1、第8章 木材,本章学习目标 一般性了解木材物理力学性能及其应用。重点是木材物理力学性能及其对土木工程应 用的影响。难点是木材的湿胀干缩性与防腐。,8.1木材的分类与构造,8.2木材的物理力学性质,8.3木材的防腐与防火,8.4木材的综合利用,8.1 木材的分类与构造,8.1.1分类,木材产自木本植物中的乔木，分为针叶树和阔叶树两大类。 大部分针叶树理直、木质较软、易加工、变形小，建筑上广泛用作承重构件和装修材料，如杉树、松树等。 大部分阔叶树质密、木质较硬、加工较难、易翘裂、纹理美观，适用于室内装修，如水曲柳、核桃木等。,按木材的用途和加工的不同，可以分为原条、原木、普通锯材和枕木等四类。,原
2、条是指已经去皮、根及树梢，但尚未加工成规定尺寸的木料。,原木是指由原条按一定尺寸加工成规定直径和长度的木材。,普通锯材是指已经加工锯解成材的木料。,枕木是指按枕木断面和长度加工而成的木材。,8.1.2 木材的构造,1. 木材的宏观构造,从木材三个不同切面观察木材的宏观构造可以看出，树干由树皮、木质部、髓心组成。,从木材的横切面上看，有许多树种的木材，靠近树皮的部分材色较浅，水分较多，称为边材。在髓心周围部分，材色较深，水分较少，称为心材。,每个生长周期所形成的木材，在横切面上所看到的，围绕着髓心构成的同心圆称为生长轮。温带和寒带树木的生长期，一年仅形成一个生长轮就是年轮。在同一年轮内，生长季节
3、早期所形成的木材，胞壁较薄、形体较大、颜色较浅、材质较松软称为早材（春材）。 到秋季形成的木材，胞壁较厚、组织致密、颜色较深、材质较硬称为晚材（秋材）。,木材的微观构造,木材的微观构造是指借助光学显微镜观察的结构。各种木材的微观构造是各式各样的。针叶树显微构造简单而规则，它主要由管胞和髓线组成针叶材的木射线一般较细且在肉眼下不可见。一般，针叶材的年轮界明显，早、晚材区别明显。早材壁薄腔大，颜色较浅，晚材则壁厚腔小，颜色较深。,阔叶材的显微构造较复杂，其细胞主要有导管、木纤维、木射线和轴向薄壁组织等。阔叶材因管孔大小和分布不同分为环孔材、散孔材和半环孔材（半散孔材）。环孔材的早材管孔明显比晚材管
4、孔大；散孔材的早、晚材的管孔的大小没有明显区别。分布也比较均匀；半环孔材是指早材管孔到晚材管孔渐变，但界限不明显。有无导管是区分阔叶材和针叶材的重要标志。,8.2 木材的物理力学性质,8.2.1密度与表观密度,木材的实质密度是指构成木材细胞壁物质的密度。约为 1.501.56 gcm3，各材种之间相差不大，实际计算和使用中常取1.53 g/cm3。木材的表观密度则岁木材空隙率、含水率及其他一些因素的变化而不同。木材的表观密度越大，其湿胀干缩率有越大。处于气干状态下的木材表观密度平均为500Kg/m3。,8.2.2含水率与吸湿性,木材的含水率是木材中水分质量占干燥木材质量的百分比。木材中的水分按
5、其与木材结合形式和存在的位置，可分为：自由水、吸附水和化学结合水。自由水是存在于木材细胞腔和细胞间隙中的水，它影响木材的表观密度、抗腐蚀性、燃烧性和干燥性；吸附水是被吸附在细胞壁内纤维之间的水，吸附水的变化则影响木材强度和木材胀缩变形性能；化学结合水即为木材中的化合水，它在常温下不变化故其对木材的性质无影响。,木材干燥时，首先是自由水蒸发，而后是吸附水蒸发 木材受潮时，先是细胞壁吸水，细胞壁吸水达饱和后，自由水才开始吸入。木材的纤维饱和点 当木材中无自由水，而细胞壁内吸附水达到饱和时，这时的木材含水率称为纤维饱和点。木材的纤维饱和点随树种而异，一般介于23 32之间，通常取30。 纤维饱和点是
