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關鍵詞:單板層積材;生產工藝;
隨著木結構建筑在當今世界使用的越來越廣泛,對木制構件的要求也越來越高,致使推出一種新型的人造材——單板層積材[1]。單板層積材(aminated Veneer Lumber,稱LVL)為一種新型板材的研究始于70年代初,美國和加拿大研究機構幾乎同時開發了LVL制造技術,而后芬蘭于1976年建成了第一條LVL生產線,目前日本的LVL生產線和生產廠已有19家之多。此外,澳大利亞、韓國、新西蘭、南非及俄羅斯等國家均有LVL工業化生產。中國林科院木材工業研究所1988年完成了LVL的研制,同年通過鑒定,產品為國內首創[2]。單板層積材是以小徑材和低質材原木為主要原料, 旋切成單板,經順紋組坯、膠合、熱壓成型的新型人造材。這樣的生產方式使得LVL與實木相比具有結構均勻、強度高、尺寸穩定性好等優點,能夠滿足木結構建筑、橋梁、家具和交通領域的使用要求[3]。同時,由于森林資源貧乏,大徑材越來越少,LVL的研究出現也了我國乃至一些發達國家原木使用的緊缺情況[4]。
1.單板層積材的制造工藝
單板層積材的生產工藝過程與膠合板的生產工藝過程極為相似,這兩種工藝中的單板制備過程幾乎完全相同,的差別在于組坯、熱壓和產品的后期處理等工段。單板層積材生產工藝流程如下:
原木截斷→蒸煮→扒皮→單板旋切→單板剪切→單板干燥→單板斜接→單板涂膠→組坯→預壓→熱壓→劇割→堆垛→檢驗→包裝入庫。單板層積材與膠合板生產過程的主要區別是:單板層積材用的單旋切厚度較大,一般均在3毫米以上;單板是順紋方向組坯膠合的,而膠合板則是以單板紋理相互垂直為原則組坯的[5]。單板層積材主要是以代替鋸材為目標的產品,強調的是產品的縱向力學性能的增強,突出的是木材的各向異性,而膠合板則是對天然木材各向異性的改造,強調的是各向同性[6]。
2.單板層積材的優異性能
(1)強度高。單板層積材的強重比遠遠優于一般建筑材料,甚至比鋼材更好[7]。單板層積材也比一般的膠合木力學強度要高很多。如用花旗松制成的順紋層積材力學強度比平行膠合木要高2~7倍[8]。因為普通的鋸材中普遍存在的樹節、蟲孔、交叉孔、裂縫、斜紋等天然缺陷被隨機分布在單板之間,使其具有強度均勻的工程特性,許用設計應力高,尺寸穩定性好[9]。
(2)規格靈活。由于其特殊的生產方法,這種材料的尺寸可以不受原木大小或單板規格的限制,生產和應用可以實現標準化、系列化。生產過程中按照一定的標準將單板分等,生產出不同等級質量的標準產品,完全可以滿足大跨距梁和車輛及船舶的需要,并且規格尺寸靈活多變,可自由選擇。
(3)穩定性好。單板層積材的層積結構大大減少了發生翹曲和扭曲等變形的可能,提高了構件的受力性能,從而使得構件穩定性更好。
(4)抗振減振性能良好。單板層積材具有極強的抗振減振性能,可抵抗周期性應力產生的疲勞破壞,并可作為結構材使用。
(5)經濟性較高。對原料無特殊要求,可利用速生材、小徑級及短小材為原料。單板層積材的經濟性集中表現在劣材優用,小材大用的增值效應。它可以使用不同樹種、不同質量的木材進行層積膠合,不需剔除節子等缺陷,與集成材相比可提高一倍以上的出材率。
(6)阻燃性和耐候性。單板層積材本身是通過熱壓而制成的,由于木材熱解過程的時間性和單板層積材的膠合結構,使得結構材的單板層積材耐火性比鋼材好。日本對美式木結構房屋進行的火災試驗表明,其抗火災能力不低于2小時,而重量較輕的鋼結構會在遇火后1個小時內喪失支撐能力[10]。而且結構用膠是屬于防水性的膠粘劑,它比其他木質材料有較高的耐候性。如果對單板進行特殊處理后再膠合,也可使其具有耐腐蝕性。
3.單板層積材在國內外市場的發展
(1)國際市場單板層積材的發展。
國際市場70年代單板層積材在北美和北歐得以迅速發展的原因在于當時北美木材需求量迅速增長,優質木材產品日益減少且價格大幅度上升,加上石油化工技術的速度發展使得合成樹脂的價格大幅度下降,給LVL的發展提供了良機[2]。
美國作為的建筑LVL生產國和消費國,目前已有多家建筑用LVL公司生產托梁、桁架、梁柱、枕木、承重墻[11],其中Trus Joist MacMillan Limited公司注冊了商品名為MicrollamuALVL,主要被用作桁架和工字托梁。加拿大目前有3家公司生產結構用LVL,其中Durand-Raute公司最早開發采用直接或斜接的方法生產大規格的LVL,并注冊商品名SELECTEM,年產量達19000[12] 。在亞太地區,LVL的生產能力以年均10%的速度增長,印尼有2條LVL生產線,新西蘭有1條生產線。日本早在1997年由中田欣作、杉本英明、井上英明[13]等人通過酚醛樹脂浸漬LVL來達到強化的目的。日本神戶大地震之后大量推廣木結構房屋,將成為僅次于美國的第二大建筑用LVL生產國,其生產能力約為加拿大的2倍,共有LVL全套生產線4條。歐洲LVL工程協會(ELVE)及英國建筑研究協會,都研究了楊木LVL的應用。到目前為止,在法國和芬蘭也都有用法國楊木為原料的LVL工業化生產。
