單板層積材的生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀分析

黃 彬，羅建舉

（廣西大學(xué) 林 學(xué)院，廣西 南 寧530005）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對木制品的需求量日益增大，自1998年我國實行“天然林保護(hù)工程”以來，全國各地相繼采取了封山育林的措施，各主要林區(qū)紛紛減少木材采伐量，這使得木材供需矛盾更加突出。大力發(fā)展人工林是緩解木材供需矛盾的有效措施，但是人工速生林由于追求效益最大化，往往長到徑級才達(dá)到十幾厘米就被采伐，因此不可避免地出現(xiàn)了徑級小，幼齡材比例大，材質(zhì)不如天然成熟林等問題，主要表現(xiàn)為材質(zhì)松軟、力學(xué)強(qiáng)度低、尺寸穩(wěn)定性差，使木制品的加工性能和產(chǎn)品質(zhì)量受到一定程度的影響［1］。面對這種情況，木材加工行需要考慮如何用這些速生林木材生產(chǎn)出強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)人造板以替代大徑級結(jié)構(gòu)用原木，從而緩解日益緊張的木材供需矛盾，單板層積材的生產(chǎn)是解決結(jié)構(gòu)用材短缺的有效途徑。

單板層積材（Laminated Veneer Lumber）簡稱LVL，是多層旋切單板按順紋（也可以加入橫紋單板）組坯膠拼壓合而成的高性能、高附加值產(chǎn)品，它不但保留了許多天然實木材的優(yōu)良性能，還具有結(jié)構(gòu)均勻、強(qiáng)重比高、加工性能好等特點，且具有良好的尺寸穩(wěn)定性和抗震減震性［2］。單板層積材厚度一般為18～75mm，其長度可以不受生產(chǎn)方式的限制。單板加工所用的原料為徑級250mm左右的速生小徑材和間伐材，樹種可為桉樹、楊木及其他軟闊葉材，這類原料來源廣泛、價格低廉。

作為一種新型人造板材，單板層積材的研究開始于20世紀(jì)70年代初。當(dāng)時北美木材需求量迅速增大，優(yōu)質(zhì)木材價格高漲，而由于石油工業(yè)發(fā)展迅猛，其副產(chǎn)品合成樹脂價格不斷下跌，從而促進(jìn)了利用小徑木生產(chǎn)單板層積材的研究［3］。首先美國和加拿大研究機(jī)構(gòu)幾乎同時開發(fā)了單板層積材的制造技術(shù)。隨后，1976年芬蘭Raute公司和Finforest公司合作開發(fā)并建成了世界上第一條在膠合板生產(chǎn)線基礎(chǔ)上改造而成的單板層積材生產(chǎn)線［4］。目前美國Trusjoist公司是世界上最大的單板層積材生產(chǎn)廠商，而芬蘭Raute公司是單板層積材生產(chǎn)設(shè)備的主要供應(yīng)商。

2 單板層積材生產(chǎn)工藝

單板層積材的生產(chǎn)工藝與膠合板的生產(chǎn)工藝相近，這兩種生產(chǎn)工藝中的單板制備過程幾乎相同。主要的差別在于組坯、熱壓和產(chǎn)品的后期處理等工段（圖1）。

圖1 單板層積材生產(chǎn)工藝

杜國興［5］采用了分步熱壓法來縮短熱壓周期，提高生產(chǎn)效率。芯層兩張單板首先熱壓，然后卸壓，取出板坯，并迅速將一張單面涂膠單板覆上其表、背面，再進(jìn)行熱壓。如此反復(fù)，直至達(dá)到設(shè)計厚度。試驗研究表明：在一定范圍內(nèi)提高熱壓溫度、單位壓力或延長熱壓時間有利于提高LVL的力學(xué)性能。

徐詠蘭［6］等人研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)熱壓方法相比，噴蒸熱壓工藝在縮短熱壓周期、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有顯著的效果。于長海［7］等人參照標(biāo)準(zhǔn)《構(gòu)造用單板層積材，日本農(nóng)林規(guī)格》［8］獲得冷壓法制造結(jié)構(gòu)用LVL的最佳工藝應(yīng)為：選用間苯二酚樹脂膠，壓強(qiáng)為0．98MPa，加壓時間為7h，陳放時間為40min，涂膠量為180g／m3，養(yǎng)護(hù)7d以上。用此工藝生產(chǎn)的LVL的性能均高于日本標(biāo)準(zhǔn)。韋益民［9］等人發(fā)現(xiàn)采用熱——冷二步法制造的LVL質(zhì)量較好，能明顯改善產(chǎn)品在厚度方向力學(xué)性能的均勻性。

