第2章　房屋建筑结构材质特点

2.1　木结构

2.1.1　实木

（1）木材的耐腐蚀性　天然木材在各种介质中的耐腐蚀性不但取决于木材的性质、密度和温度，而且与各个木材的生化及结构机能有关。B.M.尼基琴在“木材与纤维素化学”一书中写道：针叶木材与阔叶类木材的细胞构造有明显不同，前者系无孔木材，后者系有孔木材。所以对介质的稳定性亦不同。木材性质是有疏密之别的。在腐蚀条件下宜选用针叶木材。

沈阳化工研究院曾对白松、红松、黄花松、桦木、柞木、杨木、水曲柳七种常用木材进行了一系列的耐腐蚀试验，结果认为：从木材在30～31℃各种介质的腐蚀试验的顺纹抗压强度-时间曲线及重量损失-时间曲线均可看出针叶类木材的耐腐蚀性能比阔叶类高。阔叶林木材与强碱作用后，其半纤维素及木质素被溶解，木材变软，干后体积的收缩也比较大，对介质的稳定性很差。

木材在常温下可用于下列腐蚀介质中：硫酸，浓度＜5%；盐酸，浓度＜5%；醋酸，浓度＜90%；磷酸，浓度＜20%；氢氟酸，浓度＜10%；氟硅酸，浓度＜10%；碳酸钠，浓度＜10%。

① 铜、锌、镍、钴等金属的硫酸盐，饱和溶液在硝酸及氢氧化钠作用下，不得采用木料。处于干湿交替条件下或宜产生结晶腐蚀时，不宜用木料。

② 氯气　木材具有耐氯气性。沈阳化工研究院的实验结果，相对于湿度75%左右时，木材在浓度0.1mg/L的氯气中实验90d，针叶木材强度变化比阔叶木材小，仅降1%～10%。所有木材外观无变化，木质坚硬，与其他气体比较起来，虽然氯气很高，但稳定性很好。

建筑工程中的食盐电解厂房的木屋架在氯气的作用下，除铁件腐蚀严重外，木材腐蚀并不明显。906厂氯化焙烧厂房内操作台原为钢结构，在氯气作用下腐蚀严重，后来厂里用木结构替换了易受腐蚀的钢平台，效果很好。说明木材耐氯气性能良好。

③ 氯化氢　天然木材对氯化氢气体是稳定的，调查也可以证明。在新中国成立前就建起来的昆明冶炼厂、沈阳冶炼厂、重庆冶炼厂的铅电解厂房，大冶冶炼厂的氟化氢盐工段的木屋架和木基层，在含氟气体中使用了几十年，由于木屋架金属零件较少，所以使用良好。

④ 醋酸　几乎所有的资料都认为木材对醋酸是耐蚀的，而且有资料认为，木材在浓度为98%的醋酸中的抗压强度及重量变化均比在60%的醋酸中小。

⑤ 硫酸　木材对5%以下的硫酸是耐蚀的，如常有酸气泄出，长期作用于木材，木材表面也会酸性化。浓度超过10%的硫酸能很明显地将木材破坏。

⑥ 盐酸　在常温下，氯化氢含量在10%以下的稀盐酸溶液对木材的作用很弱。相对湿度为90%，浓度0.15mg/L以上的盐酸气中，所有木材均变得松软。外观呈黄色，强度降低。

⑦ 磷酸　在稀磷酸作用下，木材的腐蚀缓慢，经试验比较，各种木材在浓度为20%磷酸中比在10%硫酸或5%盐酸中更稳定。

⑧ 氯化钠、氯化钙、氯化锌、氯化锂、氯化镁以及其他盐类的浓液实际上对木材不起作用。木材在氯化钠溶液中是稳定的。饱和氯化钠溶液对木材影响仍然很小。K.A.波利亚科夫认为，绝大多数的无机盐不仅不会毁坏木材，而且能保护木材。

