木材与建筑_涂平涛.pdf

木材与建筑涂平涛(中国新型建材集团工程咨询公司)【摘要】本文浅析木材作为建筑材料的优良性能和存在问题,对用于建筑 的木材防护处理 和应用技术进行了分析,对于合理开发应用木材,促 进林业 的 可持续发展有一定的意义。【关键词1木材木建筑变 形结构保护化学保护自有 人类文 明史以来,木材 就用于建筑中,数十年或百余年的木建筑 在中国各地 皆有存在,木建筑 丰富了人类 文 明史,提供了人类赖以生存 的基本 条件。木材 是 当今四大材料(钢材、水泥、塑料、木 材)中惟一 可再生,又可多次再生 和循环利用 的天然资源。木材是绿色生态建筑 材料,除了给 人以舒适、美感、回归自然 的感受外,还 给人 类带来健康的生活环境,每1吨树木在 成 长 的过程 中释放出1.07 t氧气,吸 收1.4 7t二氧化碳。木材在 建筑 功能 上还 具有 良好的隔 热、隔音、调节室内温 湿功 能。在 国外建筑 业十分重视木 材以及 由木材为原料派生的各类 人 造板,诸 如:胶合板、MD F、OSB板等。在北 美建筑 市场,近9 0%以上的住宅(包括独立住宅、联 体 住 宅和多层公寓)以及 相 当数量 的低层商业建 筑,都采 用轻型木 结构。所谓 轻型木 结构是 一种 由楼 板和墙体体系组 成 的箱 式结 构。其结 构的构件,诸如:墙骨、搁栅、椽子、析架和覆板都由一 系列 规格实 木材和板材所 组成。轻型木结构已是北 美 的一 种新建 筑体 系。德国设 有生态住宅研究 所和设计院,专门从事生态材 料建造 住宅的研究和设计,并已建造了该类材料 的建筑群。木 材在建筑中的应用是 多方面的,较为普 遍的是 家居装 饰,在家居装饰 中几乎处 处可见,诸 如:合成 门、墙 裙装饰、地板、墙 板、户 门、门窗套、窗 帘盒、窗 台板、暖气 罩、楼梯扶 手、背景 墙及家具等。木 质材料在 住宅装饰 中的分配价值比例如表l所示。表1木质材料在住宅装饰中的应 用价值比例装装饰类别别木地板板装饰线条条门窗柜、过道柜柜吊顶、橱柜柜厅及过道家具具造造价比例%30 0 05.0 7 7 724.14 4 43.57 7 764 9 9 9装装饰类别别暖气罩罩护壁板板橱柜柜阳台柜柜臣卜 式家具具价价值比例%7.14 4 42.8 5 5 5l 0 0 03.87 7 7717 7 7木结构建筑 中的住宅,低层商业建筑,旅游度假别墅,仿古建筑,功能性要求的建筑和围护材料,是 木材和 人造板 的主要应用 领域。木建筑模板 是指用于建筑施工 的模壁材 料。我 国每年在建筑、交 通、轻工等部 门的施工中模板 木材用 量大约为50 0万衬。建筑木制品 主要是指木 质 门窗、实木 地 板、木梁、搁栅、析条、柱、镶板、天花板、椽子、挂瓦条、灰板条、屋架等。预 测 到2 01 0年中 国城乡建筑用木质材(折原木)将达到8 以力一5 80 0万 衬。因此木 材与人造板在建筑领 域将是一个广阔 的天 地。使用木材不等于不考虑 国策而无度 的破坏 性采伐,应遵守森林资源采伐量小于生 长量的方针,摆正森林资源和社会产品原材料结构优化的关系,使木材 得以持续利用,其所获得的收 益在 经济上支持和促进林业的发展,这是 一种 良性 的循环。本文所叙的木建筑虽 不 宜大规模的发 展,但伴随加 人Wo T后,旅游业 的发 展,仿古建筑的需要,木结构建筑频频出现这 是 一个现实,本 文就合理正确在建筑上使用 木材做如 下论述。