土木工程材料教案(2)市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

土木工程材料教案第八章白城师范学院 土木工程系杨勇第1页8 木材8.1木材分类与结构8.2木材性能及应用8.3木材防护与防火第2页学习内容：学习内容：1.1.了解木材分类与结构；了解木材分类与结构；2.2.熟悉木材性能及应用；熟悉木材性能及应用；3.3.了解木材防护与防火。了解木材防护与防火。第3页 木材应于建筑，历史悠久。我国在木材建筑技术和木材装饰艺术上都有很高水平和独特格调。如世界闻名天坛祈年殿完全由木材结构，而山西佛光寺正殿保留至今已达千年之久。过去木材是主要结构用材，而现在则主要用于室内装饰和装修。第4页木材作为建筑和装饰材料含有以下优点：木材作为建筑和装饰材料含有以下优点：比强度大，含有轻质高强特点；比强度大，含有轻质高强特点；弹性韧性好，能承受冲击和振动作用；弹性韧性好，能承受冲击和振动作用；导热性低，含有很好隔热、保温性能；导热性低，含有很好隔热、保温性能；在适当保养条件下，有很好耐久性；在适当保养条件下，有很好耐久性；纹理美观、色调温和、格调典雅，极富装饰性；纹理美观、色调温和、格调典雅，极富装饰性；易于加工，可制成各种形状产品；易于加工，可制成各种形状产品；绝缘性好、无毒性；绝缘性好、无毒性；木材弹性、绝热性和暖色调结合，给人以温暖木材弹性、绝热性和暖色调结合，给人以温暖和亲切感。和亲切感。第5页木材组成和结构是由树木生长需要而决定，所以人们在使用时必定会受到木材自然属性限制，主要有以下几个方面：结构不均匀，呈各向异性；湿胀干缩大，处理不妥易翘曲和开裂；天然缺点较多，降低了材质和利用率；耐火性差，易着火燃烧；使用不妥，易腐朽、虫蛀。第6页8.1木材分类和结构木材分类和结构8.1.1树木分类树木分类木材产自木本植物中乔木，即针叶树和阔叶树。至于棕榈和竹子，虽也是单主干木本植物，但与针叶树和阔叶树有本质区分。棕榈和竹子在生长上仅由初生长成粗壮茎，没有次生长活动。棕榈茎干中央部分组织不坚固、松软，而竹子中央部位常成空腔。第7页1针叶树材针叶树材针叶树树叶如针状（如松）或鳞片状（如侧柏），习惯上也包含宫扇形叶银杏。针叶树树干通直高大，枝杈较小分布较密，易得大材，其纹理顺直，材质均匀。大多数针叶树材质较轻软而易于加工，故针叶树材又称软材。针叶树材强度较高，胀缩变形较小，耐腐蚀性强，建筑上广泛用做承重构件和装修材料。我国惯用针叶树树种有陆均松、红松、红豆杉、冷杉和福建柏等。第8页2阔叶树材阔叶树材阔叶树树叶多数宽大、叶脉成网状。阔叶树树干通直部分普通较短，枝杈较大，数量较少。相当数量阔叶树材材质重硬而较难加工，故阔叶树材又称硬材。阔叶树材强度高，胀缩变形大，易翘曲开裂。阔叶树材质面通常较美观，含有很好装饰作用，适于做家俱、室内装修及胶合板等。我国惯用阔叶树树种有水曲柳、栎木、樟木、黄菠萝、榆木、核桃木、酸枣木、梓木和檫木等。第9页8.1.2木材结构1.木材宏观结构木材是非均质材料，其结构应从树干三个主要切面来剖析：横切面 垂直于树轴切面；径切面 经过树轴纵切面；弦切面 平行于树轴切面。第10页第11页树木由树皮、木质部和髓心所组成。树皮由外皮、软木组织（栓皮）和内皮组成。