二、木材的物理力学性质
1．含水量
（1）含水率、平衡含水率、纤维饱和点含水率
木材中的水分，包括存在于细胞腔内的自由水和存在于细胞壁内的吸附水，以及构成细胞化学成分的化合水三部分。自由水对木材性能影响不大，而吸附则是影响木材性质的主要因素。
木材的含水量，以木材所含水量与木材干燥质量的比值，即含水率（％）表示。
潮湿的木材会在干燥的空气中失去水分（称为解吸）；干燥的木材也会从空气中吸收水分（称为吸湿）。当木材的含水率与空气的相对湿度已达平衡而不再变化时，此时的含水率称为平衡含水率。它随着大气的温、湿度而变化。我国平衡含水率平均为15％（北方为12％，南方为18％）。
木材在干燥过程中，当自由水蒸发完毕，而细胞壁中的吸附水仍处于饱和状态，或木材吸湿后只是细胞壁中的吸附水达到饱和状态，但还没有自由水，这种吸附水的饱和状态称为纤维饱和点。这时含水量称为纤维饱和点含水量。纤维饱和点随树种而异，一般为23％～33％，平均约为30％。
图8－6 松木含水率对木材膨胀的影响
1—顺纹；2—径向；3—弦向；4—体积
（2）纤维饱和点对木材性质的影响
1）对强度的影响 木材纤维饱和是所有木材性质变化的转折点。木材含水量在纤维饱和点以上时细胞腔内的水分的变化与细胞壁无关，即使含水量改变（如含水量为50％、100％等），对强度也没有影响。但含水量若在纤维饱和点以下，其强度将随含水量的减少而增加，其原因是水分的减少，使细胞壁物质变干而紧密，从而提高强度；反之，细胞壁物质软化、膨胀而松散，强度降低。
2）湿胀干缩 当木材从潮湿状态干燥到纤维饱和点的过程中，其尺寸并不改变，仅表观密度减轻。只有干燥至纤维饱和点以下，细胞壁中的吸附水开始蒸发时，木材将发生收缩。反之，当干燥木材吸湿时，由于吸附水的增加，将发生体积膨胀，直到含水率达纤维饱和点为止，此后木材含水量继续增加，体积不再变化（见图8－6）。
由于木材具有湿胀、干缩的性质，同时构造又不均匀，在不同方向的干缩值不同。顺纹方向干缩最小，平均为0．1％～0．35％；径向干缩较大，为3％～6％；弦向干缩最大，为6％～12％。因此湿材干燥后致使变形值在不同方向上各异，如图8－7所示。干缩会使木材产生裂缝和翘曲变形（如图8－8）而影响使用。
解决的办法是：采用高温干燥，利用径切板，采用油漆涂料涂刷木材表面，利用合成树脂处理，也可应用化学药剂及其他物质处理（如用石蜡、尿素、聚乙二醇等），以增加木材的稳定性。
图8－7 木材干燥后截面形状的改变
1—弓形成橄榄核状；2、3、4—成反翘；5—通过髓心经锯板两头缩小成纺锤形；
6—圆形成椭圆形；7—与年轮成对角线的正方形变菱形；8—两边与年轮平行的正方形变长方形；
9、10—长方形的翘曲；11—边材经锯板较均匀
图8－8 木材干缩后弯、翘、扭曲变形
（a）顺弯；（b）横弯；（c）翘弯；（d）扭曲
l—内曲面水平长；h—最大弯曲拱高
2．木材含水状态
木材含水状态见图8－9所示。木材的湿胀、干缩、弹性等性质是以纤维饱和点为分界，是不连续变化的。
图8－9 木材的含水状态
（a）全干状态；（b）气干状态；（c）纤维饱和状态；（d）饱水状态
1—细胞膜；2—细胞腔；3—细胞水；4—自由水
试验研究中，将木材干燥到不含自由水和吸附水的状态，此时的木材称为全干木材，又称绝干木材［图8－9（a）］。