1木材在建筑 中的优 良性 能1.1具有最佳的质强比,木材 是四大 材料中重 量 轻、强度高所谓 质强 比最佳的材 料,以木建筑常用 的云杉、杉木、松 木、桦木 为例,其物理力学性能如表2所示。表2常用建筑木材 的性能木木材材气干干干缩率%抗压强度k(岁c扩)抗拉强度(娜耐)顺纹抗抗抗弯强强冲击韧韧硬度度名名称称容重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重重剪强度度度(弦弦度(弦弦k岁emZ Z Z(岁e矽)顺顺横纹纹顺顺横纹纹(kg/em Z)向)向)纹纹纹纹纹纹纹纹纹纹纹纹纹纹纹纹纹纹纹纹(kg/em Z)(纯“耐)局局局局局局局局局局局局局局部受压压全部受压压压压压压压压径径径径径弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦弦向向向向向向向向径径弦弦径径弦弦弦径径弦弦径径弦弦弦弦弦弦径径弦弦端端向向向向向向向向向向向向向向向向向向向面面面面向向向向面面面面面面杉杉木木0.37 1 1 10.114 4 402 33 3 3381 1 132 2 233 3 3l 9 9 915 5 572 4 4 415 5 5l 2 2 24 2 2 249 9 96 38 8 80.111 1 1139 9 9145 5 52 53 3 30 0 0 0 0.462 2 20.136 6 6 0.286 6 64 28 8 838 8 843 3 328 8 829 9 99 3 5 5 52 8 8 822 2 27 l l l75 5 58 63 3 30.155 5 52 18 8 82 1 1 1 130 4 4 4白白桦桦05 6 7 7 70,25 9 9 90.336 6 64以以6 5 5 53 8 8 848 8 827 7 712 97 7 74 8 8 85 8 8 87 l l l95 5 5侧只只0.4 6 6 6 6 62阅阅26 4 4 4(东北)红红皮皮0.417 7 70.13 6 6 6 0.3 19 9 936 1 1 13 7 7 74 5 5 5 5 5 5 596 7 7 72 7 7 7l6 6 662 2 262 2 26 9 9 9 90.16 4 4 4 4 4 4 4225 5 5云云杉杉杉杉杉杉杉杉杉杉杉杉杉杉杉杉杉杉杉杉(东北)红红松松0.刘O O O0.12 2 2 2 032 1 1 1328 8 838 8 839 9 9 9 9 9 99 81 1 13 l l l2 0 0 06 3 3 36 9 9 96 53 3 30175 5 5 5 5 5 5220 0 0以表2的红松为例,其容重(气干)与 抗弯强 度 的比值为14 8;4容重与抗压强度的比值为75 4。而作为硅 酸盐 水泥(GB 17 5一99)4 2.5级 2 8天 的抗 压 强度为4 2.sk岁c扩,抗折强度为6 4kgc/扩,其容重(松散容重 按1.6岁c衬计)与抗折强度的比值为4;0容重与抗压 强度的比值为26 5。红松的抗弯强度质 强比是水泥的 3 7倍;抗 压强度的质强比是水泥的2.8倍。相对于硬 聚氯乙烯而言比重 为1.359c/衬,抗 压 强 度 为56 0k酬c衬;抗 弯强 度 为70 0k留c扩,其抗压 强度质强比为4 1;4抗弯强 度质强比为5 18,红松分别是硬v Pc的1.3 5倍和2.1 3倍。