建筑材料木材

木材木本植物习惯上又可分为乔木、灌木和木质藤本三种类型。乔木通常是指具有单一主干，树高可达6米以上的木本植物，即通常所说的树木。而灌木较矮小，通常具有多个茎，木质藤本植物则为攀援的木质藤蔓，有许多热带雨林的特征。木材主要来源于乔木树种。其中只有银杏和松、杉类的树木属于乔木。9.1木材的构造树木的分类树木一般按树叶形状分为针叶树和阔叶树两大类。针叶树树叶细长，成针状，多为常绿树；纹理顺直，木质较软，强度较高，表观密度小；耐腐蚀性较强，胀缩变形小，又称软木材。红松习惯上把银杏和松、杉类的树木称为针叶树。用作承重构件门窗。常用树种有松、杉、柏等。杉木银杏阔叶树树叶宽大，叶脉呈网状，大多为落叶树；木质较硬，加工较难；表观密度大，胀缩变形大，常用作内部装饰、次要的承重构件和胶合板，有榆树、桦树、水曲柳等。榆树榆木家具水曲柳柞木桦木桦木木材的构造宏观构造用肉眼或低倍放大镜所看到的木材组织称为宏观构造。树皮年轮髓心形成层心材边材木质部1—树皮；2—木质部；3—年轮；4—髓线；5—髓心(1)边材、心材在木质部中，靠近髓心的部分颜色较深，称为心材。心材含水量较少，不易翘曲变形，抗蚀性较强；外面部分颜色较浅，称为边材。边材含水量高，易干燥，也易被湿润，所以容易翘曲变形，抗蚀性也不如心材(2)年轮、春材、夏材横切面上可以看到深浅相间的同心圆，称为年轮。年轮中浅色部分是树木在春季生长的，由于生长快，细胞大而排列疏松，细胞壁较薄，颜色较浅，称为春材(早材)；深色部分是树木在夏季生长的，由于生长迟缓，细胞小，细胞壁较厚，组织紧密坚实，颜色较深，称为夏材(晚材)。每一年轮内就是树木一年的生长部分。年轮中夏材所占的比例越大，木材的强度越高。第一年轮组成的初生木质部分称为髓心(树心)。从髓心成放射状横穿过年轮的条纹，称为髓线。髓心材质松软，强度低，易腐朽开裂。髓线与周围细胞联结软弱，在干燥过程中，木材易沿髓线开裂。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。微观构造显微镜下松木的横切片示意图1—细胞壁；2—细胞腔；3—树脂流出孔；4—木髓线在显微镜下观察，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。细胞壁的结构1—细胞腔；2—初生层；3—细胞间层1—管胞；2—髓线；3—树脂道；1—导管；2—髓线；3—木纤维；木材的主要性质木材的物理性质木材的含水率(1)木材中的水分自由水：存在于木材细胞腔和细胞间隙中的水分吸附水：吸附在细胞壁内细纤维之间的水分结合水：形成细胞化学成分的化合水(2)木材的纤维饱和点木材受潮时，首先形成吸附水，吸附水饱和后，多余的水成为自由水；木材干燥时，首先失去自由水，然后才失去吸附水。当吸附水处于饱和状态而无自由水存在时，此时对应的含水率称为木材的纤维饱和点。纤维饱和点随树种而异，一般为23%~33%，平均为30%。木材的纤维饱和点是木材物理、力学性质的转折点。(3)木材的平衡含水率木材的含水率是随着环境温度和湿度的变化而改变的。当木材长期处于一定温度和湿度下，其含水率趋于一个定值，表明木材表面的蒸气压与周围空气的压力达到平衡，此时的含水率称为平衡含水率。根据周围空气的温度和相对湿度可求出木材的平衡含水率。木材的平衡含水率湿胀干缩木材细胞壁内吸附水的变化而引起木材的变形，即湿胀干缩。由于木材构造的不均匀性，在不同的方向干缩值不同。顺纹方向(纤维方向)干缩值最小，平均为0.1%~0.35%；径向较大，平均为3%~6%；弦向最大，平均为6%~12%。一般来讲，表观密度大、夏材含量多的木材，湿胀变形较大。木材的密度不同树种的密度相差不大，平均约为1.55g/cm3。表观密度木材表观密度的大小随木材的孔隙率、含水量以及其他一些因素的变化而不同。因此确定木材的表观密度时，应在含水率为标准含水率情况下进行。木材的力学性质木材的强度弹性、塑性、蠕变、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、冲击韧性、抗劈力、抗扭强度、硬度和耐磨性等。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。