针叶材的属性

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。由于用途广泛，我们需要了解在不同条件下的木材性能如何，为不同的用途选择最合适的木材。

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。

 

 

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。

赤松和云杉的物理性能见表6。

 

赤松和云杉的组成基本相同。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。（见表28）

 

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%为木材提取物，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，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。因为密度不同，所以早材的颜色较浅，晚材颜色较深。

木材的密度是一个很重要的技术指标，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。

年轮的生长主要受到生长季节的气候影响。生长在寒冷气候的树木一般比生长在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断树的生长环境，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，种植密度太大、得不到生长所需的养分，树木生长缓慢，年轮变得狭窄。

年轮和晚材宽度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，树木生长较快。整个树干都遵循此规律。

在树干远离髓心部分，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大。

 

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：

 

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1/6

• 抗拉强度在顺纹方向较高，横纹方向较低，为顺纹方向的1/30

• 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。

 

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。（具体见表6）

 

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。

表 8  根据 SS-EN 13501-1欧洲标准的材料表面分级

 

¹⁾根据瑞典建筑局规定，防火级别未达到E级的产品不可用于建筑