一些發達國家也對LVL非結構應用進行了多方面研究。1983年,日本Watanuki[14]已經對橡樹、云杉層積材鉆框式家具上的應用進行了研究。1987年,Hoover[15]通過多方面的探討,表明在家具領域LVL不論在美觀上、性能上、經濟效益上都完全能夠代替實木使用,同時還制定了家具零部件設計規范。
2007年根據美國工程木材協會(APA)的年報,北美的結構木質板生產量可望達到402億平方英尺,單板層積材的產量將減少近12%。主要是美國的住房開工量會降低到152萬套,2006為180萬套,新的住宅建設占單板層積材需求量的75%。但長期以來,前景是樂觀的,因為預期住房市場開始恢復,并將在其后幾年中有所增長。2008年,美國的住宅開工量預計會達到165萬套,2011年會再次達到最高峰時190萬套。
(2)中國單板層積材的發展。
我國單板層積材的發展,可以說是從膠合板生產線上演化而來的。2000年華東地區,一些企業開始用楊木生產非結構用單板層積材,用來制造家具。吉林省一些企業用落葉松為原料,生產單板層積材出口到日本。還有一些企業生產單板層積材應用與車廂地板和集裝箱底板,總的來說規模很小。目前,浙江、江蘇、山東等地都有年產3萬m3的單板層積材生產線,全國產量較大的企業有上10家,主要分布在膠合板產業發達的地區,發展的潛力很大。但是單板層積材的質量與國際市場相比還存在著較大的差距,部分單板層積材的出口價格約為每立方米400美元,遠低于每立方米700—800美元的國際價格。
據息,2000—2010年我國建設用材缺口將由4000萬m3上升到9000萬m3。加拿大官員曾宣稱,目前在中國內地建造的木結構房屋只有300棟,計劃再建9000棟,估計中國內地五年內將使每年建造的木結構數量達到15000棟。木結構建筑正在中國悄然興起,具有廣闊的市場前景,這將單板層積材帶來廣闊前景[16]。
但是我國發展單板層積材也面臨著多方面的困擾,如原料供應緊張,價格上漲,近兩年國際房地產市場處于低迷狀態,我國木結構房屋的發展尚需要一定時間,由于產業不規范和質量等因素,我國生產單板層積材與馬來西亞,印尼等國家相比處于劣勢,我國膠合板產業存在著企業規模小,市場不規范,產品質量不高等問題,從膠合板行業演變而來的單板層積材產業不可避免的存在著這些問題。
2006年5月份,我國根據日本的JAS 237結構用單板層積材標準制定了GB-T20241-2006,單板層積材的生產和監測有了規范,這將在一定程度上促進我國單板層積材產業的發展。有些國際房產專家預測,國際房地產市場將結束低迷,需求會繼續上升,因此預計對單板層積材等結構用木制品將會再次出現需求高峰,因此如果我國生產單板層積材能夠滿足國際市場的需求,那么將會有廣闊的發展前景。
4.單板層積材存在的問題與展望
單板層積材必然也存在著一些問題,比如利用人工林樹種生產的單板層積材在用作室外建筑構件、地板及車廂地板時,都會顯得表面硬度和強度低,尺寸穩定性和耐腐耐候性能差等,不能滿足使用要求。盡管單板層積材的使用存在很多機遇,由于技術等諸多原因,單板層積材在國內尚未得到大范圍應用。隨著人們對該材料認識的不斷加深,生產技術的不斷提高,單板層積材領域必將有更廣闊的應用前景。我國對單板層積材的制造工藝及其力學性能的研究已經有所進展。如2005年,中國林科院木材研究所張占寬、劉君良[17],采用抽真空加壓方式,對楊木單板進行酚醛樹脂浸漬處理,制成硬度、抗彎強度、耐水性、尺寸穩定性等指標均遠高于普通LVL的密實型楊木LVL。同年,該所王小青以浸漬酚醛樹脂的楊木單板和竹簾為原料制備了竹木復合強化LVL。結果表明:該材料的MOE和MOR均達到或超過了日本農林水產省告示第237號《結構用單板層積材》中的相關規定[13]。但還不夠深入和完善,此方面的研究依然是一個重點課題。單板層積材生產工藝的改善和生產工藝的優化則是實際生產中最為關注的研究課題,內容主要包括單板材料、單板厚度、組坯方式以及工藝參數等因素對單板層積材產品性能的影響。此外,單板層積材在特殊場合使用時,需要特殊處理(如防腐、耐候)以獲得功能型的單板層積材也將是一個重要的發展方向。對于改性處理的單板層積材多數還處于研究階段,并沒有形成工業化的生產,主要是成本高,樹脂浸漬難以控制。因此,更加的單板層積材還待進一步研究。

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