土木工程材料 第12章 木材.ppt

1、第十二章 木材,第一节 木材的分类与构造 第二节 木材的物理性质及力学性质 第三节 木材的防腐和防火处理 第四节 木材的主要产品及应用,第一节 木材的分类与构造,一、木材的分类木材产自木本植物中的乔木， 1.按其树叶的外观形状可将木材分为针叶树材和阔叶树材两大类: （1）针叶树材材质较软，易于加工，纹理直顺，强度较高，胀缩变形较小，耐腐蚀性强，广泛用做承重构件。,（2）阔叶树材材质较硬，较难加工，易翘曲开裂，通直部分较短，木纹美观，有很好的装饰作用，适于做装饰装修材料。,一、木材的分类,（2）按树木生长的状况分为外长树木材和内长树木材。 外长树的树干是通过向外生长而逐渐由细变粗的，且成长情况因

2、季节气候的不同而有所不同，所以在横切面上有明显的年轮。 内长树的树干是通过内部木质的充实而逐渐由细变粗的。热带的树木几乎都是内长树。,二、木材的宏观构造,木材的宏观构造是指用肉眼或借助放大镜能观察到的构造特征。由于木材是非均质材料，所以其宏观构造通常从树干的横切面（即垂直于树轴的切面）、径切面（即通过树轴的纵切面）和弦切面（即平行于树轴的切面）三个主要切面来剖析（见图12-1）。,二、木材的宏观构造,从横切面可以看到木材是由树皮、木质部和髓心三部分组成的。树皮是木材外表面的整个组织，由外皮、软木组织和内皮组成，起保护树木的作用。树皮与髓心之间的部分称为木质部，是木材利用的主要部分。一般木质部的

3、外层部分颜色较浅，称为边材，而内层颜色较深部分称为心材，心材较边材的利用价值大。髓心也称树心，是树干中心的松软部分。髓心是木材使用时的缺陷，影响木材的力学强度。,木材还具有以下宏观构造特征：,(1) 年轮 树木生长呈周期性，在温带气候一年仅有一度的生长。在同一生长年中，春季生长的部分称为春材或早材，由于春天细胞分裂速度快，形成的细胞腔大，且细胞壁薄，所以构成的木质较硫松，颜色较浅；夏秋两季生长的部分称为夏材或晚材，由于夏秋两季细胞分裂速度比春季慢，形成的细胞腔小，且细胞壁厚，构成的木质较致密，颜色较深。 在横切面上，可以见到多个围绕髓心、深浅相间的同心环，它们就是一年中形成的春材和夏材构成的，

4、称为年轮。,木材还具有以下宏观构造特征：,(2)木射线 木射线又称为髓线，在横切面上，木射线以髓心为中心，呈放射状分布；从径切面上看，木射线为横向的带条。木射线是由横行的薄壁细胞组成的，其功能为横向传递和储存养分。 (3)树脂道和导管 树脂道是大部分针叶树种所特有的构造。它是由泌脂细胞围绕而成的孔道，富含树脂。在横切面上呈棕色或浅棕色的小点，在纵切面上呈深色的沟漕或浅线条。 导管仅存在于阔叶树中，它是一串纵行细胞复合生成的管状构造，起输送养分的作用。,三、木材的微观结构,在显微镜下所见到的木材组织称为木材的微观构造。通过显微镜观察可知，木材是由无数纵向排列的管状细胞紧密结合而成的（只有极少数呈

5、横向排列），每个细胞由细胞壁和细胞腔两部分组成，细胞腔位于细胞中央。木材的细胞壁愈厚，细胞腔愈小，则木材愈密实，强度也愈大，但胀缩变形也愈大。,不同树种的构成细胞不同，且细胞的功能也不相同.,第二节 木材的物理性质和力学性质,一、木材中的水分及含水率 二、木材与含水量有关的体积变形（湿胀与干缩） 三、木材的强度 四、木材的装饰性,第二节 木材的物理性质和力学性质,一、木材中的水分及含水率 木材纤维中含有大量的羟基（-OH），有很强的亲水性，容易从周围环境中吸收水分。木材中的含水量以含水率表示，即木材中所含水的质量占干燥木材质量的百分率。新伐树木称为生材，其含水率常大于35%，气干状态木材的含水

