《建筑材料》木材

8木材本章简要介绍了木材的分类及木材的宏观构造和微观构造。详细地论述了木材的物理性质和力学性质。应深刻领会木材的各向异性、湿胀干缩性、含水率对木材性质的影响，影响木材强度大小的因素等。此外，还应了解木材在建筑工程中的主要用途及木材的综合利用途径，木材的腐朽原理及防腐途径。本章提要本章内容8.1木材的分类及构造8.2木材的主要性质8.3木材的应用8.1木材的分类及构造木材是由树木加工而成的，树木分为针叶树和阔叶树两大类，见表8.1。建筑中应用最多的是针叶树。木材的构造是决定木材性质的主要因素。一般对木材的研究可以从宏观和微观两方面进行。表8.1树木的分类和特点种类特点用途树种针叶树树叶细长，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，胀缩变形小是建筑工程中主要使用的树种，多用作承重构件、门窗等松树、杉树、柏树等阔叶树树叶宽大，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等榆树、桦树、水曲柳等用肉眼或低倍放大镜所看到的木材组织称为宏观构造。为便于了解木材的构造，将树木切成3个不同的切面，如图8.1所示横切面——径切面——弦切面——和树轴平行与年轮相切的切面。在宏观下，树木可分为树皮、木质部和髓心三个部分。而木材主要使用木质部。1宏观构造图8.1树干的3个切面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1）木质部的构造特征(2)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。2）髓心、髓线在显微镜下所看到的木材组织，称为木材的微观构造(见图8.2和图8.3)。在显微镜下，可以看到木材是由无数管状细胞紧密结合而成。细胞横断面呈四角略圆的正方形。每个细胞分为细胞壁和细胞腔两个部分，细胞壁由若干层纤维组成。细胞之间纵向联结比横向联结牢固，造成细胞纵向强度高，横向强度低。细胞之间有极小的空隙，能吸附水和渗透水分。2微观构造图8.2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—木髓线图8.3细胞壁的结构1—细胞腔；2—初生层；3—细胞间层8.2木材的主要性质(1)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1木材的物理性质1）木材的含水率(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，其含水率最后会达到与周围环境湿度相平衡，此时的含水率称为平衡含水率。它与周围空气的温度、相对湿度的关系如图8.4所示。根据周围空气的温度和相对湿度可求出图8.4木材的平衡含水率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。图8.5是木材含水率与胀缩变形的关系。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，2）湿胀干缩图8.5木材含水率与胀缩变形的关系不同树种的密度相差不大，平均约为1.55g/cm33）木材的密度4）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。1）木材的强度按受力状态，木材的强度分为抗拉、抗压、抗弯和抗剪四种强度。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。2木材的力学性质木材受剪切作用时，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，如图8.6所示。当以木材的顺纹抗压强度为1时，木材理论上各强度大小关系见表8.2。图8.6木材的剪切(a)顺纹剪切；(b)横纹剪切；(c)横纹切断表8.2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切断11/10~1/32~31/20~1/31.5~2.01/7~1/31/2~1(1)含水率当含水率在纤维饱和点以上变化时，仅仅是自由水的增减，对木材强度没有影响；当含水率在纤维饱和点以下变化时，随含水率的降低，细胞壁趋于紧密，木材强度增加。如图8.7所示。我国木材试验标准规定，以标准含水率(即含水率12%)时的强度为标准值，其他含水率时的强度，可按下式换算成标准含水率时的强度。2）影响木材强度的因素12[1(12)]wW(2)负荷时间的影响木材在长期荷载作用下，只有当其应力远低于强度极限的某一范围时，才可避免木材因长期负荷而破坏。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%，如图8.8所示。(3)温度对木材强度有直接影响。