土木工程材料第九章 木材讲述

1、第第9章章 木材木材 本章学习目标一般性了解木材物理力学性能及其应用。一般性了解木材物理力学性能及其应用。 重点重点是木材物理力学性能及其对土木工程应是木材物理力学性能及其对土木工程应用的影响。用的影响。 难点难点是木材的湿胀是木材的湿胀与与。F9.19.1木材的分类与构造木材的分类与构造F9.29.2木材的物理力学性质木材的物理力学性质 F9.39.3木材的防腐与防火木材的防腐与防火 F9.49.4木材的综合利用木材的综合利用 9.1 木材的分类与构造木材的分类与构造 v 9.1.1分类分类T木材产自木本植物中的乔木，分为木材产自木本植物中的乔木，分为和和两大类。两大类。T大部分大部分理直、

2、木质较软、易加工、变形小，理直、木质较软、易加工、变形小，建筑上广泛用作承重构件和装修材料，如杉树、松树建筑上广泛用作承重构件和装修材料，如杉树、松树等。等。T大部分大部分质密、木质较硬、加工较难、易翘裂、质密、木质较硬、加工较难、易翘裂、纹理美观，适用于室内装修，如水曲柳、核桃木等。纹理美观，适用于室内装修，如水曲柳、核桃木等。v按木材的用途和加工的不同，可以分为按木材的用途和加工的不同，可以分为原条、原木、原条、原木、普通锯材普通锯材和和枕木枕木等四类。等四类。v原条原条是指已经去皮、根及树梢，但尚未加工成规定是指已经去皮、根及树梢，但尚未加工成规定尺寸的木料。尺寸的木料。v原木原木是指由

3、原条按一定尺寸加工成规定直径是指由原条按一定尺寸加工成规定直径和长度的木材。和长度的木材。v普通锯材普通锯材是指已经加工锯解成材的木料。是指已经加工锯解成材的木料。v枕木枕木是指按枕木断面和长度加工而成的木材。是指按枕木断面和长度加工而成的木材。v 9.1.2 9.1.2 木材的构造木材的构造 1. 木材的宏观构造木材的宏观构造从木材三个不同切面观察木材的宏观构造可以看出，从木材三个不同切面观察木材的宏观构造可以看出，树干由树干由树皮树皮、木质部木质部、髓心髓心组成。组成。髓心髓心木质部木质部树皮树皮v 从木材的横切面上看，有许多树种的木材，靠近从木材的横切面上看，有许多树种的木材，靠近树皮的

4、部分材色较浅，水分较多，称为树皮的部分材色较浅，水分较多，称为边材边材。v 在髓心周围部分，材色较深，水分较少，称为在髓心周围部分，材色较深，水分较少，称为心心材材。v 每个生长周期所形成的木材，在横每个生长周期所形成的木材，在横切面上所看到的，围绕着髓心构成的同切面上所看到的，围绕着髓心构成的同心圆称为心圆称为。v 温带和寒带树木的生长期，一年仅温带和寒带树木的生长期，一年仅形成一个生长轮就是年轮。形成一个生长轮就是年轮。v 在同一年轮内，生长季节早期所形在同一年轮内，生长季节早期所形成的木材，胞壁较薄、形体较大、颜色成的木材，胞壁较薄、形体较大、颜色较浅、材质较松软称为较浅、材质较松软称为

5、早材（春材）。早材（春材）。 v 到秋季形成的木材，胞壁较厚、组到秋季形成的木材，胞壁较厚、组织致密、颜色较深、材质较硬称为织致密、颜色较深、材质较硬称为晚材晚材（秋材）。（秋材）。年轮年轮2. 木材的微观构造木材的微观构造 v 木材的微观构造是指借助光学显微镜观察的结构。木材的微观构造是指借助光学显微镜观察的结构。各种木材的微观构造是各式各样的。各种木材的微观构造是各式各样的。v 针叶树针叶树显微构造简单而规则，它主要由显微构造简单而规则，它主要由管胞管胞和和髓线髓线组成针叶材的木射线一般较细且在肉眼下不可见。组成针叶材的木射线一般较细且在肉眼下不可见。v 一般，针叶材的年轮界明显，早、晚材