将木材置于适当地方，让其自然干燥，含水率接近平衡含水率的木材，称为气干材，含水率一般在15％左右［图8－9（b）］。
木材干燥过程中，自由水蒸发完毕，而吸附水尚处饱和状态的木材，称为纤维饱和状态木材［图8－9（c）］。
水运或长期贮存在水中的木材含水率甚高，达饱和状态称为湿材［图8－9（d）］。
3．密度、表观密度
木材平均密度约为1．559kg／cm3。常用木材的气干表观密度平均为500kg／m3。表观密度的大小与木材种类及含水率有关，如夏材含量多，其表观密度大，含水率发生变化，其木材的质量将随之发生变化，确定木材表观密度时，要在含水率为15％时的标准含水率情况下进行。
4．强度
木材是非匀质的各向异性材料。作为建筑结构材料，需要利用木材的抗压、抗拉、抗剪及抗弯强度，而抗压、抗拉、抗剪强度又有顺纹、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。木材的顺纹与横纹强度有很大差别。
（1）抗压强度
木材顺纹抗压强度是木材各种力学性质中的基本指标，广泛用于受压构件中。如柱、桩、桁架中承压杆件等。横纹抗压强度又分弦向与径向两种。顺纹抗压强度比横纹弦向抗压强度大，而横纹中径向抗压强度最小。
（2）抗拉强度
顺纹抗拉强度在木材诸强度中最大，而横纹抗拉强度最小。因此，使用时应尽量避免木材受横纹拉力。
（3）剪切和切断强度
木材的剪切有顺纹剪切、横纹剪切和横纹切断三种（图8－10）。
横纹切断强度大于顺纹剪切强度，顺纹剪切强度又大于横纹的剪切强度。用于建筑工程中的木构件受剪情况比受压、受弯和受拉少得多。
图8－10 木材的剪切
（a）顺纹剪切；（b）横纹剪切；（c）横纹切断
（4）抗弯强度
木材具有较高的抗弯强度，因此在建筑中广泛用作受弯构件，如梁、桁架、脚手架、瓦条等。一般抗弯强度高于顺纹抗压强度1～2倍。木材种类不同，其抗弯强度也不同。木材各强度之间的关系见表8－1。
表8－1 木材各种强度间的关系
（5）木材缺陷对强度的影响
木材的强度除由本身组织构造及含水率、负荷持续时间、温度等因素决定外，还与木材的缺陷（木节、腐朽、裂纹、斜纹及虫蛀等）有很大关系。
节子：节子（见图8－11）会破坏木材构造的均匀性和完整性，对顺纹抗拉强度的影响最大，其次是抗弯强度，特别是位于构造边缘的节子最明显。节子对顺纹抗压强度影响较小。节子能提高横纹抗压和顺纹抗剪强度。
腐朽：木材由于木腐菌的侵入，逐渐改变其颜色和结构，使细胞壁受到破坏，变得松软易碎，呈筛孔状或粉末状等形态，称为腐朽。腐朽严重影响木材的物理、力学性质，使其质量减轻，吸水性增大，强度、硬度降低（见图8－12）。
裂纹：木材纤维与纤维之间的分离所形成的裂隙称为裂纹（见图8－13）。裂纹，特别是贯通裂纹会破坏木材完整性、降低木材的强度，尤其是顺纹抗剪强度。
构造缺陷：凡是树干上由于不正常的木材构造所形成的各种缺陷（见图8－14），称为构造缺陷。各种构造缺陷，均会影响木材的力学性能。如斜纹、涡纹，会降低木材的顺纹抗拉、抗弯强度。应压木（偏宽年轮）的密度、硬度、顺纹抗压和抗弯强度均比正常木大，但抗拉强度及冲击韧性比正常木小，纵向干缩率大，因而翘曲和开裂严重。
图8－11 节子断面形状和分布
图8－12 木材的腐朽
上一篇：普通水准测量的方法和要求
下一篇：工商巨擘朱葆三