有些树种（如栓皮栎、黄菠萝）软木组织较发达，可用做绝热材料和装饰材料。髓心位于树干中心，由最早生成细胞所组成，其质地疏松而脆弱，易被腐蚀和虫蛀。木质部位于髓心和树皮之间部分，是建筑材料使用主要部分。第12页树木生产呈周期性，在一个生长周期内所产生一树木生产呈周期性，在一个生长周期内所产生一层木材环轮称为一个生长轮。树木在温带气候一层木材环轮称为一个生长轮。树木在温带气候一年仅有一度生长，所以生长轮又称为年轮。从横年仅有一度生长，所以生长轮又称为年轮。从横切面上看，年轮是围绕髓心、深浅相间同心环。切面上看，年轮是围绕髓心、深浅相间同心环。在同一生终年中，春天细胞分裂速度快，细胞腔在同一生终年中，春天细胞分裂速度快，细胞腔大壁薄，所以组成木质较疏松，颜色较浅，称为大壁薄，所以组成木质较疏松，颜色较浅，称为早材或春材；夏秋两季细胞分裂速度慢，细胞腔早材或春材；夏秋两季细胞分裂速度慢，细胞腔小壁厚，组成木质较致密，颜色较深，称为晚材小壁厚，组成木质较致密，颜色较深，称为晚材或夏材。或夏材。一年中形成早、晚材合称为一个年轮。相同树种，一年中形成早、晚材合称为一个年轮。相同树种，径向单位长度年轮数越多，分布越均匀，则材质径向单位长度年轮数越多，分布越均匀，则材质越好。一样，径向单位长度年轮内晚才含量（称越好。一样，径向单位长度年轮内晚才含量（称晚材率）越高，则木材强度也越大。晚材率）越高，则木材强度也越大。第13页有些树种在横切面上，材色可分为内、外两大部分。颜色较浅靠近树皮部分木材称为边材，颜色较深靠近髓心木材称为心材。从髓心向外辐射线，称为髓线。髓线与周围连接较差，木材干燥时易沿髓线开裂，但髓线与年轮组成了木材漂亮天然花纹。第14页2.2.木材微观结构木材微观结构在显微镜下观察，木材是由无数管状细胞紧密结在显微镜下观察，木材是由无数管状细胞紧密结合而成。它们绝大部分纵向排列，少数横向排列。合而成。它们绝大部分纵向排列，少数横向排列。每一个细胞分为细胞壁和细胞腔两部分，细胞壁每一个细胞分为细胞壁和细胞腔两部分，细胞壁由纤维素分子束在半纤维素和木质组成基体相中由纤维素分子束在半纤维素和木质组成基体相中构架而成，大多数纤维素束沿细胞长轴呈小角度构架而成，大多数纤维素束沿细胞长轴呈小角度螺旋状排列。木材细胞壁愈厚，腔愈小，木材愈螺旋状排列。木材细胞壁愈厚，腔愈小，木材愈密实，强度也愈大，但胀缩也大。与春材相比，密实，强度也愈大，但胀缩也大。与春材相比，夏材细胞壁较厚。夏材细胞壁较厚。针叶树显微结构简单规则，它主要由管胞和髓线针叶树显微结构简单规则，它主要由管胞和髓线组成，其髓线较细不显著。阔叶树显微结构较复组成，其髓线较细不显著。阔叶树显微结构较复杂，其最大特点是髓线发达，粗大而显著。杂，其最大特点是髓线发达，粗大而显著。第15页8.2木材性能及应用8.2.1木材性能1.木材含水率及吸湿性木材中含水量以含水率表示，即木材中所含水质量占干燥木材质量百分数。新伐倒树木称为生材，其含水率普通在70%140%。木材气干含水量因地而异，南方约为15%20%，北方约为10%15%。窑干木材含水率约在4%12%。第16页木材中所含水分可分为自由水和吸附水两种。自由水 存在于木材细胞腔和细胞间隙中水分。