木材及木制品

木材作为人类最早使用的建筑材料之一，自古以来就在中国建筑史上扮演着至关重要的角色。从秦汉时期的宫殿楼阁、明清时代的四合院与园林，到当代蓬勃发展的现代木结构住宅和木质公共建筑，木材一直凭借其独特的物理力学性能、良好的加工适应性、可再生性以及自然美观的纹理，展现出不可替代的建筑价值。

木结构不仅能够提供良好的承重与耐久性，还能营造出温馨宜人的空间氛围，其多样的表现形态广泛应用于结构、装饰与家具等领域。同时，现代木材加工技术和人造板材工业的进步，使木制品在绿色环保、节能减碳方面具有突出优势。

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树木的分类与生长特性

树木按植物学分类主要分为针叶树和阔叶树两大类。针叶树包括松、杉、柏等树种，其木材纹理通直，材质较软，易于加工，常用于建筑结构和家具制造。阔叶树包括橡、榆、楠、桦等树种,木材材质坚硬，纹理美观，多用于高档装饰和家具。

树木的生长过程直接影响木材的内部结构。树干由外向内依次为树皮、韧皮部、形成层、边材和心材。形成层是树木生长的关键部位，每年春夏两季形成颜色较浅、材质较松的早材，秋冬季节形成颜色较深、材质致密的晚材，两者交替形成肉眼可见的年轮。通过年轮不仅可以判断树龄，还能推断树木生长时期的气候条件。

我国幅员辽阔，气候类型多样，孕育了丰富的木材资源。东北地区盛产落叶松、红松等针叶材，材质优良，适合建筑结构用材；南方地区的杉木、樟木生长迅速，是重要的经济树种；西南地区的云杉、冷杉生长在高海拔地区，木材密度适中，物理性能稳定。

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木材的宏观构造与微观结构

木材的宏观构造包括年轮、木射线、树脂道等特征。年轮的宽窄反映了树木生长速度，通常生长在气候适宜、养分充足环境中的树木年轮较宽，木材材质相对疏松；生长缓慢的树木年轮紧密，材质坚实。木射线是由髓心向外呈放射状分布的薄壁细胞组成，在木材的径切面上形成美观的花纹，是珍贵硬木的重要装饰特征。

从微观层面观察，针叶材的细胞组织相对简单，主要由管胞组成，管胞既承担输导水分的生理功能，又提供机械支撑。阔叶材的细胞组织较为复杂，导管负责输导，木纤维提供强度，薄壁细胞储存养分。这种微观结构的差异直接导致针叶材和阔叶材在物理性能上的显著区别。

上图展示了不同生长条件下树木年轮宽度随树龄的变化规律。快速生长期的树木年轮较宽，但木材密度相对较低；正常生长期的树木形成的木材性能较为均衡；缓慢生长期的树木年轮紧密，木材密度大，强度高。

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木材的物理性能

密度与孔隙率

木材的密度是评价其质量的重要指标。由于木材内部存在大量管状细胞，其密度远低于细胞壁实质的密度。不同树种的木材密度差异显著，轻质木材如桐木密度约为0.3 g/cm³，中密度木材如松木在0.4-0.6 g/cm³之间，重质硬木如檀木可达0.9 g/cm³以上。

木材的密度与其力学性能密切相关。密度大的木材细胞壁厚，单位体积内实质材料多，抗压强度和抗弯强度相应提高。在实际应用中，根据构件的受力特点选择合适密度的木材，既能满足强度要求，又能实现经济合理。

含水率及其影响

含水率是木材中所含水分质量与木材干燥后质量的百分比，是影响木材性能的最关键因素。新伐木材的含水率可达40%-200%，其中自由水存在于细胞腔内，吸着水存在于细胞壁中。当自由水完全蒸发而吸着水处于饱和状态时，此时的含水率称为纤维饱和点，一般在25%-30%之间。

木材的许多物理力学性能在纤维饱和点以下会随含水率变化而显著变化。含水率降低，木材的强度提高、体积收缩；含水率增加，木材强度下降、体积膨胀。这种现象称为木材的湿胀干缩特性，是木材应用中必须充分考虑的重要问题。