因此将木材作为建筑材料相对水泥而言 重量 可减轻4一6倍,这对减轻建筑物的自重,减少建筑物的基础处理费和提高抗震性能是十分有利的。1.2木材 是节 能材料树木 的生长借助于自然 界的 土地、水分、阳光而生 长成材,不像钢材、水泥 要历经采掘、冶炼、缎烧消耗大 量 的 热能和 造 成 环境污 染。以水 泥 为例,水泥熟料的缎烧温度1450每生产h水泥熟料 要消耗0.50一0.157t标准煤,产生h的C仇,作为建筑主要墙体材料实心粘土砖,每万块 标准耗煤1.3么,我 国制砖 耗标 煤约日X刃万t,将产 生1.6亿c t仇,这 对节 约不可再生 的煤炭资源和保护 环境都是不利的。木材是热的不 良导体,把它作为木建筑的梁、板、柱 和墙体材料是猫土砖和水泥制品所 不可 同日而语 的。现将建筑 中常用 的木材 松和云杉以及砂浆猫 土砖砌体、轻混凝土、蒸养和非蒸养泡 沫混凝土和水泥砂浆的热工指标列于表3。表3常用建筑材料热工今数指标材材料名称称密度p p p导热系数孟孟比热C C C蓄热系数S S S燕汽渗透 系数数(k创砂)W/(mK)k J/(kgK)Z=24 h h h产(x10一)W/(m 2K)松松和云杉垂直木纹纹55 0 0 00.17 4 4 42.5 12 2 24.18 7 7 70.0 1砚砚松松和云杉平行木纹纹5 50 0 00.34 9 9 92.512 2 25.87 3 3 30.肠8 8 8干干木板(木制面板和壁板)250 0 00.0 58 8 82.512 2 21.6 28 8 8 8 8钢钢筋混凝土土2 X)1.512 2 20.837 7 714.9 45 5 50.0 08 8 8轻轻混凝土(石渣混凝土)1砚】)0.叨7 7 70.75 4 4 44.7 10 0 00.0 36 6 6燕燕养和非燕养泡沫混凝土土8o o o o0.2 91 1 10.8 37 7 7374 5 5 50.月0 0 0轻轻砂浆猫土砖砌本本17X()0.7 56 6 60.87 9 9 99.013 3 30.0 32 2 2水水泥砂浆浆18X(0.93 3 30.83 7 7 7!0.肠肠0.倪呜呜石石棉水泥板和块块1侧洲)0.34 9 9 90.837 7 76.338 8 80.田7 7 7胶胶合板板6 吠】0!7 4 4 42.512 2 24361 1 10.以荀荀作为 墙体材料而言,红砖砌体的导热系数是松和云杉垂 直 木纹 及胶合板 材料的4.3 5倍,是干 木板 的1 3倍;钢筋混凝土分别是上 述 木质 材 料 的8.6 9倍和2 6倍,可想而知用木 材和木质制品作为墙体材料 对建筑 的冬季取 暖和夏 季空调 的建筑 耗能将大幅度的降低。1.3木 材作为建筑用 材是无公害或低公害的材料木材 的加工过程仅是改 变形状 的冷加 工 的物理过 程,不涉及到相 变或其他复杂过 程,更不像水 泥 红砖的 烧成和 钢 材 的冶炼排 放c oZ、s仇和大 量 粉 尘。使用 木 材 不存在GB18 580一18588一20 01室内装饰装修材料有害物质限量标准所指出的氛乙烯单体、可溶性 重金 属、混凝土外加 剂 释 放氨、VOC有 机溶 剂挥发 物、放射性 核素等的污染公害因素。