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建筑材料第十章木材第十章木材建筑材料四大主材之一，使用历史悠久，在水利、房屋、道桥等工程中应用很广。常用作混凝土模板，房屋的屋架、梁、柱，以及装饰、保温、吸声材料。天然资源，生长较慢且产量有限，跟不上建设的需要，必须掌握木材的性能，积极采用新技术、新工艺，扩大和寻求木材综合利用的新途径。树木通常分为针叶树、阔叶树两大类针叶树：材质轻软，又名软木材，树叶细长、针状，易于加工、容重和涨缩变形较小，且具有较高的强度，主要用于承重构件、门窗。如：松树、杉树、柏树阔叶树：材质坚硬，又名硬木材，树叶宽大，片状，一般较重，加工较难，且涨缩、翘曲、裂缝较针叶树显著，常用于内部装饰、次要承重构件、胶合板。如：榆树、槐树、水曲柳第一节木材的基本构造木材的构造决定了木材的性能。木材的构造一般从宏观构造、微观构造两方面分别研究。1.木材的宏观构造横切面径切面弦切面就宏观特征来讲，树木分为树皮、木质部和髓心三部分由于木材在各个切面上的构造不同，因此，木材具有各向异性。2.木材的微观构造在显微镜下观察，可以看到木材是由无数管状细胞紧密结合而成，它们大部分为纵向排列，少数横向排列（如髓线）。每个细胞又由细胞壁和细胞腔两部分组成，细胞壁又是由细纤维组成，所以木材的细胞壁越厚，细胞腔越小，木材越密实，其表观密度和强度也越大，但胀缩变形也大。第二节木材的物理力学性质木材的物理力学性质主要有含水量、湿胀干缩、强度等性能，其中含水率对木材的湿胀干缩性和强度影响很大。1、含水量（1）木材的含水率是指木材中所含水的质量占干燥木材质量的百分数。木材中主要有三种水，即自由水、吸附水和化合水。自由水是存在于木材细胞腔和细胞间隙中的水分，吸附水是被吸附在细胞壁内细纤维之间的水分。自由水对木材性质影响不大，而吸附水是影响木材性质的主要因素。（2）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。（3）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。2.木材的湿胀与干缩变形木材具有很显著的湿胀干缩性，其规律是：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，随着含水率减小，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的转折点。由于木材为非均匀质构造，故其胀缩变形各向不同，其中以弦向最大，径向次之，纵向（即顺纤维方向）最小。3.木材的强度A.木材的力学强度在建筑结构中，木材常用的强度有抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度。由于木材的构造各向不同，致使各向强度有差异，为此木材的强度有顺纹强度和横纹强度之分。木材的顺纹强度比其横纹强度要大得多，所以工程上均充分利用它们的顺纹强度。从理论上讲，木材强度中以顺纹抗拉强度为最大，其次是抗弯强度和顺纹抗压强度，但实际上是木材的顺纹抗压强度最高。当以顺纹抗压强度为１时，木材理论上各强度大小关系如下表10-2所示。表10-2木材理论上各强度大小关系抗压抗拉抗剪顺纹横纹顺纹横纹拉弯顺纹横纹切断131~1012~331~2012~21131~711~21木材的强度检验是采用无疵病的木材制成标准试件，按《木材物理力学试验方法》进行测定。试验时，木材在各向上受不同外力时的破坏情况各不相同，其中顺纹受压破坏是因细胞壁失去稳定所致，而非纤维断裂。横纹受压是因木材受力压紧后产生显著变形而造成破坏。顺纹抗拉破坏通常是因纤维间撕裂而后拉断所致。木材受弯时其上部为顺纹受压，下部为顺纹抗拉，水平面内则有剪力，破坏时首先是受压区达到强度极限，产生大量变形，但这时构件仍能继续承载，当受拉区也达强度极限时，则纤维及纤维间的联结产生断裂，导致最终破坏。