木材组成与结构ppt课件.ppt

第一章古建组成材料的主要性质 木材的组成与特性 1 古建组成材料有 木材 砖瓦 石 泥土 彩绘 油漆 金属等 本章介绍木材的重要特性 并介绍木材的损害原因 2 第一节 木材的构造与重要性质 文物保护技术必须建立在已知文物的损蚀机理的基础上 方可对症下药 故而本章须介绍木材的解剖结构 组成及各项指标 这是木材损蚀的内因 3 一 木材结构解剖 木材结构与命名针叶材与阔叶材纤维组成与结构植物细胞的构造古代木材与现代木材细胞构造的差异 这一点对我们选择加固 防腐处理方法有益 4 1 木材结构与命名 木材 无数个细胞 彼此相连 以不同的细胞形状 排列方式 承担树木内营养物质的运送 充当机械强度 结构与命名见下图 5 6 7 边材 髓心 心材 外皮 内皮 8 9 早材 晚材 早材 晚材 10 木材结构 11 2 针叶材与阔叶材 按分类学区分 木材分为针叶材 softwood 阔叶材 hardwood 针叶材 树叶为针状或鳞片状 如 银杏 松木 杉木 柏木 形体高大通直 是建筑用材 属于软材 阔叶材 树叶比较宽大 如 楠木 香樟 槐树 柞木 白榆 椴木 柳木 其树干多分叉 名称叫硬材 但不代表都是硬度高的木材 如泡桐 轻木就是软材 因阔叶材品种多 又叫杂木 以其硬度分为 硬杂木和软杂木 12 针叶材 13 针叶材 14 阔叶材 15 阔叶材 16 针叶材与阔叶材的构造 针叶材 主要组成是管胞 木材纤维 长度约为3 8mm 占总体积90 以上 一般针叶材无导管 称为无孔材 阔叶材 主要组成是导管和木材纤维 管胞为非主要细胞 其木材纤维包括木纤维和纤维状管胞 长度约为1mm 占体积50 以上 阔叶材断面显示明显的管孔 所以又叫孔材 组织结构如下 17 阔叶材的超微结构 18 19 3 纤维组成结构 针叶材 90 95 是纤维细胞 长形的管胞 5 10 的木射线 贮存细胞 长形薄壁细胞 以及树脂等 阔叶材 40 75 的木纤维 导管和纤维管胞 10 30 的维管束5 30 的长形薄壁细胞 比针叶材的丰富 针叶材的长形管胞 长2 5mm 直径0 02 0 05mm 起运输水分 支撑树干的作用 阔叶材纤维 长度1 0 1 5mm 起输导水分 增加树干强度作用 通过管胞开放的或半开放的端部彼此相连 成为管状通道 称为木纤维 有时可以长至数米 阔叶材导管 直径0 05 0 15mm 纹孔 相邻细胞间的物质交换依靠纹孔来完成 20 微观构造 21 4 木材细胞的结构 木材细胞由细胞壁和细胞腔构成 细胞壁是植物细胞所特有的一种结构 细胞壁的形态结构决定了组织的性能 细胞壁 完成植物组织的吸收 蒸腾和物质运输等功能 还起着重要的支撑作用 这一点正是木材被人类利用的原因 22 木材细胞超微结构 23 木材细胞的超微结构 初生壁 由它最初起支撑新生细胞 其组成成分主要为纤维素 果胶 细胞成熟后这层木质化 随细胞的增长不断增长 平均厚度为0 10 0 15微米 次生壁 在成熟后 停止增大生长 形成次生壁 主要成分为纤维素和半纤维素 同时还有大量的木质素和其他物质 次生壁又分三层 外层 中间层 内层 24 木材细胞的超微结构 外层 厚度较薄 平均0 2 0 3微米 本身又由3 4个薄层组成 每一薄层由微纤维丝成螺旋状排列 在压力下 它保证了木材强度 中间层 最厚 平均1 4微米 由30 150个薄层组成 各薄层间和薄层中微纤维丝紧密有效地结合在一起 使木材具有了抗拉强度 