6、区别明显。一般，针叶材的年轮界明显，早、晚材区别明显。早材壁薄腔大，颜色较浅，晚材则壁厚腔小，颜色较早材壁薄腔大，颜色较浅，晚材则壁厚腔小，颜色较深。深。v阔叶材的显微构造较复杂，其细胞主要有阔叶材的显微构造较复杂，其细胞主要有导管导管、木木纤维纤维、木射线木射线和和轴向薄壁组织轴向薄壁组织等。等。v 阔叶材因管孔大小和分布不同分为阔叶材因管孔大小和分布不同分为环孔材环孔材、散孔材散孔材和和半环孔材（半散孔材）半环孔材（半散孔材）。v 环孔材的早材管孔明显比晚材管孔大；散孔材的早、环孔材的早材管孔明显比晚材管孔大；散孔材的早、晚材的管孔的大小没有明显区别。分布也比较均匀；晚材的管孔的大小没有明

7、显区别。分布也比较均匀；半环孔材是指早材管孔到晚材管孔渐变，但界限不明半环孔材是指早材管孔到晚材管孔渐变，但界限不明显。显。v 有无导管是区分阔叶材和针叶材的重要标志。有无导管是区分阔叶材和针叶材的重要标志。9.2 9.2 木材的物理力学性质木材的物理力学性质v 9.2.1密度与表观密度密度与表观密度 是指构成木材细胞壁物质的密度。是指构成木材细胞壁物质的密度。约为约为 1.501.501.56 g1.56 gcmcm3 3，各材种之间相差不大，实际，各材种之间相差不大，实际计算和使用中常取计算和使用中常取1.53 g/cm1.53 g/cm3 3。则岁木材空隙率、含水率及其他一则岁木材空隙率

8、、含水率及其他一些因素的变化而不同。木材的表观密度越大，其湿胀些因素的变化而不同。木材的表观密度越大，其湿胀干缩率有越大。处于气干状态下的木材表观密度平均干缩率有越大。处于气干状态下的木材表观密度平均为为500Kg/m500Kg/m3 3。v 9.2.2含水率与吸湿性含水率与吸湿性 是木材中水分质量占干燥木材质量的百是木材中水分质量占干燥木材质量的百分比。分比。 木材中的水分按其与木材结合形式和存在的位置，可木材中的水分按其与木材结合形式和存在的位置，可分为：分为：自由水自由水、吸附水吸附水和和化学结合水化学结合水。 自由水自由水是存在于木材细胞腔和细胞间隙中的水，它影是存在于木材细胞腔和细胞

9、间隙中的水，它影响木材的表观密度、抗腐蚀性、燃烧性和干燥性；响木材的表观密度、抗腐蚀性、燃烧性和干燥性； 吸附水吸附水是被吸附在细胞壁内纤维之间的水，吸附水的是被吸附在细胞壁内纤维之间的水，吸附水的变化则影响木材强度和木材胀缩变形性能；变化则影响木材强度和木材胀缩变形性能； 化学结合水化学结合水即为木材中的化合水，它在常温下不变化即为木材中的化合水，它在常温下不变化故其对木材的性质无影响。故其对木材的性质无影响。 木材干燥时，首先是自由水蒸发，而后是吸附水蒸发木材干燥时，首先是自由水蒸发，而后是吸附水蒸发 木材受潮时，先是细胞壁吸水，细胞壁吸水达饱和后，自木材受潮时，先是细胞壁吸水，细胞壁吸水

10、达饱和后，自由水才开始吸入。由水才开始吸入。 木材的纤维饱和点木材的纤维饱和点当木材中无自由水，而细胞壁内吸附水达到饱和时，当木材中无自由水，而细胞壁内吸附水达到饱和时，这时的木材含水率称为纤维饱和点。木材的纤维饱和点随这时的木材含水率称为纤维饱和点。木材的纤维饱和点随树种而异，一般介于树种而异，一般介于2323 3232之间，通常取之间，通常取3030。 纤维饱和点是木材性质变化的转折点。纤维饱和点是木材性质变化的转折点。在纤维饱和点之在纤维饱和点之上，含水量变化是自由水含量的变化，它对木材强度和体上，含水量变化是自由水含量的变化，它对木材强度和体积影响甚微；在纤维饱和点之下，含水量变化即吸