自由水影响木材表观密度、保留性、抗腐蚀性和燃烧性。吸附水 被吸附在细胞壁基体相中水分。因为细胞壁相含有较强亲水性，且能吸附和渗透水分，所以水分进入木材后首先被吸入细胞壁。吸附水是影响木材强度和胀缩主要原因。第17页湿木材在空气中干燥时，当自由水蒸发完成而吸湿木材在空气中干燥时，当自由水蒸发完成而吸附尚处于饱和时状态，称为附尚处于饱和时状态，称为纤维饱和点纤维饱和点纤维饱和点纤维饱和点。此时木。此时木材含水率称为纤维饱和点含水率，其大小随树而材含水率称为纤维饱和点含水率，其大小随树而异，通常介于异，通常介于23%23%33%33%。纤维饱和点含水率主。纤维饱和点含水率主要意义不在其数值大小，而在于它是木材许多性要意义不在其数值大小，而在于它是木材许多性质在含水率影响下开始发生改变起点。质在含水率影响下开始发生改变起点。潮湿木材会向较干燥空气中蒸发水分，干燥木材潮湿木材会向较干燥空气中蒸发水分，干燥木材也会从湿空气中吸收水分。木材长时间处于一定也会从湿空气中吸收水分。木材长时间处于一定温度和湿度空气中，当水分蒸发和吸收到达动态温度和湿度空气中，当水分蒸发和吸收到达动态平衡时，其含水率相对稳定，这时木材含水率称平衡时，其含水率相对稳定，这时木材含水率称为为平衡含水率平衡含水率平衡含水率平衡含水率。北方约。北方约12%12%，南方约，南方约18%18%，长江，长江流域流域15%15%左右。左右。第18页2.木材湿涨干缩与变形木材含有显著湿胀干缩性。当木材从潮湿状态干燥至纤维饱和点时，自由水蒸发不改变其尺寸；继续干燥，细胞壁中吸附水蒸发，细胞壁基体相收缩，从而引发木材体积收缩。反之，干燥木材吸湿时将发生体积膨胀，直到含水量到达纤维饱和点为止。细胞壁愈厚，则胀缩愈大。因而，表观密度大、夏材含量多木材胀缩变形较大。第19页第20页因为木材结构不均匀，各方向、各部位胀缩也不一样，其中弦向最大，径向次之，纵向最小，边材大于心材。普通新伐木材完全干燥时，弦向收缩6%12%，径向收缩3%6%，纵向收缩0.1%0.3%，体积收缩9%14%。因为复杂结构原因，木材弦向收缩总是大于径向，弦向收缩与径向收缩比率通常为2：1。木材干燥时其横截面变形不均匀，干缩会使板材发生翘曲（包含顺弯、横弯、翘弯）和扭弯。第21页木材湿胀干缩性将影响到其实际使用。干缩会使木材翘曲开裂、接榫松弛、拼缝不严，湿胀则造成凸起。为了防止这种情况，在木材加工制作前必须预先进行干燥处理，使木材含水率比使用地域平衡含水率低2%3%。第22页3.木材强度木材强度主要是指其抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度。因为木材结构各向不一样，其强度展现出显著各向异性，所以木材强度应有顺纹和横纹之分。木材顺纹抗压、抗拉强度均比对应横纹强度大得多，这与木材细胞结构及细胞在木材中排列相关。表8-1是木材各强度大小关系。第23页表表8-18-1木材无缺点时各强度大小关系木材无缺点时各强度大小关系抗压抗压抗拉抗拉抗弯抗弯抗剪抗剪顺纹顺纹横纹横纹顺纹顺纹横纹横纹顺纹顺纹横纹横纹1001001030103020030200300 053053015020150200 0153015305010050100第24页影响木材强度原因影响木材强度原因影响木材强度原因影响木材强度原因 ：木材含水量木材含水量木材含水量木材含水量对强度影响极大。