木材受剪切作用时，由于作用力对于木材纤维方向的不同，可分为顺纹剪切、横纹剪切和横纹切断三种。顺纹剪切破坏是由于纤维间联结撕裂产生纵向位移和受横纹拉力作用所致；横纹剪切破坏完全是因剪切面中纤维的横向联结被撕裂的结果；横纹切断破坏则是木材纤维被切断，这时强度较大，一般为顺纹剪切的４～５倍。B.影响木材强度的主要因素(１)含水量的影响木材的强度受含水率的影响很大，其规律是：当木材的含水率在纤维饱和点以下时，随含水率降低，即吸附水减少，细胞壁趋于紧密，木材强度增大，反之，则强度减小。当木材含水率在纤维饱和点以上变化时，木材强度不改变。我国木材试验标准规定，测定木材强度时，应以其标准含水率（即含水率为12％）时的强度测值为准，对于其他含水率时的强度测值，应换算成标准含水率时的强度值。其换算经验公式如下：式中σ12:含水率为12％时的木材强度(MPa）；σW:含水率为Ｗ(%)时的木材强度(MPa)；Ｗ——试验时的木材含水率α——木材含水率校正系数。α随作用力和树种不同而异，如顺纹抗压所有树种均为0.05；顺纹抗拉时阔叶树为0.015，针叶树为０；抗弯所有树种为0.04；顺纹抗剪所有树种为0.03。)]12(1[12Ww(２)负荷时间的影响木材对长期荷载的抵抗能力与对暂时荷载不同。木材在外力长期作用下，只有当其应力远低于强度极限的某一定范围以下时，才可避免木材因长期负荷而破坏。这是由于木材在外力作用下产生等速蠕滑，经过长时间以后，最后达到急剧产生大量连续变形而致。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50％～60％。一切木结构都处于某一种负荷的长期作用下，因此在设计木结构时，应考虑负荷时间对木材强度的影响。（3）温度的影响木材强度随环境温度升高而降低。当温度由２５℃升到５０℃时，针叶树抗拉强度降低10%～15%，抗压强度降低20％～24％。当木材长期处于60～100℃温度下时，会引起水分和所含挥发物的蒸发，而呈暗褐色，强度明显下降，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，强度显著下降。因此，长期处于高温的建筑物，不宜采用木结构。（４）疵病的影响木材在生长、采伐、保存过程中，所产生的内部和外部的缺陷，统称为疵病。木材的疵病主要有木节、斜纹、裂纹、腐朽和虫害等。一般木材或多或少都存在一些疵病，致使木材的物理力学性质受到影响。第三节木材的防腐与防火1.木材的腐朽与防腐（1）木材的腐朽木材的腐朽为真菌侵害所致。真菌分霉菌、变色菌和腐朽菌三种，前两种真菌对木材影响较小，但腐朽菌影响很大。腐朽菌寄生在木材的细胞壁中，它能分泌出一种酵素，把细胞壁物质分解成简单的养分，供自身摄取生存，从而致使木材产生腐朽，并遭彻底破坏。真菌在木材中生存和繁殖必须具备三个条件，即：适量的水分、空气（氧气）和适宜的温度。温度低于５℃时，真菌停止繁殖，而高于６０℃时，真菌则死亡。（2）木材防腐措施根据木材产生腐朽的原因，通常防止木材腐朽的措施有以下两种：a．破坏真菌生存的条件破坏真菌生存条件最常用的办法是：使木结构、木制品和储存的木材处于经常保持通风干燥的状态，并对木结构和木制品表面进行油漆处理，油漆涂层既使木材隔绝了空气，又隔绝了水分。b．把木材变成有毒的物质将化学防腐剂注入木材中，使真菌无法寄生。木材防腐剂种类很多，一般分水溶性防腐剂、油质防腐剂和膏状防腐剂三类。水溶性防腐剂常用品种有氯化锌、氟化钠、硅氟酸钠、硼铬合剂、硼酚合剂、铜铬合剂、氟砷铬合剂等。水溶性防腐剂多用于室内木结构的防腐处理。油质防腐剂常用的有煤焦油、混合防腐油、强化防腐油等。油质防腐剂色深、有恶臭，常用于室外木构件的防腐。膏状防腐剂由粉状防腐剂、油质防腐剂、填料和胶结料（煤沥青、水玻璃等）按一定比例混合配制而成，用于室外木材防腐。2.木材的防火（1）木材的可燃性木材是国家建设和人民生活中重要物质资源之一。木材属木质纤维材料，易燃烧，它是具有火灾危险性的有机可燃物。