gogo体育建筑材料木材的主要性质木材的主要性质doc

　　木材的主要性质 教学目标： 知识目标：理解木材石灰的物理性质和力学性能 技能目标：能掌握木材强度的影响因素 情感目标：能够感知木材不同切面的力学性能异同 开始教学设计： 开始 线上学习木材的主要性质线上课件木材的主要性质 线上学习 木材的主要性质 线上课件 木材的主要性质 结束 结束 教学内容： 1.密度 （1）木材的密度 由于木材的分子构造基本相同，因而木材的密度基本相等，平均约为1.55g/cm3。 （2）木材的表观密度 木材的表观密度是指木材单位体积的质量。木材细胞组织中的细胞腔及细胞壁中存在大量微小的空隙，所以木材的表现密度较小，一般只有300～800kg/m3。木材的孔隙率很大，达50%～80%，因此密度与表观密度相差较大。 木材的气干表观密度大，其强度就高，湿胀干缩也大。 2.含水量与热胀干缩 （1）木材中的水分 木材含水量用含水率表示，指木材中水分质量与干燥木材质量的百分比。木材中的水分为化合水、自由水和吸附水三种：化合水是木材化学成分中的结合水，总含量通常不超过1%～2%，在常温下不变化，故其对木材的性质无影响；自由水存在于木材细胞腔内和细胞间隙中的水，它影响木材的表观密度、抗腐蚀性、燃烧性和干燥性；吸附水是被吸附在细胞壁内的水分，吸附水的变化则影响木材强度和木材膨胀变形性能。 影响木材物理学性质和应用的最主要指标是纤维饱和点和平衡含水率。 （2）木材的纤维饱和点 当木材中仅细胞壁内吸附水达到饱和，而细胞腔和细胞间隙中无自由水时的含水率称为木材的纤维饱和点。木材的纤维饱和点随树种而异，一般为25%～35%，通常其平均值约为35% 。木材纤维饱和点是含水率影响强度和胀缩性能的临界点。 （3）木材的平衡含水率 当环境的温度和湿度改变时，木材中所含的水分会发生较大变化，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与周围环境达到吸收与挥发的动态平衡，处于相对恒定的含水率，这时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，木材的平衡含水率随其所在地区不同而异，如我国吉林省为12.5%，青海省为15.5%，江苏省为14.8%，海南省为16.4%。新伐木材含水35%以上，长期处于水中的木材含水率更高，风干木材含水率为15%～25%，室内干燥的木材含水率通常为8%～15%。平衡含水率是木材和木制品使用时避免变形或开裂而应控制的含水率指标。 （4）木材的湿胀与干缩变形 木材具有很显著的湿胀干缩性，但只在木材含水率低于纤维饱和点时才会发生，主要是由于细胞壁内所含的吸附水增减而引起的。 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，随着含水率减少，木材体积收缩，这分别称为木材的湿胀和干缩。此时的含水率变化主要是吸附水的变化。当木材含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，只有吸附水发生变化时才会引起木材的变形。木材含水率与其胀缩变形的关系如图1所示，从图中可以看出，纤维饱和点是木材发生湿胀干缩变形的转折点。 木材 木 材 涨 缩 变 形 率 /% 含水率/% 含水率/% 图1含水率对其膨胀的影响 由于木材为非匀质构造，木材的干缩率值各不相同。其中，以弦向最大，为6%～12%；径向次之，为3%～6%；纵向（即顺纤维方向）最小，为0.1%～0.35%。木材之所以出现弦向膨胀变大，是因为受管胞横向排列的髓线与周围联结较差所引起的。湿材干燥后，其截面尺寸和形状会发生明显的变化。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。 木材的湿胀干缩变形还随树种不同而异，一般来说，表观密度大的、夏材含量多的木材，膨胀变形就较大。湿胀与干缩变形回使木材产生翘曲、裂缝，使木结构结合处产生松弛、开裂、拼缝不严；湿胀则造成凸起变形，强度降低。为避免这些不良现象，应对木材进行干燥或化学处理，预先达到使用条件下的平衡含水率，使木材的含水率与其工作环境相适应。 图2为树材干燥时其横截面上各部位的不同变形情况。由图可见，板材距髓心越远，由于其横向更接近典型的弦向，因而干燥时收缩越大，致使板材产生背向髓心的反翘变形。 1-弓形成橄榄核状；2,3,4-成反翘曲；5-通过髓心径锯板两头缩小成纺锤型；6-圆形成椭圆形；7-与年轮成对角线-两边与年轮平行的正方形变长方形； 9,10-长方形板的翘曲；11-边材径向锯板较均匀 图2 木材干燥后截面形状的改变 3、木材强度 1. 木材的强度 木材是非匀性的各向异性材料，不同的作用力方向其强度差异很大。 结构木材常用的强度有：抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度。其中抗压、抗拉、抗剪强度又有顺纹和横纹之分。顺纹为作用力方向与木材纤维方向平行，横纹为作用力方向与木纤维方向垂直。木材强度的检验是用无斑点的木材制成标准试件，按《木材物理力学试验方法总则》（GB/T1928—2009）进行测定。 （1）抗压强度 木材的抗压强度分为顺纹抗压和横纹抗压。 顺纹抗压强度为作用力方向与木材纤维方向平行时的抗压强度。这种破坏主要是木材细胞壁在压力作用下的失稳破坏，而不是纤维的断裂。在建筑工程中常用于柱、桩、斜撑及桁架等承重构件。顺纹抗压强度是确定木材强度等级的依据。 