木材的物理力学性质

第二节　木材的物理力学性质

木材的物理力学性质主要包括物理性质（含水率、湿胀干缩、密度、热学性质、声学性质和电学性质）和力学性能，其中含水率对木材的湿胀干缩性、热学、声学、电学和力学性能影响很大。

一、木材的含水率

木材的含水率是指木材中所含水的质量占干燥木材质量的百分数。新伐木材的含水率在35%以上；风干木材的含水率为15%～25%；室内干燥木材的含水率常为8%～15%。木材中所含水分不同，对木材性质的影响也不一样。

1.木材中的水分

木材中主要有三种水，即自由水、吸附水和结合水。自由水是指以游离态存在于木材细胞腔、细胞间隙和纹孔腔这类大毛细管中的水分，自由水的多少主要由木材空隙体积决定，影响木材质量、燃烧性、渗透性和耐久性。吸附水是被吸附在细胞壁内细纤维之间的水分，是影响木材强度、胀缩变形和加工性能的主要因素。结合水即为木材细胞壁物质组成牢固结合的化学化合水，相对稳定，对日常使用中的木材性质无影响。

2.木材的纤维饱和点

当木材中无自由水，而细胞壁内吸附水达到饱和时的木材含水率称为纤维饱和点。木材的纤维饱和点随树种、温度和测定方法而异，一般介于23%～33%，多数树种为30%。纤维饱和点是木材材性变化的转折点。

3.木材的平衡含水率

木材中所含的水分是随着环境的温度和湿度的变化而改变的。当木材长时间处于一定温度和湿度的环境中时，木材吸收水分和散失水分的速度相等，达到动态平衡，这时木材的含水率称为平衡含水率（图11－4）。它是环境温度和湿度的函数，同一环境下不同树种的木材，平衡含水率的差异不大。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，长江流域为15%左右，海南岛约为18%。

木材的平衡含水率对于木材的加工利用意义重大。

图11－4　不同温度和湿度环境条件下木材的平衡含水率

图11－5　木材含水率与胀缩变形的关系

二、木材的湿胀与干缩变形

木材具有很显著的湿胀干缩性，其规律是：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，随着含水率减小，木材体积收缩；而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。木材含水率与其胀缩变形的关系见图11－5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。

由于木材为非匀质构造，故其胀缩变形各向不同，其中以弦向最大，径向次之，纵向（即顺纤维方向）最小。当木材干燥时，弦向干缩为6%～12%，径向干缩3%～6%，纵向仅为0.1%～0.35%。木材弦向胀缩变形最大，是因受管胞横向排列的髓线与周围联结较差所致。木材的湿胀干缩变形还受树种、细纤维角度、晚材率树干中的部位等影响。一般来说，表观密度大、夏材含量多的木材，胀缩变形就大。图11－6中展示出树材干燥时其横截面上各部位的不同变形情况。由图可知，板材距髓心愈远，由于其横向更接近于典型的弦向，因而干燥时收缩愈大，致使板材产生背向髓心的反翘变形。湿胀干缩变形对木材的利用有很大的影响，如干缩会造成木结构拼缝不严、接榫松弛、翘曲开裂，而湿胀又会使木材产生凸起变形等。因此在木材加工前，应作预干燥处理，使木材原料的含水率等于或略低于（低1%～2%）木制品所处环境相适应时的平衡含水率。

三、木材的密度

木材的物质比重为木材除去细胞腔等孔陷所占空间后实际木材物质的比重，即细胞壁的比重，与树种关系不大，为1.49～1.57 g／cm³，平均为1.53 g／cm³。但是木材的气干密度差别很大，目前世界木材中最重的为胜斧木，气干密度为1.42 g／cm³，国产木材中最重的为蚬木，其气干密度为1.13 g／cm³；世界木材中最轻的为髓木，气干密度为0.04 g／cm³，国产木材中最轻的为轻木，气干密度为0.24 g／cm³，泡桐次之，为0.27 g／cm³。木材的气干密度取决于木材的空隙度，影响因素主要有树种、年轮宽度和晚材率、树木体内不同部位、木材的栽培环境、含水率等，其大小反映出木材细胞壁中物质含量的多少，与强度成正比，是判断木材强度的最佳指标。

四、木材的热学性质

图11－6　木材的干缩变形

1—边板呈橄榄形；2、3、4—弦锯板呈瓦形反翘；5—通过髓心径锯板呈纺锤形；6—圆形变椭圆形；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—弦锯板翘曲成瓦形；10—与年轮成40°角的长方形呈不规则翘曲；11—边材径锯板收缩较均匀

木材的热学性质主要用比热、导热系数或导温系数来表达。木材是多孔的有机材料，其比热远高于金属材料，我国红松、水曲柳等33种树种气干材的比热容测定表明，最高为1.88 kJ／（kg·K），最低为1.62 kJ／（kg·K），平均为1.71 kJ／（kg·K）。导热系数（单位：W·m－1·K－1）木材为0.15～0.45，低于玻璃的导热系数（0.6～0.9）和混凝土的导热系数（0.8～1.4），仅为铜（348～394）、铝（218）、铁（46～58）的千分之一，因此木材在建筑的保温隔热方面应用广泛。木材的导热系数与木材的密度、含水率、木材纹路方向等有关，木材的密度越低、含水率越低，顺着横纹方向，则木材的导热系数越低。木材的热学性质对于指导木材的干燥、防腐改性、胶合等工艺具有重要的意义，同时与人们的生活与环境息息相关。