当温度由25℃升至50℃时，将因木纤维和其间的胶体软化等原因，使木材抗压强度降低20%~40%，抗拉和抗剪强度降低12%~20%；当温度在100℃以上时，木材中部分组织会分解、挥发，木材变黑，强度明显下降。因此，长期处于高温环境下的建筑物不宜采用木结构(4)木材的缺陷①节子节子能提高横纹抗压和顺纹抗剪强度。②木材受腐朽菌侵蚀后，不仅颜色改变，结构也变得松软、易碎，呈筛孔和粉末状形态。③裂纹会降低木材的强度，特别是顺纹抗剪强度。而且缝内容易积水，加速木材的腐烂。④构造缺陷木纤维排列不正常均会降低木材的强度，特别是抗拉及抗弯强度。图8.7含水率对木材强度的影响1—顺纹抗拉；2—抗弯；3—顺纹抗压；4—顺纹抗剪图8.8木材持久强度8.3木材的应用工程中木材按其加工程度和用途分为原条、原木、板材、枋材四类。此外还有各类人造板材。1木材产品1）原条原条是已经除去皮(也有不去皮的)、根、树梢而未加工成规定材品的木材。主要用于脚手架原木是将原条按一定尺寸切取的木料。可分直接使用原木——用于屋架、檩、椽、木桩、加工原木——2）原木又称锯材，指宽度为厚度的三倍或三倍以上的木料。按其厚度、宽度可分为薄板、中板、厚板。其尺寸见表8.3。锯材有特等锯材和普通锯材之分。根据《针叶树锯材》(GB153.2—84)和《阔叶树锯材分等》(GB481.72—84)的规定，普通锯材分为一、二、三等。各等级技术指标见表8.4。4）枋材指宽度不足厚度三倍的木料。3）板材表8.3针叶树、阔叶树锯材宽度、厚度(mm)分类厚度宽度尺寸范围进级薄板中板厚板12，15，18，2125，3040，50，6050~24050~26060~30010表8.4锯材的分等标准干燥能减轻自重，防止腐朽、开裂及弯曲，木材的干燥方法可分为自然干燥和人工干燥两种。自然干燥方法的优点是简单，不需要特殊设备，但干燥时间长，而且只能干燥到风干状态。人工干燥利用人工方法排除锯材中水分，常用方法有浸树法、蒸树法和热坑法。2木材的干燥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，前两种真菌对木材质量影响较小，但腐朽菌影响很大。真菌在木材中生存和繁殖必须具备三个条件，即适当的水分、足够的空气和适宜的温度。此外，木材还易受到白蚁、天牛等昆虫的蛀蚀，使木材形成很多孔眼或沟道，甚至蛀穴，破坏木质结构的完整性而使强度严重降低。3木材的防腐木材防腐的基本原理在于破坏真菌及虫类生(1)结构预防法在结构和施工中，使木结构不受潮湿，要有良好的通风条件；在木材与其他材料之间用防潮垫；不将支点或其他任何木结构封闭在墙内；木地板下设通风洞。2）木材的防腐(2)这种方法是通过涂刷或浸渍水溶性防腐剂(如氯化钠、氧化锌、氟化钠、硫酸铜)、油溶性防腐剂(如林丹五氯酚合剂)、乳剂防腐剂(如氟化钠、沥青膏)等，使木材成为有毒物质，达到防腐要求。木材经加工成型和制作构件时，会留下大量的碎块废屑，将这些废脚料或含有一定纤维量的其他作物作原料，采用一般物理和化学方法加工而成的即为人造板材。这类板材与天然木材相比，板面宽，表面平整光洁，没有节子，不翘曲、开裂，经加工处理后还具有防水、防火、防腐、防酸性能。常用人造板材有胶合板、纤维板、刨花板。4人造板材胶合板是用原木旋切成薄片，经干燥处理后，再用胶粘剂按奇数层数，以各层纤维互相垂直的方向粘合热压而成的人造板材。一般为3~13层，建筑工程中常用的有三合板和五合板。一般可分为阔叶树普通胶合板和松木普通胶合板胶合板厚度为2.4mm、3mm、3.5mm、4mm、5.5mm、6mm，自6mm起按1mm递增。胶合板幅面尺寸见表8.5。其特性及适用范围见表8.6。1）胶合板表8.5胶合板的幅面尺寸(mm)宽度长度9151220183021352440915915122018302135—1220—1220183021352440表8.6胶合板分类、特性及适用范围纤维板是以植物纤维为原料经破碎、浸泡、研磨成浆，然后经热压成型、干燥等工序制成的一种人造板材。纤维板所选原料可以是木材采伐或加工的剩余物(如板皮、刨花、树枝)，也可以纤维板按其体积密度分为硬质纤维板(体积密度＞800kg/m3)、中密度纤维板(体积密度500~800kg/m3)和软质纤维板(体积密度＜500kg/m3)三种。2）纤维板硬质纤维板的强度高、耐磨、不易变形，可代替木板用于墙面、天花板、地板、家具等。中密度纤维板表面光滑、材质细密、性能稳定、边缘牢固，且板材表面的再装饰性能好。主要用于隔断、隔墙、地面、高档家具等。软质纤维板结构松软，强度较低，但吸音性和保温性好，主要用于吊顶等。硬质纤维板中密度纤维板软质纤维板刨花板是利用木材的边角余料，经切碎、干燥、拌胶(或未施胶)热压而成的一种人造板材。其规格尺寸为：长度915mm、1220mm、1525mm、1830mm、2135mm；宽度915mm、1000mm、1220mm；厚度6mm、8mm、13mm、16mm、19mm、22mm、25mm、30mm刨花板表观密度小，性质均匀，具有隔声、绝热、防蛀、耐火等优点。但易吸湿，强度不高，可用于保温、隔音、室内装饰材料。3）创花板刨花刨花板