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关键词:单板层积材;生产工艺;
随着木结构建筑在当今世界使用的越来越广泛,对木制构件的要求也越来越高,致使推出一种新型的人造材——单板层积材[1]。单板层积材(aminated Veneer Lumber,称LVL)为一种新型板材的研究始于70年代初,美国和加拿大研究机构几乎同时开发了LVL制造技术,而后芬兰于1976年建成了第一条LVL生产线,目前日本的LVL生产线和生产厂已有19家之多。此外,澳大利亚、韩国、新西兰、南非及俄罗斯等国家均有LVL工业化生产。中国林科院木材工业研究所1988年完成了LVL的研制,同年通过鉴定,产品为国内首创[2]。单板层积材是以小径材和低质材原木为主要原料, 旋切成单板,经顺纹组坯、胶合、热压成型的新型人造材。这样的生产方式使得LVL与实木相比具有结构均匀、强度高、尺寸稳定性好等优点,能够满足木结构建筑、桥梁、家具和交通领域的使用要求[3]。同时,由于森林资源贫乏,大径材越来越少,LVL的研究出现也了我国乃至一些发达国家原木使用的紧缺情况[4]。
1.单板层积材的制造工艺
单板层积材的生产工艺过程与胶合板的生产工艺过程极为相似,这两种工艺中的单板制备过程几乎完全相同,的差别在于组坯、热压和产品的后期处理等工段。单板层积材生产工艺流程如下:
原木截断→蒸煮→扒皮→单板旋切→单板剪切→单板干燥→单板斜接→单板涂胶→组坯→预压→热压→剧割→堆垛→检验→包装入库。单板层积材与胶合板生产过程的主要区别是:单板层积材用的单旋切厚度较大,一般均在3毫米以上;单板是顺纹方向组坯胶合的,而胶合板则是以单板纹理相互垂直为原则组坯的[5]。单板层积材主要是以代替锯材为目标的产品,强调的是产品的纵向力学性能的增强,突出的是木材的各向异性,而胶合板则是对天然木材各向异性的改造,强调的是各向同性[6]。
2.单板层积材的优异性能
(1)强度高。单板层积材的强重比远远优于一般建筑材料,甚至比钢材更好[7]。单板层积材也比一般的胶合木力学强度要高很多。如用花旗松制成的顺纹层积材力学强度比平行胶合木要高2~7倍[8]。因为普通的锯材中普遍存在的树节、虫孔、交叉孔、裂缝、斜纹等天然缺陷被随机分布在单板之间,使其具有强度均匀的工程特性,许用设计应力高,尺寸稳定性好[9]。
(2)规格灵活。由于其特殊的生产方法,这种材料的尺寸可以不受原木大小或单板规格的限制,生产和应用可以实现标准化、系列化。生产过程中按照一定的标准将单板分等,生产出不同等级质量的标准产品,完全可以满足大跨距梁和车辆及船舶的需要,并且规格尺寸灵活多变,可自由选择。
(3)稳定性好。单板层积材的层积结构大大减少了发生翘曲和扭曲等变形的可能,提高了构件的受力性能,从而使得构件稳定性更好。
(4)抗振减振性能良好。单板层积材具有极强的抗振减振性能,可抵抗周期性应力产生的疲劳破坏,并可作为结构材使用。
(5)经济性较高。对原料无特殊要求,可利用速生材、小径级及短小材为原料。单板层积材的经济性集中表现在劣材优用,小材大用的增值效应。它可以使用不同树种、不同质量的木材进行层积胶合,不需剔除节子等缺陷,与集成材相比可提高一倍以上的出材率。
(6)阻燃性和耐候性。单板层积材本身是通过热压而制成的,由于木材热解过程的时间性和单板层积材的胶合结构,使得结构材的单板层积材耐火性比钢材好。日本对美式木结构房屋进行的火灾试验表明,其抗火灾能力不低于2小时,而重量较轻的钢结构会在遇火后1个小时内丧失支撑能力[10]。而且结构用胶是属于防水性的胶粘剂,它比其他木质材料有较高的耐候性。如果对单板进行特殊处理后再胶合,也可使其具有耐腐蚀性。
3.单板层积材在国内外市场的发展
(1)国际市场单板层积材的发展。
国际市场70年代单板层积材在北美和北欧得以迅速发展的原因在于当时北美木材需求量迅速增长,优质木材产品日益减少且价格大幅度上升,加上石油化工技术的速度发展使得合成树脂的价格大幅度下降,给LVL的发展提供了良机[2]。
美国作为的建筑LVL生产国和消费国,目前已有多家建筑用LVL公司生产托梁、桁架、梁柱、枕木、承重墙[11],其中Trus Joist MacMillan Limited公司注册了商品名为MicrollamuALVL,主要被用作桁架和工字托梁。加拿大目前有3家公司生产结构用LVL,其中Durand-Raute公司最早开发采用直接或斜接的方法生产大规格的LVL,并注册商品名SELECTEM,年产量达19000[12] 。在亚太地区,LVL的生产能力以年均10%的速度增长,印尼有2条LVL生产线,新西兰有1条生产线。日本早在1997年由中田欣作、杉本英明、井上英明[13]等人通过酚醛树脂浸渍LVL来达到强化的目的。日本神户大地震之后大量推广木结构房屋,将成为仅次于美国的第二大建筑用LVL生产国,其生产能力约为加拿大的2倍,共有LVL全套生产线4条。欧洲LVL工程协会(ELVE)及英国建筑研究协会,都研究了杨木LVL的应用。到目前为止,在法国和芬兰也都有用法国杨木为原料的LVL工业化生产。
