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第3章 木材特性

1.密度和水——木材的物理性质

木材的物理性质主要包括木材密度、木材含水率、木材的湿胀与干缩三个方面。

(1)木材密度

木材密度是指单位体积木材的重量,其取决于它的含水率,即不同的含水率对应不同的密度。通常,木材的重量和体积都受含水率影响。一般,人们把木材试样的烘干重量与它饱和水分时的体积、烘干后的体积及烘干时的体积之比,分别称为基本密度、绝干密度和炉干密度。此外,木材在气干后的重量与气干后的体积之比为木材的气干密度。

木材的平均密度为1.55克/立方厘米。一般,木材的表观密度与木材的孔隙率、含水率以及其他一些因素的变化有关,可分为气干表观密度、绝干表观密度和饱水表观密度等。

通常来说,木材的表观密度愈大,其湿胀干缩率也愈大,此外,木材的表观密度因树种不同差异也很大,树种不同,表观密度也不同。如我国台湾省的二色轻木为0.186克/立方厘米,东北的水曲柳为0.686克/立方厘米,河南的泡桐为0.283克/立方厘米,广西的蚬木为1.128克/立方厘米。不过,值得一提的是,即使同一树种,木材的表观密度也会因产地、生长条件、树龄等不同而不同,如外层的密度大于内层的密度,树干部分的密度大于树尾部的密度。如绝干的马尾松木密度为0.42~0.45克/立方厘米,比水还轻;而新砍的马尾松木能沉入水中,密度相差很大。此外,还有密度接近钢铁的铁木、岘木等等。一般情况下,大多数木材的气干密度约为0.3~0.9克/立方厘米。通常,密度大的木材,其力学强度较高。

(2)木材含水率

木材含水率是指木材中水重占烘干木材重的百分数。由于纤维素、半纤维素、木质素的分子均具有较强的亲水力,所以木材很容易从周围环境中吸收水分。通常,人们根据木材中所含水的存在形式可分为三类:吸附水、自由水、化合水。

①吸附水存在于木材细胞胞壁内,它的含量是影响木材强度和胀缩变形的主要原因。

②自由水存在于木材的细胞腔和细胞间隙之间,它的含量影响木材的表观密度、燃烧性和抗腐蚀性。

③化合水是一类由木材化学组成的结合水,它在常温下不变化,对木材的性质一般无影响。

当木材中无自由水,而细胞壁内吸附水达到饱和时,这时的木材含水率称为“纤维饱和点”。一般情况下,木材的纤维饱和点随树种而各不相同,介于25%~35%,通常取其平均值,约为30%。我们知道,纤维饱和点是木材物理力学性质发生变化的转折点。当含水率大于纤维饱和点时,水分对木材性质的影响很小。当含水率自纤维饱和点降低时,木材的物理和力学性质随之而变化。

通常,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。其中,我们把木材在大气中能吸收或蒸发水分,与周围空气的相对湿度和温度相适应而达到恒定的含水率,称为平衡含水率,一般,木材平衡含水率随地区、季节及气候等因素而变化,约在10%~18%之间。可以说,它是木材干燥时的重要指标。

(3)木材的湿胀与干缩

所谓湿胀干缩效应是指,当木材由潮湿状态干燥到纤维饱和点时,尺寸不变;继续干燥时,吸附水开始蒸发,木材发生体积收缩。也就是说,木材从潮湿状态干燥至纤维饱和点时,木材的尺寸基本不变,仅容重减小。当干燥至纤维饱和点以下时,细胞壁中吸附水开始蒸发,木材发生收缩;反之呢,干燥的木材吸湿发生体积膨胀,直至含水率达到纤维饱和点为止,此后木材含水量继续增加,体积基本上不再发生变化。