在纤维饱和点以下对强度影响极大。在纤维饱和点以下时，水分降低，则木材各种强度增加，其中抗弯时，水分降低，则木材各种强度增加，其中抗弯和顺纹抗压强度提升较显著，对顺纹抗拉强度影和顺纹抗压强度提升较显著，对顺纹抗拉强度影响最小。在纤维饱和点以上，强度基本为一恒定响最小。在纤维饱和点以上，强度基本为一恒定值。值。温度温度温度温度对木材强度有直接影响。试验表明，温度从对木材强度有直接影响。试验表明，温度从2525升至升至5050时，将因木纤维和木纤维间胶体软时，将因木纤维和木纤维间胶体软化等原因，使木材抗压强度降低化等原因，使木材抗压强度降低20%20%40%40%，抗，抗拉和抗剪强度下降拉和抗剪强度下降12%12%20%20%。另外，木材长时。另外，木材长时间受干热作用可能出现脆性。间受干热作用可能出现脆性。第25页木材极限强度表示抵抗短时间外力破坏能力，木木材极限强度表示抵抗短时间外力破坏能力，木材在长久荷载作用下所能承受最大应称为持久强材在长久荷载作用下所能承受最大应称为持久强度。因为木材受力后将产生塑性流变，使木材强度。因为木材受力后将产生塑性流变，使木材强度随度随荷载时间荷载时间荷载时间荷载时间增加而降低，木材持久强度仅为极增加而降低，木材持久强度仅为极限强度限强度50%50%60%60%。木材强度是以无木材强度是以无缺点缺点缺点缺点标准试件测得，而实际木材标准试件测得，而实际木材在生长、采伐、加工和使用过程中会产生一些缺在生长、采伐、加工和使用过程中会产生一些缺点，如木节、裂纹和虫蛀等，这些缺点影响了木点，如木节、裂纹和虫蛀等，这些缺点影响了木材材质均匀性，破坏了木材结构，从而使木材强材材质均匀性，破坏了木材结构，从而使木材强度降低，其中反抗拉和抗弯强度影响最大。度降低，其中反抗拉和抗弯强度影响最大。第26页8.2.2木材及其制品应用按加工程度和用途不一样，木材分为圆条、原木、锯材三类。第27页木材初级产品木材初级产品 表表8-28-2分分类类说说 明明用用 途途圆圆条条除去根、梢、枝除去根、梢、枝伐倒木伐倒木用做深入加工用做深入加工原木原木除去根、梢、枝除去根、梢、枝和树皮并加工成和树皮并加工成一定长度和直径一定长度和直径木段木段用做屋架、柱、桁条等，也可用做屋架、柱、桁条等，也可用于加工用于加工锯锯材和胶合板等材和胶合板等锯锯材材板材板材（宽（宽度为度为厚度厚度3 3倍倍或或3 3倍以倍以上）上）薄板：厚度薄板：厚度12122121门门芯板、隔断、木装修等芯板、隔断、木装修等中板：厚度中板：厚度25253030屋面板、隔断、木装修等屋面板、隔断、木装修等厚板厚板40406060门门窗窗方材方材（宽（宽度小度小于厚于厚度度3 3倍）倍）小方：截面小方：截面积积5454以下以下椽条、隔断木筋、吊椽条、隔断木筋、吊顶顶隔隔栅栅中方：截面中方：截面积积5555100100支撑、支撑、搁栅搁栅、扶手、扶手、檩檩条条大方：截面大方：截面积积101101225225屋架、屋架、檩檩条条特大方：截面特大方：截面积积226226以上以上木或木或钢钢木屋架木屋架第28页1.条木地板第29页2.