木材的物理性质

出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《现代工程材料实用手册》第262页（3495字）

按我国现行国家标准《木材物理力学性质试验方法》(GB1927～1943－91)规定，木材的物理性质主要包括表观密度、含水量、湿胀与干缩变形和热传导性等。

(一)木材的表观密度

各种绝干木材的密度相差甚小，平均约为1．55g／cm³，但木材的表观密度有较大的差异，平均值为500kg／m³。木材的表观密度与树种、木材构造(晚材率)、含水量及取材部位等有关。一般来说，树木主干的基部最重，中部次之，上部最轻。木材的表观密度随含水量的多少而不同，可用下式表示：

式中 γ_0(W)——表示木材含水率为W%时的表观密度(kg／m³)；

G_(W)——含水率为W%时木材的质量(kg)；

V_0(W)——含水率为W%时木材的体积(m³)。

由以上公式可以看出，木材的表观密度与含水率密切有关，为了使木材具有可比性，通常规定木材的含水率15%时为标准含水率。另外，木材中晚材含量多的，其表观密度相应较大；阔叶树种比针叶树种木材的表观密度大。

(二)木材的含水量

木材的含水量是影响木材物理和力学性质的一个重要指标，一般常用含水率表示，即木材中所含水的质量占干燥木材质量的百分数。

1．木材中水的种类

木材中所含的水分，可以分为自由水、吸附水和化合水三种。自由水是存在于细胞腹腔内和细胞间隙间的水分，自由水主要影响木材的表观密度、保存性、抗腐蚀性和燃烧性；吸附水是存在于细胞壁微纤维丝之间的水分，由于细胞壁具有较强的亲水性，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的主要因素；化合水是与细胞壁组成物质化学结合的水分，一般不影响木材的性质。

新采伐的木材称为生材，其内部都含有大量的自由水和吸附水，含水率一般在70%～140%。当木材在干燥时，首先是自由水很快被蒸发，但并不影响木材的尺寸变化和力学性质。当自由水完全蒸发后，吸附水才开始蒸发，但蒸发的速度较慢，而且随着吸附水不断蒸发，木材的体积和强度均发生变化。化合水需在150～180℃以上才会发生破坏，且所含数量很少，研究物理力学性质时，可以不考虑化合水的变化。

2．纤维饱和点

湿木材放置在空气中干燥，其水分将随着环境的温度和湿度的变化而变化，当木材中没有自由水，而细胞壁内充满吸附水，达到饱和状态时，称为木材的纤维饱和点。纤维饱和点等于木材吸附水的最大量，是木材含水量中最重要的物理量。

纤维饱和点是木材含水率是否影响其强度和湿胀干缩的临界值，这是木材物理力学性质的转折点、分界线。木材的纤维饱和点的大小，随树种而异，一般为23%～33%，通常以30%作为各树种纤维饱和点含水率的平均值。

纤维饱和点含水率的重要意义不在于其数值的大小，而在于它是木材许多性质在含水率影响下开始发生变化的起点。在纤维饱和点之上，木材含水量变化是自由水含量的变化，它对木材强度和体积的影响甚微；在纤维饱和点之下，木材含水量变化是吸附水含量的变化，将对木材的强度和体积等产生较大的影响，如图9－2所示。

图9－2 木材的纤维饱和点

3．平衡含水率

潮湿的木材会向较干燥的空气中蒸发水分，干燥的木材也会从潮湿空气中吸收水分，当木材长期处于一定温度和湿度的空气中，当木材中的含水率与周围空气中的相对湿度达到平衡时，称为木材的平衡含水率。

木材平衡含水率与大气的温度和相对湿度有关，将随着周围空气的温湿度的变化而变化，如图9－3所示。新伐木材的含水率一般在35%以上，风干木材的含水率在15%～25%之间，室内干燥的木材含水率在8%～15%之间。

图9－3 木材的平衡含水率

为了避免木材因含水率大幅度变化而引起过大变形及木制品开裂，木材在使用之前，必须干燥至使用环境下平均平衡含水率，然后再进行加工。在不同地区使用的木材，要求其平衡含水率也不相同。如我国的新疆、内蒙古、甘肃等地区的木材平衡含水率为8%～10%，北方其他地区木材平衡含水率为12%～14%，南方地区木材平衡含水率为15%～17%。我国部分城市木材的平衡含水率如表9－1所示。

表9－1 我国部分城市木材的平衡含水率

(三)木材的湿胀干缩变形

木材细胞壁内吸附水的变化会引起木材发生变形，这就是木材另一个物理性质——湿胀干缩变形。木材从潮湿状态干燥到纤维饱和点的过程中，木材尺寸形状不会发生变化，只是质量有所降低。当木材从纤维饱和点干燥至细胞壁中的吸附水开始蒸发时，木材才会发生收缩。当木材中的吸附水增加时，木材的体积也会增大。

木材的湿胀干缩变形，理论上数值相等，仅方向相反。但实际上因吸收滞后作用，干缩率一般大于湿胀率。由于木材的构造具有不均匀性，所以在不同方向的干缩值不同，一般新伐木材完全干燥时，顺纹方向干缩最小(0．1%～0．3%)，径向干缩较大(3%～6%)，弦向干缩最大(6%～12%)，体积收缩9%～14%。

细胞壁基体在失水收缩时，纤维素束沿细胞轴向排列限制了在该方向的收缩，且细胞多数沿树干纵向排列，所以木材主要表现为横向收缩。由于复杂的构造原因，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。干缩对木材的使用有很大影响，它会使木材产生裂缝或翘曲变形，以致引起木结构的接合松弛或凸起等。

图9－4是新伐木材的干燥曲线示意图，图9－5为以松木为例表示含水率与湿胀率的关系，图9－6为木材在干燥后其断面尺寸和形状变化，图9－7为木材不均匀干缩板材发生的几种翘曲和扭弯。

图9－4 新伐木材的干燥曲线示意图

图9－5 松木的含水膨胀

图9－6 木材干燥后截面形状的改变

1－含髓心径锯板，呈凸形；2－不含髓心径切板，干缩均匀；3－端面与年轮成45°板，呈瓦状翘曲；4－板迹与年轮平行，正方形变为长方形；5－与年轮呈对角线，正方形变为菱形；6－与年轮平行，圆形变为椭圆形；7－弦锯板呈弯瓦翘曲

图9－7 木材不均匀干缩板材发生的几种翘曲和扭弯

(四)木材的热传导性

木材与金属相比，其导热性是很小的。因为木材内有很多空隙，空隙中含有不流动的空气，所以木材是热的不良导体。影响木材导热性的因素很多，主要有以下三个方面：

1．与木材的表观密度成正比，其表观密度越大，热传导性越好；

2．与木材的构造方向有关，弦向和径向基本相同，但纵向较横向大约高1倍；

3．与木材的含水率密切相关，随木材含水率的提高而增大。