木材的物理、力学性能及应用介绍

木材的物理性质包括:密度、表观密度、含水率、湿胀干缩等。其中含水率对木材的湿胀干缩性和强度影响很大。力学性质主要是指木材的强度。

9.2.1　密度与表观密度

木材的密度大致相等，平均为1.55g/cm3；木材表观密度是指木材单位体积的质量，木材的表观密度较小，介于300～800kg/m3，表观密度的大小与木材的种类及含水率有关。木材的孔隙率高达50%～80%，因此密度与表观密度相差较大。

9.2.2　木材中所含水分种类

木材中所含的水分由自由水、化合水和吸附水三部分组成。

1.自由水

自由水存在于木材细胞腔内和细胞间隙中的水分，木细胞对其约束很弱。木材干燥时，自由水首先蒸发，影响木材的表观密度、抗腐蚀性、燃烧性和干燥性。

2.化合水

化合水是构成木材化学成分中的结合水，总含量通常不超过1%～2%，随着木种的不同而异。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。

3.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。

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。

9.2.3　木材的含水率

木材含水量用含水率表示，含水率是指木材中水分质量与干燥木材质量的百分比。

1.木材的纤维饱和点

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。木材的纤维饱和点与其微观结构有关，木材的纤维饱和点随树种而异，一般为25%～35%，平均值约为30%。纤维饱和点为含水率是否影响强度和胀缩性能的临界点。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。

2.木材的平衡含水率

当环境的温度和湿度改变时，木材中所含的水分也随之发生变化，木材在长时间处于一定温度和湿度的环境中，木材中的含水量会与周围环境相平衡，最后达到相对恒定的含水率，这时的含水率称为平衡含水率。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。木材在不同温度和湿度环境条件下的平衡含水率如图9-4所示。在建筑工程中所用木材的含水率一般为:新伐木材含水率35%以上，半干燥木材含水为18%～25%，干燥的木材含水率常为8%～18%。

图9-4　木材的平衡含水量

9.2.4　湿胀干缩

木材具有很显著的湿胀干缩性，只有在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，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，称为木材的湿胀；随着含水率减小，木材体积收缩，称为木材的干缩。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。而当木材含水率在纤维饱和点以上时，只是自由水增减变化，木材的体积并不发生变化。木材含水率与其胀缩变形的关系如图9-5所示。从图9-5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。

图9-5　木材含水率与胀缩变形关系图

由于木材为非匀质构造，其构造不均匀，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，木材的干缩率值弦向为6%～12%，最大；径向次之，为3%～6%；纵向（顺纤维方向）为0.1%～0.35%，最小。

木材干燥时发生的变形，可以看成是木材年轮有着一种伸直的趋势。木材干燥后截面形状的变化如图9-6所示。

图9-6　木材干燥后截面形状的变化

胀缩变形会使木材产生翘曲、裂缝并造成凸起，为避免这些不良现象，应对木材进行干燥处理，使木材的含水率与其工作环境相适应。

9.2.5　强度

由于木材是非匀质的各向异性材料，不同的作用力方向其强度差异很大。按照木材所受的外力形式，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。

1.抗拉强度

抗拉强度有顺纹和横纹之分。

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，木材顺纹抗拉强度是所有强度中最大的。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。木材顺纹抗拉强度可达到50～200MPa，大致为顺纹抗压强度的3～4倍。木材在生长、采伐、运输、加工等过程中会产生一些如木节、斜纹、弯曲、伤疤、腐朽、虫俎等缺陷，这些缺陷降低了顺纹抗拉强度。所以抗拉强度往往发挥不稳定；再者，木材受拉杆件连接处应力复杂，易局部首先破坏，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。因此，在工程中应避免受到横纹拉力作用。

2.抗压强度

木材的抗压强度同样有顺纹和横纹之分。

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。木材的顺纹抗压强度较高，仅次于顺纹抗拉强度和抗弯强度，但只有顺纹抗拉强度的15%～20%。木材的疵点对顺纹抗压强度影响不大，顺纹抗压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。把顺纹抗压强度作为确定木材强度等级的依据。(www.xing528.com)

横纹抗压强度为作用力方向与木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。横纹受压，细胞被压扁，起初变形与压力成正比关系，超过比例极限后细胞壁失稳，细胞腔被压扁。因此，横纹抗压强度以使用中所限制的变形来决定，一般取比例极限作为横纹抗压强度的极限指标。木材的横纹抗压强度不高，比顺纹抗压强度低得多，只有顺纹抗压强度的10%～20%。由于木材的尺寸关系，在实际工程中也很少有横纹受压的构件。

