【木材百科】木材变形、开裂的原因

木材变形、开裂是木材的一大缺陷。造成木材变形开裂的原因虽然比较复杂,但归纳起来主要有两点:一是内因,二是外因。

一、内因

木材变形开裂的发生与木材构造有密切关系。因为木材在构造上是一种非均一的有机体,既具有向异性,又具有多孔性。木材的这种性质,是由构成木材细胞的形状、构造和排列方式造成的。


木材细胞内含物的含量很少,约为总含量的2-3,仅影响着木材的颜色、气味或耐久性等,对木材的变形、开裂等重要物理性,则影响甚微。就木材细胞的形状来看,长、宽相差很大。如针叶材的管胞,其长度平均约为宽度的75-200倍。


构成木材细胞的大量而主要的部分是细胞壁,约占绝干木材重量的96%,主要由纤维素、木素和半纤维素等高分子有机物所组成。细胞壁则又由更小的分子单位—微细纤维所组成。细胞壁中的微细纤维,大多数又是和细胞的长轴方向排列一致。


基于上述原因,就形成了木材在构造上的异性不一致,同时,也就形成啦木材-系列的物理、力学性质上的向异性。以干缩为例、木材的纵向全干缩率平均约0.1-0.3%;横纹径向约为3-5%;横纹旋弦向约为6-10%。


造成木材变形开裂的原因,还与木材的多孔性以及亲水性有关。木材中的孔隙不仅在细胞腔和细胞间隙中大量存在,而且在组成细胞壁的微细纤维中,也存在一定数量的孔隙。其孔隙都为水分所占据。存在于细胞腔和细胞间隙中的水分,称为自然水分;存在细胞于细胞壁微细纤维的水分,称为胞壁水。


在木材进行干燥时,最容易并首先蒸发的是自由水。在自由水蒸发完毕之后,才开始蒸发胞壁水。当自由水蒸发完毕,细胞壁微细纤维中的胞壁水尚在饱和状态时,称为纤维饱和点这时的含水率约为23-33%,平均约为30%。


当含水率在纤维饱和点以上时,水分的增减变化只发生在细胞腔内或细胞壁间隙间,木材的形体不发生变化。只有纤维饱和点以下,木材中水分增加或减少时,才会造成木材的膨胀或收缩。此时,木材中水分增减变化是发生在细胞壁内。


当细胞壁水蒸发而减少时,由于构成细胞的微细纤维相互靠拢、收紧,而使细胞壁薄,细胞体积缩小,因而引起木材整体的变小—干缩,直到胞壁中的水分全部蒸发完,木材达到绝干,收缩才告终止。相反;在纤维饱和点以下的木材,当吸收水分时,随着水分不断的渗入细胞壁微细纤维间,使微细纤维涨开,则胞壁变厚、细胞体积变大,从而造成木材整个体积变大,形成木材湿胀。


从以上分析可以看出;1.细胞壁微细纤维间的孔隙设计胞壁水存在的场所,而胞壁水的增减变化,则是引起木材细胞以及整体变形包扣膨胀、收缩以及弯曲、开裂等的原因;2.木材细胞的构造、形状和排列方式,是造成木材横向收缩显著大于纵向收缩,并常沿纵向开裂的原因。


二、外因

导致木材发生翘曲、开裂的原因,除与木材本身的构造特点有关外。还与一定的外届环境条件有很大关系。例如,把湿的中薄板材宽面放近火炉,只进行单面烘烤时,这些板材很快就发生弯曲形;远离火源的板材则不会这样。又如,在露天烈日高温暴晒下存放的木材,容易变形开裂,但在室内存放时,则不容易发生变形开裂。


