第三节 木材的结构
一、原木结构
将长成的树采伐后去掉树枝,留下的树干称为原木,如图2-39所示。
图2-39 原木的结构
二、木材的三切面
为了达到全面了解木材构造的目的,人为确定的、三个特定的木材截面称为木材的三切面。木材的三切面可充分把木材结构特征反映出来,如果想要充分认识木材的结构特征,就必须通过木材的三切面进行。木材的三切面不是木材的特征,只是研究木材特征的方法。木材的三切面分别为横切面、弦切面、径切面,如图2-40所示。
图2-40 木材的三切面
(1)横切面(cross section)。它是与树干长轴相垂直的切面,亦称端面或横截面。在这个切面上,可以见到木材的生长轮、心材和边材、早材和晚材、木射线、薄壁组织、管孔(或管胞)、胞间道等,是木材识别的重要切面。
(2)弦切面(tangential section)。它是顺着树干长轴方向,与木射线垂直或与生长轮相平行的纵切面。弦切面和径切面同为纵切面,但它们相互垂直。在弦切面上生长轮呈抛物线状,可以测量木射线的高度和宽度。
(3)径切面(radial section)。它是顺着树干长轴方向,通过髓心与木射线平行或与生长轮相垂直的纵切面。在这个切面上可以看到相互平行的生长轮或生长轮线、边材和心材的颜色、导管或管胞线沿纹理方向的排列、木射线等。
三、弦切板与径切板
将原木锯成木板和扁方材,就成为制作木包装用的木材。使用木材时要注意顺纹与横纹,要区别径向与弦向;在木材加工中通常所说的径切板和弦切板,与上述的径切面和弦切面是有区别的。在木材生产和流通中,借助横切面,将板宽面与生长轮之间的夹角在45°~90°的板材,称为径切板;将板宽面与生长轮之间的夹角在0°~45°的板材,称为弦切板。如图2-41所示。其中弦切板强度较高,径切板强度较低。
图2-41 弦切板与径切板
四、心材和边材
木材有心材和边材之分,边材在木质部中,靠近树皮的外环部分。心材在髓心与边材之间的木质部。心材色深,边材色浅。边材有输导树液和储藏养分的部分,最外部还有生成形成层的部分。心材是由失去活力的细胞组成,充满树脂、树胶、单宁和腔壁色素等物质,因而颜色较深,抗腐蚀能力强,干燥困难。因此,在进行木材的干燥时,尽量不将心材与边材放在一起干燥。如图2-42所示。
图2-42 心材和边材
心材含水量较少,不易翘曲变形,抗蚀性较强;边材含水量高,易干燥,也易被湿润,所以容易翘曲变形,抗蚀性也不如心材。在实际工作应用中,通常根据心、边材的颜色,立木中心、边材的含水率,将木材分为以下三类:
(1)心材树种(显心材树种)。心、边材颜色区别明显的树种叫心材树种(显心材树种),如松属、落叶松属、柏木属、紫杉属等针叶树材;水曲柳、栎木、榉木等阔叶树材。
(2)边材树种。心、边材颜色和含水率无明显区别的树种叫边材树种,如桦木、椴木、桤木、杨木及槭属等阔叶树材。
(3)熟材树种(隐心材树种)。心、边材颜色无明显区别,但在立木中心材含水率较低,如云杉属、冷杉属、山杨、水青冈等。
五、生长轮和年轮
树木在每个生长周期所形成的木材,通过形成层的活动,在一个生长周期中所产生的次生木质部,在横切面上表现为围绕着髓心构成的同心圆,称为生长轮;温带和寒带树木在一年里,形成层分生的次生木质部,形成后向内只生长一层,将其生长轮称为年轮。如图2-43所示。树木在生长季节内,由于受菌虫危害、霜、雹、火灾、干旱、气候突变等的影响,生长中断,经过一定时期以后,生长又重新开始,在同一生长周期内,形成两个或两个以上的生长轮,这种生长轮称作假年轮或伪年轮。假年轮的界线不像正常年轮那样明显,往往也不呈完整的圆圈。杉木、柏木、马尾松常出现假年轮。
图2-43 生长轮或年轮
