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木材是瑞典最古老的建筑材料。人们将木材用于建筑结构、内外墙板、地板、线脚、脚手架等。由于用途众多,所以我们需要知道在不同条件下木材的性能如何,不同的用途使用最合适的木材。
例如云杉最适合做建筑结构,而赤松最常用于细木工,线脚和室内墙板。橡木、榉木等阔叶材则用于家具和地板。
 

牛彩彩票南部木材的年轮间距比北部木材大,但是南部的木材比北部木材更重,更强,能承受更大的重量。这是因为瑞典南部木材的晚材(年轮深色)较宽。干燥的晚材重量为每立方米900千克,比早材重三倍。
 
不同树种的木材属性不一样。同一树种也会由于生长的地理位置不同而有不同的属性,甚至同一生长地区的不同植株也会有所区别。然而,木材属性最大的区别存在于一颗树的不同位置。来自于同一棵树的木材,其高度分布、是心材还是边材、是早材还是晚材,都会影响最终木材使用属性。
纤维结构不受干扰的同一树种,出材的密度、强度和刚度(弹性模量)波动如下:
• 密度±20%
• 强度±40%
• 变形度±35%
因此,与其他建筑材料相比,木材平均强度与允许使用强度的比值较大。
 

图表11 赤松和云杉的物理性质

强度和刚度取值于温度20℃的平均值
顺纹方向表示为(‖),横纹方向为(⊥)
木材含水率12%
在实际建筑情况中有所区别

属性 赤松 云杉
含水率(%) II 12 12
干燥木材密度 (kg/m3) II 420 380
密度 (kg/m3) II 470 440
抗拉强度(MPa) II 104 90
  (3) (2,5)
抗弯强度 (MPa) II 87 75
抗压强度 (MPa) II 46 40
  (7,5) (6)
抗剪强度 (MPa) II 10 9
韧性 (KJ/m2) II 70 50
硬度(Brinell) II 4 3,2
  (1,9) (1,2)
弹性模量(MPa) II 12 000 11 000
  (460) (550)
热导率 (W/m  ̊ C) II 0,26 0,24
  (0,12) (0,11)
热容 (J/kg  ̊ C) II 1 650 1 650
热值(MJ/kg) II 16,9 16,9

MPa = N/mm2

牛彩彩票和结构

赤松和杉树的组成基本相同。在树干横截面的中心有髓髓心,一直延伸到树冠顶端。髓心被木质部环绕,木质部可以分为心材和边材。心材由死细胞组成,一部分被树脂堵塞,所以没有水分流通,含水率较低(30-50%)。边材细胞大部分也是死细胞,其他5-10%的薄壁细胞为树干输送营养和水分。
 
由于边材没有被树脂堵塞,这些细胞里的水和溶解的养分,就从根部输送到树身各处。边材的含水率为120-160%。边材外层是形成层,所有其他树干细胞都由此而来。形成层之外是韧皮部,也可以称为树皮内层。这一层纤维组织把糖分由树叶运送到树枝、树干和树根。韧皮部与髓心由木射线(薄壁组织)连接,木射线在边材部分是活的,起到运输作用;在心材部分是死的,起到贮存作用。树干的最外表层是树皮,能够保护树干并防止病害入侵。
针叶材的40-45%由纤维构成,20-22%为半纤维,将近30%为木质素。此外还有2-6%为木材抽提物,主要由树脂酸、脂肪酸、碳水化合物和矿物质组成。
 
木材的90-95%由两端尖细的厚壁组织细胞构成,木业上称之为木纤维。这些木纤维有头发丝粗细,长度为0.5-6毫米。其他的细胞更短、壁更薄。
树在生长过程中,形成层产生新的细胞。在春季和夏初树木生长快,产生的新细胞较短、较宽、壁较薄,这部分木材(称为早材)气干密度较小,为300kg/m³。夏末生长的木细胞则长了20-25%,并且有更厚的细胞壁,这使夏末生长的木材(称为晚材)比早材重三倍,气干密度达到900kg/m³。因为不同的密度,所以早材的颜色色淡而宽厚,晚材颜色较深。
木材的密度是一个很重要的技术属性,受晚材宽度比例影响很大。所以单单依靠年轮宽度,而不区分早材和晚材来判定木材密度是不正确的。
 