6、率因地而异，南方约为15 20，北方约为10 15。经干燥窑处理过的木材含水率约在4 12。,1木材中的水分和纤维饱和点含水率,按水存在的形式分为化学结合水，吸附水和自由水三类。 化学结合水是指木材化学组织中的结构水。它在常温下不变化，对木材的性能无影响。 吸附水是指被吸附在细胞壁内细小纤维间的水。水分进入木材后首先被吸入细胞壁，所以吸附水直接影响木材的强度和体积变化，是影响木材强度和胀缩的主要因素。 自由水是指存在于木材细胞腔和细胞间隙中的水分。自由水影响木材的表观密度、保存性、抗腐蚀性和燃烧性。,纤维饱和点含水率,纤维饱和点:在干燥环境下，木材首先蒸发的是自由水，当自由水蒸发完后，吸附水开

7、始蒸发。当自由水蒸发完毕而吸附水尚处于饱和时的状态，称为纤维饱和点。 纤维饱和点含水率:达到纤维饱和点时的木材含水率称为纤维饱和点含水率，其值通常介于2333。它是木材许多性质受含水率影响而发生变化的转折点。在纤维饱和点之上，含水率变化是自由水含量的变化，木材强度和体积的变化甚微；在纤维饱和点之下，含水率变化是吸附水含量的变化，木材强度和体积将随含水率的变化而发生较大的变化。,2木材的平衡含水率,木材的含水率与所处环境的温度和相对湿度有关，当木材长时间处于一定温度和相对湿度的空气中时，其水分的蒸发和吸收会逐渐达到动态平衡状态，此时的含水率相对稳定，称为平衡含水率。木材平衡含水率随周围空气的温度

8、和相对湿度而变化(见图12-3)。,二、 木材与含水量有关的体积 变形（湿胀与干缩）,木材在纤维饱和点以下干燥时，随着含水率的降低，吸附水减少，细胞壁的厚度减小，因而细胞外表尺寸缩减，这种现象称为“木材干缩”。反之，干燥木材吸湿时将发生体积膨胀，直到含水量达到纤维饱和点时为止。木材的细胞壁愈厚，则胀缩变形就愈大。所以表观密度大、夏材含量多的木材会发生较大的胀缩变形。 由于木材的构造具有不均匀性，所以在相同条件下，同一木材中不同方向、不同部位的胀缩数值不同，边材的胀缩大于心材。一般新伐木材经过完全干燥后，弦向收缩率为612，径向收缩率为36，纵向收缩率为0.10.3，体积收缩率为914，即弦向最

9、大，径向次之，纵向最小，弦向收缩与径向收缩比率通常为21。,由于复杂的构造原因，木树干燥时其横截面的不同部位也会发生不同的变形（见图12-4），所以不均匀干缩会使板材发生翘曲(包括顺弯、横弯、翘弯)和扭弯等变形(见图12-5)。,木材湿胀干缩特性对其实际使用具有显著的影响。干缩会使木材翘曲开裂、接榫松弛、拼缝不严，湿胀则造成凸起。这些变形将影响结构的性能。因此为了避免湿胀干缩，在木材加工制作前必须预先进行干燥处理，使木材的含水率达到与其使用环境温湿度相适应的平衡含水率，通常比使用地区平衡含水率低2 3。,三、木材的强度,1木材的各种强度 由于木材构造的各向异性，所以木材在力学性质上具有明显的各

