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第10章 木 材
10.1 木材的构造
10.2 木材的主要技术性质
10.3 木材的应用及防护
10.1　木材的构造
10.1.1　树木的分类
　　建筑工程中的木材是由树木加工而成的，树木的种类很多，一般按树叶可分为针叶树和阔叶树两大类。
　　针叶树树叶细长呈针状，多为常绿树，树干通直高大，易得大材，其纹理顺直，材质均匀，木质较软，易于加工，常称为软木材；针叶树材强度较高，表观密度小，胀缩变形小，耐腐蚀性较强，包括松树、杉树和柏树等树种。针叶树是建筑工程中主要应用的木材品种，主要用作结构材料，如梁、柱、桩、屋架、门窗等。
　　阔叶树树叶宽大呈片状，多为落叶树，树干通直部分较短，不易得大材，其木质较硬，加工较困难，常称为硬木材；阔叶树材强度高，表观密度较大，胀缩变形大，易翘曲开裂，包括樟木、榉木、柚木、水曲柳、柞木、桦木、檀木等众多树种。由于阔叶树大部分具有美丽的天然纹理，故特别适于室内装修或制造家具及胶合板、拼花地板等装饰材料。
10.1.2　木材的构造
1．木材的宏观构造
　　宏观构造是用眼睛和放大镜观察到的木材的构造。通常通过三个不同的锯切面来进行分析，即横切面（垂直于树轴的面）、径切面（通过树轴的纵切面）和弦切面（平行于树轴的纵切面）。
　　从横切面上观察，木材由树皮、木质部和髓心三个部分组成(图10.1)，其中木质部是木材的主体。木质部颜色不均一，一般而言，靠近树皮的色浅部分称为边材；靠近髓心的色深部分称为心材。边材含水量较多，易翘曲变形，耐腐蚀性较差；心材含水量较少，不易翘曲变形，耐腐蚀性较强。一般心材比边材利用价值要大一些。
图10.1　木材横切面图
从横切面上可看到木质部有深浅相间的同心圆，称为年轮，即树木一年中生长的部分。在同一年轮中，春季生长的部分，色较浅，材质较软，称为春材(或早材)；夏秋季生长的部分，色较深，材质较硬，称为夏材(或晚材)。
　　从横切面上还可看到从髓心向四周辐射的线条，称为髓线。树种不同，髓线宽细不同，髓线宽大的树种易沿髓线产生干裂。
　　2．木材的微观构造
　　在显微镜下观察到的木材组织称为微观构造。
　　从显微镜下观察，可看到木材是由无数的管状细胞组成，大多数细胞为纵向排列，少数横向排列（如髓线）。每个细胞又由细胞壁和细胞腔两部分组成。细胞壁由细纤维组成，细胞壁的厚薄对木材的表观密度、强度、变形都有影响。细胞壁愈厚，木材的表观密度愈大、强度愈高，湿胀干缩变形也愈大。
　　一般阔叶树细胞壁比针叶树厚，夏材比春材厚。
　　木材细胞的种类有管胞、导管、树脂道、木纤维等。髓线由联系很弱的薄壁细胞所组成。针叶树主要由管胞和木纤维组成，阔叶树主要由导管、木纤维及髓线组成。
10.2　木材的主要技术性质
10.2.1　木材的含水率
　　1.含水率
　　木材的含水量用含水率表示，指木材所含水的质量占木材干燥质量的百分比。　　
　　木材吸水的能力很强，其含水量随所处环境的湿度变化而异，所含水分由自由水、吸附水、结合水三部分组成。吸附水存在于细胞壁中，自由水存在于细胞腔和细胞间隙中，结合水存在于化学成分中。自由水的变化只与木材的表观密度、保水性、干燥性等有关，而吸附水的变化是影响木材强度和胀缩变形的主要因素，结合水在常温下不变化，故其对木材性质无影响。
　　2.含水率指标
　　影响木材物理力学性质和应用的最主要的含水率指标是纤维饱和点和平衡含水率。
　　纤维饱和点是木材仅细胞壁中的吸附水达到饱和而细胞腔和细胞间隙中无自由水存在时的含水率,是木材物理力学性质变化的转折点，一般在25％～35％之间。　　
　　平衡含水率是指木材中的水分与周围空气中的水分达到吸收与挥发动态平衡时的含水率。平衡含水率因地域而异，我国西北和东北约为8%，华北约为12%，长江流域约为18%，南方约为21%。
10.2.2　木材的湿胀干缩与变形
