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1、木材是人类使用最早的建筑材料之一。我国使用木材的历史不仅悠久，而且在技术上也有独到之处，如保存至今己达千年之久的山西佛光寺正殿、山西应县木塔等都集中反映了我国古代建筑工程中应用木材的水平。,第九章 木材,木材的优点 :,轻质高强，可满足大跨度结构或高层结构的力学性能要求； 具有良好的弹性和韧性，能承受冲击和振动等作用，从而可构成抗震性能良好的木结构； 导热性低，具有较好的隔热、保温性能； 在干燥环境或长期置于水中时均有很好的耐久性； 有良好的可加工性，易于制成各种形状的产品，并可加工成各种性能优良的深加工产品； 具有漂亮的天然外观，可将不同品种的木材加工成千变万化的花纹，从而获得良好的装饰效果
2、。,第九章 木材,木材的缺点:,内部构造不均匀，具有明显的各向异性； 受环境湿度影响很大，具有显著的湿胀干缩而使其变形、强度下降或腐朽破坏； 易燃、易腐蚀，需要可靠的表面保护； 木材的可利用资源有限。,第九章 木材,第一节木材的分类,树木可分为针叶树和阔叶树两大类。 针叶树的树叶多呈针状，其树干一般通直而高大，纹理平顺，材质均匀而松软，故易于加工成材。因此，由针叶树加工而成的木材又称软木材。土木工程中常用的软木材主要是由杉木、冷杉、雪杉、柏树、各种松木等加工而成的木材。,第九章 木材,阔叶树的特点是树干通直部分一般较短，材质较硬且多疵病和缺陷，故较难加工。因此，由阔叶树加工而成的木材又称为硬木
3、材。土木工程中常用的硬木材主要取自水曲柳、榆树、槐树、柞树等阔叶树。,第九章 木材,1.木材的宏观构造 木材的宏观构造是指可以用肉眼或放大镜观察到的结构。由于木材构造的不均匀性，可从树干的三个切面剖析其结构。其中： 横切面为垂直于树轴的切面。 径切面是通过树轴的纵切面。 弦切面是平行于树轴纵切面。,9.1.2木材的构造,第九章 木材,树木是由树皮、木质部和髓心所构成的整体。 木质部是树皮至中心的部分，靠近树皮的部分色浅，称为边材；靠近髓心的部分色深，称为心材。 髓心位于树干的中心，它质地松软、强度低，易受腐蚀和虫蛀。 横切面上颜色深浅相间的同心圆环称为年轮。在同一年轮内： 春天生长的木质颜色较
4、浅，其材质松软，强度也较低，故称为春材（或早材）； 夏秋二季生长的木质颜色较深，材质坚硬且强度较高，故称为夏材（或晚材）。 横切面上径向单位长度中，所含夏材宽度总和占全长的百分率，称为夏材率。,第九章 木材,2.木材的微观构造,第九章 木材,针叶树的微观结构简单而规则，它主要是由管胞和髓线构成。其髓线较细小，且不很明显。某些树种（如松树）在管胞间还有树脂道。 阔叶树的微观结构较复杂，它主要是由导管、木纤维及髓线等组成，且其髓线很发达，粗大而明显；导管是由壁薄而腔大的细胞所构成的大管孔。根据导管分布，阔叶树木材又分为环孔材和散孔材。 有些木材（如栋木、榆木）的春材中导管很大并成环状排列的，称环孔
5、材； 而有些木材（如桦木，锻木）中的导管大小差不多，且散乱分布，其年轮不明显，被称为散孔材。 有无导管和髓线的粗细是鉴别阔叶树和针叶树的重要特征。,第九章 木材,9.2木材的主要性能,9.2.1木材的化学性质 纤维素、半纤维素、木质素是木材细胞壁的主要组成，其中纤维素占50左右。此外，还有少量的油脂、树脂、果胶质、蛋白质、无机物等等。由此可见，木材的组成主要是一些天然高分子化合物。 木材的化学性质复杂多变。在常温下木材对稀的盐溶液、稀酸、弱碱有一定的抵抗能力，但随着温度升高，木材的抵抗能力显著降低。而强氧化性的酸、强碱在常温下也会使木材发生变色、湿胀、水解、氧化、酷化、降解交联等反应。在高温下
