【木材百科】木材變形、開裂的原因

木材變形、開裂是木材的一大缺陷。造成木材變形開裂的原因雖然比較複雜,但歸納起來主要有兩點:一是內因,二是外因。

一、內因

木材變形開裂的發生與木材構造有密切關係。因爲木材在構造上是一種非均一的有機體,既具有向異性,又具有多孔性。木材的這種性質,是由構成木材細胞的形狀、構造和排列方式造成的。


木材細胞內含物的含量很少,約爲總含量的2-3,僅影響着木材的顏色、氣味或耐久性等,對木材的變形、開裂等重要物理性,則影響甚微。就木材細胞的形狀來看,長、寬相差很大。如針葉材的管胞,其長度平均約爲寬度的75-200倍。


構成木材細胞的大量而主要的部分是細胞壁,約佔絕幹木材重量的96%,主要由纖維素、木素和半纖維素等高分子有機物所組成。細胞壁則又由更小的分子單位—微細纖維所組成。細胞壁中的微細纖維,大多數又是和細胞的長軸方向排列一致。


基於上述原因,就形成了木材在構造上的異性不一致,同時,也就形成啦木材-系列的物理、力學性質上的向異性。以幹縮爲例、木材的縱向全乾縮率平均約0.1-0.3%;橫紋徑向約爲3-5%;橫紋旋弦向約爲6-10%。


造成木材變形開裂的原因,還與木材的多孔性以及親水性有關。木材中的孔隙不僅在細胞腔和細胞間隙中大量存在,而且在組成細胞壁的微細纖維中,也存在一定數量的孔隙。其孔隙都爲水分所佔據。存在於細胞腔和細胞間隙中的水分,稱爲自然水分;存在細胞於細胞壁微細纖維的水分,稱爲胞壁水。


在木材進行乾燥時,最容易並首先蒸發的是自由水。在自由水蒸發完畢之後,纔開始蒸發胞壁水。當自由水蒸發完畢,細胞壁微細纖維中的胞壁水尚在飽和狀態時,稱爲纖維飽和點這時的含水率約爲23-33%,平均約爲30%。


當含水率在纖維飽和點以上時,水分的增減變化只發生在細胞腔內或細胞壁間隙間,木材的形體不發生變化。只有纖維飽和點以下,木材中水分增加或減少時,纔會造成木材的膨脹或收縮。此時,木材中水分增減變化是發生在細胞壁內。


當細胞壁水蒸發而減少時,由於構成細胞的微細纖維相互靠攏、收緊,而使細胞壁薄,細胞體積縮小,因而引起木材整體的變小—幹縮,直到胞壁中的水分全部蒸發完,木材達到絕幹,收縮才告終止。相反;在纖維飽和點以下的木材,當吸收水分時,隨着水分不斷的滲入細胞壁微細纖維間,使微細纖維漲開,則胞壁變厚、細胞體積變大,從而造成木材整個體積變大,形成木材溼脹。


從以上分析可以看出;1.細胞壁微細纖維間的孔隙設計胞壁水存在的場所,而胞壁水的增減變化,則是引起木材細胞以及整體變形包扣膨脹、收縮以及彎曲、開裂等的原因;2.木材細胞的構造、形狀和排列方式,是造成木材橫向收縮顯著大於縱向收縮,並常沿縱向開裂的原因。


二、外因

導致木材發生翹曲、開裂的原因,除與木材本身的構造特點有關外。還與一定的外屆環境條件有很大關係。例如,把溼的中薄板材寬面放近火爐,只進行單面烘烤時,這些板材很快就發生彎曲形;遠離火源的板材則不會這樣。又如,在露天烈日高溫暴曬下存放的木材,容易變形開裂,但在室內存放時,則不容易發生變形開裂。