　　木材的干湿变形较大，木材的细胞壁吸收或蒸发水分使木材产生湿胀或干缩。木材的湿胀干缩与纤维饱和点有关，当木材中的含水率大于纤维饱和点、只是自由水增减变化时，木材的体积无变化；当含水率小于纤维饱和点时，含水率降低，木材体积收缩；含水率提高，木材体积膨胀。因此，从微观上讲，木材的胀缩实际上是细胞壁的胀缩。
　　木材的干湿变形是各向异性的，顺纹方向胀缩最小，约为0.1％～0.2％；径向次之，约为3％～6％；弦向最大，约6％～12％，木材弦向变形最大，是因管胞横向排列而成的髓线与周围联结较差所致；径向因受髓线制约而变形较小。一般阔叶树变形大于针叶树；夏材因细胞壁较厚，故胀缩变形比春材大。
　　湿胀干缩将影响木材的使用。干缩会使木材翘曲、开裂、接榫松动、拼缝不严。湿胀可造成表面鼓凸，所以木材在加工或使用前应预先进行干燥，使其接近于与环境湿度相适应的平衡含水率。
10.2.3　木材的强度
　　木材的强度可分为抗压、抗拉、抗剪、抗弯强度等，木材强度具有明显的方向性且差别很大。
　　抗压强度、抗拉强度、抗剪强度有顺纹和横纹之分(所谓顺纹是指作用力方向与纤维方向平行，横纹是指作用力方向与纤维方向垂直)，而抗弯强度无顺纹和横纹之分。其中顺纹抗拉强度最大，可达（50～150）MPa，横纹抗拉强度最小。若以顺纹抗压强度为1，则木材各强度之间的关系见表10－1。
表10－1　木材各强度之间关系
　　1.含水率
　　木材的强度受含水率的影响很大，其规律是：当木材的含水率在纤维饱和点以下时，其强度随含水率降低而升高，即吸附水减少，细胞壁趋于紧密，木材强度增大，反之，吸附水增加，木材的强度就降低；当木材含水率在纤维饱和点以上变化时，木材强度不改变。含水率大小对木材的各种强度影响不同，如含水率对顺纹抗压及抗弯强度影响较大，而对顺纹抗拉和顺纹抗剪强度影响较小。
　　根据现行标准GB1938—1991规定，木材的强度以含水率为12％时的测定值f12为标准值，其他含水率为w％时测得的强度fw，可按下式换算成f12
f12＝fw·［1+α(ω-12)］
（10－1）
?式中:f12——含水率为12％时的强度值；
　　?fw——含水率为w％时的实测强度值；
　　?ω——含水率；
　　?α——含水率校正系数,其中　　
　　顺纹抗压?α=0.05；　　
　　横纹抗压α=0.045；　　
　　顺纹抗拉α=0.015，针叶树α=0；　　
　　顺纹抗剪α=0.03；?
　　抗弯α=0.04。
　　2.荷载作用时间
　　荷载作用持续时间越长，木材抵抗破坏的强度越低。木材的持久强度(长期荷载作用下不引起破坏的最大强度)一般仅为极限强度的50％～60％。
　　3.疵病
　　木材中存在的缺陷，如腐朽、木节(死节、漏节、活节)、斜纹、乱纹、干裂、虫蛀等都会导致木材的强度降低。
　　4.温度
　　木材不宜用于长期受较高温度作用的环境中，因为随温度升高，木材中的有机胶质会软化。实验表明，温度从25℃升到50℃时，木材抗压强度降低20％～40％，抗拉和抗剪强度降低12％～20％；若长期处于40℃～60℃的环境中，会引起木材缓慢碳化；若超过100℃，则导致木质分解，使木材强度降低。
10.3　木材的应用及防护
10.3.1　木材的种类与分等
　　建筑用木材根据材种(按制材规定可提供的木材商品种类及加工程度)可分为原条、原木、锯材、枕木四种形式。
　　原条是指已去除根、皮、梢，但尚未按一定尺寸加工成规定尺寸的木料；主要用于建筑工程的脚手架、建筑用材和家具等。
　　原木是指去除根、皮、梢，并按一定尺寸规格和直径要求锯切和分类的圆木段；可分为加工用原木、直接用原木和特级原木，主要用于建筑工程的屋架、檩条、椽木等，也可用作桩木、电杆、坑木等。
　　锯材是指原木经纵向锯解加工成材的木料；凡宽度为厚度的3倍或3倍以上的木料称为板材，凡宽度不足厚度3倍的木料称为枋材。主要用于建筑工程、桥梁、家具、车辆、包装箱板等。
　　枕木是指按枕木断面和长度加工而成的材料，主要用于铁道工程。
