乾縮濕脹

乾縮濕脹主要是針對木材或其他材質因含水量而產生體積變化是形容而用。當木材含水率降到纖維飽和點以下時，木材蒸發的水分由細胞腔內的自由水變為細胞壁內的吸著水，由於吸著水的減少，導致木材細胞壁的縮小，從而木材外形尺寸變小，這就是乾縮；同理，過程反過來就是濕脹。

基本介紹

• 中文名：乾縮濕脹
• 外文名：Hygroexpansion
• 學科：土木工程
• 產生原因：由於大氣相對濕度
• 分類：線乾縮與體積乾縮
• 表達參數：乾縮率和乾縮係數

木材幹縮和濕脹現象

（1）木材幹縮和濕脹

濕材因乾燥而縮減其尺寸的現象稱之為乾縮；乾材因吸收水分而增加其尺寸與體積的現象稱之為濕脹。乾縮和濕脹現象主要在木材含水率小於纖維飽和點的這種情況下發生，當木材含水率在纖維飽和點以上，其尺寸、體積是不會發生變化的。

木材幹縮與木材濕脹是發生在二個完全相反的方向上，二者均會引起木材尺寸與體積的變化。對於小尺寸而無束縛應力的木材，理論上說其乾縮與濕脹是可逆的；對於大尺寸實木試件，由於乾縮應力及吸濕滯後現象的存在，乾縮與濕脹是不完全可逆的。

乾縮與濕脹對木材利用有很大的影響。乾縮對木材利用的影響主要是引起木製品尺寸收縮而產生的縫隙、翹曲變形與開裂；濕脹不僅增大木製品的尺寸發生地板隆起、門與窗關不上，而且還會降低木材的力學性質，唯對木桶、木盆及船等浸潤脹緊有利。

木材幹縮（濕脹）的種類

木材的乾縮分為線乾縮與體積乾縮二大類。線乾縮又分為順著木材紋理方向的縱向乾縮和與木材紋理相垂直的橫向乾縮。在木材的橫切面上，按照直徑方向和與年輪的切線方向劃分，橫向乾縮分為徑向乾縮與弦向乾縮。

縱向乾縮是沿著木材紋理方向的乾縮，其收縮率數值較小，僅為0.1—0.3%，對木材的利用影響不大。橫紋乾縮中，徑向乾縮是橫切面上沿直徑方向的乾縮，其收縮率數值為3—6%；弦向乾縮是沿著年輪切線方向的乾縮，其收縮率數值為6—12%，是徑向乾縮的1-2倍。由於木材結構特點使得它在乾縮和濕脹性質上表現出明顯的方向性，各個方向乾縮濕脹的不均勻性對木材加工利用有重要影響，不可忽視。

由於木材徑向乾縮、弦向乾縮數值均較大，導致其體積乾縮數值大，通常木材體積乾縮數值在1~20%範圍內變化。這大數量的體積變化，對於含水量高的板材、方材和原木等產品來說，在貿易上會產生材積數量的短缺，木材流通領域應注意此問題。

影響因素

影響木材幹縮和濕脹主要因素，木材幹縮濕脹除了明顯的各個方向的異性外，還與下列因素有關。

（1）樹種 樹種不同，其構造和密實程度不同，乾縮濕脹樹種間差異很大（表5-5）。有的樹種很容易乾燥，乾縮濕脹和變形都很小，而有的樹種特難乾燥，其乾縮濕脹很大，使用和乾燥過程中特別易發生開裂變形。

（2）微纖絲角度 木材管胞或纖維胞壁S2層微纖絲角度對木材各向乾縮有較大的影響，如圖5-8。微纖絲角增大，縱向乾縮變大，而弦向乾縮變小。特別是微纖絲角大於30，木材縱向乾縮明顯增大，會因起板材翹曲現象。人工林短周期小徑材或帶有髓心的板材易發生此種現象，直接影響到板材的利用。

（3）晚材率 木材年輪內早晚材顏色差異大，反映出其密實程度差異大。現代技術X-射線密度儀顯示晚材最大密度要比早材最小密度大2-3倍。表5-6為馬尾松木材晚材率與其橫紋乾縮間的關係，隨著晚材率的增大，徑弦向乾縮率直線增加，並且弦向乾縮始終大於徑向乾縮。表5-3中三個樹種為分離後的早材、晚材分別測定的結果，早材、晚材弦向乾縮也大於其徑向乾縮。這也反映出密實程度大的晚材幹縮性，要比密實程度小、鬆軟的早材幹縮大得多。木材的順紋乾縮與此相反，即木材順紋乾縮率與密度成反比。當晚材率增加時，順紋乾縮減小，即木材密度愈小，早材相應增多，順紋乾縮亦因而愈大。之所以如此變異，為早材次生壁的中間層較薄，微纖絲的排列相對的成較大角度，木材順紋乾縮與此角度成正比，所以早材率越大，木材順紋乾縮也越大；晚材率大，木材順紋乾縮小。

（4）樹幹中的部位 樹幹中近髓心的木材，其縱向乾縮率大，徑向乾縮與弦向乾縮小；而遠離髓心的和近樹皮處的木材縱向乾縮小，徑向乾縮與弦向乾縮小。這種變化與木材密度和纖絲角度隨年齡變化規律有關。

