弦切面是平行于樹軸縱切面。

9.1.2木材的構(gòu)造

第九章木材樹木是由樹皮、木質(zhì)部和髓心所構(gòu)成的整體。

木質(zhì)部是樹皮至中心的部分，靠近樹皮的部分色淺，稱為邊材；靠近髓心的部分色深，稱為心材。

髓心位于樹干的中心，它質(zhì)地松軟、強(qiáng)度低，易受腐蝕和蟲蛀。

橫切面上顏色深淺相間的同心圓環(huán)稱為年輪。在同一年輪內(nèi)：春天生長的木質(zhì)顏色較淺，其材質(zhì)松軟，強(qiáng)度也較低，故稱為春材（或早材）；夏秋二季生長的木質(zhì)顏色較深，材質(zhì)堅硬且強(qiáng)度較高，故稱為夏材（或晚材）。橫切面上徑向單位長度中，所含夏材寬度總和占全長的百分率，稱為夏材率。第九章木材2.木材的微觀構(gòu)造

第九章木材針葉樹的微觀結(jié)構(gòu)簡單而規(guī)則，它主要是由管胞和髓線構(gòu)成。其髓線較細(xì)小，且不很明顯。某些樹種（如松樹）在管胞間還有樹脂道。闊葉樹的微觀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，它主要是由導(dǎo)管、木纖維及髓線等組成，且其髓線很發(fā)達(dá)，粗大而明顯；導(dǎo)管是由壁薄而腔大的細(xì)胞所構(gòu)成的大管孔。根據(jù)導(dǎo)管分布，闊葉樹木材又分為環(huán)孔材和散孔材。有些木材（如棟木、榆木）的春材中導(dǎo)管很大并成環(huán)狀排列的，稱環(huán)孔材；而有些木材（如樺木，鍛木）中的導(dǎo)管大小差不多，且散亂分布，其年輪不明顯，被稱為散孔材。有無導(dǎo)管和髓線的粗細(xì)是鑒別闊葉樹和針葉樹的重要特征。

第九章木材9.2木材的主要性能

9.2.1木材的化學(xué)性質(zhì)

纖維素、半纖維素、木質(zhì)素是木材細(xì)胞壁的主要組成，其中纖維素占50％左右。此外，還有少量的油脂、樹脂、果膠質(zhì)、蛋白質(zhì)、無機(jī)物等等。由此可見，木材的組成主要是一些天然高分子化合物。

木材的化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多變。在常溫下木材對稀的鹽溶液、稀酸、弱堿有一定的抵抗能力，但隨著溫度升高，木材的抵抗能力顯著降低。而強(qiáng)氧化性的酸、強(qiáng)堿在常溫下也會使木材發(fā)生變色、濕脹、水解、氧化、酷化、降解交聯(lián)等反應(yīng)。在高溫下即使是中性水也會使木材發(fā)生水解等反應(yīng)。第九章木材9.2.2木材的物理性質(zhì)

1.密度與表觀密度

木材的實質(zhì)密度是指構(gòu)成木材細(xì)胞壁物質(zhì)的密度。約為1.48～1.56g／cm3，各材種之間相差不大，實際計算和使用中常取1.53g/cm3。

木材的表觀密度則隨木材孔隙率、含水量以及其他一些因素的變化而不同。一般有氣干表觀密度、絕干表觀密度和飽水表觀密度之分。木材的表觀密度愈大，其濕脹干縮率也愈大。

第九章木材2.木材的含水狀態(tài)

①自由水。自由水是存在于細(xì)胞腔和細(xì)胞間隙中的水分，木細(xì)胞對其約束很弱。當(dāng)木材處于較干燥環(huán)境時，自由水首先蒸發(fā)。

②吸附水。吸附水是滲透于細(xì)胞壁中的水分，其含量多少與細(xì)胞壁厚度有關(guān)。木材受潮時，細(xì)胞壁會首先吸水而使體積膨脹；而木材干燥時吸附水會緩慢蒸發(fā)而使體積收縮，因此，吸附水含量的變化將直接影響木材體積的大小和強(qiáng)度的高低。③化合水?；纤菢?gòu)成木材各化學(xué)組成中的結(jié)合水，同一樹種的木材其化合水含量基本不變。它對木材性質(zhì)的影響也不大。通常，當(dāng)干燥木材吸收環(huán)境中的水分時，會首先將其吸附于細(xì)胞壁中而成為吸附水；待吸附水飽和后，再吸入的水分才進(jìn)入細(xì)胞腔或腔間空隙而成為自由水。當(dāng)含水率較高的木材處于干燥環(huán)境中時，最先脫離木材而進(jìn)入環(huán)境中的水分是自由水，然后才是吸附水。

第九章木材纖維飽和點:

當(dāng)木材中的吸附水達(dá)到飽和，且尚無自由水存在時的含水率稱為纖維飽和點。木材的纖維飽和點與其細(xì)觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，且因樹種而異，一般為25％～35％，通常取30％。纖維飽和點是木材性質(zhì)變化的轉(zhuǎn)折點。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(qiáng)度和體積影響甚微；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(qiáng)度和體積等產(chǎn)生較大的影響。第九章木材木材的平衡含水率:木材的平衡含水率是隨周圍環(huán)境溫度及濕度而改變的可變參數(shù)，不同溫度和相對濕度條件下，木材的平衡含水率不同。通常，新伐樹木的木材含水率一般在35％以上，經(jīng)風(fēng)干后木材含水率為15％～25％，室內(nèi)干燥的木材含水率為8％～15％。木材的平衡含水率隨其所在地區(qū)不同而異，我國北方為12％左右，南方約為18％，長江流域一般為15％。第九章木材3.木材的濕脹干縮

只有含水率在纖維飽和點以下變化時，木材中吸附水的改變才會影響木材的體積變化。

木材的濕脹干縮性通常因樹種不同而有所差異。一般來講，表觀密度大或夏材含量多時，木材的濕脹干縮性更明顯。

木材含水率與脹縮變形關(guān)系第九章木材由于木材構(gòu)造不均勻，各方向的脹縮也不同，同一木材弦向脹縮最大，徑向其次，而順纖維的縱向最小。木材干燥時：弦向收縮為6％～12％徑向收縮為3％～6％順纖維縱向為0.1％～0.35％。第九章木材9.2.3木材的力學(xué)性質(zhì)

1.木材的強(qiáng)度

（1）抗壓強(qiáng)度

木材的抗壓強(qiáng)度可分為順紋抗壓強(qiáng)度和橫紋抗壓強(qiáng)度兩種。

順紋抗壓強(qiáng)度較高，僅次于順紋抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。土木工程中常利用其順紋抗壓強(qiáng)度，制作木樁、木柱、木斜撐及木桁架等承重構(gòu)件。

木材的橫紋抗壓強(qiáng)度比順紋抗壓強(qiáng)度低得多，一般只有其順紋抗壓強(qiáng)度的10％～20％。

第九章木材（2）抗拉強(qiáng)度

木材的順紋抗拉強(qiáng)度與橫紋抗拉強(qiáng)度差別很大。在受力狀態(tài)均勻的情況下，順紋抗拉強(qiáng)度在木材所有強(qiáng)度中最大，通常，木材的順紋抗拉強(qiáng)度為橫紋抗壓強(qiáng)度的2～3倍。

在土木工程建設(shè)中，很少利用木材作為受拉構(gòu)件。當(dāng)承受拉力時，木材結(jié)構(gòu)兩端點只能通過橫紋受壓或順紋受剪的方式傳遞拉力，而其橫紋受壓和順紋受剪的強(qiáng)度均較低；因此，實際工程中，木材結(jié)構(gòu)難以表現(xiàn)出較高的順紋抗拉強(qiáng)度。木材的疵病和缺陷（如木節(jié)、斜紋及開裂等）也會嚴(yán)重降低其順紋抗拉強(qiáng)度。

木材橫紋抗拉強(qiáng)度很低，僅為順紋抗拉強(qiáng)度的1/10～1/40。

第九章木材（3）抗彎強(qiáng)度

木材在承受彎曲荷載時的內(nèi)部應(yīng)力十分復(fù)雜。從理論分析來看，其上部為順紋受壓，下部為順紋受拉，而在水平面中和垂直面上則分布著剪應(yīng)力。

木材抗彎強(qiáng)度的高低除與其纖維間聯(lián)接能力有關(guān)外，還與所含疵病和缺陷的多少及位置有關(guān)。通常，處于受拉區(qū)的缺陷會嚴(yán)重降低其抗彎強(qiáng)度。

土木工程中木結(jié)構(gòu)抗彎也是木材最為常見的受力形式，通常主要用于制作各種梁、板及桁架等。

第九章木材（4）剪切強(qiáng)度

木材的抗剪強(qiáng)度可分為順紋剪切、橫紋剪切和橫紋切斷三種。木材順紋抗壓強(qiáng)度的15％～30％。木材的橫紋切斷強(qiáng)度很高，一般為順紋剪切強(qiáng)度的4～5倍。第九章木材2.影響木材強(qiáng)度的主要因素

（1）含水率

第九章木材國家標(biāo)準(zhǔn)（GB1923～1943-91）規(guī)定木材以含水率為12％時的強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)值，其他含水率時的強(qiáng)度可按下式換算：