　　根据现行标准规定：加工用原木与普通锯材根据各种缺陷的容许限度分为一等、二等和三等。
　　建筑上承重结构用木材，按受力要求分成Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级三级。I级用于受拉或受弯构件，Ⅱ级用于受弯或受压弯的构件，Ⅲ级用于受压构件及次要受弯构件。
10.3.2　人造板材
　　1．胶合板
　　胶合板亦称层压板。由蒸煮软化的原木旋切成大张薄片，然后将各层纤维方向相互垂直放置，用耐水性好的合成树脂胶黏结，再经加压、干燥、锯边、表面修整而成的板材。其层数成奇数，一般为（3～13）层，分别称为三合板、五合板等。胶合板大大提高了木材的利用率，其主要特点是：由小直径的原木就能制得宽幅的板材；因其各层单板的纤维互相垂直，故能消除各向异性，得到纵横一样的均匀强度；干湿变形小；没有木节和裂纹等缺陷，而且表面平整，有美丽花纹，极富装饰性。胶合板广泛用作建筑室内隔墙板，天花板、门框、门面板以及各种家具及室内装修等。用来制作胶合板的树种有椴木、桦木、水曲柳、榉木、色木、柳桉木等。
　　依胶合质量和使用胶料不同，分为四类。其名称、特性和用途见表10－2。
　　胶合板的尺寸规格(单位为mm)：阔叶树材胶合板的厚度为2.5、2.7、3.0、3.5、4、5、6、…、24，自4mm起，按1mm递增；针叶树材胶合板的厚度为3、3.5、4、5、6、…自4mm起，按1mm递增；宽度有915、1220、1525三种规格；长度有915、1525、1830、2135、2440五种规格。常用的规格为：1220mm×2440mm×(3～3.5)mm。
表10－2　胶合板分类、特性及适用范围
　　2．纤维板
　　纤维板是将树皮、刨花、树枝等废料经破碎、浸泡、研磨成木浆，再经加压成型、干燥处理而制成的板材。根据成型时温度与压力不同，可分为硬质纤维板、半硬质纤维板和软质纤维板三种。纤维板构造均匀，完全克服了木材的各种缺陷，不易变形、翘曲和开裂，各向同性，力学性质均匀，隔声、隔热、电绝缘性能较好，无疵病，加工性能好。硬质纤维板密度大，强度高，可用于建筑物的室内装修、车船装修和制作家具，也可用于制造活动房屋及包装箱。半硬质纤维板可作为其他复合板材的基材及复合地板。软质纤维板密度低，吸湿性大，但其保温、吸声、绝缘性能好，故可用于建筑物的吸声、保温及装修。
表10－3　纤维板常用规格
　　3．细木工板
　　细木工板是利用木材加工过程中产生的边角废料，经整形、刨光施胶、拼接、贴面而制成的一种人造复合板材。细木工板是由上下二层为夹板、中间为小块木条压挤连接作芯材复合而成。板芯一般采用充分干燥的短小木条，板面采用单层薄木或胶合板。细木工板不仅是一种综合利用木材的有效措施，而且这样制得的板材构造均匀、尺寸稳定、幅面较大、厚度较大。除可用作表面装饰外，也可直接兼作构造材料。
　　细木工板按制作方法可分为热压和冷压两种。冷压是芯材和夹板胶合，只经过重压，所以表面夹板易翘起；热压是芯材和夹板经过高温、重压、胶合等工序制作而成，板材不易脱胶，比较牢固。
　　细木工板按面板材质和加工工艺质量，分为一、二、三3个等级，其常用尺寸为2440mm×1220mm×16mm。
　　细木工板具有较大的硬度和强度，质轻，耐久且易加工，适用于制作家具底材或饰面板，也是装修木作工程的主要材料。但若采用质量较差的细木工板，则空隙太大，费工较多，容易变形。因此，使用时应谨慎选用。
　　4．刨花板
　　刨花板是将木材加工后的木屑、木刨花或木质纤维料等，经切碎、筛选后拌入胶料、硬化剂、防水剂等经成型、热压而成的一种人造板材。
　　刨花板具有板面平整挺实、材质均匀、密度小、强度高、板幅大、质轻、保温、较经济、加工性能好等特点。如经过特殊处理后，还可制得防火、防霉、隔声等不同性能的板材。
　　刨花板常用规格为2440mm×1220mm×(6、8、10、13、16、19、22、25、30、…)mm等。