木材的湿胀与干缩是木材本身所固有的特性,即木材吸收水分后体积膨胀,丧失水分就会收缩。可以说,这一性质会对木材大小、尺寸的不稳定带来不利影响,可使木材产生裂缝或翘曲变形,以致引起木结构的接合松弛或突起、装修部件的破坏等。因此,了解木材这一性质,对于保证木材制品的质量相当重要,在日常生活中,人们为避免木材这一效应所带来的裂缝或翘曲变形等现象,通常都会在木材制作加工前将其进行干燥处理,使木材干燥至平衡含水率。

2.抗拉抗压——木材的力学性质

木材是多孔性材料的一种,具有很强的负荷力学性质。通常,其力学性质是指木材抵抗外部机械力作用的能力,主要包括弹性、粘弹性、硬度、韧性、各类强度等。

①木材弹性是指木材在卸除发生变形的负荷后,回复原来的形状、尺寸或位置的能力;

②木材强度是指抵抗外部机械力破坏的能力,包括拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、抗剪强度等。

③木材硬度是抵抗其他刚性物体压入的能力;木材刚性是抵抗外部机械力造成木材尺寸或形状变化的能力。

④木材韧性是木材吸收能量和抵抗反复冲击负荷,或抵抗超过比例极限的瞬间应力的能力。

木材还是一种有机导向性材料,当其受到外界压力时,会产生一种抵抗压缩变形破坏的能力——抗压强度,其中又有顺纹与横纹两种抗压强度之分。顺纹抗压强度是指外部机械力与木材纤维方向平行时的抗压强度。由于顺纹抗压强度变化小,所以常以顺纹抗压强度来表示木材的力学性质;横纹抗压强度是指外部机械力与木材纤维方向互相垂直时的抗压强度。一般来说,木材的顺纹抗拉和抗压强度均较高,但横纹抗拉和抗压强度较低。由于木材主要是由许多管状细胞组成,当木材横纹受压时,这些管状细胞很容易被压扁,因此木材的横纹抗压极限强度比顺纹抗压极限强度低。但是,横纹受压的面积往往较大,所以破坏时的载荷也相应大些。

此外,木材强度还受树种、温度、含水率、木材缺陷、荷载作用时间等因素的影响,其中,尤以木材缺陷及荷载作用时间两者的影响最大。因木节尺寸和位置不同、受力性质(拉或压)的不同,有节木材的强度比无节木材低30%~60%。在荷载长期作用下木材的长期强度几乎只有瞬时强度的一半。

3.物尽其材——木材的加工应用

木材的用途十分广泛,除直接使用原木外,木材都加工成板方材或其他制品使用。

在使用过程中,为了减小木材在使用中发生变形和开裂,通常板方材需要经过自然干燥或人工干燥。

所谓自然干燥是将木材堆垛进行气干。首先将木材堆垛成材堆,上面设置堆顶,下面铺设堆基,然后按照木材种类规划材堆与木板之间的距离,以太阳能为热源,利用空气自然对流作用使木材干燥。这种方法适用性广,成本低。但干燥周期长,占地面积大,一般只能干到和气候相应的平衡含水率。

人工干燥主要用干燥窑法,也可用简易的烘、烤等方法。干燥窑是一种装有循环空气设备的干燥室,能调节和控制空气的温度和湿度,通常经干燥窑干燥的木材质量好,含水率可达10%以下。使用中易于腐朽的木材应事先进行防腐处理。用胶合的方法能将板材胶合成为大构件,用于木结构、木桩等。此外木材还可加工成胶合板、碎木板、纤维板等。

4.慧目独具——木材的识别

由于树种、木材的构造和材质差异很大,因而用途也就不同。所以,人们常说的木材识别指的就是木材树种的识别,即就是说正确地识别木材的树种,对于木材的按质论价、合理用材,节约成本有着重要的作用。

识别木材主要是以木材构造特征为依据,一般,针叶树材的构造比较简单,构成木材的绝大部分是管胞(木质部输导结构之一)。其宏观特征主要是树脂道、心材与边材(包括材色)、早材与晚材;其次是气味、木射线、纹理、结构、轻重、软硬等。而阔叶的构造特征则比较复杂,归结起来,主要是管孔、轴向薄壁组织、木纤维和木射线。宏观特征主要是管孔和轴向薄壁、组织的各种各样的分布和排列、木射线的粗细、材色和心边材的区别、波痕的有无等;其次是树胶道、气味、结构、纹理、轻重和软硬等。