11、附水含积影响甚微；在纤维饱和点之下，含水量变化即吸附水含量的变化将对木材强度和体积等产生较大的影响量的变化将对木材强度和体积等产生较大的影响。木材的平衡含水率木材的平衡含水率木材中所含的水分是随着环境的温度和湿度的变化而木材中所含的水分是随着环境的温度和湿度的变化而改变的，当木材长时间处于一定温度和湿度的环境中时，改变的，当木材长时间处于一定温度和湿度的环境中时，木材中的含水量最后会达到与周围环境湿度相平衡，这时木材中的含水量最后会达到与周围环境湿度相平衡，这时木材的含水率称为平衡含水率。木材的含水率称为平衡含水率。 木材的平衡含水率是木材进行干燥时的重要指标木材的平衡含水率是木材进行干燥时的

12、重要指标。木木材的平衡含水率随其所在地区的不同而异，我国北方为材的平衡含水率随其所在地区的不同而异，我国北方为1212左右，南方约为左右，南方约为1818，长江流域一般为，长江流域一般为 1515。 v 9.2.3湿胀与干缩变形湿胀与干缩变形 木材具有显著的湿胀干缩性。木材含水木材具有显著的湿胀干缩性。木材含水率在纤维饱和点以下时吸湿具有明显的膨率在纤维饱和点以下时吸湿具有明显的膨胀变形现象，解吸时具有明显的收缩变形胀变形现象，解吸时具有明显的收缩变形现象。现象。 当木材的含水率在纤维饱和点以下时，当木材的含水率在纤维饱和点以下时，随着含水率的增大，木材体积产生膨胀；随着含水率的增大，木材体积

13、产生膨胀；含水率减小，木材体积收缩；而当木材含含水率减小，木材体积收缩；而当木材含水率在纤维饱和点以上，只是自由水增减水率在纤维饱和点以上，只是自由水增减变化时，木材的体积不发生变化。纤维饱变化时，木材的体积不发生变化。纤维饱和点是木材发生湿胀干缩变形的转折点。和点是木材发生湿胀干缩变形的转折点。木材含水率与胀缩变形关系木材含水率与胀缩变形关系v 木材具有各向异性，各个方向的干木材具有各向异性，各个方向的干缩率不同。木材弦向干缩率最大。木缩率不同。木材弦向干缩率最大。木材在干燥的过程中会产生变形、翘曲材在干燥的过程中会产生变形、翘曲和开裂等现象木材的干缩湿胀变形还和开裂等现象木材的干缩湿胀变形

14、还随树种不同而异。木材的密度大的、随树种不同而异。木材的密度大的、晚材含量多的木材，其干缩率就较大。晚材含量多的木材，其干缩率就较大。木材含水率与胀缩变形关系木材含水率与胀缩变形关系v 9.2.4木材的强度及其影响因素木材的强度及其影响因素 工程上常利用木材的以下几种强度：抗压、抗拉、工程上常利用木材的以下几种强度：抗压、抗拉、抗弯和抗剪。由于木材是一种非均质材料，具有各向抗弯和抗剪。由于木材是一种非均质材料，具有各向异性，使木材的强度有很强的方向性。木材各强度大异性，使木材的强度有很强的方向性。木材各强度大小的比值关系见下表：小的比值关系见下表： 木材各项强度值的比较木材各项强度值的比较(

15、(以顺纹抗压强度为以顺纹抗压强度为1)1)顺纹顺纹抗压抗压 横纹抗压横纹抗压 顺纹顺纹抗拉抗拉 横纹抗拉横纹抗拉 抗弯抗弯 顺纹抗顺纹抗剪剪 横纹横纹切断切断 11/101/3 23 1/201/3 3/22 1/71/3 1/21 木材强度的影响因素主要有：木材强度的影响因素主要有：含水率、环境含水率、环境温度、负荷时间、表观密度、疵病等温度、负荷时间、表观密度、疵病等含水率的影响含水率的影响木材的含水率在纤维饱和点以内变化时，含水量增木材的含水率在纤维饱和点以内变化时，含水量增加使细胞壁中的木纤维之间的联结力减弱、细胞壁软加使细胞壁中的木纤维之间的联结力减弱、细胞壁软化，故强度降低；当水分

16、减少使细胞壁比较紧密，故化，故强度降低；当水分减少使细胞壁比较紧密，故强度增高。强度增高。含水率的变化对各强度的影响是不一样的。对顺含水率的变化对各强度的影响是不一样的。对顺纹抗压强度和抗弯强度的影响较大，对顺纹抗拉强度纹抗压强度和抗弯强度的影响较大，对顺纹抗拉强度和顺纹抗剪强度影响较小。测定木材强度时规定和顺纹抗剪强度影响较小。测定木材强度时规定12%为标准含水率。为标准含水率。环境温度的影响环境温度的影响木材随环境温度升高会降低木材随环境温度升高会降低。当温度由。当温度由25升到升到50时，针叶树抗拉强度降低时，针叶树抗拉强度降低1015，抗压强度降低，抗压强度降低2024。当木材长期处于