内层 最薄 仅有0 1微米 它与细胞腔相邻 层数很少 微纤维丝水平相连 很少交叉 在所有针叶林和少数阔叶林中 内层都有根瘤着生其上 25 木材细胞的结构 胞间层 细胞之间有胞间层使细胞彼此相连 它的厚度最厚处为0 2 1 0微米 由于相邻的两个细胞之间极少有专门的界限 因此它们共同的胞间质即作为分界的中间层 26 木材细胞的结构 细胞壁的生成和生长都由细胞原生质中的糖来完成 通过酶的催化 合成纤维素和半纤维素 纤维素又组成微纤丝 微纤丝实际上也是细胞原生质沉积而成 这些微纤丝又共同组成次生壁 细胞排列 组成纤维束 纤维束构成木材 27 5 古代与现代木材的差异 时代变迁 各种环境因素的影响 造成古代与现代的差异 环境因素 生物方面 木材害虫 木腐菌 细菌和海生钻木动物 气候方面 有害性气体 光 热辐射 灰尘 风雨等 埋藏环境 厌氧菌 地下水 海生钻木动物等 古代木材 害虫 蛀蚀边材和早材 内部充满虫孔 木腐菌 从外向内部腐蚀 致使木材折断或成海绵体 厌氧环境 中 内次生壁遭破坏 胞间质和初生壁保存下来 28 受害木材标本 29 户县公输堂清代木柱虫害现状 30 古代木质文物标本 31 出土饱水木质文物 32 出土饱水木质文物 33 地面 古代建筑 木质文物 34 二 木材的化学组成 1 组成元素 C 48 51 H 43 44 O 6 7 N 0 1 0 2 各类盐 0 2 0 6 35 2 化学组成 36 针叶材和阔叶材的化学成分区别 37 38 A 纤维素 是细胞壁的主要组成成分 无臭无味 不溶于一般的有机溶剂 不溶于一般的稀酸 稀碱 是造纸 人造板 胶片 塑料及涂料的重要原料 39 40 41 A 纤维素 由10000 14000个葡萄糖单元组成一个链 纤维素链 直径0 5纳米 长约5 10微米 纤维素外围的 OH基对其化学反应起着重要作用 一个分子的 OH基和另一个相邻分子的 OH基之间可以形成氢键 分子内和分子间的氢键 这样水分就与纤维结合在一起 纤维素链组成纤维单元 直径3 0 3 5纳米 每个纤维单元由36个纤维素链组成 纤维单元再组成纤维 直径可达12纳米 由16个纤维单元组成 进一步 4个12纳米的纤维组成一个微纤丝 直径25纳米 42 B 半纤维素 也是由葡萄糖单元组成 它存在于植物细胞壁中的一类不同于纤维素的低聚糖的总称 其中大多数不溶于水而溶于碱液 遇酸水解 其结构有别于纤维素分子 半纤维素分子链短而有侧基 其主链可以由一个或几个不同的糖单元构成 半纤维素也可以组成纤维单元 43 半纤维素的主要糖基 44 C 木质素 木质化植物组织除去浸提成分 包括灰分 后的非碳水化合物部分是具有芳香族特性无定型物质 在细胞壁中起着连接细胞和强化植物组织的作用 一般不被水解 酸作用下可得棕色粉末状物质 45 木质素基本结构单元 46 47 48 木质素的生物合成 49 50 51 52 53 54 3 木材细胞壁大分子的结构 一般认为纤维素和半纤维素组成纤维单元 其中纤维素和半纤维素中的 OH基起着重要作用 半纤维素可以结合在纤维素形成的纤维单元上 可能是半纤维素形成一个薄层包裹在纤维素周围 首先形成一个纤维素和半纤维素的支架 然后木质素填充其间 实际上是纤维素和半纤维素形成的晶格结构恰当地镶嵌在木质素中 类似于钢筋混凝土结构 其中纤维素和半纤维素相当于钢筋支架 木质素相当于水泥 木材细胞壁大分子结构至今尚没有模式概念 55 56 4 古代木材的化学组成 