另外,营设备良好的窑干燥木材,不仅可以缩短木材干燥的时间,而且可以保证木材干燥的质量。相反,若把木材放在大气中进行气干时,不仅干燥时间长而且质量差。


此外我们还可以看到,生长期间的树木,当局部树皮发生偏枯时,久之则会在干枯的部位发生开裂。

从以上大量事实说明,引起木材不均匀干燥、不均匀收缩的条件,是造成木材变形与开裂的外因。因此,原木进行露天存放时,若不去皮,可防止材身纵裂;当端部涂刷某些防水涂料时如沥青、重油混合涂料,桐油、石灰混合涂料,聚醋酸乙烯乳液等,则可以预防上部木材变形开裂。


有些立木的裂纹也可能由其它原因引起,如分布于东北原始林区的白皮榆,在离地面一米高的干形内,由于凸凹及夹皮关系,可形成纵横交错的各种条纹俗称大花脸。

三、木材弯曲开裂表现形式及其规律

木材弯曲开裂,既有一定的表现形式又有一定的表现规律。主要表现在以下几个方面;


(一)与材种的关系


1.一般来说,硬度大容积重大的木材硬度低、容积重小的木材容易变形开裂。这主要是因为容积重大的木材胞壁比较厚,收缩性比较大的缘故。如针叶材中的落叶松、蒙古栎、榆树,都是容易发生变形开裂的树种。但据有人研究,这一关系对有些树种出入较大,如椴木的容积重虽比桦木小3分之1,其收缩都和桦木差不多。


2.木射线是由薄壁细胞组成的薄壁组织,比较脆弱。因此,木材干缩时很容易在这里开裂。这种现象在柞木上表现最甚,存放时间较久的原木端面,尤为明显。


3.几种木材常识针叶树种木材容易变形开裂


4.开裂很容易沿年轮交界处发生,端头尤其如此


(二)与木材部位的关系

1.心材部分较边材部分容易开裂


2.节子较正常部位的木材容易开裂


3.同一根原木和同一块制材(包括去皮后的原木)。越靠近端头和表面的部分,越容易开裂。规格越大的木材,这种现象表现程度越厉害


4.弦切面较径切面容易变形的开裂



(三)与材种、规格的关系


1.原木:带皮原木一般只发生端裂(主要为轮裂和径裂);去皮原木,除可发生端裂以外,也常发生的纵裂,具有扭转纹的原木,则可发生斜裂(扭转变形)


2.材质(成材或锯材):小尺寸的板(薄板和比较薄的中板)、方才(小方),在干燥过程中不容易开裂,但干燥不当,造成不均匀收缩时,容易变形。在小方中,最多常见的为长向(纵向)顺弯或不规则的弯斜;在薄板和较薄的中板中,最常见的变形有顺弯、横弯、卷瓦形弯曲(又称翘弯),以及在同一平面上的变形等。


(四)与木材结构、纹理关系


木材变形的方式以及开裂时裂纹的走向,都与木材的结构,特别是木材的纹理关系甚密。


1.由于组成木材的细胞中,除木射线细胞在树干中呈横向排列外,其他绝大多数细胞都呈纵向排列。因此,去皮原木材身及制材表面多为纵向开裂


2.原木和制材容易产生端部轮裂和径裂。不仅制材轮裂沿木纹向纵向开裂很长,即是带皮原木,轮裂有时也很严重。制材径切板一般为纵向裂纹;弦切板除产生纵裂外,还常沿纹理呈斜向开裂、抛物线形开裂。在节子周围,还常发生乱纹开裂、涡纹开裂、环节开裂,以及裂纹和板材纵长垂直的横向开裂。某些容易发生开裂数种的弦切板,当开裂严重时,板面木纹裂纹和端而轮裂可联通一起,形成层状开对木材危害极大。另外,具有扭转纹的去皮木原木,常沿扭转纹开裂。


3.具有偏宽年轮、扭转纹、乱纹、涡纹构造的板材(主要是中薄板),干燥时容易产生不规则的翘扭变形


(五)与贮存、干燥方式的关系


阳光暴晒、风吹雨淋、时干时湿,在不良环境条件下零乱置放,都会发生开裂变形