以上加壓工藝各有特點：分步熱壓法使膠層離熱壓板的距離始終只有一個單板厚，因而傳熱時間短，另外每次熱壓好的板坯表面有一定的余熱，從而縮短了熱壓周期；噴蒸熱壓也能顯著縮短熱壓時間；通過研究冷壓工藝，可以研制出符合日本標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)用LVL；熱～冷兩步壓制法發(fā)揮了兩種不同壓縮工藝的優(yōu)越性，避免了一步熱壓法在熱壓過程中板坯厚度方向的溫度梯度導(dǎo)致中心附近各層內(nèi)的膠合強(qiáng)度下降和冷固膠價格高的缺點，但是熱～冷兩步壓制法和分步熱壓法由于生產(chǎn)過程較為煩瑣，生產(chǎn)效率低，難以實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

3 單板層積材的生產(chǎn)狀況

3．1 國外生產(chǎn)狀況

美國作為最大的建筑用LVL生產(chǎn)和消費大國，目前已有多家公司生產(chǎn)建筑用LVL托梁等產(chǎn)品，其中Trus Joist MacMillan Limited公司注冊了商品名為Microllamμ?LVL的商標(biāo)，產(chǎn)品用于桁架和工字托梁。加拿大目前有3家公司生產(chǎn)結(jié)構(gòu)用材LVL，其中Durand～Raute公司最早開發(fā)了采用指接或斜接的方式生產(chǎn)大尺寸規(guī)格的LVL，并注冊SELECTEM商標(biāo)，年產(chǎn)量達(dá)19 000m3。在亞太地區(qū)，LVL的生產(chǎn)能力以年均10%的速度增長，印尼有2條LVL生產(chǎn)線，新西蘭有1條生產(chǎn)線。日本神戶大地震之后大量推廣木結(jié)構(gòu)房屋，日本將成為僅次于美國的第二大建筑用LVL生產(chǎn)國，其生產(chǎn)能力約為加拿大的2倍，共有LVL全套生產(chǎn)線4條。歐洲LVL工程協(xié)會（ELVE）及英國建筑研究協(xié)會，都研究了楊木LVL的應(yīng)用［10］，表1為北美2000～2005年單板層積材的產(chǎn)量。

根據(jù)美國工程木材協(xié)會（APA）2007年的年報，北美結(jié)構(gòu)木質(zhì)板生產(chǎn)量為37．3億m2，比2006年減少了2．0億m2，其中單板層積材的產(chǎn)量減少約12%。這主要是由于美國的住房開工量在減少，2006年為180萬套，2007年減少到152萬套，住宅建設(shè)占單板層積材市場需求量的75%。但從長期來看，單板層積材的生產(chǎn)前景是樂觀的，因為預(yù)期住房市場開始恢復(fù)，并將在其后的幾年中有所增長。2008年，美國的住宅開工量達(dá)到165萬套，2011年再次達(dá)到最高峰時約190萬套。隨著國際商品房市場的升溫，單板層積材的需求量將繼續(xù)增大。

表1 北美2000～2005年單板層積材的產(chǎn)量 萬m3

3．2 國內(nèi)單板層積材生產(chǎn)現(xiàn)狀

我國單板層積材的發(fā)展，可以說是從膠合板生產(chǎn)線上演化而來的。2000年華東地區(qū)，一些企業(yè)開始用楊木生產(chǎn)非結(jié)構(gòu)用單板層積材，用來制造家具。吉林省一些企業(yè)用落葉松為原料，生產(chǎn)單板層積材出口到日本［10］。還有一些企業(yè)生產(chǎn)單板層積材用于車廂地板和集裝箱底板，但規(guī)模都很小。目前，浙江、江蘇、山東等地有年產(chǎn)3萬m3的單板層積材生產(chǎn)線，全國產(chǎn)量較大的企業(yè)有10家左右，主要分布在膠合板產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)。國內(nèi)單板層基材的發(fā)展?jié)摿艽?，但現(xiàn)有的單板層積材的質(zhì)量與國際市場相比還存在著較大的差距。