木材幹縮與濕脹各向差異的原因

木材幹縮、濕脹之所以有縱向、橫向不同及徑向與弦向的差異，主要與組成木材這種材料的細胞種類、細胞壁構造和化學成分特性相關。針葉材主要是有管胞組成，有少量的木射線組織。闊葉材主要組成分子是木纖維、導管、軸向薄壁組織和木射線。它們細胞壁主要化學組成是纖維素、木素和半纖維素及少量浸提物。理解這些細胞壁結構特性和化學成分的性質，就不難理解木材幹縮與濕脹各向差異的原因。下面分別敘述順紋方向（縱向）乾縮與橫紋方向（橫向）乾縮差異及橫向乾縮中徑向與弦向差異的原因。

縱向乾縮與橫向乾縮差異的原因

木材縱向乾縮小，橫向乾縮大。形成此種現象的主要原因，關鍵在於木材的構造和化學組成成分的特性。木材中僅有木射線細胞是橫向排列，絕大部分細胞是縱向排列。而細胞壁以次生壁占絕大部分，次生壁中S2層占絕對優勢（70—90%），因此木材幹縮主要取決於次生壁S2層微纖絲的排列方向。微纖絲是由纖維素長鏈狀分子組成，纖維素與水有很大的親和力，木材的含水率在纖維飽和點時，細胞壁完全充滿水。當含水率在纖維飽和點以下時，木材開始乾燥，水分蒸出，微纖絲之間的距離逐漸縮小；至絕乾材時達到最大幹縮量。反之絕乾材吸收水分後，微纖絲之間的距離逐漸增大，木材膨脹，直至纖維飽和點時達到最大濕脹量。

木材細胞壁次生壁中間層微纖絲主軸是由C-C、C-O鍵連結，水分子無法進入到纖維素分子鏈內的長度方向。微纖絲鏈狀分子上的碳、氧原子只能在原子核範圍內活動，其本身軸向不發生收縮。由於正常木材細胞次生壁中層微纖絲排列方向與主軸不完全平行，而成10—30o的夾角，橫紋收縮時在軸向會產生微小的分量（0.1-0.3%）。因此軸向收縮很小，橫向乾縮大於縱向。縱向收縮的大小主要取決於微纖絲角的大小。由於S1層、S3層微纖絲排列方向與主軸近於垂直，S1層微纖絲在內起著支架作用，限制S2層向內收縮；S3層微纖絲在外層圈著S2層，限制S2層向外過度膨脹，因此木材不會發生無限膨脹和無限收縮。

徑向與弦向乾縮差異的原因

木材徑向乾縮是弦向乾縮的一半，產生這種現象的原因複雜，不是單一理論可以解釋，而且與不同的樹種、木材的構造有關。目前，解釋其原因主要有早晚材的影響、徑向木射線的抑制作用、細胞徑向壁與弦向壁木素含量的差異及紋孔數量多少的影響等理論。

（1）早材與晚材的影響

木材收縮量與其細胞壁所含物質含量多少成正比。早材材質輕軟，細胞壁物質含量少，密實程度低，乾縮小；晚材材質較硬，細胞壁物質含量多，密實程度大，乾縮大。橫切面上徑向，年輪中早材與晚材是串聯的，徑向乾縮是早材幹縮和晚材幹縮的加權平均值。而弦向，年輪中早材與晚材是並聯的，弦向乾縮主要受晚材的影響，乾縮大的晚材迫使整個年輪均隨晚材幹縮，因而使弦向乾縮接近於晚材的乾縮，而這樣就造成木材的弦向乾縮大於徑向。

（2）徑向木射線的抑制作用

木材中，木射線是唯一橫向排列細胞所組成。木射線細胞呈徑向排列，其細胞微纖絲排列方向與射線細胞軸向一致，因其縱向收縮小，機械地抑制木材徑向收縮；而木材弦向為射線細胞的橫向，橫向乾縮大。這使得木材徑向收縮小於弦向。北美紅櫟實驗表明，單一木射線組織徑向上的全乾縮為2.5%； 而無射線的部分徑向全乾縮率為5.1%。柳杉、赤松、扁柏等樹種均與假設相等。

（3）細胞徑向壁與弦向壁中木素含量的差異的影響 木材主要化學成分中，木素的剛度比綜纖維素（纖維素、半纖維素）高，木素的吸濕性比綜纖維素小。木材縱向細胞的徑面壁上木素的含量比弦面壁高，其吸濕性較弦面小，多少限制了木材徑向乾縮。

（4）木材各種細胞乾燥過程本身不均勻收縮

木材細胞分子中，導管、薄壁細胞弦向乾縮大於徑向乾縮，木射線寬度方向乾縮（木材弦向）較長度方向（木材徑向）乾縮大，致使弦向乾縮大於徑向。早晚材管胞弦向乾縮大於徑向。木纖維各向乾縮幾乎相同。

（5）徑壁、弦壁紋孔數量及其周圍纖絲角度變大的影響

紋孔是細胞次生壁局部未能加厚而留下的孔道。紋孔的存在使其周圍微纖絲的排列方向偏離了細胞主軸方向，纖絲角度變大，導致紋孔周圍縱向乾縮大，橫向（徑向）收縮小。徑切面紋孔多（針葉材特別明顯），其纖絲角度大，縱向乾縮大，橫向（徑向）收縮小。弦切面紋孔少，纖絲角度小，縱向乾縮小，橫向（徑向）收縮大，故弦向大於徑向。此外，紋孔越多，胞壁實質就越少，木材的乾縮與胞壁實質成正比。徑面壁上紋孔多，胞壁實質少，橫向乾縮小。