10、向异性特点。木材的强度与外力性质、受力方向以及纤维排列的方向（顺纹和横纹）有关。 木材所受的外力主要有拉力、压力、弯曲和剪切力。 表12-2 木材各强度之间的比例关系,2木材的强度等级,按无疵标准试件的弦向静曲强度来评定木材的强度等级(见表12-3)。木材强度等级代号中的数值为木结构设计时的强度设计值。因为木材实际强度会受到各种因素的影响，所以设计值要比试件的实际强度值低数倍， 表12-3 木材强度等级评定标准 木材种类: 针叶树材 阔叶树材 强度等级: TC11 TC13 TC15 TC17 TB11 TB13 TB15 TB17 TB20 静曲强度 最低值（MPa）18 54 60 74

11、58 68 81 92 104,3影响木材强度的主要因素,(1)含水率 在纤维饱和点以下时，木材的含水率对其强度影响很大(见图12-7)。随着含水率的减小，木材强度增加，其中抗弯和顺纹抗压强度提高较明显，而顺纹抗拉强度的变化最小。在纤维饱和点以上，强度基本为一恒定值。为了正确评定木材的强度和比较试验结果，应根据木材实测含水率将强度换算成标准含水率(12的含水率)时的强度值，,3影响木材强度的主要因素,（2）荷载作用时间 由于木材在外力作用下会产生塑性流变，使木材的强度随荷载作用时间的增长而降低（见图12-8），所以木材受到长期荷载作用后的强度比其极限强度小得多，一般为极限强度的50%60%。通

12、常将木材在长期荷载作用下破坏时所能承受的最大应力，称为木材的持久强度。木材在长期外力作用下，只有外加应力远小于极限强度的某一范围时，才能避免木材因长期负荷而破坏。因此，在木结构设计时，一般以持久强度作为设计依据。,3影响木材强度的主要因素,(3)环境温度 木材的强度会随环境温度的升高而降低。研究表明，温度从25升至50时，将因木纤维和木纤维间胶体的软化等原因，使木材抗压强度降低2040，抗拉和抗剪强度下降1220。当木材长期处于60100温度下时，会引起水分和所含挥发物的蒸发，而呈暗褐色，使强度下降，变形增大。温度超过140时，木材中的纤维素发生热裂解，颜色逐渐变黑，强度明显下降。因此，长期处

13、于高温环境下的建筑物，不宜采用木结构。在木材加工中，常通过蒸煮的方法来暂时降低木材的强度，以满足某种加工的需要(如胶合板的生产)。,3影响木材强度的主要因素,(4)缺陷 木材在生长、采伐、加工和使用过程中往往会产生一些缺陷（如木节、裂纹和虫蛀等），这些缺陷影响木材材质的均匀性，破坏木材的构造，从而使木材的强度降低。缺陷对抗拉强度和抗弯强度的影响最为显著。,四、木材的装饰性,过去，木材是重要的结构用材，现在则因其具有很好的装饰性，主要用于室内装饰和装修。木材的装饰性体现在木材的颜色、光泽、纹理、花纹和结构等方面。 木材的装饰性并不仅仅取决于某单个因素，而是由颜色、结构、纹理、图案、斑纹、光泽等综

14、合效果及其持久性所决定的。,第三节 木材的防腐和防火处理,一、木材的腐朽与防腐 1腐朽 木材的腐朽是由霉菌、变色菌和木腐菌等真菌侵蚀引起的。霉菌一般只寄生在木材表面，并不破坏细胞壁，变色菌多寄生于边材，它们对木材力学性质的影响不大，只会使木材变色，影响其外观质量。 木腐菌侵入木材，分泌酶把木材细胞壁物质分解成其可以吸收的、供自身生长发育的养料。在侵蚀初期，木材仅颜色改变，随着真菌逐渐深入内部，木材强度开始下降；在侵蚀后期，木材呈海绵状、蜂窝状或龟裂状等，不仅颜色变化很大，而且材质变得极其松软，甚至可用手捏碎，木材完全腐朽。,1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