　　刨花板适用于保温、吸声或室内装饰及制作各种木器、家具等，使用时不宜用钉子钉，因刨花板中木屑、木片、木块结合疏松，易使钉孔松动。因此，在通常情况下，应采用木螺丝或小螺栓固定。
　　5．木丝板
　　木丝板是将木材碎料刨锯成木丝，经化学处理，用水泥、水玻璃胶结压制而成，表面木丝纤维清晰，有凹凸，呈灰色。
　　木丝板具有质轻、隔热、吸声、隔音、韧性强、美观、可任意粉刷、喷漆、调配色彩，耐用度高，不易变质腐烂，防火性能好，施工简便，价低等特点。
　　木丝板规格尺寸为：长（1800～3600）mm，宽（600～1200）mm，厚（4、6、8、10、12、16、…）mm，自12mm起，按4mm递增。
　　木丝板主要用于：天花板、壁板、隔断、门板内材、家具装饰侧板、广告或浮雕底?板等。
　　6．中密度纤维板(MDF)
　　中密度纤维板是以木质粒片在高温蒸汽热力下研化为木纤维，再加入合成树脂，经加压、表面砂光而制得的一种人造板材。
　　中密度纤维板具有密度均匀、结构强、耐水性高等特点。规格有：2440mm×1220mm，1830mm×1220mm，2135mm×1220mm，2135mm×915mm，1830mm×915mm等；厚度有（3.6、6、9、10、12、15、16、18、19、25）mm。
　　中密度纤维板主要用于隔断、天花板、门扇、浮雕板、踢脚板、家具、壁板等，还可用作复合木地板的基材。
10.3.3　木材的防护
　　1．腐朽与防腐
　　木材在适合的条件下，有良好的耐久性，但处于干湿交替环境中，木材会产生腐朽。俗语说：“干千年，湿千年，干干湿湿两三年”。这就说明环境条件对木材的影响很大。木材的腐朽是由于真菌腐蚀所致，影响木材的真菌有霉菌和腐朽菌。霉菌以细胞腔内物质为养料，对木材无影响；腐朽菌则以细胞壁为养料，是造成木材腐朽的主要原因。腐朽菌在木材中生存和繁殖必须具备三个条件，即：水分、适宜的温度和空气中的氧。所以木材完全干燥和完全浸入水中（缺氧）都不易腐朽。当木材处于含水率15％～50％、温度为25℃～30℃，又有足够的空气的条件下，腐朽菌最易生存和繁殖，木材也最易腐朽。
　　木材防腐的途径是破坏腐朽菌生存和繁殖条件。通常防止木材腐朽的措施有以下两种：?
　　（1）是破坏真菌生存的条件，最常用的办法是：使木结构、木制品和储存的木材处于经常保持通风干燥的状态，并对木结构和木制品表面进行油漆处理，油漆涂层既使木材隔绝了空气，又隔绝了水分。
　　（2）是把木材变成有毒的物质，将木材用化学防腐剂涂刷或浸渍，使真菌无法寄生，从而起到防腐、防虫的目的。化学防腐法常用的防腐剂有水溶性和油溶性两类。水溶性防腐剂有氟化钠、硼铬合剂、氯化锌及铜铬合剂等；油溶性防腐剂有林丹、五氯酚合剂等。
　　2．阻燃与防火
　　木材属木质纤维材料，易燃烧，其燃点很低，仅为220℃，是具有火灾危险性的有机可燃物。木材在燃烧过程中，木质纤维燃烧并炭化(固相燃烧)，同时受热分解，形成大量含高能活化基的可燃气体，活化基的燃烧又产生新的活化基(气相燃烧)，燃烧温度可高达(800~1300)℃，形成气固相燃烧链。因此，对木材进行阻燃及防火处理是个相当重要的问题。对木材进行阻燃处理，是通过抑制热分解、热传递、隔断可燃气体和空气的接触等途径，从而达到阻滞木材的固相燃烧和气相燃烧的目的。木材的防火处理是对木材表面进行涂刷或浸注防火涂料，在高温或火中产生膨胀，或者形成海棉状的隔热层、或者形成大量灭火性气体，以达到遇小火能自熄、遇大火能延缓或阻滞燃烧蔓延的目的，从而赢得扑救的时间，以达到防火的目的。
　　常用木材防火处理方法是在木材表面涂刷或覆盖难燃材料和用防火剂浸注木材。常用的阻燃剂和防火剂有磷酸铵、硼酸、氯化铵、溴化铵、氢氧化镁、含水氧化铝、CT－01－03微珠防火涂料，A60－1型改性氨基膨胀防火涂料，B60－1膨胀型丙烯酸水性防火涂料等。?

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