⑨ 亚硫酸盐及硫酸钠（芒硝）　不会引起木材组成的化学变化。

⑩ 硫酸铵　很多资料都认为，木材在硫酸铵溶液中是极为稳定的。调查中，用于硫酸铵工段的木操作台除了由于潮湿而引起木材膨胀外，没有明显腐蚀。大连硫酸铵散装仓库的木结构屋架，长期地受硫酸铵的作用。屋架已使用四十余年，部分木材有轻微腐蚀现象。

醇类　甲醇、乙醇及其他醇类对木材均不起作用。

发烟硫酸、浓硫酸、硝酸、碘酸、溴酸、氯磺酸、浓盐酸、铬酸对木材的腐蚀最大，就是在低温下也能破坏木材。强氧化酸都不能用木材。硝酸对木材的半纤维素产生硝化作用。在化工厂浓硝酸设备附近的木结构，可以看到木材被硝化成疏松的木丝。即使在氯化氮气长期作用下木材也会硝化。四川化工厂稀硫酸工段的木屋架和木望板在使用投产后可以看到明显的腐蚀现象。

氢氧化钠　氢氧化钠即使在浓度很低的情况下也能破坏木材，因为氢氧化钠不仅溶解了半纤维素，而且能溶解其中的木质素。沈阳化工研究院的实验结果表明，木材在氢氧化钠5%的稀释溶液中仅30d，白松强度已降低50%以上，桦木强度降低70%以上。

碳酸钠　针叶类木材在温度30℃、10%碳酸钠溶液中强度降低比较少。阔叶木材在0℃、10%碳酸溶液中不耐蚀。

氨水　在氨和氨水试验中，木材的稳定性随着氨浓度的增加而下降，在10%以上的氨水作用下，木材是不稳定的。

（2）木结构的腐蚀　材料的耐腐蚀指标有些是在某种介质中浸泡若干天，有的是常温浸泡、加温干燥，做多少个循环，表明它能耐干湿交替了。在建筑工程中则不然。建筑工程的常用材料，大多数是多孔材料，会因结晶腐蚀而破坏。因为高温加速干燥可以强化结晶，一个循环相当于多少年。譬如某单位采用的干湿交替实验法，将试件在腐蚀性介质中浸透之后，取出置于烘箱中（100℃或以上，有到200℃的）烘干，即所谓强化结晶。众所周知，盐类结晶，多是在低温下水分子最大，反之，高温时水分子小或无。以硫酸镍为例，七水硫酸镍只在温度为15～25℃时形成，六水硫酸镍则是在30～40℃间形成，而四水硫酸镍则为50～70℃（均为水溶液，当为硫酸溶液时，则有所变化）。可以说盐类的结晶温度越高，结晶水越少，在高温条件下，还可能脱出结晶水。七水硫酸镍经微微灼烧即变为无水硫酸镍。硫酸铜则为100℃时开始失水（结晶水），随着温度上升，逐步变化为三水、二水、一水硫酸铜至220℃时则完全失水，变为无水硫酸铜。蓝莹莹宝石般的硫酸铜晶体，这时变为白色粉末。再如硫酸镁在200℃时失去全部结晶水。人们最喜欢用来作干湿交替腐蚀试验的硫酸钠，则在100℃时，即可失去全部结晶水。所以，许多试验方法，不仅不能强化，反而比正常条件还要多得多。甚至于说某种材料磨成粉放在酸中去沸腾1h，而建筑材料往往不作为粉状材料工作，而是块状材料。有时需要它的安定性。

从木材腐蚀指数来看，它既耐稀硫酸，又耐浓硫酸。我们的一些冶炼厂中，例如铜电解净液工程，中和槽上的厂房木屋架，因蒸汽加热电解槽液，而厂房木屋架距槽面又很近，那里的木材已朽变成深酱油色，呈纤维状，用手可抓被腐蚀后残留的木纤维下来。再如某厂锌电解流槽廊上方的木屋架，木材也成深色纤维。这大半是由于酸和盐通过机械作用，被带到木材上，而木材有时吸水，有时脱水，酸和盐都有被浓缩的可能。从短期看，碳化和盐渍结晶是轻微的，而日积月累，就必然出现严重状况。