17、。当木材长期处于60100温度下时，会引起水温度下时，会引起水分和所含挥发物的蒸发，而呈暗褐色，强度下降，变形增分和所含挥发物的蒸发，而呈暗褐色，强度下降，变形增大。温度超过大。温度超过140时，木材中的纤维素发生热裂解，色渐时，木材中的纤维素发生热裂解，色渐变黑，强度明显下降。因此，长期处于高温的建筑物，不变黑，强度明显下降。因此，长期处于高温的建筑物，不宜采用木结构。宜采用木结构。负荷时间的影响负荷时间的影响 木材的长期承载能力远低于暂时承载能力木材的长期承载能力远低于暂时承载能力。这是因为这是因为在长期承载情况下，木材会发生纤维等速蠕滑，累积后产在长期承载情况下，木材会发生纤维等速蠕滑，

18、累积后产生较大变形而降低了承载能力的结果。生较大变形而降低了承载能力的结果。 木材在长期荷载作用下不致引起破坏的最大强度，称木材在长期荷载作用下不致引起破坏的最大强度，称为持久强度为持久强度。木材的持久强度比其极限强度小得多，一般木材的持久强度比其极限强度小得多，一般为极限强度的为极限强度的5060。一切木结构都处于某一种负荷。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。木材强度的影响。 木材的疵病木材的疵病 木材在生长、采伐及保存过程中，会产生内部和外木材在生长、采伐及保存过程中，会产生内部和外

19、部的缺陷，这些缺陷统称为疵病。部的缺陷，这些缺陷统称为疵病。木材的疵病主要有木材的疵病主要有木木节节、斜纹斜纹、腐朽腐朽及及虫害虫害等，这些疵病将影响木材的力学等，这些疵病将影响木材的力学性质，但同一疵病对木材不同强度的影响不尽相同。性质，但同一疵病对木材不同强度的影响不尽相同。木节木节分为分为活节、死节、松软节、腐朽节活节、死节、松软节、腐朽节等几种，活节影等几种，活节影响最小。木节使木材顺纹抗拉强度显著降低，对顺纹抗压响最小。木节使木材顺纹抗拉强度显著降低，对顺纹抗压影响最小。在木材受横纹抗压和剪切时，木节反而增加其影响最小。在木材受横纹抗压和剪切时，木节反而增加其强度。强度。 斜纹为木纤

20、维与树轴成一定夹角斜纹为木纤维与树轴成一定夹角，斜纹木材严重降低其，斜纹木材严重降低其顺纹抗拉强度，抗弯次之，对顺纹抗压强度影响较小。裂顺纹抗拉强度，抗弯次之，对顺纹抗压强度影响较小。裂纹、腐朽、虫害等疵病，会造成木材构造的不连续性或破纹、腐朽、虫害等疵病，会造成木材构造的不连续性或破坏其组织，因此严重影响木材的力学性质，有时甚至能使坏其组织，因此严重影响木材的力学性质，有时甚至能使木材完全失去使用价值。木材完全失去使用价值。 v 木材的疵病木材的疵病9.3 9.3 木材的防腐与防火木材的防腐与防火 木材作为土木工程材料，最大缺点是容易腐朽、虫柱木材作为土木工程材料，最大缺点是容易腐朽、虫柱和

21、燃烧，因此大大地缩短了木材的使用寿命，并限制了它和燃烧，因此大大地缩短了木材的使用寿命，并限制了它的应用范围。采取措施来提高木材的耐久性，对木材的合的应用范围。采取措施来提高木材的耐久性，对木材的合理使用具有十分重要的意义。理使用具有十分重要的意义。v 9.3.19.3.1木材的腐朽与防腐木材的腐朽与防腐1.1. 木材的腐朽木材的腐朽 木材的腐朽是真菌在木材中寄生引起的。真菌在木材中木材的腐朽是真菌在木材中寄生引起的。真菌在木材中生存和繁殖，必须同时具备四个条件：生存和繁殖，必须同时具备四个条件： 温度适宜；温度适宜；木木材含水率适当；材含水率适当；有足够的空气；有足够的空气；适当的养料。适当