我国对建筑用木材的含水率有明确要求。不同地区因气候条件不同，木材的平衡含水率也不同。北方地区一般要求木材含水率控制在8%-12%，南方地区可放宽至12%-15%。使用前必须将木材干燥到与使用环境相适应的含水率，避免后期变形开裂。

此图清晰展示了木材含水率对力学性能的影响规律。当含水率从0增加到30%时，木材的各项强度指标都呈现下降趋势，特别是在纤维饱和点以下，强度变化最为显著。

胀缩性与变形

木材的胀缩性源于细胞壁中吸着水的变化。当含水率在纤维饱和点以下变化时，吸着水的增减导致细胞壁厚度改变，宏观表现为木材体积的变化。木材的胀缩具有明显的方向性，沿纹理方向（纵向）的胀缩率很小，约为0.1%-0.3%；径向胀缩率约为3%-6%；弦向胀缩率最大，约为6%-12%。

这种各向异性的胀缩特性容易引起木材的变形和开裂。当木材表面与内部干湿不均时，表面干燥收缩受到内部湿材的约束，产生拉应力；当拉应力超过木材的横纹抗拉强度时，表面就会出现裂纹。木质构件在设计和施工中必须充分考虑木材的胀缩变形，预留适当的变形余地。

某木结构住宅项目在施工中使用了含水率25%的湿材，未经充分干燥即进行安装。使用一年后，室内环境含水率降至12%，木材体积收缩导致地板出现明显缝隙，墙体木龙骨收缩引起石膏板开裂。这个案例说明木材干燥处理对工程质量的重要性。

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木材的力学性能

抗压强度与抗弯强度

木材的力学性能具有显著的各向异性。顺纹抗压强度是木材沿纹理方向承受压力的能力，一般针叶材为20-50 MPa，阔叶材为30-60 MPa。横纹抗压强度远低于顺纹抗压强度，仅为顺纹抗压强度的1/5-1/10。这是因为顺纹受压时，压力与纤维方向一致，主要由细胞壁承担；横纹受压时，压力垂直于纤维，细胞腔被压溃，强度大幅降低。

抗弯强度反映木材承受弯曲荷载的能力，是梁、檩等受弯构件设计的重要依据。木材的抗弯强度一般为50-120 MPa，受木材密度、纹理方向、缺陷分布等多种因素影响。木材在受弯时，受拉侧的强度往往成为控制因素，因为木材的顺纹抗拉强度虽然较高，但对缺陷非常敏感。

弹性与塑性

木材在小变形范围内具有良好的弹性，当外力去除后能够恢复原状。弹性模量是表征木材弹性的指标,针叶材的顺纹弹性模量约为8-12 GPa，阔叶材为10-15 GPa。木材的弹性特性使其具有良好的抗震性能，在地震荷载作用下能够通过变形吸收能量。

当应力超过比例极限后，木材进入弹塑性阶段，卸载后会产生永久变形。木材的塑性变形能力使其在某些情况下可以通过加热、加湿进行弯曲加工，制作曲线形构件。传统木工工艺中的“蒸煮弯曲”技术就是利用了木材的这一特性。

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木材的干燥

木材干燥是将新伐木材的含水率降低到适合使用要求的过程。干燥不仅能提高木材的尺寸稳定性和力学性能，还能防止微生物侵蚀，延长使用寿命。根据干燥方法的不同，可分为天然干燥和人工干燥两大类。

天然干燥

天然干燥是将木材堆放在通风良好的场地，利用大气环境中的自然条件使水分蒸发。这种方法设备简单，成本低廉，但干燥周期长，一般需要数月至一年以上，且最终含水率受当地气候条件限制，通常只能达到15%-20%。

天然干燥时木材的堆放方式对干燥效果影响很大。堆垛要求层间加隔条，保证空气流通；堆垛场地应地势高燥，远离水源；堆垛顶部需搭设防雨棚，防止雨水渗入。华北地区某木材加工厂采用改进的天然干燥工艺，在堆垛四周设置导风墙，使干燥周期缩短了30%，木材的最终含水率也更加均匀。

人工干燥

人工干燥是在干燥设备中通过控制温度、湿度等参数加速木材水分蒸发的方法。常用的人工干燥方法包括常规窑干、除湿干燥、真空干燥等。常规窑干是应用最广泛的方法，将木材放入密闭的干燥室，通过蒸汽或热风加热，同时控制湿度，可将木材干燥至6%-12%的含水率。