6、木材性质变化的转折点。在纤维饱和点之上，含水量变化是自由水含量的变化，它对木材强度和体积影响甚微；在纤维饱和点之下，含水量变化即吸附水含量的变化将对木材强度和体积等产生较大的影响。,木材的平衡含水率 木材中所含的水分是随着环境的温度和湿度的变化而改变的，当木材长时间处于一定温度和湿度的环境中时，木材中的含水量最后会达到与周围环境湿度相平衡，这时木材的含水率称为平衡含水率。 木材的平衡含水率是木材进行干燥时的重要指标。木材的平衡含水率随其所在地区的不同而异，我国北方为12左右，南方约为18，长江流域一般为 15。,8.2.3湿胀与干缩变形,木材具有显著的湿胀干缩性。木材含水率在纤维饱和点以下时吸
7、湿具有明显的膨胀变形现象，解吸时具有明显的收缩变形现象。当木材的含水率在纤维饱和点以下时，随着含水率的增大，木材体积产生膨胀；含水率减小，木材体积收缩；而当木材含水率在纤维饱和点以上，只是自由水增减变化时，木材的体积不发生变化。纤维饱和点是木材发生湿胀干缩变形的转折点。,木材含水率与胀缩变形关系,木材具有各向异性，各个方向的干缩率不同。木材弦向干缩率最大。木材在干燥的过程中会产生变形、翘曲和开裂等现象木材的干缩湿胀变形还随树种不同而异。木材的密度大的、晚材含量多的木材，其干缩率就较大。,木材含水率与胀缩变形关系,8.2.4木材的强度及其影响因素,工程上常利用木材的以下几种强度：抗压、抗拉、抗弯
8、和抗剪。由于木材是一种非均质材料，具有各向异性，使木材的强度有很强的方向性。木材各强度大小的比值关系见下表：,木材各项强度值的比较(以顺纹抗压强度为1),视频演示木材强度试验,木材强度的影响因素主要有：含水率、环境温度、负荷时间、表观密度、疵病等,含水率的影响 木材的含水率在纤维饱和点以内变化时，含水量增加使细胞壁中的木纤维之间的联结力减弱、细胞壁软化，故强度降低；当水分减少使细胞壁比较紧密，故强度增高。含水率的变化对各强度的影响是不一样的。对顺纹抗压强度和抗弯强度的影响较大，对顺纹抗拉强度和顺纹抗剪强度影响较小。测定木材强度时规定12%为标准含水率。,环境温度的影响 木材随环境温度升高会降低
9、。当温度由25升到50时，针叶树抗拉强度降低1015，抗压强度降低2024。当木材长期处于60100温度下时，会引起水分和所含挥发物的蒸发，而呈暗褐色，强度下降，变形增大。温度超过140时，木材中的纤维素发生热裂解，色渐变黑，强度明显下降。因此，长期处于高温的建筑物，不宜采用木结构。,负荷时间的影响 木材的长期承载能力远低于暂时承载能力。这是因为在长期承载情况下，木材会发生纤维等速蠕滑，累积后产生较大变形而降低了承载能力的结果。 木材在长期荷载作用下不致引起破坏的最大强度，称为持久强度。木材的持久强度比其极限强度小得多，一般为极限强度的5060。一切木结构都处于某一种负荷的长期作用下，因此在设