拼花木地板第30页第31页3.复合木地板第32页第33页第34页4.胶合板第35页第36页5.刨花板、木丝板、木屑板第37页8.3木材防护与防火8.3.1木材腐朽与防护木材腐朽是由真菌在木材中寄生而引发。侵蚀木材真菌有三种，即霉菌、变色菌和木腐菌普通只寄生在木材表面，并不破坏细胞壁，对木材强度几乎无影响。变色菌多寄生于边材，对木材力学性质影响不大。但变色菌侵入木村较深，难以除去，损害木材外观质量。腐朽防护办法：第38页干燥干燥 采取气干法或窑干法将木材干燥至较低含采取气干法或窑干法将木材干燥至较低含水率，并在设计和施工中采取各种防潮和通风办水率，并在设计和施工中采取各种防潮和通风办法，如在地面设防潮层，木地板下设通风洞，木法，如在地面设防潮层，木地板下设通风洞，木屋顶采取山墙通风等，使木材经常处于通风干燥屋顶采取山墙通风等，使木材经常处于通风干燥状态。状态。涂料覆盖涂料覆盖 涂料种类很多，作为木材防腐应采取涂料种类很多，作为木材防腐应采取耐水性好涂料。涂料本身无条菌杀虫能力，但涂耐水性好涂料。涂料本身无条菌杀虫能力，但涂刷涂料可在木材表面形成完整而坚韧保护膜，从刷涂料可在木材表面形成完整而坚韧保护膜，从而隔绝空气和水分，并阻止真菌和昆虫侵入。而隔绝空气和水分，并阻止真菌和昆虫侵入。化学处理化学处理 化学防腐是将对真菌虫有毒害作用化化学防腐是将对真菌虫有毒害作用化学防腐剂注入木材中，使真菌无法寄生。防腐剂学防腐剂注入木材中，使真菌无法寄生。防腐剂主要有水溶性、油溶性和油质防腐剂三大类。室主要有水溶性、油溶性和油质防腐剂三大类。室外应采取耐水性好防腐剂。防腐剂注入方法主要外应采取耐水性好防腐剂。防腐剂注入方法主要有表面涂刷、常温浸渍、冷热槽浸透和压力渗透有表面涂刷、常温浸渍、冷热槽浸透和压力渗透法等。法等。第39页8.3.3木材防火易燃是木材最大缺点，木材防火处理方法有：用防火浸剂对木材进行浸渍处理，为了到达要求防火性能，应确保一定吸药量和透入深度。将防火涂料刷或喷洒于木材表面，待涂料固结后即组成防火保护层。防火效果与涂层厚度或每平方米涂料用量有亲密关系。第40页8.3.28.3.2木材防虫木材防虫因各种昆虫危害而造成木材缺点称为木材早害。因各种昆虫危害而造成木材缺点称为木材早害。往往木材内部已被蛀蚀一空，而外表依然完整，往往木材内部已被蛀蚀一空，而外表依然完整，几乎看不出破坏痕迹，所以危害极大。白蚁喜温几乎看不出破坏痕迹，所以危害极大。白蚁喜温湿，在我国南方地域种类多、数量大，常对建筑湿，在我国南方地域种类多、数量大，常对建筑造成毁灭性破坏。甲壳虫（如天牛、蠹虫等）则造成毁灭性破坏。甲壳虫（如天牛、蠹虫等）则在气候干燥时猖獗，它们危害木材主要在幼虫阶在气候干燥时猖獗，它们危害木材主要在幼虫阶段。段。化学防腐是将对昆虫有毒害作用化学防腐剂注入化学防腐是将对昆虫有毒害作用化学防腐剂注入木材中，使昆虫无法寄生。防腐剂主要有水溶性、木材中，使昆虫无法寄生。防腐剂主要有水溶性、油溶性和油质防腐剂三大类。室外应采取耐水性油溶性和油质防腐剂三大类。室外应采取耐水性好防腐剂。防腐剂注入方法主要有表面涂刷、常好防腐剂。防腐剂注入方法主要有表面涂刷、常温浸渍、冷热槽浸透和压力渗透法等。温浸渍、冷热槽浸透和压力渗透法等。第41页