在生活实践中，有些木槽盛硫酸盐（锌盐OH值5.2～5.4），槽外受膨胀分层起鼓，剥离后有大量白色结晶（硫酸锌）。处于氟或氟化氢等腐蚀介质环境的木结构，腐蚀比较轻微，例如昆明冶炼厂及重庆103厂铅电解车间的木屋架、木基层腐蚀，特别是结构受力后变形和木材受腐蚀后又往往使结点产生松动现象，使这些缝隙扩大，更易积聚有腐蚀性的冷凝液。金属件的锈蚀则比木材更快。应尽量减少节点、接头和金属配件，接头应用木夹板、双排螺栓连接，不要用钢销结合。接面、金属配件及螺栓孔等均应在拼装前涂耐腐蚀涂料使构件的所有表面都能得到保护。拼装后节点、接头缝隙用耐腐蚀胶泥堵塞。其密封程度越有效，隐患越小。

当木屋架的受拉腹杆必须采用钢拉杆时，其直径应按计算再加2mm，并采用双螺栓拉紧，使拉杆有一定安全储备。为保证所有金属零件受腐蚀后断面不致急剧削弱，所有金属零件的最小厚度和直径应考虑分别加厚，如拉杆及螺栓直径不小于16mm；扒钉直径不小于10mm；受力垄板不小于8mm。斜杆件和上弦杆件由于冷凝水聚积，应该加强防腐。所以这些地方，应加强防护。位于南方某些炎热地带，冬天气候暖和，有的工厂在木屋架短节点留一个大洞，通向室外，使此处通风良好，以改善木房架端接点的环境。

木结构浸石蜡，是简单易行的方法，它可以大大提高耐腐蚀能力和耐久性。其做法为常压浸入，把构件放在石蜡中煮就行了，最好煮制成品，浸入后不再加工。用冷热流槽法，将石蜡融化，热槽温度115～125℃，冷槽为55～60℃，先在热槽中浸渍1～8h。按木材材质计算，疏松的木材浸渍时间较短，坚实的木材浸渍的时间较长；按木材浸入石蜡的深度或按浸渍的效率（增重百分率）计算时：只要求浅层浸渍的，浸渍时间可以较短，必须深层浸渍的，特别是要求比较高浸渍率的大面积构件，浸渍时间较长。将干燥木材（最好用成品构件）浸没于温度已接近25℃的熔融石蜡槽中，此时槽温急降；木材剧烈脱去残余水分，而泄出大量汽泡或气泡（加热浸槽应有足够溶剂），这时应立即升温至规定温度范围，并开始计算浸渍时间。浸渍到预定时间（事先通过预浸渍确定），当要求较高的浸渍率时，可一直浸渍到木材不往石蜡溶液中泄汽泡或气泡为止，取出浸渍件，再立即浸没于石蜡温度为56～60℃的冷槽中。此时，槽温上升。待其温度自然降至56～58℃时，可认为浸渍完毕，立即出槽即为成品。置放待用。置放前应使构件在空气中作短暂停留（寒冷季节可免此步骤），使木材表面石蜡完全凝固后，放置于无烈日暴晒的场所。如木材表面黏附有过厚的石蜡，可以用刮刀铲去过厚部分；也可以重新置入热槽1s或再稍微多一点时间，按构件表面所需石蜡厚度确定，但时间不能过长，一面在使木材表面石蜡全部熔去。木材表面的一层蜡具有良好的保护作用，不宜完全清除。因此也最宜全构件浸渍完毕后，木材表面不再加工。