一些发达国家也对LVL非结构应用进行了多方面研究。1983年,日本Watanuki[14]已经对橡树、云杉层积材钻框式家具上的应用进行了研究。1987年,Hoover[15]通过多方面的探讨,表明在家具领域LVL不论在美观上、性能上、经济效益上都完全能够代替实木使用,同时还制定了家具零部件设计规范。
2007年根据美国工程木材协会(APA)的年报,北美的结构木质板生产量可望达到402亿平方英尺,单板层积材的产量将减少近12%。主要是美国的住房开工量会降低到152万套,2006为180万套,新的住宅建设占单板层积材需求量的75%。但长期以来,前景是乐观的,因为预期住房市场开始恢复,并将在其后几年中有所增长。2008年,美国的住宅开工量预计会达到165万套,2011年会再次达到最高峰时190万套。
(2)中国单板层积材的发展。
我国单板层积材的发展,可以说是从胶合板生产线上演化而来的。2000年华东地区,一些企业开始用杨木生产非结构用单板层积材,用来制造家具。吉林省一些企业用落叶松为原料,生产单板层积材出口到日本。还有一些企业生产单板层积材应用与车厢地板和集装箱底板,总的来说规模很小。目前,浙江、江苏、山东等地都有年产3万m3的单板层积材生产线,全国产量较大的企业有上10家,主要分布在胶合板产业发达的地区,发展的潜力很大。但是单板层积材的质量与国际市场相比还存在着较大的差距,部分单板层积材的出口价格约为每立方米400美元,远低于每立方米700—800美元的国际价格。
据息,2000—2010年我国建设用材缺口将由4000万m3上升到9000万m3。加拿大官员曾宣称,目前在中国内地建造的木结构房屋只有300栋,计划再建9000栋,估计中国内地五年内将使每年建造的木结构数量达到15000栋。木结构建筑正在中国悄然兴起,具有广阔的市场前景,这将单板层积材带来广阔前景[16]。
但是我国发展单板层积材也面临着多方面的困扰,如原料供应紧张,价格上涨,近两年国际房地产市场处于低迷状态,我国木结构房屋的发展尚需要一定时间,由于产业不规范和质量等因素,我国生产单板层积材与马来西亚,印尼等国家相比处于劣势,我国胶合板产业存在着企业规模小,市场不规范,产品质量不高等问题,从胶合板行业演变而来的单板层积材产业不可避免的存在着这些问题。
2006年5月份,我国根据日本的JAS 237结构用单板层积材标准制定了GB-T20241-2006,单板层积材的生产和监测有了规范,这将在一定程度上促进我国单板层积材产业的发展。有些国际房产专家预测,国际房地产市场将结束低迷,需求会继续上升,因此预计对单板层积材等结构用木制品将会再次出现需求高峰,因此如果我国生产单板层积材能够满足国际市场的需求,那么将会有广阔的发展前景。
4.单板层积材存在的问题与展望
单板层积材必然也存在着一些问题,比如利用人工林树种生产的单板层积材在用作室外建筑构件、地板及车厢地板时,都会显得表面硬度和强度低,尺寸稳定性和耐腐耐候性能差等,不能满足使用要求。尽管单板层积材的使用存在很多机遇,由于技术等诸多原因,单板层积材在国内尚未得到大范围应用。随着人们对该材料认识的不断加深,生产技术的不断提高,单板层积材领域必将有更广阔的应用前景。我国对单板层积材的制造工艺及其力学性能的研究已经有所进展。如2005年,中国林科院木材研究所张占宽、刘君良[17],采用抽真空加压方式,对杨木单板进行酚醛树脂浸渍处理,制成硬度、抗弯强度、耐水性、尺寸稳定性等指标均远高于普通LVL的密实型杨木LVL。同年,该所王小青以浸渍酚醛树脂的杨木单板和竹帘为原料制备了竹木复合强化LVL。结果表明:该材料的MOE和MOR均达到或超过了日本农林水产省告示第237号《结构用单板层积材》中的相关规定[13]。但还不够深入和完善,此方面的研究依然是一个重点课题。单板层积材生产工艺的改善和生产工艺的优化则是实际生产中最为关注的研究课题,内容主要包括单板材料、单板厚度、组坯方式以及工艺参数等因素对单板层积材产品性能的影响。此外,单板层积材在特殊场合使用时,需要特殊处理(如防腐、耐候)以获得功能型的单板层积材也将是一个重要的发展方向。对于改性处理的单板层积材多数还处于研究阶段,并没有形成工业化的生产,主要是成本高,树脂浸渍难以控制。因此,更加的单板层积材还待进一步研究。

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