8.2.1　木材的物理性质

木材的物理性质是合理利用木材的重要技术参数，主要有密度、含水率、湿胀干缩、绝热性与装饰性等。

1.密度与表观密度

密度反映了木材的分子结构，因为木材的分子结构基本相同，所以木材的密度几乎相等，木材的密度平均约为1.55g／cm3。木材的表观密度除与树种、构造有关外，含水率的影响也很大，表观密度约为0.37～0.82g／cm3，平均可取0.5g／cm3，通常以含水率为15%时的表观密度为准。一般认为，表观密度小于0.4g／cm3者为轻木，大于0.6g／cm3为重木。通常在含水率相同的情况下，木材表观密度大者，强度亦大。

2.含水率

木材的含水率，以木材所含水的质量占木材干燥质量的百分率表示。

木材吸水能力强，其含水率随所处环境的温湿度变化而异。木材中的水主要有3种：自由水、吸附水和化合水。自由水是存在于细胞腔和细胞间隙内的水分，木材干燥时自由水首先蒸发，自由水的存在会影响木材的表观密度、抗腐蚀性和燃烧性等。吸附水是被吸附在细胞壁纤维中的水分，吸附水的变化则影响木材的强度和胀缩变形性能。化合水是木材化学成分中的结合水，通常比较稳定，故其对木材的性质无影响。

木材受潮时，由于细胞壁纤维对水的吸附作用，首先是细胞壁纤维吸水，成为吸附水，吸附饱和后，若继续吸水，多余的水进入细胞腔和细胞间隙中成为自由水。木材干燥时，首先是自由水的蒸发，然后才失去吸附水。当吸附水达到饱和而无自由水时，木材的含水率称为该木材的纤维饱和点。纤维饱和点随树种而异，一般为25%～35%，平均值为30%。纤维饱和点是木材物理力学性质发生变化的转折点。

木材中所含的水分是随环境的温湿度变化而改变的，当木材长时间处于一定温度和湿度的环境中时，木材中的含水率最后会达到与周围环境湿度相平衡，这时木材的含水率称为平衡含水率。通常木材的平衡含水率远低于纤维饱和点。为避免木材在使用过程中因含水率变化太大而引起变形或开裂，木材使用前须干燥至使用环境长年平均的平衡含水率。我国平衡含水率平均为15%（北方约为12%，南方约为18%）。也可由图8.3求得。例如，某地的年平均气温为20℃，空气相对湿度为70%，由图8.3可知，木材的平衡含水率约为13%，则事先宜将木材气干至该含水率附近后方可加工使用。

新伐木材的含水率一般大于纤维饱和点，常在35%以上；风干木材的含水率为15%～25%；室干木材的含水率为8%～15%。

图8.3　木材的平衡含水率（%）

图8.4　松木含水率对其膨胀的影响

3.木材的湿胀干缩

木材细胞壁内吸附水含量的变化会引起木材的变形，即湿胀干缩。

木材含水量大于纤维饱和点，表示木材的含水率除吸附水达到饱和外，还有一定数量的自由水，此时，木材若受潮或干燥，只是自由水改变，木材不发生变形。但木材含水率小于纤维饱和点时，则表明水分都吸附在细胞壁纤维上，吸附水的增加或减少能引起细胞壁疏松或紧密从而引起木材体积的膨胀或收缩。纤维饱和点是木材胀缩变形是否随含水率变化而变化的转折点，如图8.4所示。

木材的湿胀干缩值在不同方向上的湿胀干缩值不同。以干缩为例，顺纹方向干缩最小，约为0.1%～0.35%；径向干缩较大，约为3%～6%；弦向干缩最大，约为6%～12%。由于木材径向与弦向干缩的不同，湿材干燥后将改变截面形状，如图8.5所示。木材干缩能使木结构构件的连接处产生缝隙，湿胀则造成凸起。解决的办法是木材在加工或使用前应预先进行干燥，使其接近于环境湿度相适应的平衡含水率。

由于木材径向与弦向的干缩不同以及髓线与相邻细胞连接较弱，所以木材容易沿半径方向开裂。木材干燥时两端和外层水分蒸发快，所以首先在端部和外层出现裂缝。端部开裂将造成大量废料。在建筑上为了减轻木材由于干缩或湿胀所引起的不良后果，常采取高温干燥或化学药剂如石蜡、尿素、聚乙二醇等进行处理，以降低木材的吸湿性、减少变形。由于径向干缩只是弦向干缩的一半，因此，应用时采用径向锯板较为有利。

图8.5　木材干燥后截面形状的改变

1—弓形成橄榄核状；2、3、4—成反翘曲；5—通过髓心径锯板两头缩小成纺锤形；6—圆形成椭圆形；7—与年轮成对角线的正方形变菱形；8—两边与年轮平行的正方形变长方形；9、10—长方形板的翘曲；11—边材径向锯板较均匀

4.木材的绝热性

木材是多孔材料，其孔隙率可达50%左右，导热系数约为0.3W／（m·k），具有良好的保温隔热性能，同时又能起到良好的吸收噪声的作用。

5.木材的装饰性

木材天然的纹理和质感、柔和的色彩、加之木材表面可以贴、喷、涂和印等涂饰，使木材具有良好的视觉特性、触觉特性、听觉特性和调节特性，能为人们提供清新、欢快、淡雅、华贵和庄严等各种氛围，装饰性好。

