第二节 木材的主要性能

一、化学性质

木材的组成主要是一些天然高分子化合物，主要有纤维素、半纤维素等。

木材的化学性质复杂多变。在常温下，木材对稀的盐溶液、稀酸、弱碱有一定的抵抗能力，但随温度升高，木材的抵抗能力显著降低。而强氧化性的酸、强碱在常温下也会使木材发生变色、湿胀、水解、酯化、降解交联等反应。

二、物理性质

1、密度与表观密度

木材的密度各树种相差不大，一般为1.48～1.56 g/cm³。

木材的表观密度则随木材孔隙率、含水量以及其他因素的变化而不同。一般有气干表观密度、绝干表观密度和饱水表观密度之分。木材的表观密度愈大，其湿胀干缩率也愈大。

2、吸湿率和含水率

木材内所含的水，根据其存在形式可分为三类：

⑴自由水是存在于细胞腔和细胞间隙中的水。

⑵吸附水是存在于细胞壁中的水分。

⑶化合水是木材化学组成的结合水。

当木材细胞腔和细胞间隙中的自由水完全脱去，而细胞壁吸附水尚未饱和时，木材的含水率称为“木材的纤维饱和点”。一般在25%～35%之间，平均为30%。

木材从周围的湿空气中吸收水分能力的大小称之为吸湿性。木材的含水率将随周围空气的湿度变化而变化，直到木材含水率与周围空气的湿度达到平衡时为止，此时的含水率称为平衡含水率。平衡含水率随周围大气的温度和相对湿度而变化。

新伐木材的含水率一般在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为8%～15%。

图8-4 木材的平衡含水率

3、湿胀干缩

木材含水率在纤维饱和点以内进行干燥时，会产生长度和体积的收缩，即干缩；而含水率在纤维饱和点以内受到潮湿时，则会产生长度和体积的膨胀，即湿胀。只有吸附水的改变才影响木材的变形。

图8-5 含水量对松木胀缩变形的影响

木材的湿胀干缩对木材的使用有严重影响，干缩使木结构构件连接处产生隙缝而致接合松弛，湿胀则造成凸起。为了避免这种情况的发生，最根本的办法是预先将木材进行干燥，使木材的含水率与构件所使用的环境湿度相适应，亦即将木材预先干燥至平衡含水率后使用。

4、其他物理性质

木材的导热系数随其表观密度的增加而增大。顺纹方向的导热系数大于横纹方向。

干木材具有很高的电阻。当木材的含水量提高或温度升高时，木材电阻会降低。

木材还具有较好的吸声性能。

三、木材的力学性质

1、木材的强度

木材构造的特点，决定了木材的各种力学性能具有明显的方向性，在顺纹方向，木材的抗拉和抗压强度都比横纹方向要高得多。

⑴抗压强度

木材的抗压强度分为顺纹受压和横纹受压。顺纹受压破坏是木材细胞壁丧失稳定性的结果；横纹受压时，开始细胞壁呈弹性变形，此时变形与外力成正比。当超过比例极限时，细胞壁丧失稳定，细胞腔被压扁，随即产生大量变形。木材的横纹抗压强度以使用中所限制的变形量来决定，通常取其比例极限作为横纹抗压强度的极限指标。木材横纹抗压强度通常只有顺纹抗压强度10%～20%。

⑵抗拉强度

木材的顺纹抗拉强度是木材各种力学强度中最高的。木材单纤维抗拉强度可达80～200MPa。顺纹受拉破坏时往往不是纤维被拉断而是纤维间被撕裂。顺纹抗拉强度为顺纹抗压强度的2～3倍，木材的横纹抗拉强度仅为顺纹抗拉强度的1/10～1/40。

⑶抗弯强度

木材受弯曲时内部应力十分复杂，上部是顺纹受压，下部为顺纹受拉，在水平面中还有剪切力的作用。木材受弯破坏时，通常是受压区首先达到强度极限，形成微小的不明显皱纹，这时并不立即破坏，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，当受拉区内纤维达到强度极限时，因纤维本身的断裂及纤维间连接的破坏而最后破坏。

⑷剪切强度

根据作用力与木材纤维方向的不同，木材的剪切有：顺纹剪切、横纹剪切和横纹切断三种。

图8-7 木材的剪切 （a）顺纹剪切；（b）横纹剪切；（c）横纹切断

顺纹剪切时，木材的绝大部分纤维本身并不破坏，而只是破坏剪切面中纤维间的连接。所以顺纹抗剪强度很小，一般为同一方向抗压强度的15%～30%。

横纹剪切时，剪切是破坏剪切面中纤维的横向连接，木材的横纹剪切强度比顺纹剪切强度还要低。

横纹切断时，剪切破坏是将木材纤维切断，因此横纹切断强度较大，一般为顺纹强度的4～5倍。

木材各种强度的大小关系 表8-1

2、影响木材强度的主要因素

⑴含水量的影响

木材的含水率对木材强度影响很大，当细胞壁中水分增多时，木纤维相互间的连接力减小，使细胞软化。含水率在纤维饱和点以上变化时，只有自由水的变化，因而不影响木材强度，在纤维饱和点以下时，随含水率降低，吸附水减少，细胞壁趋于紧密，木材强度增大。木材含水率的变化，对木材各种强度的影响程度是不同的，对抗弯和顺纹抗压影响较大，对顺纹抗剪影响较小，而对顺纹抗拉几乎没有影响。

图8-8 含水量对木材强度的影响

1-顺纹受拉；2-弯曲；3-顺纹受压；4-顺纹受剪

⑵负荷时间的影响

木材抵抗长期荷载的能力低于抵抗短期荷载的能力。木材在长期荷载下不致引起破坏的最大强度，称为持久强度。木材的持久强度比短期荷载作用下的极限强度小得多，一般仅为极限强度的50%～60%。

⑶温度的影响

当环境温度升高时，木材中的胶结物质处于软化状态，其强度和弹性均降低。当温度降到0℃以下时，其中水分结冰，木材强度增大，但木材变得较脆。一旦解冻，各项强度都将比未解冻时的强度低。

⑷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。

木节是木材中最常见的疵病。木节分为活节、死节、松软节和腐朽节几种。

裂纹、腐朽、虫害等疵病，会造成木材构造的不连续或其组织的破坏，严重影响木材的力学性质，有时甚至能使木材完全丧失使用价值。

3、木材的韧性

木材的韧性较好，因而木结构具有良好的抗震性。木材的韧性受很多因素影响，如木材的密度愈大，冲击韧性愈好；高温会使木材变脆，韧性降低。而负温则会使湿木材变脆，而韧性降低；任何缺陷的存在都会严重降低木材的冲击韧性。

4、木材的硬度和耐磨性

木材的硬度和耐磨性主要取决于细胞组织的紧密度。木材在各个截面上的耐磨性相差很悬殊。木材横截面的硬度和耐磨性都较径切面和弦切面为高。髓线发达的木材其弦切面的硬度和耐磨性均比径切面高，阔叶材的耐磨性较针状材的耐磨性强。

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