浸渍工具：要注意木制品的木材含水率。当木材含水率过大，而浸渍时间不当时，易产生翘曲变形或开裂。

浸渍工艺：浸渍（冷、热）槽、灶具，固定浸渍工具（保证木材全部浸没于石蜡液中）及夹持工具，搬运工（或出入槽用提升）具，均可因地制宜，就地取材，因陋就简，土法上马，但必须注意防火。

（3）实木结构连接　木结构按连接方式和截面形状分为齿连接的原木或方木结构，裂环、齿板或钉连接的板材结构和胶合木结构。

① 齿连接的原木或方木结构　以手工操作为主的工地制造的结构，加工简便，发展最早，应用也最广。在中国应用最多的也是这种结构形式。

原木或带髓心的方木在干燥过程中，多发生顺纹开裂。当裂缝与桁架受拉下弦连接处受剪面重合时，将降低木结构的安全度，甚至导致破坏。故在采用原木或方木结构时，应采取可靠措施，尽量减少裂缝对结构的不利影响。

原木和方木截面较大，干燥费时，所以制作时只能采用截面内外平均含水率不大于25%的半干材。半干材在安装后逐渐干燥到与空气中的相对湿度平衡时，将产生横纹干缩，并在节点处产生的横纹或斜纹承压变形偏大，再由于齿连接手工操作的偏差，致使原木或方木结构的变形较大。

原木或方木桁架的下弦除了受开裂的影响之外，还常因所供应的木材质量偏低，难以选得符合受拉构件材质标准的木材。为了保证原木或方木结构的安全可靠，在中国大量推广应用钢材作下弦和拉杆的钢木桁架，以保证结构的安全可靠，并在一定程度上提高了结构的刚度，减小了变形。

② 裂环、齿板或钉连接的板材结构　由厚度在10cm以内的木板组成的结构。木板厚度小，能在短期内干燥，结构的变形较小，且木板又无完整的年轮，在干燥过程中切向和径向收缩率不一致所引起的翘曲可用加压的方法控制；干燥不均匀引起的内应力很小，即使产生裂缝，因开裂程度轻微，不影响结构的安全。

a.裂环连接的板材结构。裂环能传递较大的内力，既能用于节点连接，又能用于接头的连接；裂环能标准化生产，环槽可用机具开凿，可使木结构的制作进入工业化生产。

裂环通过环槽承压和连接靠木材受剪传力，其安全度受脆性破坏的木材抗剪强度控制。裂环安装后处于隐蔽状态，不易检查，因此被齿板逐渐取代。

b.齿板连接的板材结构。冲压而成的齿板用油压机直接压入木材，制造简便，与裂环连接相比，具有较高的紧密性，减小了结构的变形，且便于检查。齿板通过众多的齿分散承压传力，有很好的韧性，比裂环连接可靠。国外多将齿板应用于桁架节点和接头的连接。

c.钉连接的板材结构。其多在工地制造，由于加工方便，可以制成弧形桁架等合理的结构形式，在前苏联应用较多。中国曾用于体育馆、仓库等跨度较大的屋盖结构。由于钉连接的后期变形较大，应用受到一定的限制。

③ 胶合木结构　包括层板胶合结构和胶合板结构。由于胶合木结构能较好地利用木材的优点和克服其缺点，使木材在结构中的应用更为合理，所以在一些技术发达的国家得到较大的发展，而成为木结构的主要形式。其多用于大跨度的房屋。美国曾相继建成直径为153m、162m及208m的胶合木圆顶。

此外，将木材旋切成3～10mm厚的单板，木纹相互平行层叠热压胶合成30～50mm厚的板材称为密层胶合木，可用以制成各种构件或结构。密层胶合木的问世使胶合木结构的应用达到新的高度。如建于1976年跨度为122m的密层胶合木筒拱，用于美国爱德华州立大学足球场的屋盖，上、下翼缘采用由16层单板胶合厚度为45mm的密层胶合木。

