土木工程材料教案(2)市公開(kāi)課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

《土木工程材料》教案

第八章白城師范學(xué)院土木工程系楊勇第1頁(yè)第1頁(yè)8木材8.1木材分類與結(jié)構(gòu)8.2木材性能及應(yīng)用8.3木材防護(hù)與防火第2頁(yè)第2頁(yè)學(xué)習(xí)內(nèi)容：1.理解木材分類與結(jié)構(gòu)；2.熟悉木材性能及應(yīng)用；3.理解木材防護(hù)與防火。第3頁(yè)第3頁(yè)

木材應(yīng)于建筑，歷史悠久。我國(guó)在木材建筑技術(shù)和木材裝飾藝術(shù)上都有很高水平和獨(dú)特風(fēng)格。如世界聞名天壇祈年殿完全由木材結(jié)構(gòu)，而山西佛光寺正殿保留至今已達(dá)千年之久。過(guò)去木材是主要結(jié)構(gòu)用材，而現(xiàn)在則主要用于室內(nèi)裝飾和裝修。第4頁(yè)第4頁(yè)木材作為建筑和裝飾材料含有下列長(zhǎng)處：①比強(qiáng)度大，含有輕質(zhì)高強(qiáng)特點(diǎn)；②彈性韌性好，能承受沖擊和振動(dòng)作用；③導(dǎo)熱性低，含有較好隔熱、保溫性能；④在適當(dāng)保養(yǎng)條件下，有較好耐久性；⑤紋理美觀、色調(diào)溫和、風(fēng)格典雅，極富裝飾性；⑥易于加工，可制成各種形狀產(chǎn)品；⑦絕緣性好、無(wú)毒性；⑧木材彈性、絕熱性和暖色調(diào)結(jié)合，給人以溫暖和親切感。第5頁(yè)第5頁(yè)木材構(gòu)成和結(jié)構(gòu)是由樹(shù)木生長(zhǎng)需要而決定，因此人們?cè)谑褂脮r(shí)必定會(huì)受到木材自然屬性限制，主要有下列幾種方面：①結(jié)構(gòu)不均勻，呈各向異性；②濕脹干縮大，處理不妥易翹曲和開(kāi)裂；③天然缺點(diǎn)較多，減少了材質(zhì)和利用率；④耐火性差，易著火燃燒；⑤使用不妥，易腐朽、蟲蛀。第6頁(yè)第6頁(yè)8.1木材分類和結(jié)構(gòu)8.1.1樹(shù)木分類木材產(chǎn)自木本植物中喬木，即針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)。至于棕櫚和竹子，雖也是單主干木本植物，但與針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)有本質(zhì)區(qū)別。棕櫚和竹子在生長(zhǎng)上僅由初生長(zhǎng)成粗壯莖，沒(méi)有次生長(zhǎng)活動(dòng)。棕櫚莖干中央部分組織不堅(jiān)固、松軟，而竹子中央部位常成空腔。第7頁(yè)第7頁(yè)1針葉樹(shù)材針葉樹(shù)樹(shù)葉如針狀（如松）或鱗片狀（如側(cè)柏），習(xí)慣上也包括宮扇形葉銀杏。針葉樹(shù)樹(shù)干通直高大，枝杈較小分布較密，易得大材，其紋理順直，材質(zhì)均勻。大多數(shù)針葉樹(shù)材質(zhì)較輕軟而易于加工，故針葉樹(shù)材又稱軟材。針葉樹(shù)材強(qiáng)度較高，脹縮變形較小，耐腐蝕性強(qiáng)，建筑上廣泛用做承重構(gòu)件和裝修材料。我國(guó)慣用針葉樹(shù)樹(shù)種有陸均松、紅松、紅豆杉、冷杉和福建柏等。第8頁(yè)第8頁(yè)2闊葉樹(shù)材闊葉樹(shù)樹(shù)葉多數(shù)寬敞、葉脈成網(wǎng)狀。闊葉樹(shù)樹(shù)干通直部分普通較短，枝杈較大，數(shù)量較少。相稱數(shù)量闊葉樹(shù)材材質(zhì)重硬而較難加工，故闊葉樹(shù)材又稱硬材。闊葉樹(shù)材強(qiáng)度高，脹縮變形大，易翹曲開(kāi)裂。闊葉樹(shù)材質(zhì)面通常較美觀，含有較好裝飾作用，適于做家具、室內(nèi)裝修及膠合板等。我國(guó)慣用闊葉樹(shù)樹(shù)種有水曲柳、櫟木、樟木、黃菠蘿、榆木、核桃木、酸棗木、梓木和檫木等。第9頁(yè)第9頁(yè)8.1.2木材結(jié)構(gòu)1.