人工干燥的关键是制定合理的干燥基准，包括不同阶段的温度、湿度参数。干燥初期温度不宜过高，相对湿度应保持较高，防止木材表面干燥过快产生表裂；中期可逐渐提高温度、降低湿度，加快干燥速度；后期进行调湿处理，消除内应力。

某家具企业引进了先进的除湿干燥设备，相比传统窑干能耗降低40%，橡木板材的干燥周期从35天缩短至25天，木材开裂率从8%降低至3%，经济效益显著提高。

上图对比了三种干燥方法的效率。天然干燥速度慢，40天后含水率仍在20%以上；常规窑干在15天左右可达到目标含水率；除湿干燥虽然周期略长于常规窑干，但能耗更低，适合规模化生产。

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木材的缺陷

木材缺陷是指在生长过程中或加工过程中形成的影响使用价值的特征。常见的缺陷包括节疤、裂纹、腐朽、虫蛀等，这些缺陷会降低木材的力学性能和使用价值。

节疤

节疤是树木枝条生长形成的痕迹。活节与周围木材纤维连接紧密，对强度影响较小；死节与周围木材纤维分离，易脱落，严重削弱强度。节疤的影响程度取决于其大小、数量和位置。当节疤位于受拉边缘时，对抗弯强度的削弱最为严重。

GB 50005《木结构设计标准》对结构用木材的节疤有明确限制。一级材要求钝棱上的节疤直径不大于构件宽度的1/3，锐棱上不大于构件宽度的1/5。实际应用中，通过合理布置构件方向，可以将节疤安排在受力较小的部位。

裂纹

裂纹包括干裂、冻裂、轮裂等类型。干裂是木材干燥过程中内外水分蒸发不均匀形成的表面裂纹；冻裂是树木在严寒条件下内部水分冻结膨胀产生的径向裂纹；轮裂是沿年轮方向产生的弧形裂纹。裂纹的存在会大大降低木材的承载能力，特别是降低抗剪强度。

控制裂纹的关键在于合理的干燥工艺。采用缓慢升温、高湿度开始的干燥基准，可以有效减少干裂的发生。对于易开裂的树种如橡木、水曲柳等，可以在端部涂刷封闭剂，减缓端部水分蒸发，避免端裂。

腐朽与虫蛀

木材腐朽是真菌侵入木材内部，分解纤维素和木质素，导致木材变色、变软、强度丧失的过程。腐朽发生需要三个条件：适当的温度（25-35℃）、足够的水分（含水率20%以上）和氧气。控制木材含水率在20%以下，可以有效防止腐朽。

虫蛀是昆虫幼虫蛀食木材形成的孔洞和隧道。常见的害虫包括白蚁、天牛、粉蠹等。虫蛀不仅破坏木材结构，还会持续繁殖扩散。南方某古建筑修缮工程中发现，白蚁侵蚀导致木柱内部完全空洞，外表看似完好，实际承载力几乎丧失，险些酿成事故。

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木材的防护处理

为了延长木材的使用寿命，提高耐久性，需要对木材进行防腐、防虫、防火等防护处理。

防腐处理

防腐处理是通过化学药剂浸入木材，抑制或杀死腐朽菌的方法。常用的防腐剂包括水溶性防腐剂（如铜铬砷CCA、铜唑ACQ）、油溶性防腐剂（如煤焦油）和油类防腐剂（如木焦油）。

加压浸注是最有效的防腐处理方法。将木材放入密闭压力罐，先抽真空排出木材内部空气，再加压注入防腐剂，使药剂深入木材内部。这种方法处理的木材防腐剂渗透深度大，分布均匀，防腐效果可持续20年以上。

华东地区某桥梁工程采用了ACQ防腐处理的木质护栏，经过10年使用，木材保存完好，未出现腐朽现象。相邻未处理的木质构件在5年后就出现明显腐朽，需要更换。防腐处理的经济效益十分显著。

防虫处理

防虫处理通常与防腐处理结合进行，使用的药剂多具有防腐防虫双重功能。对于高档木材和古建筑木构件，可采用磷化铝、溴甲烷等熏蒸剂进行熏蒸处理，杀死木材内部和表面的害虫及虫卵。