④ 螺栓球节点连接的木结构　螺栓球节点连接的木结构是2010年提出的新型木结构，其特点在于将木结构同钢结构杂交，利用木材为主材，钢结构螺栓球节点为连接，通过铰接的形式形成空间铰接杆件体系，从而将木结构的应用领域从传统房屋拓展到大跨度空间结构。

2.1.2　结构用集成材

集成材又名指接板、指接材或集成板。实木集成材是指将窄、短的木条采用胶黏剂接长（部分板材工艺是齿型连接），然后再横向拼宽、上下两面砂光而成的板材。实木集成材工艺基本同实木宽拼板相同，但是材料规格更小，又有很多长度方向的拼接，就是将经过深加工处理过的实木小块像“手指头”一样拼接而成的板材，由于木板间采用锯齿状接口，类似两手手指交叉对接，故称指接板。由于原木条之间是交叉结合的，这样的结合构造本身有一定的结合力，又因不用再上下粘表面板，故其使用的胶极其微量。

集成材的长宽为2440mm×1220㎜，厚度有9mm、12mm、15mm、17mm、18mm、25mm几种规格。

常用材质：杉木、松木、香樟木、樟子松、白松、赤松、榆木、硬杂木、枫杨。

（1）集成材特点

① 集成材由实体木材的短小料制造成要求的规格尺寸和形状，做到小材大用，劣材优用。

② 集成材用料在胶合前剔除节子、腐朽等木材缺陷，这样可制造出缺陷少的材料。配板时，即使仍有木材缺陷也可将木材缺陷分散。

③ 集成材保留了天然木材的材质感，外表美观。

④ 集成材的原料经过充分干燥，即使大截面、长尺寸材，其各部分的含水率仍均一，与实体木材相比，开裂、变形小。

⑤ 在抗拉和抗压等物理力学性能方面和材料质量均匀化方面优于实体木材，并且可按层板的强弱配置，提高其强度性能，其强度性能为实体木材的1.5倍。

⑥ 按需要，集成材可以制造成通直形状、弯曲形状。按相应强度的要求，可以制造成沿长度方向截面渐变结构，也可以制造成工字形、空心方形等截面集成材。

⑦ 制造成弯曲形状的集成材，作为木结构构件来说，是理想的材料。

⑧ 胶合前，可以预先将板材进行药物处理，即使大尺寸的材料，其内部也能有足够的药剂，使材料具有优良的防腐性、防火性和防虫性。

⑨ 由于用途不同，要求集成材具有足够的胶合性能和耐久性，为此，集成材加工需具备良好的技术、设备及良好的质量管理和产品检验。

⑩ 与实体木材相比，集成材出材率低，产品的成本高。

（2）集成材分类

① 根据承载情况分为：结构用集成材和非结构用集成材。

② 根据产品形状分为：通直集成材、弯曲集成材、方形截面集成材、矩形截面集成材及变形截面集成材。

③ 根据用途分为：结构用集成材、非结构用集成材、贴面非结构用集成材、贴面结构用集成材。

④ 根据层板接合方式分为：指接集成材和平接集成材。

⑤ 根据集成材层板等级分为：同等级构成集成材、异等级构成集成材。

⑥ 根据集成材层板等级或树种配置分为：对称结构（平衡组合结构）集成材、非对称结构（非平衡组合结构）集成材。

⑦ 根据受力特点分为：水平型集成材和垂直型集成材及轴向荷载型集成材。

2.1.3　单板层积材

单板层积材，简称LVL，是laminated veneer lumber的英文简称，是以原木为原料旋切或者刨切制成单板，经干燥、涂胶后，按顺纹或大部分顺纹组坯，再经热压胶合而成的板材。它具有实木锯材没有的结构特点：强度高、韧性大、稳定性好、规格精确，比实木锯材在强度、韧性方面提高了3倍，而且出口免熏蒸。