10、计木结构时，应考虑负荷时间对木材强度的影响。,木材的疵病 木材在生长、采伐及保存过程中，会产生内部和外部的缺陷，这些缺陷统称为疵病。木材的疵病主要有木节、斜纹、腐朽及虫害等，这些疵病将影响木材的力学性质，但同一疵病对木材不同强度的影响不尽相同。,木节分为活节、死节、松软节、腐朽节等几种，活节影响最小。木节使木材顺纹抗拉强度显著降低，对顺纹抗压影响最小。在木材受横纹抗压和剪切时，木节反而增加其强度。 斜纹为木纤维与树轴成一定夹角，斜纹木材严重降低其顺纹抗拉强度，抗弯次之，对顺纹抗压强度影响较小。裂纹、腐朽、虫害等疵病，会造成木材构造的不连续性或破坏其组织，因此严重影响木材的力学性质，有时甚至能使
11、木材完全失去使用价值。,木材的疵病,8.3 木材的防腐与防火,木材作为土木工程材料，最大缺点是容易腐朽、虫柱和燃烧，因此大大地缩短了木材的使用寿命，并限制了它的应用范围。采取措施来提高木材的耐久性，对木材的合理使用具有十分重要的意义。,8.3.1木材的腐朽与防腐,木材的腐朽,木材的腐朽是真菌在木材中寄生引起的。真菌在木材中生存和繁殖，必须同时具备四个条件： 温度适宜；木材含水率适当；有足够的空气；适当的养料。,真菌生长最适宜温度是2530，最适宜含水率在木材纤维饱和点饱和点左右，含水率低于20时，真菌难于生长，含水率过大时，空气难于流通，真菌得不到足够的氧或排不出废气。 破坏性真菌所需养分是构
12、成细胞壁的木质素或纤维素。,2、木材的防腐与防虫,根据木材产生腐朽的原因，木材防腐有两种方法：创造条件，使木材不适于真菌的寄生和繁殖；把木材变成有毒的物质，使其不能作真菌的养料。,木材防腐的基本方法,破坏真菌生存的条件 注入化学防腐剂 木材常用防腐、防虫剂的种类和配方,免漆复合门,将木材保持在很高的含水率，木材由于缺乏空气而破坏了真菌生存所需的条件，从而达到防腐的目的。如湿存保管法和水存保管法。或者将木材进行干燥，使其含水率降至 20以下（即干法保管法）。在储存和使用木材时要注意通风和排湿。对木材构件表面应刷以油漆，使木材隔绝空气和水汽。,破坏真菌生存的条件,注入化学防腐剂 将化学防腐剂注入木
13、材内，把木材变成对真菌有毒的物质，使真菌无法生存。这是木材的化学保管法。注人防腐剂的方法很多，通常有表面涂刷法、表面喷涂法、浸渍法、冷热槽浸透法、压力渗透法等，其中以冷热槽浸透法和压力渗透法效果最好。常用防腐剂的种类有： A. 水溶性防腐剂能溶于水，应用方便，主要用于房屋内部，如氟化钠、氯化锌、硫酸铜、硼铬合剂、硼酚合剂等。 B. 油溶性防腐剂能溶于油不溶于水，可用于室外药效持久，如林丹五氨酸合剂。,C. 防腐油不溶于水，药效持久，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、拉木等），如煤焦油等。,木材除受真菌侵蚀而腐朽外，还会遭受昆虫的蛀蚀。常见的蛀虫有白蚁、天牛等。白蚁是
14、世界性的重要害虫，特别是热带和亚热带地区，更为严重。物体受到白蚁危害，表面形似完好，里面千疮百孔，一旦被人发现，损失已是相当严重，尤其对建筑物和堤，更有极大的隐患性。白蚁对建筑物的破坏，特别是对砖木结构、木结构建筑的破坏，由于其隐蔽在木结构内部破坏或破坏其承重部位，往往造成房屋突然倒塌，导致财产损失和人员伤亡。白蚁不仅危害木结构，而且它分泌的蚁酸也可以腐蚀金属因此，新建房屋必须进行白蚁预防处理。,白蚁的防治方法有： 生态防治：根据白蚁的生活特性 ,把需要保护的物质 (如埋地电缆 )尽量避开白蚁密集区 ,避开其生存、活动的最佳区域 。白蚁猖獗地区和场所多系湿热阴暗和通风不良之处 ,因此预防白蚁必
