第二章2木材的基本結(jié)構(gòu)和性能

1、第二章第二章 木材的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)木材的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)木材木材生物復(fù)合材料生物復(fù)合材料 木材是一種通過樹木自身生長(zhǎng)（光合作用，吸收二氧化碳CO2和水 ），以生物方式復(fù)合而成的高強(qiáng)重比 “纖維增強(qiáng)材料”。 2.1 木材的結(jié)構(gòu)木材的結(jié)構(gòu) 2.1.1 木材的宏觀結(jié)構(gòu)木材的宏觀結(jié)構(gòu) 2.1.2 木材的微觀結(jié)構(gòu)木材的微觀結(jié)構(gòu) 2.2 木材的物理性質(zhì)木材的物理性質(zhì) 2.2.1木材的密度木材的密度 2.2.2 木材中的水分木材中的水分 2.2.3 木材的熱學(xué)性質(zhì)木材的熱學(xué)性質(zhì)木材的耐火性木材的耐火性 在加熱情況下，木材加熱到180左右，就有一氧化碳CO（27.88%）、氫H2（4.21%）、甲烷CH4（11

2、.36%）、乙烷C2H6（3.09%）和乙烯C2H4（3.72%）等可燃性氣體釋放出；此外還有不燃性氣體二氧化碳CO2（50.74%）釋出。此時(shí)若將木材靠近火焰口，這些氣體就能產(chǎn)生瞬間火焰，但這種火焰不能持續(xù)，因?yàn)槟静脑诖穗A段中是吸熱反應(yīng)，此點(diǎn)溫度稱之為引火點(diǎn)溫度。 250290時(shí)，木材開始產(chǎn)生放熱反應(yīng)，分解出更多易燃性氣體，氣體能產(chǎn)生持續(xù)的火苗，但仍不是木材本身的燃燒。把產(chǎn)生這種火苗的燃燒狀態(tài)叫無火苗著火，把這一溫度稱著火點(diǎn)溫度。 350450時(shí)，木材能自動(dòng)著火，把這一溫度叫做發(fā)火點(diǎn)溫度。 木材的燃燒與木材的導(dǎo)熱性、密度、內(nèi)含物等因素有關(guān)，與木材的形狀、斷面積、表面平滑度和含水率等因素也有關(guān)

3、。 大斷面的木材耐火性能，與木材固有的物理性質(zhì)有關(guān)： 高比熱容材料達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)需較多能量； 多孔性材料熱傳導(dǎo)率低，對(duì)炭化和火焰的貫通抵抗力強(qiáng)； 不產(chǎn)生金屬材料所具有的變形； 表面易形成炭化層，由此阻止氧的供給，同時(shí)消耗了大量熱量，阻止熱的透過； 靠木材中水的汽化潛熱，阻止材料溫度上升等等。 某自行車館為二級(jí)耐火等級(jí)建筑，地上三層，建筑平面為橢圓形。結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋面為鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。木質(zhì)賽道位于該館二層橢圓形平面的中央，人員集中的觀眾入口大廳設(shè)于該層?xùn)|西兩側(cè)。某自行車館木質(zhì)賽道的試驗(yàn)研究p本實(shí)驗(yàn)主要通過實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)研究自行車館木賽道的燃燒特性，包括全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)和木賽道材料的

4、錐型量熱計(jì)試驗(yàn)。p通過試驗(yàn)得到了木賽道的熱釋放速率、CO和CO2的產(chǎn)生速率等燃燒特性參數(shù)。試 驗(yàn) 背 景獲取木賽道燃燒特性參數(shù)燃燒熱值、熱釋放速率、CO、CO2等熱分解氣體的產(chǎn)生速率等；為該自行車館的火災(zāi)數(shù)值模擬、煙氣流動(dòng)預(yù)測(cè)以及人員安全疏散分析提供邊界條件；為確定該自行車館屋頂鋼結(jié)構(gòu)防火措施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。試 驗(yàn) 目 的錐形量熱計(jì)錐形量熱計(jì)錐形量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備 1）點(diǎn)燃時(shí)間本次2組實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)燃時(shí)間見下表。 由上表看出，在同一輻射熱通量下，木材厚度的增加使得點(diǎn)燃時(shí)間延遲。錐形量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程 2）單位面積熱釋放速率由右圖可見，在1#試驗(yàn)開始后70s，木材的燃燒熱釋放速率出現(xiàn)第一次峰值，為

