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⒊1。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：)]15(1[15ww（1）式中15——含水率为15％时的木材强度；w——含水率为W％时的木材强度；w——试验时的木材含水率；α——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：α＝0．015；针叶树α＝0。顺纹抗剪：α=O．03；抗弯：a＝0.04；横纹抗压：α＝O.045当木材含水率在8～23％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50～60％。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缺陷如木节、弯曲、斜纹等，以及病虫害、腐朽和蛀蚀等。这些疵病或破坏组织或造成构造上的不连续性，会严重影响到木材的力学性能。第三节木材的干燥、防腐及防火一、木材的干燥木材的干燥：自然干燥和人工干燥两种方法。二、木材的防腐－木材在使用的过程中，有时会产生腐朽和蛀蚀的现象，这是由于真菌作用和虫害所造成。对木材起破坏作用的是腐朽菌。腐朽菌能分泌酵素，用来分解细胞壁中的纤维素和木质素，作为养料吸取，供自身生长和繁殖，使木材腐朽破坏。真菌的生存和繁殖，须同时具备以下几个条件，即温度、湿度、空气和养分。温度为25～30℃、木材内含水率在30％～50％和一定量的空气（5％）的温暖潮湿环境中，最适宜真菌的生存和繁殖。当温度高于60℃或低于5℃时，木材含水率小于20％或浸没在水中或深埋于地下，真菌难以生存。而频繁受到干湿循环作用的木材，最容易腐朽。木材除受到腐朽菌的破坏之外，还会遭受昆虫的侵蚀，如白蚁、天牛和蠢虫，它们在树皮内或木质部内产卵，孵化成幼虫，蛀蚀木材。最简单的防腐方法是将木材干燥至含水率小于20%，在通风良好的环境中使用；或将木材表面油漆，隔绝空气，可避免和减少真菌的腐朽作用。用化学防腐剂来防止木材的腐朽：一类是水溶液防腐剂冖常用于室内木构件的防腐，如氰化锌、氟化钡、硼铬合剂等。另一类是油剂防腐剂，由于这类防腐剂毒性大且持久，又有臭味，故多用子室外、地下或水下木构件，这类防腐剂有蒽油、克鲁苏油等。用防腐剂处理木材的方法很多，常用的有：压力渗透法、冷热槽法、喷涂法和浸渍法等。防腐用的化学药剂对防止昆虫蛀蚀也同样有效三、木材的防火表面处理，用不燃烧的材料覆盖在木材表面，防止木材与火直接接触。不燃性材料有各种金属、水泥及耐火涂料。注人法将防火剂注入木材内，可以防止或延缓起火燃烧。防火剂有硼酸、磷酸铵和碳酸铵等。第四节木材的综合利用建筑工程上使用的木材有原木、板材和枋材三种型式。原木：已经除去皮、根、树梢的木料，并按一定尺寸加工成规定直径和长度的材料。原木在工程中可用于屋架、木桩、电杆和坑木等。板材：已经加工锯解成材的木料，宽度为厚度三倍或三倍以上。枋材：锯解成材的木料，只是宽度不足厚度的三倍。人造板材一、胶合板用旋转式旋切祝粘原木沿年轮方向切成大张薄片，薄片经干燥处理后上胶，数张重叠热压制成。胶合板的木片层数为奇数，一般为3～13层∫胶合时相邻木片的纤维互相垂直。胶合用胶有耐水性较好的合成俐脂，也有耐水性较差的动植物胶。胶合板以层数来命名，如三夹板、五夹板等。胶含板木材利用率高，木纹美观，装饰性好。由于各层木片的纤维互相垂直，因此消除了各向异性，改善了木材的物理和力学性能。胶合板变形均匀，纵横方向强度大致相等c产品规格化，使用方便。胶合板用途很广，通常用作天花板、门面板、隔墙板、护墙板、家具和室内装修等。二、胶合夹心板胶合夹心板分实心板和空心板两种。实心板两表面用胶合板，内部夹以短木条，用脲醛树脂胶合加压加热制成c空心板内部则用原纸（或增强塑料）蜂窝结构填充。胶合夹心板多用作门板、窒板和家具等c三、纤维板纤维板是用板皮、刨花、树枝等废材，经破碎、浸泡、研磨戚木浆，再经湿压戚型，干燥处理等工序制戚。因成型时温度和压力不同，分为硬质、半硬质和软质三种。纤维板的木材利用率更高，达90%以上，且构造均匀，各向强度一致，弯曲强度较大，不易胀缩和翘曲开裂耐腐耐磨。硬质纤维板用作窒内墙壁、地板、家具和装修等。软质纤维板用作绝热、吸声材料。四、刨花板、木丝板和木屑板‘是用木材加工后废弃的刨花碎片、木丝、木屑经干燥，加人胶结材料加压成型制成。胶结材料可用动植物胶、合成树脂、水泥和菱苦土等。刨花板、木丝板和木屑板通常用作隔墙板、天花板、隔热板和吸声板等。