木材宏觀結(jié)構(gòu)木材是非均質(zhì)材料，其結(jié)構(gòu)應(yīng)從樹(shù)干三個(gè)主要切面來(lái)剖析：橫切面垂直于樹(shù)軸切面；徑切面通過(guò)樹(shù)軸縱切面；弦切面平行于樹(shù)軸切面。第10頁(yè)第10頁(yè)第11頁(yè)第11頁(yè)樹(shù)木由樹(shù)皮、木質(zhì)部和髓心所構(gòu)成。樹(shù)皮由外皮、軟木組織（栓皮）和內(nèi)皮構(gòu)成。有些樹(shù)種（如栓皮櫟、黃菠蘿）軟木組織較發(fā)達(dá)，可用做絕熱材料和裝飾材料。髓心位于樹(shù)干中心，由最早生成細(xì)胞所構(gòu)成，其質(zhì)地疏松而脆弱，易被腐蝕和蟲蛀。木質(zhì)部位于髓心和樹(shù)皮之間部分，是建筑材料使用主要部分。第12頁(yè)第12頁(yè)樹(shù)木生產(chǎn)呈周期性，在一個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)所產(chǎn)生一層木材環(huán)輪稱為一個(gè)生長(zhǎng)輪。樹(shù)木在溫帶氣候一年僅有一度生長(zhǎng)，因此生長(zhǎng)輪又稱為年輪。從橫切面上看，年輪是圍繞髓心、深淺相間同心環(huán)。在同一生終年中，春天細(xì)胞分裂速度快，細(xì)胞腔大壁薄，因此構(gòu)成木質(zhì)較疏松，顏色較淺，稱為早材或春材；夏秋兩季細(xì)胞分裂速度慢，細(xì)胞腔小壁厚，構(gòu)成木質(zhì)較致密，顏色較深，稱為晚材或夏材。一年中形成早、晚材合稱為一個(gè)年輪。相同樹(shù)種，徑向單位長(zhǎng)度年輪數(shù)越多，分布越均勻，則材質(zhì)越好。同樣，徑向單位長(zhǎng)度年輪內(nèi)晚才含量（稱晚材率）越高，則木材強(qiáng)度也越大。第13頁(yè)第13頁(yè)有些樹(shù)種在橫切面上，材色可分為內(nèi)、外兩大部分。顏色較淺靠近樹(shù)皮部分木材稱為邊材，顏色較深靠近髓心木材稱為心材。從髓心向外輻射線，稱為髓線。髓線與周圍連接較差，木材干燥時(shí)易沿髓線開(kāi)裂，但髓線與年輪構(gòu)成了木材美麗天然花紋。第14頁(yè)第14頁(yè)2.木材微觀結(jié)構(gòu)在顯微鏡下觀測(cè)，木材是由無(wú)數(shù)管狀細(xì)胞緊密結(jié)合而成。它們絕大部分縱向排列，少數(shù)橫向排列。每一個(gè)細(xì)胞分為細(xì)胞壁和細(xì)胞腔兩部分，細(xì)胞壁由纖維素分子束在半纖維素和木質(zhì)構(gòu)成基體相中構(gòu)架而成，大多數(shù)纖維素束沿細(xì)胞長(zhǎng)軸呈小角度螺旋狀排列。木材細(xì)胞壁愈厚，腔愈小，木材愈密實(shí)，強(qiáng)度也愈大，但脹縮也大。與春材相比，夏材細(xì)胞壁較厚。針葉樹(shù)顯微結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)樸規(guī)則，它主要由管胞和髓線構(gòu)成，其髓線較細(xì)不明顯。闊葉樹(shù)顯微結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其最大特點(diǎn)是髓線發(fā)達(dá)，粗大而明顯。第15頁(yè)第15頁(yè)8.2木材性能及應(yīng)用8.2.1木材性能1.木材含水率及吸濕性木材中含水量以含水率表示，即木材中所含水質(zhì)量占干燥木材質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。新伐倒樹(shù)木稱為生材，其含水率普通在70%～140%。木材氣干含水量因地而異，南方約為15%～20%，北方約為10%～15%。窯干木材含水率約在4%～12%。第16頁(yè)第16頁(yè)木材中所含水分可分為自由水和吸附水兩種。⑴自由水存在于木材細(xì)胞腔和細(xì)胞間隙中水分。自由水影響木材表觀密度、保留性、抗腐蝕性和燃燒性。⑵吸附水被吸附在細(xì)胞壁基體相中水分。由于細(xì)胞壁相含有較強(qiáng)親水性，且能吸附和滲入水分，因此水分進(jìn)入木材后首先被吸入細(xì)胞壁。