纤维素在缺氧环境下被强烈分解 其中水解和酶催化过程起了重要作用 与现代材相比 古代木材含有较少的纤维素和相对较高的木质素及灰分 木质素含量的提高是由于其它成分损失的结果 长期在干燥环境中放置的木材 由于氧化作用 使木质素含量降低 57 三 木材的几项性质 1 含水率2 木材密度3 木材浸注性4 木材强度5 木材的天然耐久性 58 1 含水率 绝对含水率u m湿 m绝干 m绝干 100 相对含水率f m湿 m绝干 m湿 100 概念 实践中 绝干材u 0衡重气干材常时间干燥温暖环境中放置的的木材 南方17 18 北方12 13 半干材u 20 30 低于纤维饱和点的木材湿材 u 30 常时间在水环境中或新采伐的木材 59 古代木材含水率 遭受菌虫危害后 含水率变化要比健康材大 短时间之内可吸收大量水分 木材越是腐朽 这种性质越明显 在收缩过程中往往出现典型的收缩裂纹 古老的 含水率比较高的木材很容易降解 含水率越高 降解越快 若一直保持高含水率 木材就可以保持原来的形状 高含水率古老木材的干燥收缩率可大于健康材的30 极端情况下木材干燥收缩会导致整个木材破坏 原因是木材的细胞及细胞间的结合已完全破坏 已经干燥和收缩的高含水率木材再与水重新接触时 膨胀率非常小 因为细胞的破坏是不可逆转的 60 2 木材密度 单位体积木材的重量 全干密度 全干质量 全干体积气干密度 气干质量 气干体积基本密度 全干质量 水分饱和时体积基本密度是实验室中 判断材性的依据 数值比较固定准确 气干密度是生产中计算气干时木材质量的依据 密度是衡量木材力学强度的重要指标之一密度高力学强度就好 反之则差 61 3 木材浸注性 指木材吸收防腐和加固药剂的能力 决定于木材的渗透性 直接影响保护措施的效果 一般分为 最难 难 稍难 易浸 具体 防腐 处理时 应加以考虑 对于难浸树种应补充措施 62 木材浸注性 最难 刺槐 柞木 落叶松难 柏木 杉木 香樟稍难 硕桦 红松 华山松易浸 水曲柳 山杨 白桦 毛白杨 松木 裂叶榆 63 现代木材与古代木材对比 密度 一般由于菌虫的损害 古材密度明显低于现代材 若在水下 地下出土 未受生物损害 无论年代如何久 密度 外观变化都很小 长期水解 化学成分抽提物流失 皱缩明显高于新材 但密度不变 浸注性 与木种和损害程度有关木材害虫蛀蚀严重 受害程度高 浸注性就高 木腐菌使古代木材易于浸注 但浸注不均匀 纹孔封闭 湿材浸注与损害程度有关 只有表面被破坏的一层能被浸注 古代材浸注性同样受清洁程度的影响 油漆 彩绘 灰尘 64 4 木材强度 泛指木材的力学性质 包括 抗压 抗拉 抗弯 抗冲击 抗剪 硬度 从生物角度讲 木材各向异性 按纹分 横纹 垂直于木材纹理 数值 顺纹 平行于木材纹理 数值 65 4 木材强度 硬度与木材密度 含水率的关系 密度 硬度 含水率 硬度 抗压强度 密度 抗压强度 晚材部分 抗压强度 纤维饱和点以下 含水率 抗压强度 t 抗压强度 抗压强度与年轮方向有关 顺纹 横纹顺纹 10倍横纹 66 4 木材强度 抗拉强度 密度 晚材 抗拉强度 含水率在饱和点以下 含水率 抗拉强度 t 抗拉强度 木质素 抗拉强度 木材纤维方向的抗拉强度最大 67 4 木材强度 抗弯强度 密度 抗弯强度 晚材 抗弯强度 纤维饱和点以下 含水率 抗弯强度 t 抗弯强度 68 4 木材强度 抗弯弹性模量 指木材的劲度或弹性的物理量 即木材在一定极限内抵抗弯曲变形的能力 