传统的防虫方法包括高温处理和浸泡处理。将木材在60℃以上的环境中保持数小时，可以杀死大部分害虫；将木材浸泡在硼酸溶液中，硼化物渗入木材对害虫有毒杀作用。这些方法简单实用，在小规模加工中广泛应用。

防火处理

木材是可燃材料，防火处理对于提高建筑安全性具有重要意义。防火处理的原理是在木材表面涂覆或注入阻燃剂，当遇到火焰时，阻燃剂分解产生不燃气体，隔绝氧气，同时在表面形成碳化层，保护内部木材。

常用的阻燃剂包括磷酸盐、硼酸盐、氯化铵等。表面涂覆法简单易行，但阻燃效果有限，持久性差；浸注法使阻燃剂渗入木材内部，防火性能更好，但成本较高。近年来开发的膨胀型阻燃剂，遇热膨胀形成多孔泡沫层,隔热效果好,是未来发展方向。

某文化中心木结构屋架采用了浸注阻燃处理，阻燃剂载量达到80 kg/m³，防火测试达到难燃B1级。在后续的消防验收中,阻燃木材在火焰直接作用下仍能保持形态稳定,为人员疏散争取了宝贵时间。

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木材的力学性能测试

为了保证建筑用木材的质量，需要按照国家标准对木材的力学性能进行测试。主要测试项目包括抗压强度、抗弯强度、抗拉强度、抗剪强度、硬度等。

抗压强度试验测定木材在顺纹或横纹方向承受压力的能力。试件尺寸为30mm×30mm×30mm的立方体，放在万能试验机上，以规定速度施加荷载直至破坏，记录最大荷载值，计算抗压强度。试验前试件必须调整到含水率12%的标准状态。

抗弯强度试验采用简支梁中点加载的方式，试件尺寸为20mm×20mm×300mm。将试件两端支撑，跨度为240mm，在中点施加集中荷载，测量荷载和挠度，计算抗弯强度和弹性模量。试验时要注意观察试件的破坏形态，判断破坏类型是压缩破坏、拉伸破坏还是剪切破坏。

某省质检机构对市场上销售的建筑用木材进行了抽检，发现部分产品的实际强度低于标示等级的要求。某批次标称为TC11等级的花旗松木材，实测顺纹抗压强度仅为28 MPa，低于标准要求的32 MPa，判定为不合格产品。这说明木材质量检测对于保证工程质量的重要性。

此图展示了木材密度与抗压强度的正相关关系。密度每增加0.1 g/cm³，抗压强度约提高8-10 MPa。这一规律为根据密度快速估算木材强度提供了依据。

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人造板材

人造板材是以木材或其他植物纤维为原料，加入胶粘剂和其他添加剂，经过加压成型的板状材料。与天然木材相比，人造板材幅面大、厚度均匀、性能稳定、利用率高，在现代建筑和家具制造中应用广泛。

胶合板

胶合板是将原木旋切成薄单板，按纤维方向相互垂直组坯，用胶粘剂粘合压制而成的多层板材。相邻层单板纹理互相垂直的结构有效抑制了木材的各向异性，使胶合板在各个方向的力学性能较为均匀，变形小。

胶合板的层数通常为奇数，常见的有三层、五层、七层等。面背板采用质量较好的单板，芯板可用质量稍差的单板。胶合板按用途分为普通胶合板和特种胶合板，特种胶合板包括防水胶合板、防火胶合板、耐候胶合板等。

胶合板在建筑中主要用于混凝土模板、室内装饰面板、隔墙和屋面板等。某住宅楼采用15mm厚的防水胶合板作为厨房卫生间的楼地面基层，铺贴瓷砖后使用5年未出现变形和开裂，效果良好。

刨花板

刨花板是将木材或其他木质材料刨成刨花，施加胶粘剂后在热力和压力作用下压制成的板材。刨花板的原料来源广泛，可利用木材加工剩余物、小径材、枝丫材等，资源利用率高。

刨花板按结构分为单层、三层和渐变结构。三层结构刨花板表层用细刨花，芯层用粗刨花，表面平整，力学性能好，是目前最常用的类型。按密度分为低密度（密度小于0.6 g/cm³）、中密度（0.6-0.8 g/cm³）和高密度（大于0.8 g/cm³）刨花板。