年轮的生长主要是受到生长季节的天气影响。生长在寒冷气候的树木一般比温暖气候的树木年轮更窄。人们可以根据年轮的生长情况来判定树的生长环境,比如,年轮变宽代表了树木长高后得到更好的营养和光照。相反,年轮会因为树的种植密度太大、得不到生长所需的养分而生长缓慢,变得狭窄。
 
年轮的宽度和晚材在同一树干上也会不同。在树干内部靠近髓心部分的年轮一般比较宽,晚材部分窄,这是由于生长初期树林的密度较低,比生长后期生长得快。整个树干都遵循此规律。
 
在树干外层,尤其是下端原木,年轮宽度较窄,晚材部分宽,这就使晚材比例变高,成材强度和密度大。树干越靠近根部的部位需要承受越多来自风雪的压力,所以根段原木的密度要比中段和顶段原木要高。
 

强度

木材是各向异性材料,也就是说,不同的方向上有不同的属性。在顺纹方向,即沿着木材纹理方向,强度比横纹方向大得多。无论抗压、抗拉还是抗弯应力都遵循这一原理。
木材的强度还与木材密度、纹理方向和受力方向的一致性有关。在树节处,纹理方向偏离受力方向。当纹理与木材边缘不平行时,纹理方向与受力方向也不一致。木材强度还受木材的湿度、温度和受力时间影响。干燥的木材比潮湿的木材强度大,温度较低的木材比较高的木材强度大,木材受力时间越长,强度越小。
木材的断裂方式有延性和脆性断裂。脆性断裂是没有预兆直接发生的,延性断裂则会有提前征兆,例如明显变形或开裂声音。一般情况下木材会是延性断裂。
 
木材的强度根据荷载的不同分为以下几种:
 

图表12 作用力与强度

作用力 作用力
压力 抗压强度
拉力 Drag抗拉强度
弯曲力 抗弯强度
剪力 抗剪强度

 

木材强度达到断裂点的情况并不仅仅通过选择最低荷载就能避免。这还需要根据木材的不同属性来衡量,并且界定安全界限。这些判断值在建筑规范里都有明确规定,详情参照瑞典建筑局章程BFS, 2015:6-EKS。
赤松和云杉的强度规范和强度值是一样的:
 
• 抗压强度在顺纹方向较高,横纹方向较低,为顺纹方向的六分之一
• 抗拉强度在顺纹方向较高,横纹方向较低,为顺纹方向的三十分之一
• 抗弯强度主要考虑顺纹方向
• 抗剪强度在横纹方向较高,所以顺纹方向的抗剪强度是有决定性的,例如房梁的搭设主要考虑的是顺纹方向的抗剪强度
强度性能还包括了刚度和硬度。刚度与挠度或形变相反,指的是当木材受到弯曲力时,木材是变形还是保持笔直。弯曲程度与木材的横截面和弹性系数有关,弹性系数越大,刚度越大。
 
硬度指的是受外部压力影响度,比如高跟鞋或者桌角对地板的损伤程度。木材在顺纹方向比横纹方向的硬度高。
 
年轮拼花地板硬度高,不容易被划伤,因为受力只有顺纹方向。
除了由纤维方向,硬度主要由木材本身的密度决定。比如铺设地板,早材比晚材更容易被划伤。所以人们多选择木材密度高的地板。
 

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木材有较好的隔热性能,在历史上人们就使用实木来做保温材料。木材的导热性能在顺纹方向最大,并且随含水率和密度的增大而增加。
木材的热容较高,完全干燥的木材约为1300J/kg·℃。赤松和云杉在完全干燥的条件下,完全燃烧热值为1930万J/kg。(具体见图表11)
 

防火性能

木材的防火属性受许多因素影响,主要是含水率、尺寸、密度和纹理方向。起火时间根据热辐射、通风和是否有明火等因素区别很大。明火点燃木材的最低热辐射为12Kw/m³。无明火燃烧需要更高的辐射热。在欧洲防火标准中,厚度大于或等于18毫米的木板(背面无透气缝隙则为12毫米)为D级。燃烧生成的烟雾适中。
木建筑有良好的防火性能。木材碳化过程很慢慢,约为每分钟0.5-1毫米。表面碳化后,内层的木材仍具备初始的性能。。大尺寸木构件和表面防火措施可以大大提高木建筑的防火性能。
木结构建筑在大火中的荷载能力防火性可以通过计算而量化,比如根据欧洲木结构建筑标准5(Eurokod 5)。