6、即使是中性水也会使木材发生水解等反应。,第九章 木材,9.2.2木材的物理性质,1.密度与表观密度 木材的实质密度是指构成木材细胞壁物质的密度。约为 1.481.56 gcm3，各材种之间相差不大，实际计算和使用中常取1.53 g/cm3。 木材的表观密度则随木材孔隙率、含水量以及其他一些因素的变化而不同。一般有气干表观密度、绝干表观密度和饱水表观密度之分。木材的表观密度愈大，其湿胀干缩率也愈大。,第九章 木材,2.木材的含水状态,自由水。自由水是存在于细胞腔和细胞间隙中的水分，木细胞对其约束很弱。当木材处于较干燥环境时，自由水首先蒸发。 吸附水。吸附水是渗透于细胞壁中的水分，其含量多少与细胞
7、壁厚度有关。木材受潮时，细胞壁会首先吸水而使体积膨胀；而木材干燥时吸附水会缓慢蒸发而使体积收缩，因此，吸附水含量的变化将直接影响木材体积的大小和强度的高低。 化合水。化合水是构成木材各化学组成中的结合水，同一树种的木材其化合水含量基本不变。它对木材性质的影响也不大。 通常，当干燥木材吸收环境中的水分时，会首先将其吸附于细胞壁中而成为吸附水；待吸附水饱和后，再吸入的水分才进入细胞腔或腔间空隙而成为自由水。当含水率较高的木材处于干燥环境中时，最先脱离木材而进入环境中的水分是自由水，然后才是吸附水。,第九章 木材,纤维饱和点:,当木材中的吸附水达到饱和，且尚无自由水存在时的含水率称为纤维饱和点。 木
8、材的纤维饱和点与其细观结构有关，且因树种而异，一般为2535，通常取30。 纤维饱和点是木材性质变化的转折点。 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。,第九章 木材,木材的平衡含水率:,木材的平衡含水率是随周围环境温度及湿度而改变的可变参数，不同温度和相对湿度条件下，木材的平衡含水率不同。,通常，新伐树木的木材含水率一般在35以上，经风干后木材含水率为1525，室内干燥的木材含水率为815。 木材的平衡含水率随其所在地区不同而异，我国北方为12左右，南方约为18，长江流域一
9、般为 15。,第九章 木材,3.木材的湿胀干缩,只有含水率在纤维饱和点以下变化时，木材中吸附水的改变才会影响木材的体积变化。 木材的湿胀干缩性通常因树种不同而有所差异。一般来讲，表观密度大或夏材含量多时，木材的湿胀干缩性更明显。,木材含水率与胀缩变形关系,第九章 木材,由于木材构造不均匀，各方向的胀缩也不同，同一木材弦向胀缩最大，径向其次，而顺纤维的纵向最小。木材干燥时： 弦向收缩为612 径向收缩为36 顺纤维纵向为0.10.35。,第九章 木材,9.2.3木材的力学性质,1.木材的强度 （1）抗压强度 木材的抗压强度可分为顺纹抗压强度和横纹抗压强度两种。 顺纹抗压强度较高，仅次于顺纹抗拉强
10、度和抗弯强度。土木工程中常利用其顺纹抗压强度，制作木桩、木柱、木斜撑及木桁架等承重构件。 木材的横纹抗压强度比顺纹抗压强度低得多，一般只有其顺纹抗压强度的1020。,第九章 木材,（2）抗拉强度,木材的顺纹抗拉强度与横纹抗拉强度差别很大。在受力状态均匀的情况下，顺纹抗拉强度在木材所有强度中最大，通常，木材的顺纹抗拉强度为横纹抗压强度的23倍。 在土木工程建设中，很少利用木材作为受拉构件。当承受拉力时，木材结构两端点只能通过横纹受压或顺纹受剪的方式传递拉力，而其横纹受压和顺纹受剪的强度均较低；因此，实际工程中，木材结构难以表现出较高的顺纹抗拉强度。木材的疵病和缺陷（如木节、斜纹及开裂等）也会严重
11、降低其顺纹抗拉强度。 木材横纹抗拉强度很低，仅为顺纹抗拉强度的1/101/40。,第九章 木材,（3）抗弯强度,木材在承受弯曲荷载时的内部应力十分复杂。从理论分析来看，其上部为顺纹受压，下部为顺纹受拉，而在水平面中和垂直面上则分布着剪应力。 木材抗弯强度的高低除与其纤维间联接能力有关外，还与所含疵病和缺陷的多少及位置有关。通常，处于受拉区的缺陷会严重降低其抗弯强度。 土木工程中木结构抗弯也是木材最为常见的受力形式，通常主要用于制作各种梁、板及桁架等。,第九章 木材,（4）剪切强度,木材的抗剪强度可分为顺纹剪切、横纹剪切和横纹切断三种。 木材顺纹抗压强度的1530。木材的横纹切断强度很高，一般为