弹性模量 越刚硬 弹性变形 弹性模量 柔曲 抗弯弹性模量是选用梁 托梁 条材等的一个重要参考数值 它与密度成正比 与含水率成反比 见表 69 4 木材强度 古代木材 遭生物损害后 力学强度降低 地下出土木材 密度不变 纤维素降解 致使抗压 抗弯强度下降 其中抗弯 抗拉强度比抗压强度下降的多 遭受木腐菌危害的木材 几周之内抗压 抗弯强度大大下降 而重量无明显变化 因此鉴定古旧木材受损情况应使用强度指标 而不能用密度 70 5 木材的天然耐久性 指木材对木腐菌和木材害虫等生物损害的固有抵抗能力 同样也包括 对气候变化 物理化学等因子的天然抵抗能力天然耐久性作为一种特有的性质与树种有关 密度大的树种 耐久性强 与同一棵树的部位有关 心材 晚材部分耐久性强 与木材内含有的化学成分有关 边材内含有丰富的淀粉 糖 含氮物质 微量矿物质 为菌虫提供营养最易腐蚀虫蛀 木材的天然耐久性是古建维修时 选择更换木料的重要参数 见表 71 四 木材的各种损害 如果对木材进行防护处理 并正确使用 木材是一种具有耐久性的材料 它不易老化 相对塑料 不会疲劳 相对金属 如 2000年的木棺椁 1000年的木塔 但是 在潮湿环境下 易受生物的侵害 以及物理 化学非生物侵害 本章节分别介绍木材的损害因素与机制 72 植物性微生物损害 木腐菌 细菌 生物因素动物性损害 蛀木甲虫 白蚁 海生钻木动物 损坏因素物理损害 气候 声 光 非生物因素化学损害 金属 水分 气体 酸碱盐溶液 73 生物损害因素 植物性微生物损害 变色菌褐腐菌木腐菌白腐菌软腐菌植物性微生物损害细菌 74 木腐菌 木材最重要的植物性损害与其它植物不一样 无叶绿素 不能在阳光下合成碳水化合物 而是通过酶溶过程使木材分解 以获得自身生长所必须的营养 分类 木腐菌最主要的一大类为真菌 植物学上根据孢子的形状 把真菌分为两类 担子菌 孢子呈柱状子囊菌 孢子呈丝状繁殖 分有性和无性两种 75 76 木腐菌 有性繁殖是在生长发育过程中形成子实体 子实体生长在木材表面很容易被发现 有的呈痂皮状平铺在木材表面 有的成托叶直立于木材上 发育成熟后 子实体产生孢子 孢子很小 长约5 10微米 漂浮在空气中 随风传播 落在木材上 遇合适环境 即长出胚芽 生长成有色或无色的菌丝 菌丝生长穿透木材 以木材作为营养基质 菌丝是破坏木材的主要阶段 菌丝的生长阶段可以很长 众多菌丝长成一片 形成菌斑 在经过贫瘠的部位时还可形成表面菌丝 明显暴露在木材表面 有时 菌丝共同生长成一根 成为菌索 菌丝继续生长最后发育出子实体 子实体的形状和颜色是鉴定真菌种类的重要依据 无性繁殖可以通过真菌菌丝和菌斑的扩展与蔓延完成 菌丝生长速度除了决定于木材提供的营养物质外 合适的环境温度和木材含水率也起着重要作用 大多数木腐菌生长最适宜的温度是25 30 木材含水率36 60 77 木腐菌 根据木腐菌对木材的损害结果分类有 变色菌 真菌的菌丝颜色 褐腐菌 木材腐朽呈褐色 白腐菌 腐朽材呈白色 软腐菌 腐朽材质软化 78 变色菌 发生在边材 针叶林的变色 兰色 铁灰色阔叶林的变色 棕色变色不可逆变色菌进入木材后以薄壁组织细胞内的糖类 淀粉为营养 不破坏细胞壁 变色不影响木材力学强度 但长期在适宜的条件下生长 沿横向穿透细胞壁就会引起软腐 79 褐腐菌 分解木材纤维中的多糖 纤维素 半纤维素 导致木材纤维降解 使木质素的含量相对增高 腐蚀后 木材呈褐色 纵横向均产生裂纹 形成方块形破裂 