对于木材树种的识别,首先,根据木材有无管孔分别出是针叶材还是阔叶材:(1)如果确定是针叶材,接下来就要观察是否有无树脂道,一般来说,有树脂道的属于冷杉、杉木、柏木等一类。其次,待分出属于那种类型的树种以后,则要更进一步根据树脂道的大小、早材晚材的变化,心、边材的区别的明显程度及木材颜色、气味、硬度等,确定木材属于哪一种针叶材。(2)如果确定是阔叶材,首先,观察它的导管分布情况,判定木材为环孔材、散孔材或半散孔材的哪一种。其次,再根据管孔排列、轴间薄壁组织的类型、木射线的宽窄、材面上呈现的花纹图案、心材边材区别是否明显以及木材颜色、气味、重量、硬度等等,最后确定其为哪一种阔叶材。

通常,原木的树种识别,一般是由表及里(即由树皮到木质部),由简到繁(由肉眼观察到借助扩大镜观察)地逐步深入。如果是带有树皮的木材,先观察从树皮开始到材身的表面,然后再看木材的两端断面;若是不带树皮的木材,则要从材身表面至断面直接用眼观察。

另外,对于具有特殊特征的木材,抓住主要特征就可以判明,例如香樟有樟脑气味,这一点是其他树种所没有的,因此可依据气味这一特殊特征来识别香樟树;又如黄波萝树,它有较厚的木栓层,内皮是鲜黄色,呈纤维状剥落,这也是其他树种所没有的。

总之,识别木材的树种,还可根据木材检索表去查对,通常,检索表里突出而详细地记载各种树种的主要特征,它是识别木材的指路牌。一般来说,针叶材比较容易认出,阔叶材则较难以正确定名,最好是借助于显微镜观察,以作进一步的鉴定。最后,值得一提的是,木材的识别最为关键的问题就是要十分熟悉木材的构造特征,这就需要在实际生活中不断积累各种知识经验,多看、多比、多嗅,反复实践,反复认识,这将会有助于木材的正确识别。

5.地大物博——我国木材资源分布

我国土地面积辽阔,资源丰富。其中,仅森林面积达15894.1万公顷,森林覆盖率为16.55%;森林蓄积量112.7亿立方米;全国人工林面积(不含台湾省)4666.7万公顷,居世界首位,蓄积量为10.1亿立方米。

一般来说,森林是木材的家园,也是木材的主要来源地。其中,以我国木材资源为例,主要分布在以下几个地区:

(1)东北的大小兴安岭和长白山地区。

这里是我国最大的天然林区和木材生产基地,林木蓄积量占全国的1/3以上,属亚寒带针叶林和针阔混交林带。其中尤以大兴安岭的落叶松、小兴安岭的红松和水曲柳最为著名,均为树种中的优良木材。

(2)西南横断山地区、雅鲁藏布江大拐弯地区和喜马拉雅山南坡。

这里为我国第二大天然林区,林木蓄积量占全国的1/4以上,属亚热带常绿阔叶林带。由于山地树木呈垂直分布,亦有大量的云松、冷松等树种。

(3)东南江西、福建、台湾等省的山区。

这些地方为亚热带常绿阔叶林带,天然林大多已不存在,主要以人工林、次生林为主。分布着大面积的松木、马尾松等人工林,以及油茶等经济林木,并有樟树等优质木材,竹林的广泛分布是这里的一大特色。

知识小百科

“中国林都”

黑龙江省伊春市是我国著名的木材工业城市,素有“中国林都”和“红松故乡”的美誉。

它纵贯小兴安岭山系,年木材产量占全国国有林区木材产量的20%以上,其中这里的“带领区”为我国的原始红松林保护区。

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