8.2.2　木材的力学性质

1.强度

木材的强度较高。木材的强度按受力状态分为抗拉、抗压、抗弯和抗剪等。由于木材是非均质材料，具有各向异性，使木材的强度有很强的方向性。抗拉、抗压、抗剪强度有顺纹与横纹之分。所谓顺纹是指作用力方向与纤维方向平行；横纹是指作用力方向与纤维方向垂直。木材各种标准强度之间的比例关系见表8.1。

表8.1　木材各标准强度之间的关系

(www.daowen.com)

注　1.标准强度指无疵病木材试件的试验强度。
2.以标准顺纹抗压强度为1。

通常木材承担外荷的厚壁细胞数量越多、细胞壁越厚、表观密度越大、夏材百分率越大，则木材强度越高。与阔叶树相比较，针叶树的细胞壁较薄、表观密度较小，故其强度较低。

表8.1各标准强度之间的关系可知，木材顺纹抗拉强度大于抗弯强度和顺纹抗压强度。这是由于木纤维纵向承拉能力很强，而纤维的横向联结较容易破坏的缘故。木材顺纹抗拉强度虽然最高，但有时并不能充分利用，这是由于木材的缺陷对抗拉强度的影响最大，同时，木结构构件在受承顺纹拉力的同时还会受到顺纹剪切或横纹压力的作用，木材易局部首先破坏，木材的抗拉强度不易发挥。故在木结构设计中所采用的木材抗拉强度计算值较抗压强度计算值低，且木材抗拉强度很不稳定，很少被利用。

（1）影响木材强度的主要因素。木材强度的大小，除与木材的构造及受力方向有关外，还受表观密度、含水率、环境温度、负荷时间和疵病等因素的影响。

1）含水率。木材含水率在纤维饱和点以上变化时，其强度不变；含水率低于纤维饱和点时，随含水率的减少其强度增大。这是由于含水率大于纤维饱和点时，细胞腔内自由水的变化与细胞抵抗外力的能力无关，因而强度不变；含水率低于纤维饱和点时，随含水率的减少，吸附水减少，细胞壁紧密，其强度提高。木材含水率对其各种强度的影响程度是不相同的，受影响最大的是顺纹抗压强度，其次是抗弯强度，对顺纹抗剪强度影响小，影响最小的是顺纹抗拉强度，如图8.6所示。为具有可比性，标准规定以木材含水率为12%时的强度为标准，其他含水率（ω%）时的强度（σω）按式8.1换算为标准强度（σ12）（试样含水率ω%在9%～15%时换算公式有效）。

式中　σ12——含水率12%时木材的强度，MPa；

σω——含水率W%时木材的强度，MPa；

α——含水率校正系数，其值随荷载性质及树种不同而异，α值见表8.2。

2）负荷时间的影响。木材的长期承载能力远低于暂时承载能力。这是因为在长期承载情况下，木材会发生纤维塑性流变，累积后产生较大变形而降低了承载能力。当木材的长期承载不超过一定值，木材的纤维塑性流变增加到一定限度后趋于稳定，木材能长期承担该荷载，此时木材产生的应力称为持久强度。一般持久强度约为极限强度的50%～60%。一切木结构都处于某一种负荷的长期作用下。因此，在设计木结构时，应考虑负荷时间对木材强度的影响，一般应以持久强度为依据。

图8.6　含水率对木材强度的影响

1—顺纹抗拉；2—抗弯；3—顺纹抗压；4—顺纹抗剪

表8.2　α校正系数值表

3）环境温度。木材随环境温度的升高强度会降低。当温度从25℃升至50℃，将因木纤维和其间的胶体软化等原因，使木材的抗压强度降低20%～40%，抗拉和抗剪强度降低12%～20%。当木材长期处于60～100℃温度时，会引起水分和所含挥发物的蒸发，而呈暗褐色，强度下降。温度超过140℃时，木材中的纤维发生热裂解，色渐变黑，强度明显下降。因此，环境温度长期超过50℃时，不应采用木结构。

4）木材疵病的影响。木材的疵病包括木节、腐朽、斜纹、裂纹、髓心及虫蛀等。这会破坏木材的构造，造成材质的不连续性和不均匀性，从而使整体木材的实际强度比按国家标准测得的标准强度低得多。

木材的强度是划分木材材质等级的依据。国家标准GBJ5—88《木结构设计规范》规定，木材强度等级可根据木材抗弯强度判定。从每批木材的总根数中随机抽取3根作为试材，在每根试材的髓心以外部分切取3个试件为一组，根据各组平均值中最低的一个值确定该批木材的强度等级。

【例8.1】一松木试件，其含水率为11%，此时其顺纹抗压强度为46.8MPa。试问：（1）标准含水量状态下其抗压强度为多少？（2）若近似认为式（8.1）适用于含水率小于30%，当松木含水率分别为20%、30%、40%时的强度各为多少？（3）分析含水率对松木顺纹抗压强度的影响规律（该松木的纤维饱和点为30%，松木的α为0.05）。

解（1）求标准含水量状态下的抗压强度。

σ12＝σω［1＋α（ω－12）］

将ω＝11%，σ11＝46.8MPa，α＝0.05代入上式，得：

σ12＝46.8×［1＋0.05（11－12）］＝44.5（MPa）

（2）求含水率分别为20%、30%、40%时的松木强度。

1）当ω＝20%时

2）当ω＝30%时

3）当ω＝40%时，σ40＝σ30＝32.4MPa

（3）当松木含水率由11%上升至12%、20%、30%、40%时，其顺纹抗压强度变化规律为：在含水率小于30%时，随着该木材含水率的增大，木材的抗压强度明显降低；当含水率增大到30%（纤维饱和点）后，其抗压强度不再下降。