5、90kW/m2，而后有所下降。在90s時(shí)，熱釋放速率再次增長(zhǎng)，并在130s時(shí)出現(xiàn)第二次峰值，為118kW/m2。此后熱釋放速率一直緩慢減小直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。1 1實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)50kW/m50kW/m2 2輻射熱通量輻射熱通量下的熱釋放速率下的熱釋放速率 錐形量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程 2）單位面積熱釋放速率2 2實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)50kW/m50kW/m2 2輻射熱通量輻射熱通量下的熱釋放速率下的熱釋放速率 2#2#試驗(yàn)的熱釋放速率試驗(yàn)的熱釋放速率變化趨勢(shì)與變化趨勢(shì)與1#1#試驗(yàn)相似，試驗(yàn)相似，但出現(xiàn)峰值時(shí)間及峰值大但出現(xiàn)峰值時(shí)間及峰值大小有所差別。試驗(yàn)開始后小有所差別。試驗(yàn)開始后84s84s，熱釋放速率出現(xiàn)第一，熱釋

6、放速率出現(xiàn)第一次峰值，為次峰值，為106kW/m106kW/m2 2；在在196s196s時(shí)出現(xiàn)第二次峰值，時(shí)出現(xiàn)第二次峰值，為為117kW/m117kW/m2 2。錐形量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程 在50kW/m2的輻射熱通量下，木材不易被引燃。在同一輻射熱通量下，木材厚度的增加可使點(diǎn)燃時(shí)間延遲。在50kW/m2的輻射熱通量下，2個(gè)木材試樣的總釋放熱量分別為13.2 MJ/m2和23.6 MJ/m2，平均有效燃燒熱分別為9.1 MJ/kg和8.43 MJ/kg。在50kW/m2的輻射熱通量下，2個(gè)木材試樣的平均CO2生成率相當(dāng)。試樣厚度的增加會(huì)使其平均比減光面積大幅減小。木材點(diǎn)燃后，熱釋放速率會(huì)出現(xiàn)一

7、個(gè)由于易燃熱解物快速燃燒而產(chǎn)生的峰值。木材的炭化會(huì)導(dǎo)致釋熱速率逐步減小，如木材足夠厚，熱釋放速率將處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。對(duì)于一定厚度的木材，剩余木材的溫度在燃燒結(jié)束前會(huì)迅速升高，從而產(chǎn)生釋熱速率的第二個(gè)峰值。錐形量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)論 p木賽道放置在地面上，木賽道內(nèi)部放置8個(gè)0.2m2.5m0.12m的 油盤，每個(gè)油盤注入2.5 L正庚烷，見右圖。大型量熱器實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn)大型量熱器實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn) 1 1木賽道試樣放置在腳手架上，腳手架高4.6m。試樣內(nèi)部放置2個(gè)0.2m2.5m0.12m油盤，每個(gè)油盤注入4.0L正庚烷，見右圖。木材含水率為15.1%。大型量熱器實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn) 3大型量熱器實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn) 3

8、 p火源上方煙氣層火源上方煙氣層溫度隨時(shí)間的變溫度隨時(shí)間的變化見右圖。化見右圖。p木賽道燃燒時(shí)的木賽道燃燒時(shí)的煙氣最高溫度為煙氣最高溫度為88 。 煙氣溫度隨時(shí)間的變化煙氣溫度隨時(shí)間的變化 大型量熱器實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn)大型量熱器實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn) 1 1p熱釋放速率隨時(shí)間的變化，見右圖。p木賽道試樣在正庚烷燃燒完畢后燃燒較平穩(wěn)，熱釋放速率在800 s左右時(shí)達(dá)到1.8MW的峰值，1020 s后熱釋放速率開始略有降低。 熱釋放速率隨時(shí)間的變化熱釋放速率隨時(shí)間的變化大型量熱器實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn)大型量熱器實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn) 1 1結(jié) 論1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)，木質(zhì)賽道的火災(zāi)危險(xiǎn)性較小，不會(huì)明顯增加自行車館的火災(zāi)荷載。2）賽道用

9、木材在燃燒過程中的發(fā)煙量較小，對(duì)人員安全疏散的影響較小。3）自行車館內(nèi)只要配置必要的消防系統(tǒng)，可有效探測(cè)和撲滅木質(zhì)賽道的初起火災(zāi)。2.2.4 木材的介電性質(zhì)木材的介電性質(zhì) 2.2.4.1 介電常數(shù)介電常數(shù) 介電常數(shù)是表明木材在交變電場(chǎng)下介質(zhì)極化和儲(chǔ)存電能能力的一個(gè)物理量。木材的介電常數(shù)是在交變電場(chǎng)中，以木材為介質(zhì)所得電容量(Cw)和在相同條件下以真空為介質(zhì)所得電容量（C0）之比值，用表示。 當(dāng)電壓固定不變時(shí)， CwQw/V C0=Q0V = Cw/C0= Qw/Q0 式中：Q電容器每一塊式極板的電量； V電容器兩極板間的電勢(shì)差。 2.2.4.2 木材介電性質(zhì)與木材加工的關(guān)系木材介電性質(zhì)與木材加