生长轮在不同的切面上呈不同的形状。多数树种的生长轮在横切面上呈同心圆状,如杉木、红松等;少数树种的生长轮则为不规则波浪状,如红豆杉、榆木等;生长轮在横切面上的形状是识别木材的特征之一。生长轮在径切面上做平行条状,在弦切面上则多做V形或抛物线形的花纹。如图2-43所示。
不同树种和不同地区的木材,具有不同的年轮宽度。因此,木材不但是各向异性材料,而且是非均匀材料,同一根原木中不同部位的材料性质不完全相同。例如原木中心部分(髓心),容易腐朽,容易与周围的年轮脱离,这个部分强度很低;树皮影响包装外观,而且性能很差。
六、早材和晚材
木材有早材和晚材之分。早材(earlywood or springwood)是指生长轮中,在生长季节春夏早期形成的材质疏松轻软、细胞腔较大、胞壁薄、材色较浅的部分;晚材(latewood or summerwood)是指生长轮中,在生长季节秋冬晚期形成的材质较硬实、细胞腔小、胞壁厚、材色较深的部分。针叶材在生长轮内,靠髓心材色较浅者为早材,如图2-44(a)所示;而靠树皮材色较深者为晚材,如图2-44(b)所示。阔叶材在生长轮内,靠髓心管孔较大者为早材如图2-45(a)所示;而靠树皮管孔较小者为晚材,如图2-45(b)所示。
图2-44 针叶树的早材与晚材
图2-45 阔叶树的早材与晚材
早材过渡至晚材有两种变化方式,一种是缓变,早晚材间无明显界线,对于针叶树,仅是材色逐渐加深,如图2-44(a)所示;对于阔叶材,仅是管孔由大变小,如图2-45 (b)。华山松和红松等软松类木材的早材至晚材的过渡则较缓慢,因而界线不明显;另一种是急变,早晚材间有明显界限。对于针叶树,早晚材带材色区别明显,如图2-44(b)所示;对于阔叶材,早晚材管孔大小差异显著,如图2-45(a)所示。马尾松和油松等硬松类木材的晚材带明显,早材至晚材变化激烈。
在前一年的晚材与后一年的早材分界处形成清楚的生长轮界线。晚材占生长轮的比例叫晚材率,它是衡量木材强度大小的一个重要指标,年轮中晚材所占的比例越大,木材的强度越高。晚材率的计算公式如式2-1所示:
式中P——晚材率,%;
a——一个生长轮的宽度,cm;
b——一个生长轮中晚材的宽度,cm。
七、导管、管孔、管线
阔叶木树材通常具有输导组织,叫导管。在横切面上,导管和导管状管胞呈孔穴状,叫管孔。在纵切面上呈细沟状,叫管线。如图2-45和图2-46所示。针叶木没有导管,横切面上看不出有管孔存在,所以针叶木材也称无孔木材。管孔的类型、大小、分布、组合及排列等对阔叶木材的识别很重要。管孔的一般排列方式有如下几种,如图2-46所示。
图2-46 管孔的排列方式
(1)星散状。如图2-46(a)所示,如水曲柳、梧桐、白蜡树等。
(2)径列(辐射状)。如图2-46(b)所示,如蒙古栎、栓皮栎、短柄枹树等。
(3)斜列(“人”字形或“《”形)。如图2-46(c)所示,如桉树等。
(4)火焰状。如图2-46(d)所示,如板栗、麻栎、栲属等。
(5)团状。如图2-46(e)所示,如桑木、榆木等。
(6)波浪状(榆木状)。如图2-46(e)所示,如榆木、榉树等。
八、髓心与木射线
第一年轮组成的初生木质部分称为髓心(树心)。在横切面上从髓心向树皮方向呈放射状走向的细长组织叫木射线,它在水平方向输导树液的同时还储藏养分。如图2-43和图2-47所示。髓心材质松软,强度低,易腐朽开裂。木射线与周围细胞联结软弱,在干燥过程中,木材易沿木射线开裂。木射线在径切面呈带状,而在弦切面呈细长线状或纺锤状。木射线由于与其他组织垂直,该部分的结合较弱,干燥时该处易出现裂纹。木射线的宽度可分为5级:第Ⅰ级小于0.05mm,如针叶木和阔叶木中的杨木、柳木、七叶木等;第Ⅱ级在0.05~0.1mm之间,如椴木和槭木等;第Ⅲ级在0.1~0.2mm之间,如臭椿和梧桐等;第Ⅳ大于级在0.2~0.4mm之间,如栓皮栎、悬铃木和领春木等;第Ⅴ级0.4mm,如山龙眼、柞栎和麻栎等。