横纹抗压强度为作用力方向与木材纤维方向垂直时的抗压强度，这种作用是木材横向受力压紧产生显著变形而造成的破坏，相当于将细胞长的管状细胞压扁。木材的横纹抗压强度不高，比顺纹抗压强度低得多，在实际工程中也很少有横纹受压的构件。 （2）抗拉强度 顺纹抗拉强度即指拉力方向与木材纤维方向一致时的抗拉强度。这种受拉破坏理论上是木纤维被拉断，但实际往往是木纤维未被拉断，而纤维间先被撕裂。 木材顺纹抗拉强度最大，大致为顺纹抗压强度的3～4倍，可达到50～200MPa。 木材的缺陷（如木节、斜纹等）对顺纹抗拉强度影响极为显著。这也使顺纹抗拉强度难以在工程中被充分利用。 横纹抗拉强度是指拉力方向与木纤维垂直时的抗拉强度。由于木材细胞横向连接很弱，横纹抗拉强度最小，约为顺纹抗拉强度的1/20～1/40，工程中应避免受到横纹拉力作用。 （3）抗弯强度 木材受弯曲时内部应力比较复杂，在梁的上部是受到顺纹抗压，下部为顺纹抗拉，而在水平面中则有剪切力，木材受弯破坏时，受压区首先先达到强度极限，开始形成微小的不明显的皱纹，但并不立即破坏，随着外力增大，皱纹慢慢地在受压区扩展，产生大量塑性变形，以后当受拉区域内许多纤维达到强度极限时，最后因纤维本身及纤维间连结的断裂而破坏。 木材的抗弯曲的很高，通常为顺纹抗拉强度的1.5～2倍。在建筑工程中常用于地板、梁、桁架等结构中。用于抗弯的木构件应尽量避免在受弯区有斜纹和木节等缺陷。 （4）抗剪强度 木材的抗剪强度是指木材受剪切作用时的强度。分为顺纹剪切、横纹剪切和横纹切断三种，如图3所示。 顺纹剪切 (b)横纹剪切 (c)横纹切断 图3 木材的剪切 木材因各向异性，故各种切断差异很大。当以顺纹抗压强度为1时，木材各种强度之间的比例关系见表1。 表1 木材各项强度值的关系 抗压 抗拉 抗弯 抗剪 顺纹 横纹 顺纹 横纹 顺纹 横纹 切断 1 1/10～1/3 2～3 1/20～1/3 3/2～2 1/7～1/3 1/10～1/5 1/2～3/2 2. 木材强度的影响因素 （1）木材纤维组织 木材受力时，主要靠细胞壁承受外力，厚壁细胞数量越多，细胞壁越厚，强度就越高，则所含夏材的百分率越高，木材的强度也越高。 （2）含水率 木材的含水率在纤维饱和点以下时，随着含水率降低，木材强度增大；当含水率在纤维饱和点以上变化时，基本上不影响木材的强度。 这是因为含水率在纤维饱和点以下时，含水量减少，吸附水减少，细胞壁趋于紧密，故强度增高，含水量增加使细胞壁中的木纤维之间的联结力减弱，细胞壁软化，故强度降低；含水率超过纤维饱和点时，主要是自由水的变化，对木材的强度无影响。 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，对顺纹抗拉强度和顺纹抗剪强度影响较小。如图4所示。 强度 强 度 极 限 MPa 含水率，% 含水率，% 1-顺纹抗拉；2-抗弯；3-顺纹抗压；4-顺纹抗剪 图4 含水率对木材强度影响 我国规定，以木材含水率为12%（称木材的标准含水率）时的强度作为标准强度，其他含水率时的强度值，可按下述公式换算（当含水率为8%～23%范围时该公式误差最小）： 式中 —含水率为12%时的木材强度，MPa； —含水率为%时的木材强度，MPa； —试验时的木材含水率，%； —木材含水率校正系数。 校正系数按作用力和树种不同取值； 顺纹抗压：红松、落叶松、杉、榆、桦为0.05；其余树种为0.04；顺纹抗拉：阔叶树为0.015，针叶树为0；抗弯：所有树种均为0.04；顺纹抗剪：所有树种均为0.03。 （3）负荷时间的影响 木材在长期荷载作用下，即使外力值不变，随着时间延长木材将发生较大的蠕变，最后达到较大的变形而破坏。这种木材在长gogo体育期荷载作用下不致引起破坏的最大强度，称为持久强度。木材的特久强度比其极限强度小很多，一般为极限强度的50%～60%。 木材的长期承载能力远低于暂时承载能力。这是因为在长期承载情况下，木材会发生纤维等速蠕滑，累积后产生较大的变形而降低了承载能力的结果。实际木结构中的构件均处于某种负荷的长期作用下，故在设计木结构时，应考虑负荷时间对木材强度的影响。 （4）温度的影响 随环境温度升高，木材中的细胞壁成分会逐渐软化，强度也随之降低。一般气候下的温度升高不会引起化学成分的改变，温度回复时会恢复原来强度。 当温度由25℃升到50℃时，针叶树抗拉强度降低10%～15%,抗压强度降低20%～24%。当木材长期处于60～100℃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，变形增大。温度超过140℃时，木材中的纤维素发生热裂解，色渐变黑，强度明显下降。当温度降至0℃以下时，木材中水分结冰，强度将增大，但木质变脆。因此，长期处于高温的建筑物，不宜采用木结构。 （5）木材的疵病 木材在生长、采伐及保存过程中，会产生内部和外部的缺陷，这些缺陷统称为疵病（见图5）。木材的疵病主要有木节、斜纹、裂纹、腐朽及虫害等，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。 木节分为活节、死节、松软节、腐朽节等几种，活节影响较小。木节使木材顺纹抗拉强度显著降低，对顺纹抗压影响较小。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。 图5 木材的疵病 教学考核： 分析木材强度的影响因素 教学小结： 掌握木材的主要性质

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