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。木材受弯破坏时，受压区首先达到强度极限，开始形成微小的不明显的皱纹，随着外力增大，皱纹渐渐地扩展，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接的断裂而破坏。

木材抗弯强度的高低除与其纤维间连接能力有关外，还与所含疵病和缺陷的多少及位置有关，处于受拉区的缺陷会严重降低其抗弯强度。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。木材的抗弯强度很高，通常为顺纹抗拉强度的1.5～2倍。

在建筑工程中木材常用于地板、梁、桁架等结构中。

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。由于受力方向与纤维本身排列方向不同，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。顺纹剪切时，由于纤维间连接撕裂产生纵向位移和受横纹拉力作用所致，绝大部分纤维并不破坏，所以其强度很小，仅为顺纹抗压强度的15%～30%；横纹剪切时，因剪切面中纤维的横向连接被撕裂，其强度低于顺纹剪切强度；横纹切断破时，木材纤维横向切断，剪切强度最大，为顺纹剪切的4～5倍。木材的受剪的三种形式顺纹剪切、横纹剪切和横纹切断如图9-7所示。

图9-7　木材的受剪

（a）顺纹剪切；（b）横纹剪切；（c）横纹切断

从上述分析可以得到；木材的各向异性造成其各种强度差异很大。木材各种强度的特征及应用如表9-2所示。

表9-2　木材各种强度的特征及应用

木材的含水量对强度影响极大，含水率对木材强度的影响如图9-8所示。含水率在纤维饱和点以下时，水分减少，吸附水减少，细胞壁趋于紧密，则木材的各种强度增大，其中抗弯和顺纹抗压强度提高明显；水分增加，细胞壁中的木纤维之间的连接力减弱、细胞壁软化，故强度降低。在纤维饱和点以上时，水分增加，主要是自由水的变化，对木材的强度无影响，强度基本为一恒定的数值。

图9-8　含水率对木材强度的影响

1—顺纹抗拉；2—抗弯；3—顺纹抗压；4—顺纹抗剪

为了进行比较，国家标准规定木材强度以含水率为12%（称木材的标准含水率）时的强度作为标准强度值，其他含水率时的强度值，可按下式（9-1）换算:

式中　σ12——含水率为12%时的木材强度；

σw——含水率为w%时的木材强度；

W——试验时的木材含水率；

α——木材含水率校正系数。

校正系数按作用力和树种不同取值如下: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。

5.环境温度

温度对木材强度有着直接影响。随环境温度升高，强度降低。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。

试验表明:当温度由25℃升到50℃时，因木材中的细胞壁成分逐渐软化，木材的抗压强度降低20%～40%，其中，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，导致强度下降，变形增大。温度超过140℃时，木材中的纤维素发生热裂解，此时强度明显下降。长期处于高温的建筑物，不宜采用木结构。而温度降至0℃以下时，木材中的水分结冰，木质变脆，强度将增大，但解冻后木材的各项强度均下降。

6.荷载时间

木材的极限强度表示抵抗短时间外力破坏的能力。木材的长期承载能力远低于暂时承载能力。因为在长期承载情况下，即使外力值不变，随着时间延长木材会发生纤维等速蠕滑，累积后产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为持久强度。木材的持久强度比其极限强度小得多，一般为极限强度的50%～60%。实际工程中，木材均处于荷载的长期作用下，因此在设计时，应考虑荷载持续的时间对其强度的影响。

7.缺陷

木材的强度是以无缺陷标准试件测得的。木材在生长、采伐、加工、保存及使用过程中，会产生一些内部和外部的缺陷，这些缺陷统称为疵病。木材的疵病主要有木节、斜纹、裂纹、腐朽及虫害等，这些疵病或破坏组织或造成构造上的连续性，会严重影响木材的力学性能，甚至能使木材完全失去使用价值。

（1）木节。木节分为活节、死节、腐朽节等几种。活节质地坚硬，构造正常；死节质地坚硬或松软，在板材中有时脱落或形成空洞；腐朽节本身已经腐朽，且深入树干内部，引起木材内部腐朽。木节使木材顺纹抗拉强度显著降低，对顺纹抗压影响较小。活节影响较小。木节对木材质量的影响是随木节的种类、分布位置、大小、密集程度而不同，健全的活节对木材力学性能无影响，死节、腐朽节对木材的力学性能和外观质量影响最大。

（2）裂纹。在木材中，纤维与纤维之间分离所形成的缝隙称为裂纹。木材裂纹主要是在木材生长过程中环境及生长等因素造成的，裂纹破坏了木材的完整性，影响木材的利用率和装饰效果，降低了木材的强度。

常用树种的木材主要物理力学性能如表9-3所示。

表9-3　常用树种木材的主要物理、力学性能