【2017年整理】第三章 木 材

第 三 章 木 材木 材 优 点 :轻 质 高 强 ， 加 工 方 便 ， 导 电 和 导 热 性 能 低 ， 有 很 好 的 弹 性 和 塑 性 ， 能 承 受 冲 击 和 振 动 等作 用 。 在 干 燥 环 境 中 或 长 期 保 持 在 水 中 ， 有 很 好 的 耐 久 性 ， 而 且 木 材 纹 路 美 观 ， 装 饰 效 果 好 。木 材 缺 点 :构 造 不 均 匀 ， 各 向 异 性 ， 容 易 吸 湿 、 吸 水 而 导 致 力 学 和 物 理 性 能 上 的 变 化 。 容 易 腐 朽 、 虫蛀 和 燃 烧 ， 天 然 疵 病 较 多 。 如 果 经 常 处 于 干 湿 交 替 的 环 境 中 ， 耐 久 性 较 差 。木 材 在 建 筑 工 程 应 用 ： 桁 架 、 梁 、 柱 、 门 窗 、 地 板 、 脚 手 架 和 混 凝 土 模 板 。第 一 节 木 材 的 分 类 和 构 造一 、 分 类两 大 类 ： 针 叶 树 和 阔 叶 树 。针 叶 树 杉 木 、 冷 杉 、 雪 杉 、 柏 树 、 红 松 及 其 他 松 木树 干 直 而 高 ， 材 质 较 轻 皲 ， 容 易 加 工 ， 胀 缩 变 形 小 ， 软 木 材 。建 筑 上 广 泛 用 作 承 重 构 件 和 装 修 材 料 。阔 叶 树 水 曲 柳 、 榆 树 、 槐 树 、 柞 树 和 栎 树 等 。主 杆 较 短 ， 材 质 重 而 硬 ， 硬 木 材 ， 材 质 强 度 高 ， 胀 缩 变 形 大 ， 易 翘 曲 和 开 裂 ， 木 纹 和 颜 色 美 观适 用 于 内 部 装 修 、 做 家 具 和 胶 合 板二 、 构 造针 叶 村 和 阔 叶 树 的 构 造 不 同 ， 构 造 分 宏 观 和 微 观 两 个 方 面 。1、 宏 观 构 造木 材 的 构 造 不 均 匀 ， 而 其 性 能 与 构 迨 有 密 切 的 关 系 。 木 材 的 内 部 构 造 可 以 从 三 个 切 面 来 进 行 剖析 。 见 图 1。横 切 面 垂 直 于 树 轴 的 切 面 ；径 切 面 通 过 树 轴 的 纵 切 面 ； 弦 切 面 平 行 于 树 轴 的 切 面 J从 横 切 面 来 观 察 树 木 的 杓 造 ， 可 见 树 木 由 树 皮 、 木 质 部 和 髓 心 所 组 戚 。树 皮 ： 建 筑 用 途 不 大 。 栓 皮 栎 和 黄 渡 萝 的 树 皮 ， 可 用 来 制 作 软 木 板 ， 是 较 好 的 绝 热 材 料 。木 质 部 ：髓 心 和 树 皮 之 间 的 部 分 ， 是 使 用 的 主 要 部 位 。心 材 ： 木 质 部 靠 近 髓 心 部 分 呈 深 色 。边 材 ： 靠 近 树 皮 部 分 呈 浅 色 。心 材 类 ： 具 有 边 材 和 心 材 的 木 材 ， 如 松 、 柞 和 水 曲 柳 等边 材 类 ： 本 材 的 木 质 部 颜 色 基 本 一 样 ， 如 杉 、 杨 和 桦 等 。年 轮 同 一 年 轮 内 有 深 浅 两 部 分 。春 材 （ 早 材 ） ： 春 天 生 长 的 木 质 ， 色 浅 ， 质 软 ；夏 材 （ 晚 材 ） ： 夏 秋 两 季 生 长 的 木 质 ， 色 深 ， 质 硬 ， 夏 材 部 分 越 多 ， 木 材 强 度 越 高 。髓 心 木 材 第 一 年 生 的 部 分 ， 材 质 松 软 ， 强 度 低 ， 容 易 被 腐 蚀 和 虫 蛀 。髓 线 以 髓 心 为 中 心 ， 呈 放 射 状 分 布 。 它 功 能 为 横 向 传 递 养 分 和 贮 存 养 分 。 木 材 的 变 形 和开 裂 常 由 它 引 起 ， 阔 叶 树 的 髓 线 比 针 叶 树 发 达 。