对 于木质人 造板存在采用 醛系树醋为胶 戮剂时,存在游离甲醛施放的因素,但在当今人造 板 的加工行业中,采用无醛系 的树醋作为 胶勃剂(如MD I和D TI胶);采用自猫性技术;采用低醛 的UF胶,均 能达 到 无游离 醛散 发 或 达到GB 185s o一20 01室内装饰装修材料 人 造板及其制品中甲醛释放限量标准所要求的游离甲醛gmg/lo og限量标准。木材在加工过 程中产生 的废弃物和废弃木制品以及建筑木制品 垃圾,可以综合利用和多次循环利用,不产生剩余物对环境的污染。此 外,经加压防腐处 理的木材是水面或水下建筑所 能使用 的最佳建筑材料之一。其弹性足以抗衡海水和船只 的冲击,同时对海水的浸蚀 破坏作用有天然 的抵抗力。木材不会生锈或裂成碎片,而且比其他 材料更 不易受腐蚀作用 的影 响。因此建筑离不开木材,木材给建筑增添了新的功能和作用。2木材在 建筑应用中的缺陷2.1收缩、变形与开裂木材 中含有水分,这 种水分一部分是游离水,一部份是吸附在木 材 孔壁 上 的 吸 附水,作为原生材的含水率是比较高的。如:云杉平均生 材含水率约 为13 2%,而作为木 材使用环境的平衡含水率远低于生材的含水率,如表4所示。裹4地地区名称称北京京天津津南京京福州州广州州长沙沙哈尔滨滨西安安卜,木齐齐重庆庆平平衡含水率(%)11.4 4 412.1 1 114.9 9 915.6 6 615.1 1 116.5 5 513.6 6 614.3 3 312.1 1 115.9 9 9而在建筑中对木 材又 有使用含水率的要求,如表5所示。衰5建建筑用途途墙体结构构内衬板板窗户户过道道室 内门门含含水率(推荐值)小于2 0%8%12%10%15%10%15%8%、12%为达 到与环 境 的含水率和使用 要求的 含水率相 平衡,木 材 中 的多余水分必须蒸发 出去,蒸发后 木材 的含水率会低于 饱和点。饱和点 系指 木材 中 的游离水完全蒸发,孔 壁水尚未开 始蒸发时木 材 的含 水率,建筑中常用 的松木和云杉的饱 和点大约 是3 0%,如果 木 材的含水率低于饱和点,再继续脱水,孔 壁水就开 始减少,木 材就开始收缩。木 材是非匀质材料,收缩是不均 匀 的,由于木材本身的径 向和弦 向的收缩 差异及年轮所造成 的角度不同会产生 歪斜变 形;由于木 材纹理排 列不同,会产生翘曲变形;木材 干燥收缩所产生 的应力往 往又 会表现 出端裂、表裂、心裂 和蜂窝裂等缺陷。表6为几 种常用 的建筑木 材 的 干缩率。裹树种名称杉木!兴安落叶松0.114,0.13610.16 8干缩率(%)02 380.2 86039 8云杉0.1(荀0.2 75红松0.!2 20.32 1白桦0.25 90.33 6毛白杨0.1420.289作为建筑的墙体材 料 在JC 3o2 9一1 99 5住宅 内隔墙轻质条板标准 和J3 G06 3一199 9工 业灰渣混凝土空心隔 墙条板 标准指 出,干燥收缩值为0.8m劝“m和0.6n n I“m,显然 木材在使用 之前,要尽 量除掉多余的水分,尽量使收缩与 变形 消化和 克服在使用前。.22木材的霉变 与蛀蚀木材 的主要化学组成是 木 质素、纤维素和半纤 维素以及许多次要成分,如树脂、脂肪、蜡、单宁、果胶质、蛋白质、淀粉等。纤维素是 不溶于水的简单聚糖;半纤维素包含有几种不同化学结构的聚糖;木质素是一类复杂的芳香族物质,属天 然高分子聚合物。从木材 的化学结构组成含有单糖、聚糖、木糖、聚阿拉伯糖和碳水化合物,这都是虫 蛀和蛀蚀 的基本条件。