导致木材密度 强度下降 80 白腐菌 白腐菌同时分解多糖和木质素 呈白色 木材呈海绵状 蜂窝状 表面凹凸不平 纤维变短 表面粗糙断裂 褐 白腐菌为主要的木腐菌 属于担子菌 常见的有 粉孢革菌 香菇 多孔菌 革裥菌 卧孔菌 81 软腐菌 软腐菌 属于子囊菌 世界上研究比较多的球毛壳菌 标准菌种 木材长期浸泡在不流动的水中 或处在高温 高湿 PH值较高或较低的环境中 就会遭受软腐菌侵害 软腐菌分解细胞壁中的多糖 使细胞壁形成许多空腔 此时木材强度严重降低 木材断裂面整齐 82 细菌 细菌比木腐菌的损害轻得多 可将细胞壁蛀蚀成孔洞 在对真菌不利的条件下 缺氧 可以生长 它与真菌同时危害加速木材的降解 水中贮存的木材滋生厌氧性细菌 细菌分裂很快 破坏木材的纹孔 形成了许多微孔 增加了木材的渗透性 大大改善了木材的浸注性 细菌的损害只使木材的强度有很少的降低 有可能使木材变色 细菌有很强的耐化学药品的能力 尽管较高的防腐剂吸收量 仍然不能避免细菌的感染 83 生物损害因素 木材的动物性损害 蛀木甲虫木材的动物性损害白蚁海生钻木动物 84 蛀木甲虫 甲虫 鞘翅目昆虫 特征 前翅变为角质 成 鞘 状 包覆在身体背后 坚硬的外壳 危害木材的昆虫一般为中 小型昆虫 蛀木甲虫有 天牛科 长蠹科 长小蠹科 窃蠹科 小蠹科 粉蠹科 象鼻虫科 85 天牛 天牛 害虫中比较大的昆虫 一般0 9 5 有的7 8 外形图 灰褐色 黑色有时带花纹 斑点 幼虫 乳白色 头部粗大 鄂强大 穿孔于木材中 虫孔椭圆形 穿过内皮到木质部 86 长蠹 窃蠹 小蠹 都是小型昆虫前胸背板向前延伸 包裹住头部 风雪大衣的帽子 从背部垂直向下看 见不到头部 圆筒状 暗褐色 黑色 三者之间有明显区别 87 长蠹 头部背板成圆形 粗糙不平幼虫头小 无眼 弯曲成C型主要蛀蚀阔叶树材心材 也危害一些针叶材 多蛀蚀气干 窖干成材 蛀虫在木材中钻孔 残留粉末蛀屑 与粉蠹相似 通称粉末蛀虫 成虫钻出木材时 洞口有粉末落下 虫孔孔径 1 6 2 1 图5 10 木材内部虫道呈网状 但木材外部几乎看不出破坏的严重性 88 窃蠹 头部背板不呈圆形 前端有凹陷 上面有细毛 幼虫 乳白色 体弯曲 危害范围 结构材 胶合板 干燥木材产品 家具蛀虫 古建筑和木质雕塑的害虫也多为此类 窃蠹蛀蚀的虫眼小而圆 直径1 2 与粉蠹相似 89 小蠹 触角短 头圆 粗糙程度小 主要蛀蚀针 阔叶树的边材 孔径小而圆 没有蛀屑充填 针孔虫眼 90 粉蠹 象鼻虫 长小蠹 与前三者不同 前胸背板不延伸包裹头部 从背面直向下看可见头部三者为褐色 黑色 小型昆虫 91 粉蠹 身体略扁平 较细长 一般2 4 4 5 触角细长呈串珠状 是木材特别严重的一类害虫幼虫对硬木家具和木制品危害更甚 只蛀蚀边材不侵害心材以淀粉和木射线薄壁细胞中的贮存物质为食料栎木 杨木 山核桃和白蜡树最易受蛀蚀幼虫将木材蛀成1 2 的虫道 幼虫活动期 蛀粉不断从虫眼落下或堆积在木材表面 认识它的典型特征 92 象鼻虫 头部向前延伸 象鼻状 口器在鼻顶端 成虫为发光的圆柱形甲虫 褐 黑色 3 5 幼虫弯曲成C形 无足 成虫 幼虫都钻蚀木材 危害状相似于窃蠹 但钻孔较小 危害限于早材 危害木材多薄片状 93 长小蠹 外观怪异胸部两侧平行 长比宽大 长度相当于鞘翅一半 触角粗短 成虫体长 5 5 5 危害状与小蠹相似 密麻的虫眼和孔道 针眼无蛀屑填充 94 蛀木甲虫 在整个一生的生长发育中经历了卵 