2、 微 观 构 造木 材 由 管 状 细 胞 紧 密 结 合 而 成 ， 每 一 个 细 胞 分 为 细 胞 壁 和 细 胞 腔 两 部 分 ， 细 胞 壁 是 由 细纤 维 组 成 。第 二 节 木 材 的 性 质一 、 化 学 性 质化 学 组 成 ： 纤 维 素 、 木 质 素 和 半 纤 维 素 等 ， 细 胞 壁 的 主 要 成 分 。 此 外 还 有 脂 肪 、 树 脂 、 蛋 白 质 、挥 发 性 油 以 及 无 机 化 合 物 等 。化 学 性 质 ： 通 常 液 体 的 浸 透 对 木 材 的 影 响 较 小 ， 木 材 对 酸 碱 有 一 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 。二 、 物 理 性 质 1、 含 水 率 与 吸 湿 性木 材 内 部 所 含 的 水 分 ， 可 以 分 为 以 下 三 种 ：（ 1） 自 由 水存 在 于 细 胞 腔 中 和 细 胞 的 间 隙 之 中 的 水 。 自 由 水 影 响 木 材 的 表 观 密 度 、 保 存 性 、 抗 腐 蚀 性 和 燃 烧 性 。（ 2） 吸 附 水被 吸 附 在 细 胞 壁 内 细 纤 维 闷 的 水 。 直 接 影 响 到 木 材 的 强 度 和 体 积 的 胀 缩 。（ 3） 化 合 水为 木 材 化 学 成 分 中 的 结 合 水 。 对 木 材 的 性 能 无 大 的 影 响 。纤 维 饱 和 点 ：当 木 材 中 的 吸 附 水 达 到 饱 和 ， 尚 无 自 由 水 时 的 含 水 率 。纤 维 饱 和 点 一 般 在 25 35 之 间 ， 平 均 为 30 左 右 。纤 维 饱 和 点 是 木 材 物 理 、 力 学 性 能 发 生 变 化 的 转 折 点 。平 衡 含 水 率 ： 干 燥 的 木 材 能 从 周 围 的 空 气 中 吸 收 水 分 ， 潮 湿 的 木 材 能 向 周 围 释 放 水 分 ， 直 到木 材 的 含 率 与 周 围 空 气 的 相 对 湿 度 达 到 平 衡 为 止 ， 此 时 木 材 的 含 水 率 为 平 衡 含 水 率 。2、 湿 胀 与 干 缩木 材 具 有 显 著 的 湿 胀 干 缩 特 征 。原 因 ： 含 水 率 在 纤 维 饱 和 点 以 内 变 化 ， 也 即 吸 附 水 在 发 生 变 化 。 当 吸 附 水 增 加 ， 细 胞 壁纤 维 间 距 离 增 大 ， 细 胞 璧 厚 度 增 ， 则 体 积 膨 胀 ， 尺 寸 增 加 。 当 吸 附 水 被 蒸 发 ， 细 胞 壁 厚 度 减小 ， 则 体 积 收 缩 ， 尺 寸 减 小 。胀 缩 不 均 匀 性 ： 同 一 木 材 弦 向 胀 缩 最 大 ， 径 向 其 次 ， 而 顺 纤 的 纵 向 最 小 。 弦 向 较 容 易 产生 翘 曲 变 形 。 湿 胀 会 造 成 木 材 凸 起 ， 干 缩 会 导 致 木 结 构 连 接 处 松 动 。如 何 避 免 胀 缩 ： 潮 湿 的 木 材 在 加 工 使 用 之 前 应 预 先 进 行 干 燥 处 理 ， 使 木 材 内 的 含 水 率 与将 来 使 用 的 环 境 湿 度 相 适 应 ， 因 此 木 材 应 预 先 干 燥 至 平 衡 含 水 率 后 才 能 加 工 使 用 。二 、 力 学 桂 质 木 材 在 力 学 性 质 上 也 具 有 明 显 的 各 向 异 性 特 点 。 木 材 的 强 度 与 外 力 性 质 ， 以 及 受 力 方 向 与 纤 维排 列 的 方 向 有 关 。木 材 所 受 的 外 力 主 要 有 ： 拉 力 、 压 力 、 弯 曲 和 剪 切 力 。顺 纹 受 力 ： 当 受 力 方 向 与 纤 维 方 向 一 致 。横 纹 受 力 ： 当 受 力 方 向 垂 直 于 纤 维 方 向 。