LVL板材与实木锯材比较的优势：

（1）LVL板材可将原木的疤节、裂痕等缺陷分散、错开，从而大大降低了对强度的影响，使其质量稳定、强度均匀、材料变异性小，是替代实木最理想的结构材。

（2）尺寸可随意调整，不受原木形状和缺陷的影响，LVL板材最长可达8m，最厚可达300mm，可根据自己的用材状况，选择尺寸规格，随意裁截，原材料利用率高达100%。

（3）LVL的加工和木材一样，可锯切、刨切、凿眼、开榫、钉钉等。

（4）LVL具有防虫、防腐、防火、防水等性能，主要是在制作过程中进行了相应的预处理或采用特殊的胶黏剂。

（5）LVL具有极强的抗震性能和减震性能以及能抵抗周期性应力产生的疲劳破坏的能力。

（6）产品绿色环保、无污染，在制作过程中使用优质的环保胶黏剂；甲醛释放量远远低于国家标准，达到发达国家标准。

（7）LVL其他特性：根据实践结果，人们认为单板层积材虽然某些性能不如成材，但单板层积材使其原木本身的缺陷（节子、裂缝、腐朽等）均匀分布在单板层积材（LVL）中，平均性能优于原木锯割成材。单板层积材有良好的抗蠕变性能；抗火灾性能优于钢材；单板层积材（LVL）经加速老化试验发生的破坏比成材胶合时胶层破坏小。

2.1.4　定向刨花板

定向刨花板是刨花板的新品种之一。刨花铺装成形时，定向刨花板的上下两个表层将拌胶刨花按其纤维方向纵行排列，而芯层刨花横向排列，组成三层结构板坯，进而热压制成定向刨花板。这种刨花板的形状要求长宽比较大，而厚度比普通刨花板的刨花略厚。定向铺装的方法有机械定向和静电定向。前者适用于大刨花定向铺装，后者适用于细小刨花定向铺装。定向刨花板的定向铺装使得其在某一方向具有较高强度的特点，常代替胶合板。

（1）定向刨花板的特点　定向刨花板不只强度高，且力学性能具有方向性。根据用途，通过控制各层刨花的比例和角度出产各种强度要求的定向刨花板。定向刨花板重组了木质纹理结构，完全消除了木材应力的影响。不易变形、膨胀系数小、握钉性能好、绿色环保、抗冲击和抗弯强度好。定向刨花板的制造用的是高温高压施胶，且施胶量远低于大芯板和多层板。定向刨花板在制造过程中由于胶量低和高温作用，胶内的游离甲醛能充分蒸腾。所以定向刨花板保证了制品板的环保和含水率的安稳。定向刨花板的交错铺装完全解决了密度板、多层板和普通刨花板周围面握钉开裂的问题。

（2）定向刨花板的主要用途

① 定向刨花板是出口机械产品包装的首选材料。可广泛用于包装、装潢家具制造和建筑模板以及房子建筑等。可完全代替在家具制造中的侧板和承重隔板等。在装修中的门框、窗框、门芯板、橱柜、地板及地板基材等。也可直接用于墙面和房顶饰面装点。是细木工板和普通多层板的代替产品。

② 定向刨花板地板、墙面及屋顶；工字梁；结构阻隔板；包装箱；货品托板及存储箱；商品货架；工业用桌面；阔叶材地板芯；挡空气板及护栏；装点用壁板；现场混凝土成形；集装箱地板；保龄球球道等。

③ 定向刨花板加工后代替细木工板、三合板、五合板、模板、防火板、装点板、隔板。

④ 定向刨花板实木地板与龙骨间的衬板，做木质别墅用，或制成复合木地板的基材。

⑤ 定向刨花板家具厨具的结构板。

⑥ 定向刨花板房子建筑用衬板、室内嵌板、隔热板、吸声板、天花板、墙板。

⑦ 定向刨花板营建用挡土板、水沟模板、垫板等等。

⑧ 将表层贴面定向刨花板（贴单面）后，可用于家具制造用的素板、抽屉底板、箱、盒、橱柜隔板、楼层板、床板等。