幼虫 成虫 蛹几个阶段 这几个阶段的形态改变称之为 变态 成虫交尾 雌虫产卵 木材粗糙表面 裂纹或夹缝 有些种类 如粉蠹产卵于阔叶材导管中 幼虫孵化 蛀入木材 取食 生长 几次蜕皮 蛹 停在接近木材表面的蛹室里 羽化 成虫 咬破木材 飞出 交尾 95 蛀木甲虫 幼虫阶段是危害木材的主要阶段 幼虫在木材中蛀蚀成各种孔道 并排出粉末状或锯末状蛀屑 有些种类 如小蠹虫不排出蛀屑 孔道和蛀屑的形状是识别害虫的一个重要依据 一般虫体较大的 如天牛和某些象鼻虫等蛀成大型坑道 并在木材表面蛀成大虫眼 小甲虫则形成小虫眼 一般讲 幼虫期很长 短则一年 或半年 长则十数年 而其它阶段一共仅有几周时间 了解蛀木甲虫的生活周期是掌握用药时机 实施有效防治的必要一环 96 蛀木甲虫 危害古建筑木结构和木质文物的常见的甲虫是窃蠹 长蠹 粉蠹等 一般木材蛀成针孔大小的虫眼 掉下白色粉末状蛀屑 危害严重时 内部坑道纵横交错 是木材呈海绵状 稍用力即可破损 97 白蚁 热带 亚热带重要的木材害虫 长江为界 北方种类少 数量有限长江以南 种类多 数量大危害很大 北京碧云寺西配殿1963年突然塌架 30 30 的柁被白蚁蛀空四川都江堰青城山 1800年镇山宝树 白果 被蛀空 98 白蚁 白蚁 形似蚂蚁 乳白色 乳黄色 但不是蚂蚁 身体柔弱 腹部几乎半透明 反映出白蚁所吃的食物 食物 纤维素半纤维素 靠肠中寄生的的原生动物将之分解 营养一般吃年轮中较软的早材 留下较硬的晚材 被害材呈典型的片状 99 白蚁 典型的社会性昆虫 蚁王 蚁后 交尾产卵繁殖后代工蚁 任务繁重 取食 筑巢 饲育后代 真正破坏木材的蚁种兵蚁 保卫蚁巢 前鄂发达 失去正常的取食能力 靠工蚁喂食补充型繁殖蚁 100 白蚁 避光习性 基本密封的巢穴白蚁所到之处 泥路保护 检查和发现的白蚁的典型特征白蚁分为 土木栖 土栖 木栖 一般危害古建的是土木栖 木栖 主要的是家白蚁 散白蚁 堆沙白蚁 101 海生钻木动物 针对海水中的桩木 码头护木 木船 有 软体动物门 船蛆 海笋 用足和贝壳穿凿木材破坏木材内部 节足动物门 蛀木水虱和团水虱 附着在木材表面 用齿咬蚀木材表层成海绵状 102 船蛆 幼虫时期钻入木材 以后终生不出 木材表面洞很小 内部千疮百孔 1个月成熟 一年寿命 生长迅速 长度 几厘米 50厘米船蛆的洞互不相通 103 海笋 形态与习性与船蛆相近 但钻入木材后身体并不无限延长 所以穿凿木材深度不如船蛆 但蛀孔粗大 危害严重 104 蛀木水虱 属甲壳纲 与虾蟹类相近 分布很广 个体很小 体长5 常危害海水中桩木接近海面的部分 幼虫时侵入木材 开始时洞很小 随个体发育 孔洞加深 由于需要从海水中摄取氧气食物 在穴壁上凿孔与木材表面相通 纵横交错成海绵状 遇风浪 木材表面被打碎剥离 主要危害港湾浸于海水中的结构木材 在外海和木船上少见 105 物理损害 有 气候 声 光等因素 但不是单一物理因素的作用 与化学 生物等因素综合作用 如光化学反应 紫外线 氧气 木材降解 发黄大气 菌类作用 木材变色 灰暗 106 纯温度变化 木材 气干材 温度升高 失掉水分 收缩 再加热 有一个不明显的吸收水分和膨胀的过程 因此迅速的不均匀的加热使木材产生干裂 107 108 声波 对新材影响较小 对古旧木材 超声波 使木材上涂层脱落 使损坏部分成颗粒状破碎 109 x r射线 小剂量 可使木材避免微生物的侵害 大剂量 100KGy 使木材表面降解 光