木材 的吸湿 和降解又 导致霉变,蛀蚀和霉 变都会使木材的强度下降,而影响木建筑的强度和耐 久 性。作为 一个基本原 则,木 材 在使用 之前,应做 防霉和防 蛀 的处理。2.3防火建筑防火是一项 系统工程,它不是单单依赖于结构材料 的耐火极 限和燃烧性能,美 国的建筑构件的耐火试验均 按ASM TlEl g有关规定 进行,这个规定涉及到阻止 火焰产生、消防报警、控制火焰增 长、限止和扑 灭 火焰等各项 规 范 要求。但作为木 材是 一 种可燃 性 材料,虽 然木材燃烧,表面会产生炭化层减缓火焰进一步向木构件内部燃烧,但是 炭化 速度平均为0.6 0m耐而n,依然存在向木构件 内部燃烧的可 能性,往往 结合不同树种的 炭化 速度,可计算出木构件的尺寸,根据火灾后,构件能保持原构件的设计强度的8 5%一9 0%。在美国木 构件最小尺 寸一般 规定:柱:20()mmx15 2m m梁:15 2mmx25 4m m楼板:76m m我国在GB 862 4一1 99 7建筑 材 料燃烧性能分级 方 法中把木 材 分类于BZ可燃性 材料,同时在G B50 045一9 5高层建筑民用建筑设计防火 规范及GB 50 22 2一9 5建筑内部装修设计防火规范中,都明确规 定作为非 承重墙、走 道两侧隔墙 的耐 火 极 限为l;h房间隔墙为0.5一o.7h;吊顶为o.2h 5。因此木 材要用于建筑必需进行 防火 处理。3木 材在建筑 中的应 用处理和保 护3.1木材 的干燥基于采伐的木材含水率远远 大于环境大气平衡 含水率和实际使用含水率,为 此必须对木材 进行干燥,以防 止在使用时因木材自身干燥,造成 的收缩变形。木材 的干燥 包括 自然干燥和人工 干燥两种方 法。人工干燥 的方法很多,诸如:窑 干法、液体干燥法、高频 电流电场干燥法、红外线干燥法、离心 力干燥法和真空干燥法等,可根据特 殊要 求和 经济许可,加以选择,但生产中较为常用 的还是 窑干法。3.1.1自然 干燥是指将木 材堆 放在 阴棚下,在 自然 条件下 进行干燥,采取 这种方 法进行木 材干燥,应该 注意气候的变化,合理堆积木材,排 列疏密适宜以提高干燥的速率和防止翘曲,这 种方法简单易行,但干燥周期 长,干燥程度 最大 只能达到平衡含水率为止,而且干燥 过程 中容易发生开 裂和腐朽等现象。在实 际 中往 往是将自然干燥作为人工 干燥的辅助措 施以降低 人工 干燥 的能耗。3.1.2窑 干法是将木材置 于具有保温 隔热的密闭建筑物内,控制 干燥介质(空气、炉气体、过热蒸汽等)的 温度、湿度与气流 速度和方 向,进行木 材干燥处 理。同时 根据不同木材 与介质间的热和水分传递的规律性,以及木质的质量要求,定出合理 的干燥基准,合理 的干燥基准十分重要,可以避免内应 力 的发生,防止翘曲和开 裂。窑干法可缩短干燥期,并可达到所需木材 要求 的含水率并可保证一定的木材质量。3.1.3高频率电流 电场干 燥法这种方法是将木材放在高频率电流发生器 的容 电器 内进行 干燥。蒸发水分所需要 的热力产生于干燥用 材 的内部,而不 是 由外部传人,即在 干燥过程 中沿着用材的厚度,由内向外 发生 相当大 的温度梯度。这种梯度能够使得由木材内部到外部的水分迅速移动,可以大大缩 短 干燥 延续 期。这 种 干燥 方 法 的干燥质 量 是最好的,不易 产生 干燥 裂变,但耗 电较大,往往和自然 干燥 相结合可以降低高频电流 电场干燥的综合费用。