图2-47 木射线
九、胞间道
胞间道是由分泌细胞围绕而成的狭长细胞间隙。在针叶树材称树脂道(储藏树脂的胞间道);在阔叶树材称树胶道(储藏树胶的胞间道)。胞间道有轴向和径向(在木射线内)之分,有的树种只有一种,有的树种则两种都有。如图2-48所示。
图2-48 胞间道
具有正常树脂道的针叶树材主要有松属、云杉属、落叶松属、黄杉属、银杉属及油杉属。具有正常树胶道的阔叶树材主要有黄柳桉等,树胶道不像树脂道容易判别,而且容易与管孔混淆。
十、轴向薄壁组织
在木材的横切面上可以看到一些较其周围颜色浅的组织,是由形成层纺锤形原始细胞所形成的薄壁细胞,叫轴向薄壁组织,轴向薄壁组织可分为旁管型和离管型,如图2-49所示。它们沿树轴方向排列。在横切面上,呈比木材颜色浅的线条或围绕管孔的圆圈或斑点状,用水润湿后更为明显。薄壁组织由活的细胞组成,能储存养料,积聚废物,起到仓库作用。针叶木树材薄壁组织不发达,肉眼看不见,阔叶木树材则较明显。
图2-49 轴向薄壁组织
十一、颜色和光泽
构成木材细胞壁的主成分之间无明显的颜色差异,但由于各种色素、单宁、树脂、树胶及油脂等物质沉积于木材细胞腔,并渗透到细胞壁中,使木材呈现不同的颜色。木材的颜色能够反映树种特征,可以作为识别木材的特征之一。
木材的光泽是指光线在木材表面反射时所呈现的光亮度。不同树种之间光泽的强弱与树种、表面平整程度、木林构造特征、侵填体和内含物、光线入射(反射)角度、木材切面的方向等因素有关。
十二、气味和滋味
木材的气味来源于细胞腔所含有的树脂、树胶、单宁以及各种挥发性物质。由于不同树种的木材所含有的化学物质不同,因而会散发出各种不同的气味,针叶木中,松木具有松脂气味,柏木等具有芳香气味,雪松具有辛辣气味,杉木具有杉木香气等;阔叶木中,樟木具有樟脑气味,檀香与沉香具有芳香气味,楸木具有煤油气味,白蜡木具有甜菜气味等。可用于木材的识别。
木材的滋味来源于木材中所含的水溶性抽提物中的一些特殊化学物质。如黄柏、苦木、黄连木有苦味;糖槭有甜味;栎木、板栗有单宁涩味;肉桂具有辛辣及甘甜味。
木材的气味和滋味不仅有助于木材树种的识别,而且还有一些重要的用途。如香樟可以提取樟脑油,用樟木制作的衣箱和书柜可以防虫蛀;檀香木可以提取白檀油,制作檀香扇及雕刻玩具。
十三、结构、纹理、花纹
(1)结构是指组成木材的各种细胞大小的差异程度,大致分为以下几种:
①结构细。板面细腻平滑。针叶材晚材带窄,早材至晚材缓变者;阔叶材管孔小、射线细者均属结构细。
②结构中。板面略粗糙。针叶材晚材带宽,早材至晚材急变者;阔叶材管孔中、射线细者均属结构中。
③结构粗。板面粗糙。针叶材晚材带宽,早材至晚材急变者;阔叶材管孔大或射线宽者均属结构粗。
(2)纹理是指组成木材的纵向细胞的排列情况,大致分为以下几种:
①直纹理。指木纹与树干纵轴平行者。
②斜纹理。指木纹与树干纵轴成一定角度者。
③交错纹理。各层木材均为斜纹理,并且各层间交错排列。
(3)花纹是指木材表面因生长轮、木射线、轴向薄壁组织、颜色、节疤、纹理等而产生的图案。不同树种木材的花纹不同,对木材识别有帮助,并可做各种装饰材,使木制品美观华丽。常见的花纹有:
①“V”形花纹。在原木的弦切面或旋切单板上,由于生长轮早、晚材带管孔大小不同或材色不同,形成形似“V”状的花纹。
②银光花纹。具有宽木射线或聚合木射线的树种,在径切面上由于宽木射线斑纹受反射光的影响而显示的花纹。
③鸟眼花纹。原木局部的凹陷形成圆锥形,其图案近似鸟眼,故称鸟眼花纹。