10、工的關(guān)系 2.2.5 木材的聲學(xué)性質(zhì)木材的聲學(xué)性質(zhì) 2.2.5.1 木材的傳聲特性木材的傳聲特性 2.2.5.2 木材的振動(dòng)特性木材的振動(dòng)特性2.3 木材的力學(xué)性質(zhì)木材的力學(xué)性質(zhì) 2.3.1 木材的主要力學(xué)性質(zhì)木材的主要力學(xué)性質(zhì) 2.3.1.1 木材的抗拉強(qiáng)度木材的抗拉強(qiáng)度 2.3.1.2木材的抗壓強(qiáng)度木材的抗壓強(qiáng)度 2.3.1.3 木材的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量木材的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量 2.3.1.4 木材的抗剪強(qiáng)度木材的抗剪強(qiáng)度 2.3.1.5 木材的硬度木材的硬度 2.3.1.6 木材的沖擊韌性木材的沖擊韌性 2.3.1.7 木材的變定木材的變定 2.3.1.8 木材的斷裂木材的斷裂

11、2.3.2 木材力學(xué)性質(zhì)的各向異性木材力學(xué)性質(zhì)的各向異性 2.3.3 長(zhǎng)期荷載作用下木材的力學(xué)行為長(zhǎng)期荷載作用下木材的力學(xué)行為 木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件在長(zhǎng)期承受靜荷載時(shí)，其木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件在長(zhǎng)期承受靜荷載時(shí)，其木構(gòu)件的變形將逐漸增加。若荷載很小，木構(gòu)件的變形將逐漸增加。若荷載很小，經(jīng)過一段時(shí)間后，變形就不再增加；當(dāng)荷經(jīng)過一段時(shí)間后，變形就不再增加；當(dāng)荷載超過某極限值時(shí)，變形不但隨時(shí)間而增載超過某極限值時(shí)，變形不但隨時(shí)間而增加，甚至使木構(gòu)件破壞。因此，在木結(jié)構(gòu)加，甚至使木構(gòu)件破壞。因此，在木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)計(jì)算建筑設(shè)計(jì)計(jì)算變形或應(yīng)變變形或應(yīng)變時(shí)，必須考慮木時(shí)，必須考慮木構(gòu)件在構(gòu)件在長(zhǎng)期荷載長(zhǎng)期荷載下產(chǎn)生應(yīng)力的

12、情況，變形下產(chǎn)生應(yīng)力的情況，變形隨時(shí)間而增加的性質(zhì)，即隨時(shí)間而增加的性質(zhì)，即彈性和黏性彈性和黏性的兩的兩個(gè)性質(zhì)在木構(gòu)件承受荷載時(shí)，應(yīng)同時(shí)予以個(gè)性質(zhì)在木構(gòu)件承受荷載時(shí)，應(yīng)同時(shí)予以考慮，這就是考慮，這就是木材的黏彈性或流變學(xué)性質(zhì)木材的黏彈性或流變學(xué)性質(zhì)。長(zhǎng)期荷載對(duì)木材力學(xué)性質(zhì)的影響長(zhǎng)期荷載對(duì)木材力學(xué)性質(zhì)的影響 對(duì)于所有的材料來說，其強(qiáng)度都與加載速率與加載時(shí)間有關(guān)。對(duì)于大多數(shù)材料來說這個(gè)影響較小，但對(duì)于木材來說持續(xù)載荷對(duì)強(qiáng)度的影響極大，在工程設(shè)計(jì)中時(shí)必須考慮的因素。強(qiáng)度的設(shè)計(jì)必須經(jīng)過預(yù)知載荷所造成的削減因素的修正。對(duì)于實(shí)木來說，十年的持續(xù)載荷將使其強(qiáng)度降低40%。2.3.3.1 木材的蠕變木材的蠕變