式中σ12——含水率為12％時的木材強(qiáng)度；

σw——含水率為W％時的木材強(qiáng)度；

W——試驗時木材含水率，取值范圍為9％～15％；

α——校正系數(shù)，隨荷載種類和力作用方式而異，見表。第九章木材（2）荷載作用時間

木材長期受力時將產(chǎn)生明顯的塑性流變（蠕變），且隨著變形的增加而使其強(qiáng)度降低。木材在長期荷載下不致引起破壞的最大強(qiáng)度，稱為持久強(qiáng)度。通常木材的持久強(qiáng)度僅為其短時荷載下極限強(qiáng)度的50％～60％。土木工程中的木結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)以持久強(qiáng)度作為強(qiáng)度依據(jù)。（3）溫度當(dāng)溫度從25℃升至50℃時，木材的順紋抗壓強(qiáng)度會降低20％～40％；溫度升至150℃時，其中的木質(zhì)細(xì)胞會產(chǎn)生較快的分解，并開始碳化；當(dāng)溫度達(dá)到275℃時，木材開始燃燒。通常，在長期受熱（如溫度長期超過50℃）環(huán)境中不宜采用木結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度降至0℃以下時，其中水分結(jié)冰，木材強(qiáng)度增大，但木材變得較脆。一旦解凍，各項強(qiáng)度都將比未解凍時的強(qiáng)度低。

第九章木材（4）疵病

木材在生長、采伐和貯運(yùn)過程中，均可能造成其內(nèi)部或表面的某些缺陷，這些缺陷統(tǒng)稱為疵病。木材的疵病主要有木節(jié)、斜紋、裂紋、腐朽和蟲害等。

木節(jié)可分為活節(jié)、死節(jié)、松軟節(jié)、腐朽節(jié)等幾種。木節(jié)可使順紋抗拉強(qiáng)度顯著降低，而對順紋抗壓強(qiáng)度影響較小。在木材承受橫紋抗壓或剪切時，木節(jié)反而會增加其強(qiáng)度。當(dāng)木纖維方向與樹軸成一定夾角時便會形成斜紋。斜紋可嚴(yán)重降低木材的順紋抗拉強(qiáng)度，并對抗彎強(qiáng)度也有較大影響，但對順紋抗壓強(qiáng)度影響較小。斜紋還會使板材容易開裂和翹曲。第九章木材木材常見的裂紋有徑裂（心裂）、輪裂和干裂三種。徑裂在木材的橫切面內(nèi)部，沿半徑方向延伸，它是立木受風(fēng)搖動或在生長時產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力所造成的開裂。輪裂是木材橫切面沿年輪方向的裂紋，其裂紋為整圈時稱為環(huán)裂，未形成整圈時則稱為弧裂。輪裂產(chǎn)生的原因和徑裂相同，加工中若干燥不當(dāng)，也會使其逐漸擴(kuò)大。干裂是因為木材干燥不均勻引起的，其特點是外寬內(nèi)窄，由外向內(nèi)發(fā)展，在縱向表面呈溝狀。干裂紋的存在不僅破壞了木材的完整性，還會影響其強(qiáng)度。它對木材強(qiáng)度的影響程度通常因裂紋尺寸、方向而異。第九章木材3.木材的韌性

在土木工程中木材通常表現(xiàn)出較高的韌性，適合于制作承受振動或沖擊荷載作用的結(jié)構(gòu)。但是，木材的材質(zhì)或所處環(huán)境條件不同時，其韌性也會表現(xiàn)為較大的差別。影響韌性的因素很多，如木材的密度越大，沖擊韌性越好；在負(fù)溫下時，濕木材會因冰凍而變脆，其韌性也會嚴(yán)重降低；高溫時也會使木材變脆，韌性降低。任何缺陷的存在都可能嚴(yán)重降低木材的沖擊韌性。

第九章木材4.木材的硬度和耐磨性

木材的硬度和耐磨性主要取決于其細(xì)胞組織的緊密程度，且不同切面上的硬度和耐磨性也有較大差別。木材橫截面的硬度和耐磨性都較徑切面和弦切面要高。對于木髓線發(fā)達(dá)的木材，其弦切面的硬度和耐磨性均比徑切面高。

第九章木材9.3木材的防護(hù)與防火

9.3.1木材的腐朽與防腐

1.木材的腐蝕

木材腐蝕是由真菌或蟲害所造成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞?？筛g木材的常見真菌有霉菌、變色菌和腐朽菌等。

霉菌主要生長在木材表面，是一種發(fā)霉的真菌，通常對木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞很小，經(jīng)表面拋光后可去除。變色菌則以木材細(xì)胞腔內(nèi)含有機(jī)物為養(yǎng)料，它一般不會破壞木材的細(xì)胞壁，只是影響其外觀，而不會明顯影響其強(qiáng)度。腐朽菌以木質(zhì)素為養(yǎng)料，并利用其分泌酶來分解木材細(xì)胞壁組織中的纖維素、半纖維素，從而破壞木材的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，直至使木材結(jié)構(gòu)潰散而腐朽。