目前在中國內(nèi)地建造的木結(jié)構(gòu)房屋約有3 000棟，計劃再建9 000棟。估計中國內(nèi)地5年后，每年建造的木結(jié)構(gòu)房屋數(shù)量將達(dá)到15 000棟，木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展將為單板層積材帶來廣闊的應(yīng)用前景。但是我國發(fā)展單板層積材也面臨著多方面的困擾，如原材料供應(yīng)緊張，價格上漲；近兩年國際房地產(chǎn)市場仍處于低迷狀態(tài)，我國木結(jié)構(gòu)房屋的發(fā)展尚需要一定時間；由于產(chǎn)業(yè)不規(guī)范和質(zhì)量等因素，我國生產(chǎn)的單板層積材與馬來西亞和印尼等國家相比處于劣勢；我國膠合板產(chǎn)業(yè)存在著企業(yè)規(guī)模小、市場不規(guī)范、產(chǎn)品質(zhì)量不高等問題，從膠合板行業(yè)演變而來的單板層積材產(chǎn)業(yè)不可避免的存在著這些問題。

2008年北京奧運會鳥巢體育場建設(shè)等一些大型建筑工程就應(yīng)用了進(jìn)口結(jié)構(gòu)用單板層積材，同時非結(jié)構(gòu)用單板層積材也開始在包裝行業(yè)應(yīng)用。我國是具有悠久的木結(jié)構(gòu)房屋建筑傳統(tǒng)，汶川大地震后，人們開始重新重視木結(jié)構(gòu)房屋的優(yōu)異抗震性能，據(jù)新華社的報道，8月28日，四川都江堰市向峨小學(xué)重建項目建成，抗震標(biāo)準(zhǔn)為8度設(shè)防，是新中國第一個采用全木結(jié)構(gòu)建造的大型公用建筑。此次四川災(zāi)后重建的木結(jié)構(gòu)工程，除向峨小學(xué)外，還包括綿陽市特殊學(xué)校、北川擂鼓中心敬老院。此外，在四川省青川縣的農(nóng)村住宅建設(shè)中，正在進(jìn)行輕型木結(jié)構(gòu)示范工程，目前已建成2幢樣板建筑。中國包聯(lián)機(jī)械工業(yè)包裝分會2007年8月14日至17日召開了三屆四次理事會，重點討論了如何貫徹國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)和國家發(fā)展改革委領(lǐng)導(dǎo)對機(jī)電產(chǎn)品包裝推廣應(yīng)用“單板層積材”等節(jié)材代木包裝材料的批示意見，會議認(rèn)為使用單板層積材等節(jié)材代木包裝材料符合國家建設(shè)節(jié)約型社會政策，應(yīng)該大力推廣使用。

2006年，我國為結(jié)構(gòu)用單板層積材的生產(chǎn)制定了相應(yīng)的國標(biāo)（GB～T20241～2006），使單板層積材的生產(chǎn)和檢測有了規(guī)范，這將在一定程度上促進(jìn)我國單板層積材產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

4 單板層積材的應(yīng)用分析

LVL的應(yīng)用范圍十分的廣泛，在建筑方面，LVL能制成長度超過20m的建筑構(gòu)件，用于建筑托梁，屋頂桁架、工字梁等構(gòu)件，也可加工成門窗的橫梁，內(nèi)部墻壁支柱和門窗框、樓梯等建筑部件。由于單板層積材結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且具有很好的防火性能，其尺寸穩(wěn)定性要優(yōu)于膠合木和實體木材，耐火性優(yōu)于鋼材。因此，LVL非常適合用于建筑中各種承重結(jié)構(gòu)件，并且能在經(jīng)濟(jì)上與鋼材、膠合梁和鋸材相比具有一定的競爭優(yōu)勢。LVL可以制成各種規(guī)格，減少浪費和再加工工序；它的重量輕，可降低安裝成本，提高施工安裝速度。由此可見，單板層積材是一種理想的建筑結(jié)構(gòu)用材。表2對比分析了建筑結(jié)構(gòu)材中常用的幾種材料的力學(xué)性能和規(guī)格尺寸。