12、顺纹剪切强度的45倍。,第九章 木材,2.影响木材强度的主要因素,（1）含水率,第九章 木材,国家标准（GB19231943-91）规定木材以含水率为12时的强度为标准值，其他含水率时的强度可按下式换算： 式中 12含水率为12时的木材强度； w含水率为W时的木材强度； W试验时木材含水率，取值范围为915； 校正系数，随荷载种类和力作用方式而异，见表。,第九章 木材,（2）荷载作用时间 木材长期受力时将产生明显的塑性流变（蠕变），且随着变形的增加而使其强度降低。木材在长期荷载下不致引起破坏的最大强度，称为持久强度。通常木材的持久强度仅为其短时荷载下极限强度的5060。土木工程中的木结构设计，
13、应以持久强度作为强度依据。 （3）温度 当温度从25升至50时，木材的顺纹抗压强度会降低2040；温度升至150时，其中的木质细胞会产生较快的分解，并开始碳化；当温度达到275时，木材开始燃烧。通常，在长期受热（如温度长期超过50）环境中不宜采用木结构。当温度降至0以下时，其中水分结冰，木材强度增大，但木材变得较脆。一旦解冻，各项强度都将比未解冻时的强度低。,第九章 木材,（4）疵病,木材在生长、采伐和贮运过程中，均可能造成其内部或表面的某些缺陷，这些缺陷统称为疵病。木材的疵病主要有木节、斜纹、裂纹、腐朽和虫害等。 木节可分为活节、死节、松软节、腐朽节等几种。木节可使顺纹抗拉强度显著降低，而对
14、顺纹抗压强度影响较小。在木材承受横纹抗压或剪切时，木节反而会增加其强度。 当木纤维方向与树轴成一定夹角时便会形成斜纹。斜纹可严重降低木材的顺纹抗拉强度，并对抗弯强度也有较大影响，但对顺纹抗压强度影响较小。斜纹还会使板材容易开裂和翘曲。,第九章 木材,木材常见的裂纹有径裂（心裂）、轮裂和干裂三种。 径裂在木材的横切面内部，沿半径方向延伸，它是立木受风摇动或在生长时产生内应力所造成的开裂。 轮裂是木材横切面沿年轮方向的裂纹，其裂纹为整圈时称为环裂，未形成整圈时则称为弧裂。轮裂产生的原因和径裂相同，加工中若干燥不当，也会使其逐渐扩大。 干裂是因为木材干燥不均匀引起的，其特点是外宽内窄，由外向内发展，
15、在纵向表面呈沟状。干裂纹的存在不仅破坏了木材的完整性，还会影响其强度。它对木材强度的影响程度通常因裂纹尺寸、方向而异。,第九章 木材,3.木材的韧性,在土木工程中木材通常表现出较高的韧性，适合于制作承受振动或冲击荷载作用的结构。但是，木材的材质或所处环境条件不同时，其韧性也会表现为较大的差别。影响韧性的因素很多，如木材的密度越大，冲击韧性越好；在负温下时，湿木材会因冰冻而变脆，其韧性也会严重降低；高温时也会使木材变脆，韧性降低。任何缺陷的存在都可能严重降低木材的冲击韧性。,第九章 木材,4.木材的硬度和耐磨性,木材的硬度和耐磨性主要取决于其细胞组织的紧密程度，且不同切面上的硬度和耐磨性也有较大
16、差别。木材横截面的硬度和耐磨性都较径切面和弦切面要高。对于木髓线发达的木材，其弦切面的硬度和耐磨性均比径切面高。,第九章 木材,9.3 木材的防护与防火,9.3.1 木材的腐朽与防腐,1.木材的腐蚀,木材腐蚀是由真菌或虫害所造成的内部结构破坏。可腐蚀木材的常见真菌有霉菌、变色菌和腐朽菌等。 霉菌主要生长在木材表面，是一种发霉的真菌，通常对木材内部结构的破坏很小，经表面抛光后可去除。 变色菌则以木材细胞腔内含有机物为养料，它一般不会破坏木材的细胞壁，只是影响其外观，而不会明显影响其强度。 腐朽菌以木质素为养料，并利用其分泌酶来分解木材细胞壁组织中的纤维素、半纤维素，从而破坏木材的细胞结构，直至使木材结构溃散而腐朽。,第九章 木材,真菌生存和繁殖的条件,真菌在木材中生存和繁殖，必须同时具备四个条件： 温度适宜；木材含水率适当；有足够的空气；适当的养料。 通常，温度为2