吸附水是影響木材強(qiáng)度和脹縮主要原因。第17頁(yè)第17頁(yè)濕木材在空氣中干燥時(shí)，當(dāng)自由水蒸發(fā)完畢而吸附尚處于飽和時(shí)狀態(tài)，稱為纖維飽和點(diǎn)。此時(shí)木材含水率稱為纖維飽和點(diǎn)含水率，其大小隨樹(shù)而異，通常介于23%～33%。纖維飽和點(diǎn)含水率主要意義不在其數(shù)值大小，而在于它是木材許多性質(zhì)在含水率影響下開(kāi)始發(fā)生改變起點(diǎn)。潮濕木材會(huì)向較干燥空氣中蒸發(fā)水分，干燥木材也會(huì)從濕空氣中吸取水分。木材長(zhǎng)時(shí)間處于一定溫度和濕度空氣中，當(dāng)水分蒸發(fā)和吸取達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，其含水率相對(duì)穩(wěn)定，這時(shí)木材含水率稱為平衡含水率。北方約12%，南方約18%，長(zhǎng)江流域15%左右。第18頁(yè)第18頁(yè)2.木材濕漲干縮與變形木材含有明顯濕脹干縮性。當(dāng)木材從潮濕狀態(tài)干燥至纖維飽和點(diǎn)時(shí)，自由水蒸發(fā)不改變其尺寸；繼續(xù)干燥，細(xì)胞壁中吸附水蒸發(fā)，細(xì)胞壁基體相收縮，從而引起木材體積收縮。反之，干燥木材吸濕時(shí)將發(fā)生體積膨脹，直到含水量達(dá)到纖維飽和點(diǎn)為止。細(xì)胞壁愈厚，則脹縮愈大。因而，表觀密度大、夏材含量多木材脹縮變形較大。第19頁(yè)第19頁(yè)第20頁(yè)第20頁(yè)因?yàn)槟静慕Y(jié)構(gòu)不均勻，各方向、各部位脹縮也不同，其中弦向最大，徑向次之，縱向最小，邊材大于心材。普通新伐木材完全干燥時(shí)，弦向收縮6%～12%，徑向收縮3%～6%，縱向收縮0.1%～0.3%，體積收縮9%～14%。因?yàn)閺?fù)雜結(jié)構(gòu)原因，木材弦向收縮總是大于徑向，弦向收縮與徑向收縮比率通常為2：1。木材干燥時(shí)其橫截面變形不均勻，干縮會(huì)使板材發(fā)生翹曲（包含順彎、橫彎、翹彎）和扭彎。第21頁(yè)第21頁(yè)木材濕脹干縮性將影響到其實(shí)際使用。干縮會(huì)使木材翹曲開(kāi)裂、接榫松弛、拼縫不嚴(yán)，濕脹則造成凸起。為了避免這種情況，在木材加工制作前必須預(yù)先進(jìn)行干燥處理，使木材含水率比使用地域平衡含水率低2%～3%。第22頁(yè)第22頁(yè)3.木材強(qiáng)度木材強(qiáng)度主要是指其抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強(qiáng)度。因?yàn)槟静慕Y(jié)構(gòu)各向不同，其強(qiáng)度展現(xiàn)出顯著各向異性，因此木材強(qiáng)度應(yīng)有順紋和橫紋之分。木材順紋抗壓、抗拉強(qiáng)度均比對(duì)應(yīng)橫紋強(qiáng)度大得多，這與木材細(xì)胞結(jié)構(gòu)及細(xì)胞在木材中排列相關(guān)。表8-1是木材各強(qiáng)度大小關(guān)系。第23頁(yè)第23頁(yè)表8-1木材無(wú)缺點(diǎn)時(shí)各強(qiáng)度大小關(guān)系抗壓抗拉抗彎抗剪順紋橫紋順紋橫紋順紋橫紋10010~30200~3005~30150~20015~3050~100第24頁(yè)第24頁(yè)影響木材強(qiáng)度原因：木材含水量對(duì)強(qiáng)度影響極大。在纖維飽和點(diǎn)下列時(shí)，水分減少，則木材各種強(qiáng)度增長(zhǎng)，其中抗彎和順紋抗壓強(qiáng)度提升較明顯，對(duì)順紋抗拉強(qiáng)度影響最小。在纖維飽和點(diǎn)以上，強(qiáng)度基本為一恒定值。溫度對(duì)木材強(qiáng)度有直接影響。試驗(yàn)表明，溫度從25℃升至50℃時(shí)，將因木纖維和木纖維間膠體軟化等原因，使木材抗壓強(qiáng)度減少20%～40%，抗拉和抗剪強(qiáng)度下降12%～20%。