另外,營設備良好的窯乾燥木材,不僅可以縮短木材幹燥的時間,而且可以保證木材幹燥的質量。相反,若把木材放在大氣中進行氣幹時,不僅乾燥時間長而且質量差。


此外我們還可以看到,生長期間的樹木,當局部樹皮發生偏枯時,久之則會在乾枯的部位發生開裂。

從以上大量事實說明,引起木材不均勻乾燥、不均勻收縮的條件,是造成木材變形與開裂的外因。因此,原木進行露天存放時,若不去皮,可防止材身縱裂;當端部塗刷某些防水塗料時如瀝青、重油混合塗料,桐油、石灰混合塗料,聚醋酸乙烯乳液等,則可以預防上部木材變形開裂。


有些立木的裂紋也可能由其它原因引起,如分佈於東北原始林區的白皮榆,在離地面一米高的幹形內,由於凸凹及夾皮關係,可形成縱橫交錯的各種條紋俗稱大花臉。

三、木材彎曲開裂表現形式及其規律

木材彎曲開裂,既有一定的表現形式又有一定的表現規律。主要表現在以下幾個方面;


(一)與材種的關係


1.一般來說,硬度大容積重大的木材硬度低、容積重小的木材容易變形開裂。這主要是因爲容積重大的木材胞壁比較厚,收縮性比較大的緣故。如針葉材中的落葉鬆、蒙古櫟、榆樹,都是容易發生變形開裂的樹種。但據有人研究,這一關係對有些樹種出入較大,如椴木的容積重雖比樺木小3分之1,其收縮都和樺木差不多。


2.木射線是由薄壁細胞組成的薄壁組織,比較脆弱。因此,木材幹縮時很容易在這裏開裂。這種現象在柞木上表現最甚,存放時間較久的原木端面,尤爲明顯。


3.幾種木材常識針葉樹種木材容易變形開裂


4.開裂很容易沿年輪交界處發生,端頭尤其如此


(二)與木材部位的關係

1.心材部分較邊材部分容易開裂


2.節子較正常部位的木材容易開裂


3.同一根原木和同一塊製材(包括去皮後的原木)。越靠近端頭和表面的部分,越容易開裂。規格越大的木材,這種現象表現程度越厲害


4.弦切面較徑切面容易變形的開裂



(三)與材種、規格的關係


1.原木:帶皮原木一般只發生端裂(主要爲輪裂和徑裂);去皮原木,除可發生端裂以外,也常發生的縱裂,具有扭轉紋的原木,則可發生斜裂(扭轉變形)


2.材質(成材或鋸材):小尺寸的板(薄板和比較薄的中板)、方纔(小方),在乾燥過程中不容易開裂,但乾燥不當,造成不均勻收縮時,容易變形。在小方中,最多常見的爲長向(縱向)順彎或不規則的彎斜;在薄板和較薄的中板中,最常見的變形有順彎、橫彎、卷瓦形彎曲(又稱翹彎),以及在同一平面上的變形等。


(四)與木材結構、紋理關係


木材變形的方式以及開裂時裂紋的走向,都與木材的結構,特別是木材的紋理關係甚密。


1.由於組成木材的細胞中,除木射線細胞在樹幹中呈橫向排列外,其他絕大多數細胞都呈縱向排列。因此,去皮原木材身及製材表面多爲縱向開裂


2.原木和製材容易產生端部輪裂和徑裂。不僅製材輪裂沿木紋向縱向開裂很長,即是帶皮原木,輪裂有時也很嚴重。製材徑切板一般爲縱向裂紋;弦切板除產生縱裂外,還常沿紋理呈斜向開裂、拋物線形開裂。在節子周圍,還常發生亂紋開裂、渦紋開裂、環節開裂,以及裂紋和板材縱長垂直的橫向開裂。某些容易發生開裂數種的弦切板,當開裂嚴重時,板面木紋裂紋和端而輪裂可聯通一起,形成層狀開對木材危害極大。另外,具有扭轉紋的去皮木原木,常沿扭轉紋開裂。


3.具有偏寬年輪、扭轉紋、亂紋、渦紋構造的板材(主要是中薄板),乾燥時容易產生不規則的翹扭變形


(五)與貯存、乾燥方式的關係


陽光暴曬、風吹雨淋、時幹時溼,在不良環境條件下零亂置放,都會發生開裂變形