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。与一般钢材、混凝土及石材等材料不同，木材属生物材料，其构造的各向异性导致其力学性质的各向异性。因此，木材力学性质指标有顺纹、横纹、径向、弦向之分。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。木材的剪切(a)顺纹剪切；(b)横纹剪切；(c)横纹切断木材顺剪强度较小，平均只有顺纹抗压强度的10％~30％。纹理较斜的木材，如交错纹理、涡纹、乱纹等,其顺剪强度会明显增加。阔叶树材顺剪强度平均比针叶树材高出1/2。阔叶树材弦面抗剪强度较径面高出10％~30％，如木射线越发达，这种差异更加明显。针叶树材，其径面和弦面的抗剪强度大致相同。木材各种强度间的关系抗压抗拉抗弯抗剪顺纹横纹顺纹横纹顺纹横纹11/10~1/32~31/3~1/201.5~21/7~1/3½~1抗拉强度木材顺纹抗拉强度，是指木材沿纹理方向承受拉力荷载的最大能力。木材的顺纹抗拉强度较大，各种木材平均约为117.7－147.1MPa，为顺纹抗压强度的2－3倍。木材在使用中很少出现因被拉断而破坏。木材的横纹拉力比顺纹拉力低得多，一般只有顺纹拉力的l/30—1/40。抗压强度顺纹抗压强度木材顺纹抗压强度是指木材沿纹理方向承受压力荷载的最大能力，如木结构支柱和家具中的腿构件所承受的压力。木柱有长柱与短柱之分。当长度与最小断面的直径之比≤11时为短柱，大于11时为长柱，长柱亦称欧拉柱。长柱以材料刚度为主要因素，受压不稳定，其破坏不是单纯的压力所致，而是纵向上会发生弯曲、产生扭矩，最后导致破坏，它不属于顺纹抗压的范畴。木材横纹抗压强度测定试样与受力方向1-径向全部抗压2-径向局部抗压抗弯强度指木材承受逐渐施加弯曲荷载的最大能力，可以用曲率半径的大小来度量。它与树种、树龄、部位、含水率和温度等有关。木材抗弯强度亦称静曲强度，或弯曲强度，是重要的木材力学性质之一，主要用于家具中各种柜体的横梁、建筑物的桁架、地板和桥梁等易于弯曲构件的设计。静力荷载下，木材弯曲特性主要决定于顺纹抗拉和顺纹抗压强度之间的差异。因为木材承受静力抗弯荷载时，常常因为压缩而破坏，并因拉伸而产生明显的损伤。对于抗弯强度来说，控制着木材抗弯比例极限的是顺纹抗压比例极限时的应力，而不是顺纹抗拉比例极限时应力。当梁承受中央荷载弯曲时，梁的变形是上凹下凸，上部纤维受压应力而缩短，下部纤维受拉应力而伸长，其间存在着一层纤维既不受压缩短也不受拉伸长，这一层长度不变的纤维层称为中性层。中性层与横截面的交线称为中性轴。受压和受拉区应力的大小与距中性轴的距离成正比，中性层的纤维承受水平方向的顺纹剪力。由于顺纹抗拉强度是顺纹抗压强度的2—3倍，随着梁弯曲变形的增大，中性层逐渐向下位移，直到梁弯曲破坏为止。木材的硬度指木材抵抗其它刚体压入的能力。木材的硬度与木材的密度密切相关，密度大其硬度则高，反之则低。树种密度端面硬度(Mpa)产地泡桐杉木紫椴香樟水曲柳柞木槭木黄檀蚬木0.2830.3760.4510.5350.6430.7480.8800.9231.12819.526.534.440.259.972.9108.8112.4142.3河南湖南黑龙江安徽黑龙江黑龙江安徽浙江广西同一树种，其端面硬度大于径面和弦面硬度，径面与弦面相差不大。针叶树材平均高出35％，阔叶树材高出25％左右。紫椴影响木材强度的因素(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[12Ww含水率对松木力学强度的影响A—横向抗弯；B—顺纹抗压；C—顺纹抗剪目前长期荷载对木材强度的影响，许多国家都采用小而无疵试样强度的2/3(即0.67)作为长期荷载强度的数值；若为恒载，则用1/2。建筑结构物大部均为恒载和活载的共同作用，故在《木结构设计规范》中，引用的长期荷载强度折减系数K2＝0.67。(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。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，