刨花板的主要缺点是握钉力较差，遇水易膨胀。为了克服这些缺点，开发了定向刨花板（OSB），将刨花定向排列，表层刨花纵向排列，芯层刨花横向排列，力学性能大幅提高，特别是抗弯强度和握钉力显著增强。

纤维板

纤维板是将木材或其他植物纤维分离成单根纤维，施加或不施加胶粘剂，经热压成型的板材。按密度分为软质纤维板（密度小于0.4 g/cm³）、半硬质纤维板（0.4-0.8 g/cm³）和硬质纤维板（大于0.8 g/cm³）。

中密度纤维板（MDF）是应用最广泛的纤维板类型，密度在0.6-0.8 g/cm³之间。MDF结构均匀、材质细密、表面平整光滑，易于表面装饰，广泛用于家具制造和室内装饰。高密度纤维板（HDF）密度大于0.8 g/cm³，强度高、耐磨性好，用于地板基材。

某品牌强化木地板采用高密度纤维板作基材，密度达到0.92 g/cm³，表面压贴装饰层和耐磨层，耐磨转数达到6000转以上，使用寿命长，市场认可度高。

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中国常用建筑木材及其应用

中国建筑用木材资源丰富，不同地区形成了各具特色的木材应用传统。

针叶材的应用

松木是我国应用最广泛的针叶材，包括红松、樟子松、马尾松等树种。红松产于东北地区，材质轻软，纹理通直，易于加工，是传统建筑木构架的优选材料。樟子松材质较硬，力学性能好，经防腐处理后可用于室外景观工程。马尾松分布在南方各省，生长快，产量大，主要用于建筑模板、包装材料和纸浆生产。

杉木主要产于长江流域及以南地区，材质轻韧，耐腐性强，是南方传统建筑的主要用材。杉木的油脂含量较高，天然耐腐能力优于一般针叶材。某地区农村住宅使用杉木做屋架和檩条，经过50年使用基本完好，证明了杉木的优良耐久性。

云杉和冷杉生长在西南高海拔地区，年轮均匀，材质细密，力学性能稳定，是现代木结构建筑的理想用材。进口的北美云杉（SPF）因其稳定的品质和完善的分等分级体系，在国内木结构建筑中得到大量应用。

阔叶材的应用

橡木（栎木）包括白橡和红橡，材质坚硬，纹理美观，是高档家具和地板的优质材料。橡木的径切面有美丽的射线花纹，弦切面有山形花纹，装饰效果好。某酒店大堂采用美国红橡实木地板，经过10年使用仍保持良好状态，深受业主好评。

榆木是北方常见的阔叶材，材质坚韧，纹理通达，不易变形。传统家具中的"榆木疙瘩"形容其材质坚硬耐用。榆木的韧性好，适合制作弯曲构件，在传统木工中应用广泛。

楠木是我国特有的珍贵木材，主要产于西南地区。楠木材质细密，纹理美观，香气持久，耐腐性极强，是古代宫殿建筑的顶级用材。现存的故宫太和殿主体构架就使用了大量楠木。由于资源稀缺，现代建筑中楠木主要用于高档装饰和文物修复。

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木材的环保与可持续利用

木材是可再生的天然材料，合理利用木材对实现碳中和目标具有重要意义。树木生长过程中吸收二氧化碳，将碳固定在木材中；木材应用于建筑和家具，相当于长期储碳；使用寿命结束后，木材可以回收利用或生物降解，形成闭环。

我国大力推进木材的高效利用和人造板产业发展。通过科学经营森林，实现木材的可持续生产；通过技术创新，提高木材和木质剩余物的利用率；通过发展人造板和木塑复合材料，替代实体木材，减少森林采伐压力。

绿色建筑评价标准鼓励使用木材等可再生材料。某生态度假村建筑群大量采用木结构，木材来自FSC认证的可持续森林，建筑获得了绿色建筑三星级认证。这种发展模式实现了经济效益、社会效益和环境效益的统一。

木材的循环利用也取得了进展。建筑拆除产生的废旧木材可以破碎后制成刨花板和纤维板，实现资源的二次利用。某地区建筑垃圾处理中心建立了废旧木材回收生产线，年处理废旧木材5万吨，生产再生板材3万立方米，既减少了垃圾填埋量，又创造了经济价值。