（2）木材燃烧及阻燃机理木材在热的作用下要发生热分解反应，随着温度升高，热分解加快。当温度高至220℃以上达木材燃点时，木材燃烧放出大量可燃气体，这些可燃气体中有着大量高能量的活化基，活化基氧化燃烧后继续放出新的活化基，如此形成一种燃烧链反应，于是火焰在链状反应中得到迅速传播，使火越烧越旺，此称气相燃烧。在实际火灾中，木材燃烧温度可高达800～1300℃。所谓木材的防火，就是将木材经过具有阻燃性能的化学物质处理后，变成难燃的材料，以达到遇小火能自熄，遇大火能延缓或阻滞燃烧蔓延，从而赢得扑救的时间。根据燃烧机理，阻止和延缓木材燃烧的途径，通常可有以下几种：A.抑制木材在高温下的热分解。实践证明，某些含磷化合物能降低木材的热稳定性，使其在较低温度下即发生分解，从而减少可燃气体的生成，抑制气相燃烧。B.阻滞热传递。通过实践发现，一些盐类、特别是含有结晶水的盐类，具有阻燃作用。例如含结晶水的硼化物、含水氧化铝和氢氧化镁等，遇热后则吸收热量而放出水蒸气，从而减少了热量传递。磷酸盐遇热缩聚成强酸，使木材迅速脱水炭化，而木炭的导热系数仅为木材的1／2～1/3，从而有效地抑制了热的传递。同时，磷酸盐在高温下形成的玻璃状液体物质覆盖在木材表面，也起到了隔热层作用。C.稀释木材燃烧面周围空气中的氧气和热分解产生的可燃气体，增加隔氧作用。如采用含结晶水的硼化物和含水氧化铝等，遇热放出的水蒸汽，能稀释氧气及可燃气体的浓度，从而抑止了木材的气相燃烧，而磷酸盐和硼化物等在高温下形成玻璃状覆盖层，则阻滞了木材的固相燃烧。例10-1解释以下名词：（１）自由水；（２）吸附水；（３）纤维饱和点；（４）平衡含水率；（５）标准含水率；（6）持久强度。解（1）自由水：自由水是存在于木材细胞腔和细胞间隙中的水分。（2）吸附水：吸附水是被吸附在细胞壁内细纤维之间的水分。（3）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的木材含水率称为纤维饱和点。（４）平衡含水率：在一定温度和湿度环境中，木材中的含水量达到与周围环境湿度相平衡时含水率称为平衡含水率。（５）标准含水率：含水率为12％为木材的标准含水率。（6）持久强度：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。木材的纤维饱和点，是指木材的细胞壁中吸附水达饱和状态，而细胞腔及细胞间隙中不含自由水时的含水率。是木材变形、强度等主要性质受含水变化影响的转折点。平衡含水率是指在一定温、湿度环境下，木材内部含水率不再发生变化时，此时的含水率为平衡含水率。即木材与环境进行湿度交换，达到平衡时的含水率。在工程中，应使用达到平衡含水率的木材，以便使用中其性能基本保持稳定。规定含水率为１５％时为木材的标准含水率。此状态（接近气干状态）下的木材强度为标准强度。以此进行木材强度的测定和比较与选用，更接近实际使用状态。例10-2木材含水率的变化对其强度的影响如何？解木材的强度受含水率的影响很大，当木材的含水率在纤维饱和点以下时，随含水率降低，即吸附水减少，细胞壁趋于紧密，木材强度增大，反之，随含水率增大，即吸附水增多，细胞壁趋于松散，木材则强度减小。当木材含水率在纤维饱和点以上变化时，木材强度不改变。我国木材试验标准规定，测定木材强度时，应以其标准含水率（即含水率为15％）时的强度测值为准，对于其他含水率时的强度测值，应换算成标准含水率时的强度值。例10-3木材在吸湿或干燥过程中，体积变化有何规律？解干燥木材吸湿，含水率增加，木材出现湿胀。当达到纤维饱和点后再继续吸湿，其体积不变。湿木材在干燥脱水过程中，自由水脱出时（含水率大于纤维饱和点时）木材不变形。若继续干燥，含水率小于纤维饱和点时，随着脱水，木材出现干缩。当木材的含水率在纤维饱和点以下时，随含水率降低，即吸附水减少，细胞壁趋于紧密，木材出现干缩。例10-4影响木材强度的主要因素有哪些？解影响木材强度的主要因素有：