13、 在恒定的應(yīng)力下，木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件應(yīng)變隨時(shí)間而增加，稱為蠕變。若梁承受的恒載為最大瞬時(shí)恒載的60，受蠕變的影響，大約一年就破壞了。木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件使用時(shí)承受不超過比例極限的荷載，由于蠕變而形成一持續(xù)的、速度是遞減的變形，直到破壞時(shí)所發(fā)生的變形約2倍于前一種情況的變形；當(dāng)其它情況相同時(shí)，木材因長(zhǎng)期恒載而產(chǎn)生應(yīng)力，試驗(yàn)證明此應(yīng)力并不影響木構(gòu)件的破壞強(qiáng)度。 從木材的微觀結(jié)構(gòu)來看，它是既有彈性又有塑性。圖28為木材的蠕變曲線，它是在to時(shí)給予木材應(yīng)力，便立即產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形OA，在此應(yīng)力作用下，隨時(shí)間的推移而產(chǎn)生蠕變AB。在時(shí)間t1時(shí)解除應(yīng)力，便立即產(chǎn)生彈性恢復(fù)BC1(=OA)；至t2又出現(xiàn)部分的蠕變恢

14、復(fù)，即從C1回到D，恢復(fù)的變形是C1C2；t2以后進(jìn)一步的恢復(fù)不大，可以忽略不計(jì)。因此，DE便是荷載卸載循環(huán)終結(jié)時(shí)殘留的永久變形。在時(shí)間t2的殘存變形中，包括全部蠕變恢復(fù)量及永久變形，后者從to到t1止，沿OC直線增加。一個(gè)物體按照?qǐng)D28的曲線變化的性質(zhì)，稱為“黏彈性”。木材的蠕變曲線木材的蠕變曲線 溫度對(duì)蠕變的影響溫度對(duì)蠕變的影響 根據(jù)木材的剪切和彎曲試驗(yàn)，當(dāng)空氣的溫度和濕度增加時(shí)，木材的總變形及變形的速度也增加。 隨著木材隨著木材含水率含水率的增加，木材的的增加，木材的塑性塑性和變形和變形會(huì)隨之增加。會(huì)隨之增加。 2.3.3.2 木材的塑性變形木材的塑性變形 木材屬于高分子結(jié)構(gòu)的材料，它在

15、受外力作用時(shí)有三種變形：瞬時(shí)彈性變形、彈性后效變形及塑性變形。木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件承載時(shí)，產(chǎn)生與加荷速度相適應(yīng)的變形稱為瞬時(shí)彈性變形，它服從于虎克定律。加荷過程終止，木材立即產(chǎn)生隨時(shí)間遞減的彈性變形，也稱黏彈性變形，是因纖維素分子鏈的卷曲或伸展促成，這種變形也是可逆的。纖維素分子鏈因荷載而彼此滑動(dòng)所造成的變形，稱為塑性變形，不可逆轉(zhuǎn)。2.3.3.3木材的松弛木材的松弛 木材這類黏彈性材料在外力作用下產(chǎn)生變形，長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果變形不變，對(duì)應(yīng)此恒定變形的應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減小，木材這種恒定應(yīng)變條件下應(yīng)力隨著時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減小的現(xiàn)象稱之為應(yīng)力松弛現(xiàn)象。木材松弛曲線木材松弛曲線2.3.4 影響

16、木材力學(xué)性質(zhì)的因素影響木材力學(xué)性質(zhì)的因素 2.3.4.1 水分的影響水分的影響 2.3.4.2 木材密度的影響木材密度的影響 2.3.4.3 溫度的影響溫度的影響 2.3.4.4 缺陷的影響缺陷的影響2.4 木材的化學(xué)性質(zhì)木材的化學(xué)性質(zhì) 木材是由天然形成的有機(jī)物質(zhì)構(gòu)成的，屬于高分子化合物。要研究木材作為木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的基本性能，首先要了解組成木材的化學(xué)成分及其化學(xué)性質(zhì)。 2.4.1 木材的化學(xué)成分木材的化學(xué)成分2.4.2 纖維素對(duì)木材材性的影響纖維素對(duì)木材材性的影響 2.4.2.1 纖維素對(duì)木材斷裂的影響纖維素對(duì)木材斷裂的影響 木材的斷裂與纖維素結(jié)晶度高低、微晶大小和微晶取向度等有密切的關(guān)系。