3.1.4液体干燥法这是 一种化学 干燥法,将木 材浸 在溶化 的石蜡油或硫磺内,由于受到高温水分蒸发,在 温度 为12 0一1 30时,能使干燥延续 期缩 短 为普通炉 干 的1/2 0或1/3 0,而且 某种 程度 还能提高木 材 的防水性和抗腐性,这对建筑用 木材 的处理 是十分适 用 的。3.2加压处 理木 材这是 防止 木材虫蛀和腐蚀 的保护,其过程 是将水溶性 的 防腐剂,诸如:柠檬酸氨溶 铜(A)C、铬酸铜(Ac)C、氨溶铜 季胺盐(Ac)Q和含硼类 防腐剂,置于封 闭 的容器内,经加 压使化学物渗透 到木材 的 内部,渗透的深度和保留程 度视建筑要求而不 同,加 压处理 的木 材,可有效 地防御昆虫、微生物和腐蚀性真菌的噬食,大 大的延 长和确保了木 材在建筑上 的使用 寿命。3.3木材 的防火 处理木材 的防火 处理在建筑上多是采用化 学处 理与复合处 理,达到 防火阻燃的效果。所谓化学处理是 将 阻燃剂,诸如:聚磷酸钱;硼酸+硼砂;磷 酸氢二 胺;镁盐复合磷酸盐;氢氧化铝与磷酸盐 的复合,将上述 阻燃 剂配制成 一定 的浓度,将木 材置 于密闭的容器里采取加压浸渍,使阻燃剂渗透到 木材 内部,达到阻 燃 防火的 目的。应该说 明 的是 木材 经过阻燃处理能降低 表面火焰燃烧速 度,但不能 提高构 件的耐火等 级。化 学处理的另 一种途 径是 涂覆耐 火涂 料,国产 的B6 0一2木 结构 防火涂料、M C一2 0木 结构防火 涂 料以及复旦 大 学研制 的“雪山牌”特 种 防 火 涂 料都具 有 优 良的 防 火 性 能,按ZB G一5100 2一8 5标准,其耐火 时 间都可达3 0mi n以上,有 的可 达 h l以上。MC一2 0的耐 火J性能如 表7所示。表,涂层厚度耐火极限而n在防火要求苛刻的条件下,除木 材进行 阻燃处 理和防火涂 料涂 覆外,还采取覆盖难 燃或 不燃的板材,通常采用 防火石膏板或水泥刨花板,石膏刨 花板可以阻断火焰和木 结构的接触,以满足 规定 的耐火极 限要求,即所谓 的综合复合处理。3.4结构 保护木材 的结构保护是传统 的保护方法,其基 本措施 是 防止水分渗人 木结 构 中并确保木材的 干燥。室外建筑 中的木 材必 须 避 免 直接 淋 雨以及 避 免 建 筑物 中水在木 材表面的长期 沉积,采取下列措施可以降低水和潮气对室外木 结构产生的影响:(l)要使墙体的木结构部分离地面至 少在30 0m m以上,以避免雨水溅 到墙体的木 结构上。外墙 底部 的连接部分要 处理 好,避 免底 部木材 吸湿 水分。(2)要使屋檐有 足够的宽度,避免屋顶 的雨水 流到 墙面上。(3)木制的外墙饰面板背后要留有通风 的空间,避 免死 角和接口部位等有雨 水沉 积,确保受潮的结构部位能很快干燥。(4)结构设计时,排 出的雨水不能 浸湿建筑 的其他部位,排水 管及槽的设计合理,保证雨水朝设计的方向流 出,设计时木 外墙和木结 构表面要进行防水涂料保护,饰面的背面必须通 风,通风带 的宽度至少要2 0mm。(5)连接部位的设计要考 虑到干湿变化 产生 的收缩和膨胀对构件产生 破坏。木墙体内部两端,由热端到冷端,水蒸气的隔离层 逐渐减少。除此之外 木建筑 的所有金属 连接件必须是防锈的。木材和木制品以及人 造板是 建筑不 可缺少 的材料,要充分利用 和发挥它的优良性能,才能同时克服它的某些 不足,为人类更好地 服务。