第九章木材真菌生存和繁殖的條件真菌在木材中生存和繁殖，必須同時具備四個條件：

①溫度適宜；②木材含水率適當(dāng)；③有足夠的空氣；④適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)料。

通常，溫度為25℃～30℃、木材含水率在30％～50％和一定量空氣是最適合真菌生長繁殖的環(huán)境條件。當(dāng)溫度大于60℃或小于5℃時，則真菌不能生長。含水率小于20％或把木材泡在水中，真菌也難于生存。因此，在地下或水中的木樁不易腐爛，而反復(fù)受到干濕作用的地上木結(jié)構(gòu)卻會很快被腐蝕破壞。第九章木材蟲害除受真菌腐蝕的破壞作用外，木材還容易受到昆蟲的侵蝕，如白蟻、天牛等。它們在樹皮內(nèi)或木質(zhì)部內(nèi)生存、繁殖，會逐漸導(dǎo)致木材結(jié)構(gòu)的疏松或潰散。

第九章木材2.木材的防腐

在土木工程中，為防止木材的腐蝕可采取各種不同的防腐處理方式，如將木材進(jìn)行干燥，使木材含水率低于25％；貯存和使用時注意通風(fēng)；或?qū)⒛静谋砻嫱坑推?，隔絕空氣。

使用化學(xué)有毒藥劑進(jìn)行木材防腐是一種簡便有效的方法。用防腐劑處理木材的方法很多，通常采用噴涂法、浸漬法或壓力滲透法等。常用的防腐劑有以下幾類：①水溶性防腐劑。它主要適用于室內(nèi)等不會遇水的環(huán)境中木結(jié)構(gòu)的防腐。②油劑防腐劑。主要用作室外、地下或水中木結(jié)構(gòu)。③復(fù)合防腐劑。它是以有機(jī)-無機(jī)復(fù)合藥物配制而成的防腐劑。這類防腐劑主要有硼酚合劑、氟鉻合劑、氟硼酚合劑等。

第九章木材3.木材的防火

對木材及其制品的防火保護(hù)有三種方法：（1）浸漬。浸漬按工藝可分為：①常壓浸漬。在常壓室溫下，將木材浸漬在粘度較低的含有阻燃劑的溶液中，使阻燃劑溶液滲入到木材表面的組織中，經(jīng)干燥使水分蒸發(fā)，阻燃劑留在木材的淺表面層內(nèi)。②熱浸漬。在常壓下將木材放入熱的阻燃劑溶液中浸漬，直至藥液冷卻。③加壓浸漬。先將木材放在高壓容器中，抽真空到7.9～8.6kPa，并保持15min到1h，再注入含有阻燃劑的浸清渡并加壓到1.20MPa，在65℃的溫度下保持7h，解除壓力后，排除阻燃劑藥液，為避免木材取出時繼續(xù)滴液，可再次抽真空數(shù)分鐘。最后放入烘窯進(jìn)行干燥。加壓浸漬適用于阻燃要求高的木材。第九章木材（2）添加阻燃劑。在生產(chǎn)纖維板、膠合板、刨花板、木屑板的過程中可添加適量的阻燃劑。添加型阻燃劑應(yīng)與膠粘劑及其它添加劑能很好地相溶。（3）覆蓋。覆蓋就是在需要進(jìn)行阻燃處理的木材表面覆蓋防火材料。這種防火涂料，除了要求具有好的阻燃劑以外，還要求具有較好的著色性、透明度、粘著力、防水、防腐蝕等普通涂料所具有的性能。第九章木材9.4木材及其制品的應(yīng)用

木材，按供應(yīng)形式可分為原條、原木、板材和方材。原條是指已經(jīng)除去皮、根、樹梢的木料，但尚未按一定尺寸加工成規(guī)定木料。原木是原條按一定尺寸加工而成的規(guī)定直徑和長度的木料，可直接在建筑中作木樁、擱柵、樓梯和木柱等。板材和方材是原木經(jīng)鋸解加工而成的木材，寬度為厚度的三倍和三倍以上的為板材，寬度不足厚度的三倍者為方材。

木質(zhì)人造板是利用木材、木質(zhì)纖維、木質(zhì)碎料或其它植物纖維為原料，加膠粘劑和其它添加劑制成的板材。常用的木質(zhì)人造板有膠合板、膠合木、木屑板、木絲板、刨花板等。

第九章木材表甲醛釋放限量

產(chǎn)品名稱試驗方法限量值使用范圍限量標(biāo)志①中密度纖維板、高密度纖維板、刨花板、定向刨花板等穿孔萃取法≤9mg/100g可直接用于室內(nèi)E1≤30mg/100g必須飾面處理后可允許用于室內(nèi)E2膠合板、