1 抗 拉 强 度顺 纹 抗 拉 强 度 是 木 材 所 有 强 度 中 最 大 的 。 横 纹 抗 拉 强 度 很 小 ， 为 顺 纹 抗 拉 强 度 的2 5 10 。2 抗 压 强 度抗 压 强 度 可 分 为 顺 纹 抗 压 强 度 和 横 纹 抗 压 强 度 。顺 纹 受 压 破 坏 是 管 状 细 胞 受 压 失 稳 的 结 杲 ， 而 不 是 纤 维 的 断 裂 。 横 纹 受 压 ， 细 胞 腔 被 压 扁 。木 材 的 顺 纹 抗 压 强 度 较 高 ， 仅 次 于 顺 纹 抗 拉 强 度 和 抗 弯 强 度 。木 材 的 横 纹 抗 压 强 度 只 有 其 顺 纹 抗 压 强 度 的 10 20%。 工 程 中 常 见 的 桩 、 柱 、 斜 撑 和 桁 架 等 均 是 顺纹 受 压 ， 而 枕 木 、 垫 板 是 横 纹 受 压 。3、 抗 弯 强 度木 材 抗 弯 强 度 仅 次 于 顺 纹 抗 拉 强 度 ， 为 顺 纹 抗 压 强 度 的1.5 2 0 倍 ,工 程 中 常 用 作 为 桁 架 、 梁 、桥 梁 及 地 板 ， 但 要 注 意 木 材 的 疵 病 和 缺 陷 对 抗 弯 强 度 影 响 很 大 。4、 抗 剪 强 度木 材 的 抗 剪 强 度 可 分 为 顺 纹 剪 切 、 横 纹 剪 切 和 横 纹 切 断 。顺 纹 受 剪 时 ， 绝 大 部 分 纤 维 本 身 并 不 破 坏 。 所 以 顺 纹 抗 剪 强 度 很 小 ， 仅 为 顺 纹 抗 压 强 度 的15 30 。横 纹 受 剪 时 ， 剪 切 面 中 纤 维 的 横 向 联 接 受 破 坏 ， 横 纹 剪 切 强 度 低 于 顺 纹 剪 切 强 度 。横 纹 切 断 时 ， 即 将 木 材 纤 维 横 向 切 断 ， 这 种 剪 切 强 度 最 高 ， 是 顺 纹 剪 切 强 度 的4 5 倍 ，5、 影 响 木 材 强 度 的 主 要 因 素木 材 的 强 度 首 先 决 定 于 树 种 及 材 质 。 即 使 同 一 木 材 ， 它 的 强 度 随 其 含 水 率 、 所 处 环 境 的温 度 和 受 力 时 间 长 短 等 外 在 因 素 的 变 化 而 改 变 。（ 1） 含 水 率当 含 水 率 由 全 干 状 态 逐 渐 增 加 到 纤 维 饱 和 点 时 ， 强 度 随 之 降 低 。当 含 水 率 超 过 纤 维 饱 和 点 后 ， 所 增 加 的 则 是 自 由 水 ， 对 强 度 不 再 产 生 影 响 。含 水 率 变 化 对 抗 弯 强 度 和 顺 纹 抗 压 强 度 的 影 响 最 大 ， 对 顺 纹 抗 剪 强 度 影 响 小 ， 而 对 顺 纹抗 拉 强 度 几 乎 没 有 影 响 ，为了进行比较，圉家标准规定木材强度以含水率为15时的强度为标准值，其他含水率时的强度，应按下式换算：（1）)5(115w式中 含水率为15时的木材强度；含水率为W时的木材强度；ww试验时的木材含水率；含水率校正系数，随外力作用方式不同而异。顺纹抗压：a=0.05；顺纹抗拉：0015；针叶树0。顺纹抗剪：=O03；抗 弯：a0.04；横纹抗压：O.045当木材含水率在823范围内，上式计算有效。（2）温度木材受热后，细胞壁中胶结物质会软化，由此引起木材强度降低.木材使用温度以50以下正温为宜。（3）荷载时间长期受力的木材强度较短期受力的木材强度低得多。木材的持久强度：木材在长期荷载作用下，能无限期负荷而不破坏的最大应力，持久强度仅为极限强度的5060。木材在外力作用下会产生等速蠕滑，应力不超过持久强度时，变形到一定限度后趋于稳定；应力超过持久强度时，变形不断增加，经一定时间后，变形急剧增加，从而导致木材破坏。设计木结构时，应以持久强度为依据。（4）疵病木材的疵病有天然