④树瘤花纹。树瘤是树木的休眠芽受伤或其他原因不再发育,或由病菌寄生在树干上形成的圆球形凸出物,木质曲折交织。
⑤树桠花纹。枝桠的薄木花纹由于木材细胞排列相互成一定角度,近似鱼骨,故又称鱼骨花纹。
⑥虎皮花纹。由具有波浪状或皱状纹斑而形成的花纹。
⑦带状花纹。由于木材中的色素物质分布不均匀,在木材上形成许多颜色不同的条带。
十四、材表
材表(材身)是指紧邻树皮最里层木质部的表面,即剥去树皮的木材表面。各种树种的木材常具有独自的材表特征,对木材识别有一定的帮助。材表的主要特征有:
①平滑。材表饱满光滑。多数树种属于平滑,如茶科、木兰科的一些树种,特别是大部分针叶树材如杉木、红松等。
②槽棱。它是由宽木射线折断时形成的。宽木射线如在木质部折断,材表上出现凹痕,呈槽沟状;如在韧皮部折断,则在材表上形成棱,如石栎属、青冈属、鹅耳枥属等。
③棱条。由于树皮厚薄不均,树干增大过程中受树皮的压力不平衡,材表上呈起伏不定的条纹,称棱条。横断面树皮呈多边形或波浪形的材表上可以见到棱条。
④网纹。木射线的宽度略相等,且为宽或中等木射线,排列较均匀紧密,其规律形如网格的称为网纹,如山龙眼、水青冈、密花树、南桦木等。
⑤灯纱纹(细纱纹)。细木射线在材身上较规则的排列,呈现形如气灯纱罩的纱纹,称为灯纱纹或细纱纹,如冬青、猴欢喜、毛八角枫、鸭脚木等。
⑥波痕。木射线或其他组织(如薄壁组织)在材身上做规律的并列(叠生),整齐地排列在材身的同一水平面上,与木纹相垂直的细线条,称为波痕或叫叠生构造,如柿木、梧桐、黄檀等。
⑦条纹。材身上具有明显凸起的纵向细线条,称为条纹,常见于阔叶材中的环孔材和半环孔材,如甜槠、山槐、南岭栲等。
⑧尖刺。由不发育的短枝或休眠芽在材身上形成的刺,称为尖刺,如皂荚、柞木等。
十五、重量与硬度
木材的重量通常是指单位体积的质量,通常情况下会把木材的密度作为比较的指标,而不是直接比较重量;木材的硬度是指木材抵抗其他刚体压入的能力,在木材识别时通常将木材分为轻、次、重、最重与相应的软、次、硬、最硬四大类,常见木材的大致硬度分类请参见后面的表2-3。
表2-3 常见木材的硬度分类
木材的硬度用试验机,根据GB/T 1941—2009《木材硬度试验方法》进行测定,但在木材识别时要求较粗放,一般是用拇指甲在木材上试之有无痕迹,或用小刀切削,以试其软硬程度。
十六、髓斑、色斑、乳汁迹
髓斑是指树木生长过程中形成层受到昆虫损害后形成的愈合组织。髓班的大量存在会降低木材强度,但因髓斑很小,对一般的用途来说影响较小而被允许。但对航空或仪器用材以及其他特殊要求的用途来说,髓斑被视为一种木材缺陷而须加以限制;大量的髓斑出现于单板,也会降低其制成品的等级。
色斑是指有些树种的立木受伤后,在木质部出现各种颜色的斑块,称为色斑。如交让木受伤后形成紫红色斑块,泡桐受伤后形成蓝色斑块。
乳汁迹是一种沿木材径向呈裂隙状的孔穴,起源于叶及轴芽迹,通过某些阔叶树材具有乳液树种的木质部,在弦切面呈细长的透镜状,常误认为是小虫眼。
十七、内含韧皮部
在树干直径增大过程中,通常次生木质部位于形成层的内侧,次生韧皮部位于形成层的外侧。但在少数阔叶树材的次生木质部中具有韧皮束或韧皮层,称为内涵韧皮部,如图2-50所示。有以下两种类型:
图2-50 内含韧皮部
①同心圆型。形成层的寿命短,新的分裂组织在皮层中陆续产生,进行组织的形成,在树干产生筛部和木质部交替的连续层,或不连续的束状,如马鞭草科的海茄冬和豆科的紫藤。
②星散型。与同心圆型不同,单一永续的形成层进行分裂活动,但部分木质部的形成产生异常,在木质部中包含有筛部的束条,如白木香、小叶谷木和密花马钱子等。
针叶木与阔叶木的识别可以根据管孔、木射线、薄壁组织、年轮、树脂道、气味、材表、密度和硬度等特征进行检索。