15、须从建筑物的设计开始考虑建筑物的良好透光、通风和防潮条件 ,同时选择抗蚁蛀的木材和其它建筑材料 ,以创造出不利于白蚁的环境条件 ,这也是生态防治之一 。 生物防治：就是保护白蚁的天敌 (如穿山甲等 )。 物理防治：用灯光诱捕分飞的翅蚁及铲除蚁穴 ,切断白蚁的食源及水源 ,加强检疫以杜绝蚁。,化学防治：直接杀灭白蚁的化学药物有亚砒酸、灭蚁灵、开蓬等 .预防白蚁的化学药物有氯丹、林丹、艾氏剂、灭氏剂、狄氏剂、硅白灵、白蚁灵、二氯苯醚菊酯、CCA等,木材常用防腐、防虫剂的种类和配方,见表9.2,8.3.2木材的防火,木材是可燃性建筑材料。在木材被加热过程中，析出可燃气体，随着温度不同，析出的可燃气浓
16、度也不同，此时若遇火源，析出的可燃气也会出现闪燃、引燃。若无火源，只要加热温度足够高，也会发生自燃现象。,对木材及其制品的防火保护有浸渍、添加阻燃剂和覆盖三种方法。,浸渍,浸渍按工艺可分为常压浸渍、热浸渍和加压浸渍三种。, 常压浸渍在常压室温条件下，将木材浸渍在粘度较低的含有阻燃剂的溶液中，使阻燃剂溶液渗入到木材表面的组织中，经干燥使水分蒸发，阻燃剂留在木材的浅表面层内。这种方法由于浸入的阻燃剂不多，阻燃效果受到一定的限制，但其方法简单，适用干阻燃效果要求不高，木材密度不大的薄板材。,热浸渍 在常压下将木材放入热的阻燃剂溶液中浸渍，直至药液冷却。因为木材受热，内部气体膨胀而释放出来，等到阻燃剂
17、冷却后，木材内部孔隙就可以多吸收些阻燃剂溶液，然后干燥将阻燃剂留在木材孔隙内。,加压浸渍 先将木材放在高压容器中，抽真空到7.98.6 kPa，并保持15 min到1 h，再注入含有阻燃剂的浸清渡并加压到1.20 MPa，在65的温度下保持7 h，解除压力后，排除阻燃剂药液，为避免木材取出时继续滴液，可再次抽真空数分钟。最后放入烘窑进行干燥。加压浸渍适用于阻燃要求高的木材。浸渍效果好坏与木材密度关系很大。密度大的木材，如柞木、落叶松，由于其内部孔隙少，浸清液很难渗入到内部；而密度小的木材，如毛白杨、棋木，内部孔隙多，浸渍液比较容易渗入。,添加阻燃剂,在生产纤维板、胶合板、刨花板、木屑板的过程中
18、可添加适量的阻燃剂。添加型阻燃剂应与胶粘剂及其它添加剂能很好地相溶。,覆盖,覆盖就是在需要进行阻燃处理的木材表面覆盖防火材料。这种防火涂料，除了要求具有好的阻燃剂以外，还要求具有较好的着色性、透明度、粘着力、防水、防腐蚀等普通涂料所具有的性能。,柚木复合地板,8.4 木材的综合利用,木质人造板是利用木材、木质纤维、木质碎料或其它植物纤维为原料，加胶粘剂和其它添加剂制成的板材。常用的木质人造板有胶合板、胶合木、木屑板、木丝板、刨花板等。不少人造板存在游离甲醛释放的问题，国家标准GB 185802001室内装饰装修用人造板及其制品中甲醛释放限量对此作出了规定，以防止室内环境受到污染。,(3) 刨花板,刨花板是利用施加或未施加胶料的木质刨花或木质纤维材料（如木片、锯屑和亚麻等）压制的板材。,(4) 木屑板、木丝板、水泥木屑板,利用木材加工的木屑、木丝、刨花拌以粘结剂压制而成。用于保温绝热和吸音。,定向刨花板,贴面刨花板,