15、蠧虫，它们在树皮内或木质部内产卵，孵化成幼虫，蛀蚀木材。往往木材内部已被蛀蚀一空，而外表依然完整，几乎看不出破坏的痕迹，因此危害极大。,2防腐措施,常用的木材防腐措施主要有物理处理和化学处理两种方式。 物理处理方式最常用的方法是干燥处理和涂料覆盖处理。 化学处理是将化学防腐剂或防虫剂注入木材中，使其成为对真菌和昆虫有毒害作用的物质，从而使真菌和昆虫无法寄生。,二、防火,木材具有可燃性，燃烧后的木材将完全失去其原有的使用性质。木材的防火是采用具有阻燃性的化学物质对木材进行处理，使其遇小火时能自熄，遇大火时能推迟木材的引燃过程，降低火焰在木材上蔓延的速度，延缓火焰破坏木材的速度，从而给灭火或逃生提

16、供时间。木材防火处理的方法主要有表面处理法和溶液浸注法两类。,第四节 木材的主要产品及应用,一、 木材初级产品及其用途,二、人造板材,1. 单片板 单片板是将木材蒸煮软化，经旋切、刨切或锯割成的厚度均匀的薄木片，用以制造胶合板、装饰贴面或复合板贴面等。由于单板很薄，一般不能单独使用，被认为是半成品材料。,二、人造板材,2. 细木工板 细木工板又称大芯板，是中间为木条拼接，两个表面胶粘一层或二层单片板而成的实心板材。由于中间为木条拼接有缝隙，因此可降低因木材变形而造成的影响。细木工板具有较高的硬度和强度，质轻、耐久、易加工，适用于家具制造、建筑装饰、装修工程中，是一种极有发展前景的新型木型材。,

17、二、人造板材,细木工板按其结构可分为芯板条不胶拼和胶拼两种；按其表面加工状况可分为一面砂光细木工板、两面砂光细木工板、不砂光细木工板；按使用的胶合剂不同可分为I类细木工板、类细木工板；按材质和加工工艺质量可分为一、二、三等。 细木工板要求排列紧密、无空洞和缝隙，选用软质木料，以保证有足够的持钉力，且便于加工。细木工板尺寸规格见表12-7。,二、人造板材,3. 胶合板 胶合板又称为层压板，它是由一组单片板按相邻层木纹方向互相垂直叠放组坯，用胶粘剂胶合后经热压而成的板材，通常按奇数层组合，并以层数取名，如三夹板、五夹板和七夹板等，最高层数可达15层。图l2-9是胶合板构造的示意图。胶合板多数为平板

18、，也可经一次或几次弯曲处理制成曲形胶合板。胶合板的分类、性能及应用见表12-10。,二、人造板材,4. 纤维板 纤维板是用木材废料制成木浆，再经施胶、热压成型、干燥等工序而制成的板材。纤维板具有构造均匀、无木材缺陷、胀缩性小、不易开裂和翘曲等优良特性。若在浆料里施加或在湿板坯表面喷徐耐火剂或防腐剂，制成的纤维板还具有耐燃性和耐腐性。纤维板能使木材的利用率达到90%以上。,二、人造板材,成型时的温度和压力不同，纤维板的密度就不同，按其密度大小分为硬质纤维板、中密度纤维板和软质纤维板。 硬质纤维板密度大、强度高，主要用于代替木材制作壁板、门板、地板、家具和室内装修等。中密度纤维板主要用于家具制造和室内装修。软质纤维板密度小、吸声性能和绝热性能好，可作为吸声或绝热材料使用。,二、人造板材,5. 刨花板、木丝板和木屑板 刨花板、木丝板和木屑板是利用刨花碎片或短小废料刨制的木丝和木屑，经干燥、拌合胶料、热压成型等工序而制成的板材。所用胶料可为有机材料（如动物胶、合成树脂等）或无机材料（如水泥、石膏和菱苦土等）。采用无机胶料时，板材的耐火性可显著提高。 这类板材表观密度较