17、當(dāng)纖維素受到拉伸外力作用后，分子鏈會(huì)沿著外力方向平行排列起來而產(chǎn)生擇優(yōu)取向，分子間的相互作用力會(huì)大大加強(qiáng)，其結(jié)果對(duì)木材斷裂強(qiáng)度、斷裂韌性、彈性模量產(chǎn)生顯著的影響。 2.4.2.2 纖維素對(duì)木材尺寸穩(wěn)定性的影響纖維素對(duì)木材尺寸穩(wěn)定性的影響 2.4.3 木材的酸堿性質(zhì)木材的酸堿性質(zhì) 2.4.3.1 木材的木材的PH值值 2.4.3.2 木材的緩沖容量木材的緩沖容量 2.5 木材的表面性質(zhì)木材的表面性質(zhì) 2.5.1 木材的潤(rùn)濕性木材的潤(rùn)濕性 2.5.2 木材的耐候性木材的耐候性 2.6 木材的環(huán)境學(xué)特性木材的環(huán)境學(xué)特性 2.6.1木材的視覺特性木材的視覺特性 2.6.2 木材的觸覺特性木材的觸覺特性

18、 2.6.3 木材的調(diào)濕特性木材的調(diào)濕特性第三章第三章 結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料性能的無損檢測(cè)結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料性能的無損檢測(cè) 本章概括性介紹結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料的無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)原理、技術(shù)及設(shè)備。主要介紹幾種常見的無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法，包括橫向振動(dòng)法、應(yīng)力波法、聲發(fā)射法、射線法。表3-1 木質(zhì)材料力學(xué)性能無損檢測(cè)技術(shù)主要方法主要方法檢測(cè)原理檢測(cè)原理機(jī)械應(yīng)力檢測(cè)機(jī)械應(yīng)力檢測(cè)采用機(jī)械方法施加恒定變形(或載荷)于被測(cè)試樣上，測(cè)得相應(yīng)的載荷(或變形)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)算出試樣的彈性模量，并推測(cè)靜曲強(qiáng)度。振動(dòng)檢測(cè)振動(dòng)檢測(cè)通過施加外力使試樣產(chǎn)生橫向振動(dòng)之后，通過傳感器測(cè)取試樣的自由振動(dòng)頻率，計(jì)算出試樣的彈性模量。沖擊應(yīng)力波檢測(cè)沖擊

19、應(yīng)力波檢測(cè)檢測(cè)通過試樣的縱向應(yīng)力波的速度，結(jié)合試樣的密度，確定出試樣的彈性模量，對(duì)靜曲強(qiáng)度及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度等也可進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。射線檢測(cè)射線檢測(cè)以射線透射木質(zhì)材料，用射線接收傳感器直接測(cè)量窄小范圍內(nèi)透過試樣前后射線強(qiáng)度的變化，根據(jù)射線衰減率以及試樣的平均吸收系數(shù)推算出木材的密度。進(jìn)而推測(cè)力學(xué)性能。超聲波檢測(cè)超聲波檢測(cè)通過測(cè)定超聲波經(jīng)過試樣預(yù)定距離的傳播時(shí)間計(jì)算平均波速，然后可利用波速和密度計(jì)算試樣的彈性模量。表3-2 規(guī)格材應(yīng)力分等方法主要方法主要方法分等原理分等原理目測(cè)分等目測(cè)分等主要根據(jù)木材表面的節(jié)子、紋理、開裂、和腐朽等木材缺陷，在目測(cè)觀察的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)木材等級(jí)的方法。機(jī)械分等機(jī)械分等根據(jù)木材

20、根據(jù)木材變形變形由機(jī)械連續(xù)測(cè)量木材的變形，計(jì)算木材的靜彈性模量，并從彈性模量和強(qiáng)度的關(guān)系，推測(cè)木材的強(qiáng)度值。根據(jù)振動(dòng)根據(jù)振動(dòng)特性特性由木材的振動(dòng)特性得出固有頻率，計(jì)算木材的動(dòng)彈性模量，并根據(jù)與強(qiáng)度的關(guān)系，推測(cè)木材的強(qiáng)度值。3.1力學(xué)性能測(cè)試原始方法 3.1.1中心點(diǎn)單載荷彎曲測(cè)定法中心點(diǎn)單載荷彎曲測(cè)定法 圖 1為中心點(diǎn)單載荷彎曲測(cè)定法（亦稱：三點(diǎn)彎曲測(cè)試法）的示意圖。木質(zhì)材料試件被簡(jiǎn)支在兩端，一個(gè)載荷施加在試件中間點(diǎn)并垂直于試件。測(cè)定載荷大小和試件中間點(diǎn)的變形量。試件彎曲彈性模量(MOE)可以通過下面方程式計(jì)算得到。 式中： P載荷（N）, L兩支承間距（m）， I試件慣性距（m4）， 試件中間點(diǎn)變形（m）。IPLMOE483圖 1 中心