五、木材的电学和声学性质

木材在气干状态下，导电性极小。但是含有水分时，特别是在纤维饱和点以下，含水率越高，导电性越强。

木材是各向异性材料，其传声特性具有明显的方向性和规律性，其顺纹传播速度远高于横纹传播速度，其顺纹的传播速度为（4.5～5.5）km／s，横纹为其1／2～1／8。木材具有良好的吸声特性，声波作用于木材表面，柔和的中低频波90%被反射，刺耳的高频率声波则部分被木材本身的振动吸收。

六、木材的力学性能

（一）木材的强度

在建筑结构中，木材常用的强度有抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度。由于木材的构造各向不同，致使木材的力学强度也是各向异性的，因此木材强度有顺纹强度和横纹强度之分。横纹强度视外力作用与年轮的方向，有弦向强度与径向强度之分。木材的顺纹强度比其横纹强度要大得多，所以工程上均充分利用它们的顺纹强度。从理论上讲，木材强度中以顺纹抗拉强度为最大，其次是抗弯强度和顺纹抗压强度，但实际上是木材的顺纹抗压强度最高，这是由于木材是经数十年自然生长而成的土木工程材料，其间或多或少会受到环境不利因素影响而造成一些缺陷，如木节、斜纹、夹皮、虫蛀、腐朽等，而这些缺陷对木材的抗拉强度影响极为显著，从而造成实际抗拉强度反而低于抗压强度。当以顺纹抗压强度为1时，木材理论上各强度大小关系见表11－1所示。我国土木建筑工程上常用树材的主要物理力学性能见表11－2。

表11－1　木材理论上各强度大小关系

表11－2　常用树种木材的主要物理力学性能

木材的强度检验是采用无疵病的木材制成标准试件，按“木材物理力学试验方法”（GB 1927～1943—2009）进行测定。试验时，木材在各向上受不同外力时的破坏情况各不相同，其中顺纹受压破坏是因细胞壁失去稳定所致，而非纤维断裂。横纹受压是因木材受力压紧后产生显著变形而造成破坏。顺纹抗拉破坏通常是因纤维间撕裂而后拉断所致。木材受弯时其上部为顺纹受压，下部为顺纹受拉，水平面内则有剪力，破坏时首先是受压区达到强度极限，产生大量变形，但这时构件仍能继续承载，当受拉区也达强度极限时，则纤维及纤维间的联结产生断裂，导致最终破坏。

木材受剪切作用时，由于作用力对于木材纤维方向的不同，可分为顺纹剪切、横纹剪切和横纹切断三种，如图11－7。顺纹剪切破坏是由于纤维间联结撕裂产生纵向位移和受横纹拉力作用所致；横纹剪切破坏完全是因剪切面中纤维的横向联结被撕裂的结果；横纹切断破坏则是木材纤维被切断，这时强度较大，一般为顺纹剪切的4～5倍。

图11－7　木材的剪切

（二）影响木材强度的主要因素

1.含水率的影响

图11－8　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

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，随含水率降低，即吸附水减少，细胞壁趋于紧密，木材强度增大，反之，则强度减小。当木材含水率在纤维饱和点以上变化时，木材强度不改变。图11－8为含水率对木材强度的影响。

我国木材试验标准规定，测定木材强度时，应以其标准含水率（即含水率为12%）时的强度测值为准。其他含水率下的测试值，应换算成标准含水率时的强度值。在含水率为9%～15%时，换算经验公式如下：

式中　σ₁₂——含水率为12%时的木材强度（MPa）；

　σ_w——含水率为W（%）时的木材强度（MPa）；

　W——试验时的木材含水率（%）；

　α——木材含水率校正系数。

　α随作用力和树种不同而异，如顺纹抗压所有树种均为0.05；顺纹抗拉时阔叶树为0.015，针叶树为0；抗弯所有树种为0.04；顺纹抗剪所有树种为0.03。

2.负荷时间的影响

木材对长期荷载的抵抗能力与对暂时荷载不同。木材在外力长期作用下，即使未达强度极限，也会破坏，只有当其应力远低于强度极限的某一定范围以下时，才可避免木材因长期负荷而破坏。这是由于木材在外力作用下产生等速蠕滑，经过长时间以后，最后达到急剧产生大量连续变形而致。

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%，见图11－9所示。一切木结构都处于某一种负荷的长期作用下，因此在设计木结构时，应考虑负荷时间对木材强度的影响。

3.温度的影响

随环境温度升高，必然会导致木材含水率的降低，并随之产生内应力、干燥等缺陷，强度降低。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，强度明显下降，变形增大。温度超过160℃时，木材中的纤维素发生热裂解，色渐变黑，强度显著下降。因此，长期处于高温的建筑物，不宜采用木结构。

4.疵病的影响

木材在生长、采伐、保存过程中，所产生的内部和外部的缺陷，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。一般木材或多或少都存在一些疵病，致使木材的物理力学性质受到影响。木节分为活节、死节、松软节、腐朽节等几种，其中活节影响较小。木节对顺纹抗拉和顺纹抗压强度的影响，与木节的质地、木材因节子而形成的局部斜纹理有关，对顺纹抗拉强度的影响大于顺纹抗压强度的影响。在木材受横纹抗压和顺纹剪切时，木节反而可能增加其强度。斜纹即木纤维与树轴成一定夹角，其影响程度的大小，决定于斜纹理与施力方向之间夹角的大小以及力学性质的种类，斜纹木材严重降低其顺纹抗拉强度，抗弯次之，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11－9　木材持久强度