另外，木材長(zhǎng)時(shí)間受干熱作用也許出現(xiàn)脆性。第25頁(yè)第25頁(yè)木材極限強(qiáng)度表示抵抗短時(shí)間外力破壞能力，木材在長(zhǎng)期荷載作用下所能承受最大應(yīng)稱為持久強(qiáng)度。由于木材受力后將產(chǎn)生塑性流變，使木材強(qiáng)度隨荷載時(shí)間增長(zhǎng)而減少，木材持久強(qiáng)度僅為極限強(qiáng)度50%～60%。木材強(qiáng)度是以無(wú)缺點(diǎn)原則試件測(cè)得，而實(shí)際木材在生長(zhǎng)、采伐、加工和使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些缺點(diǎn)，如木節(jié)、裂紋和蟲蛀等，這些缺點(diǎn)影響了木材材質(zhì)均勻性，破壞了木材結(jié)構(gòu)，從而使木材強(qiáng)度減少，其中對(duì)抗拉和抗彎強(qiáng)度影響最大。第26頁(yè)第26頁(yè)8.2.2木材及其制品應(yīng)用按加工程度和用途不同，木材分為圓條、原木、鋸材三類。第27頁(yè)第27頁(yè)木材初級(jí)產(chǎn)品表8-2分類說(shuō)明用途圓條除去根、梢、枝伐倒木用做進(jìn)一步加工原木除去根、梢、枝和樹(shù)皮并加工成一定長(zhǎng)度和直徑木段用做屋架、柱、桁條等，也可用于加工鋸材和膠合板等鋸材板材（寬度為厚度3倍或3倍以上）薄板：厚度12～21㎜門芯板、隔斷、木裝修等中板：厚度25～30㎜屋面板、隔斷、木裝修等厚板40～60㎜門窗方材（寬度小于厚度3倍）小方：截面積54㎡下列椽條、隔斷木筋、吊頂隔柵中方：截面積55～100㎡支撐、擱柵、扶手、檁條大方：截面積101～225㎡屋架、檁條特大方：截面積226㎡以上木或鋼木屋架第28頁(yè)第28頁(yè)1.條木地板第29頁(yè)第29頁(yè)2.拼花木地板第30頁(yè)第30頁(yè)第31頁(yè)第31頁(yè)3.復(fù)合木地板第32頁(yè)第32頁(yè)第33頁(yè)第33頁(yè)第34頁(yè)第34頁(yè)4.膠合板第35頁(yè)第35頁(yè)第36頁(yè)第36頁(yè)5.刨花板、木絲板、木屑板第37頁(yè)第37頁(yè)8.3木材防護(hù)與防火8.3.1木材腐朽與防護(hù)木材腐朽是由真菌在木材中寄生而引起。侵蝕木材真菌有三種，即霉菌、變色菌和木腐菌普通只寄生在木材表面，并不破壞細(xì)胞壁，對(duì)木材強(qiáng)度幾乎無(wú)影響。變色菌多寄生于邊材，對(duì)木材力學(xué)性質(zhì)影響不大。但變色菌侵入木村較深，難以除去，損害木材外觀質(zhì)量。腐朽防護(hù)辦法：第38頁(yè)第38頁(yè)⑴干燥采用氣干法或窯干法將木材干燥至較低含水率，并在設(shè)計(jì)和施工中采用各種防潮和通風(fēng)辦法，如在地面設(shè)防潮層，木地板下設(shè)通風(fēng)洞，木屋頂采用山墻通風(fēng)等，使木材經(jīng)常處于通風(fēng)干燥狀態(tài)。⑵涂料覆蓋涂料種類諸多，作為木材防腐應(yīng)采用耐水性好涂料。涂料本身無(wú)條菌殺蟲能力，但涂刷涂料可在木材表面形成完整而堅(jiān)韌保護(hù)膜，從而隔絕空氣和水分，并制止真菌和昆蟲侵入。⑶化學(xué)處理化學(xué)防腐是將對(duì)真菌蟲有毒害作用化學(xué)防腐劑注入木材中，使真菌無(wú)法寄生。防腐劑主要有水溶性、油溶性和油質(zhì)防腐劑三大類。室外應(yīng)采用耐水性好防腐劑。防腐劑注入辦法主要有表面涂刷、常溫浸漬、冷熱槽浸透和壓力滲入法等。第39頁(yè)第39頁(yè)8.3.3木材防火易燃是木材最大缺點(diǎn)，木材防火處理辦法有：⑴用防火浸劑對(duì)木材進(jìn)行浸漬處理，為了達(dá)到要求防火性能，應(yīng)確保一定吸藥量和透入深度。⑵將防火涂料刷或噴灑于木材表面，待涂料固結(jié)后即構(gòu)成防火保護(hù)層。防火效果與涂層厚度或每平方米涂料用量有密切關(guān)系。第40頁(yè)第40頁(yè)8