22、的养料。 真菌生长最适宜温度是真菌生长最适宜温度是25253030，最适宜含水率在木材纤，最适宜含水率在木材纤维饱和点饱和点左右，含水率低于维饱和点饱和点左右，含水率低于2020时，真菌难于生长，时，真菌难于生长，含水率过大时，空气难于流通，真菌得不到足够的氧或排不含水率过大时，空气难于流通，真菌得不到足够的氧或排不出废气。出废气。 破坏性真菌所需养分是破坏性真菌所需养分是。2、木材的防腐与防虫、木材的防腐与防虫根据木材产生腐朽的原因，木材防腐有根据木材产生腐朽的原因，木材防腐有两种方法两种方法： 创造条件，使木材不适于真菌的寄生和繁殖；创造条件，使木材不适于真菌的寄生和繁殖； 把木材变成有毒

23、的物质，使其不能作真菌的养料。把木材变成有毒的物质，使其不能作真菌的养料。 ( 木材防腐的基本方法木材防腐的基本方法破坏真菌生存的条件破坏真菌生存的条件注入化学防腐剂注入化学防腐剂木材常用防腐、防虫剂的种类木材常用防腐、防虫剂的种类 和配方和配方 免漆复合门 将木材保持在很高的含水率，木材由于缺乏空气而将木材保持在很高的含水率，木材由于缺乏空气而破坏了真菌生存所需的条件，从而达到防腐的目的。如破坏了真菌生存所需的条件，从而达到防腐的目的。如 或者将木材进行干燥，使其含水率降至或者将木材进行干燥，使其含水率降至 2020以下以下（即（即）。在储存和使用木材时要注意通风和排）。在储存和使用木材时要

24、注意通风和排湿。对木材构件表面应刷以油漆，使木材隔绝空气和水汽。湿。对木材构件表面应刷以油漆，使木材隔绝空气和水汽。 破坏真菌生存的条件破坏真菌生存的条件 注入化学防腐剂注入化学防腐剂将化学防腐剂注入木材内，把木材变成对真菌有毒将化学防腐剂注入木材内，把木材变成对真菌有毒的物质，使真菌无法生存。这是木材的化学保管法。注人的物质，使真菌无法生存。这是木材的化学保管法。注人防腐剂的方法很多，通常有防腐剂的方法很多，通常有表面涂刷法、表面喷涂法、浸表面涂刷法、表面喷涂法、浸渍法、冷热槽浸透法、压力渗透法渍法、冷热槽浸透法、压力渗透法等，其中以冷热槽浸透等，其中以冷热槽浸透法和压力渗透法效果最好。常用

25、防腐剂的种类有：法和压力渗透法效果最好。常用防腐剂的种类有： A. A. 水溶性防腐剂水溶性防腐剂能溶于水，应用方便，主要用于能溶于水，应用方便，主要用于房屋内部，如氟化钠、氯化锌、硫酸铜、硼铬合剂、硼酚房屋内部，如氟化钠、氯化锌、硫酸铜、硼铬合剂、硼酚合剂等。合剂等。B. B. 油溶性防腐剂油溶性防腐剂能溶于油不溶于水，可用于室外能溶于油不溶于水，可用于室外药效持久，如林丹五氨酸合剂。药效持久，如林丹五氨酸合剂。C. C. 防腐油防腐油不溶于水，药效持久，但有臭味，且呈暗不溶于水，药效持久，但有臭味，且呈暗色，不能油漆，主要用于室外和地下（枕木、坑木、拉木色，不能油漆，主要用于室外和地下（枕木、坑木、拉木等），如煤焦油等。等），如煤焦油等。v 9.3.2 9.3.2木材的防火木材的防火 木材是可燃性建筑材料。在木材被加热过程中，析出可木材是可燃性建筑材料。在木材被加热过程中，析出可燃气体，随着温度不同，析出的可燃气浓度也不同，此时燃气体，随着温度不同，析出的可燃气浓度也不同，此时若遇火源，析出的可燃气也会出现闪燃、引燃。若无火源，若遇火源，析出的可燃气也会出现闪燃、引燃。若无火源，只要加热温度足够高，也会发生自燃现象。只要加热温度足够高，也会发生自燃现象。 对木材及其制品的防火保护有对木材及其制品的防火保护有浸渍浸渍添加阻燃剂添加阻燃剂和和覆盖覆盖三三种方法。种方法