在北美國家，LVL大量用于生產(chǎn)I字型樓板托梁，這種托梁將定向刨花板（OSB）與LVL組合，制成力學(xué)性能良好的大規(guī)格建筑構(gòu)件。其I字型的翼緣由LVL制成，中間腹板是定向刨花板，充分發(fā)揮每種材料的力學(xué)性能?，F(xiàn)在美國普通住宅的建筑構(gòu)造設(shè)計中常用的方法是以少量的鋼柱和鋼梁組成主框架，在主梁上架設(shè)I字型托梁，其間距一般在500mm左右，托梁上面鋪設(shè)人造板作為承重樓板，然后鋪設(shè)地面材料。由于這種LVL I字型托梁在使用性能和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)越性，使得其在北美的消費量從1987年的26萬m3，增長到1997年106萬m3。目前有55%的LVL用于加工I字型托梁，美國的6家生產(chǎn)建筑用LVL的公司擁有16家生產(chǎn)托梁的工廠，加拿大的3家LVL公司都擁有這類工廠。

表2 幾種建筑結(jié)構(gòu)材料的性能比較

除了用作建筑構(gòu)件外，LVL也廣泛用于其他領(lǐng)域中，如橋梁、車輛、船舶、家具及枕木等方面。我國的一汽和二汽公司均進(jìn)口過LVL生產(chǎn)汽車底梁和車廂板，三峽工程也用進(jìn)口LVL制成混凝土模板，以提高混凝土的灌注質(zhì)量并加快施工進(jìn)度。國內(nèi)外有關(guān)研究機(jī)構(gòu)還開展了用LVL生產(chǎn)鐵路枕木的試驗研究。在建筑物中，非結(jié)構(gòu)性LVL可以用作高級建筑物的裝飾柱、門窗框，以及一些對強(qiáng)度要求較高的其他地方。

國內(nèi)的家具廠和門窗生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)采用國產(chǎn)楊木單板層積材作為家具框架，與實木框架比較，這種單板層積材框架可提高強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，具有很好的市場競爭力。目前有不少外資門窗企業(yè)紛紛尋找單板層積材作門窗生產(chǎn)材料，但因國內(nèi)市場上單板層積材短缺，他們不得不依賴進(jìn)口或用其它材料代替。

5 結(jié)語

隨著天然林木材資源的日趨匱乏，傳統(tǒng)鋸材供應(yīng)將越來越少。利用速生人工林資源，生產(chǎn)類似于傳統(tǒng)鋸材的人造板將是今后木材工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。單板層積材不但較好地保持了實木的結(jié)構(gòu)特性，而且其規(guī)格尺寸、力學(xué)強(qiáng)度和耐腐、耐火等物理力學(xué)性能都可以人為設(shè)計和控制，是一種類似于實木而又優(yōu)于實木的人造板材。單板層積材的用途十分廣泛，除了可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋸材，用于制造各種傳統(tǒng)實木制品以外，還特別適用于大型木結(jié)構(gòu)用材。隨著鋸材資源的日益減少，單板層積材將會成為今后木材工業(yè)的主要產(chǎn)品。當(dāng)前我國木材總需求量約在3．0～3．2億 m3，實際供應(yīng)量2億 m3，預(yù)計2015年木材總需求達(dá)4．6億m3，年均木材供應(yīng)缺口總量很大，其中建筑業(yè)木材消耗約占40%以上，如果單板層積材（LVL）完全代替方木其市場容量約在1 500萬m3以上。該產(chǎn)品的開發(fā)利用對開展木材節(jié)約措施，提高木材綜合利用率，高效合理利用木材資源發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有深遠(yuǎn)意義，相信不久的將來該產(chǎn)品將成為我國建筑行業(yè)的通用產(chǎn)品。然而我國在單板層積材方面存在生產(chǎn)規(guī)模小、技術(shù)相對落后、產(chǎn)品質(zhì)量較低、應(yīng)用市場還有待進(jìn)一步開發(fā)等問題。相關(guān)科研院所和高校相關(guān)學(xué)科需要加強(qiáng)單板層積材的生產(chǎn)工藝技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量控制和應(yīng)用市場開拓等方面的研究。

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