在过去十年左右的时间里,将木材应用于大规模住宅和商业建筑中又重新兴起了。
大断面工程木制品(EWPs),尤其是大尺寸人造板(WBMP)的广泛应用,共同推动了木材的崛起。
木材的这场复兴是由欧洲和北美的技术专家和企业家领导的,他们是第一批开发EWP产品类型并采用大量木材建造方案的人。
这种方案在澳大利亚也获得了发展势头。尽管一开始仍处于起步阶段,直到2012年才建成第一座现代化的大规模木材建筑,但澳大利亚已经见证了大量采用进口交叉层压木材(CLT)建造的大型木材建筑的诞生。
随着澳大利亚国内对WBMPs需求的增加,本地人造板制造业逐渐兴起,该国的工业主要遵循CLT生产国际先例。
使用CLT产品设计方法将大量锯材板材结合成交叉层压材,与锯材这一组成原材料相比,应用CLT之后的成品具有优越的机械性能和更好的尺寸稳定性。
因此,这种产品类型为锯木厂提供了一个吸收大量锯材的好机会,这些锯材原本并不符合当前市场份额较大的盈利目标与产品的质量要求(结构框架)。
其实像锯材这种原本“低品质”的产品占总产量的50%,而且占现有市场的一大部分,想要回收它们生产成本的能力有限,因此需要开发新的市场,如CLT制造业,能够吸收部分“低品质”产品,将其作为优质产品的制造材料,以维持锯木厂的盈利能力。
然而,澳大利亚传统上是森林产品的净进口国,目前该国人工林森林面积预计将保持在200万公顷左右的合理稳定水平范围内。
因此,为了使澳大利亚从对可持续、低能耗建筑产品日益增长的需求中获得最大利益,应考虑采用更多备选方案和更有效的方法,如利用本土现有森林资源,让当地已经制造出来的产品来供应日益增长的市场。
从本质上讲,这就是需要从现有森林资源中回收更多高价值产品的过程,以及在回收后要对这些产品保质保量,实现原材料向优质方向转化。
除了CLT锯木加工方案之外,还有几种处理方法可用于原木转换。如旋转剥离(法)就有着久远的历史,能够使用它生产胶合板等板材产品。
长期以来,很多案例已经证明旋转剥离方法有回收更大比例原木的潜力,它可以避免锯切工作过程中产生浪费,提升圆形剥离的几何效率。传统上来说这种方法很适合处理大直径原木,而后来出现的新技术,包括无主轴车床,可以使小直径原木剥离,将木材数量回收率高达现代锯切系统的两倍。
图1显示了直径为250 mm原木的转换情况。
除了能够提高木材回收率之外,剥离工艺在更好地管理木材质量变化方面也有优势,有些木材在被加工时,其半径沿线的材质质量会发生很大变化(如快速生长的人工林原木)。
图1也说明了这一点,红色表示质量较低的幼木,蓝色表示质量较高的成熟木材。锯开原木时,木材截面呈现出来的属性是各式各样的,基本同时包含高质量和低质量的部分(蓝色和红色),这可能会对整个木材的性能、可用性和价值产生负面影响。
相反,当我们对同一原木进行旋转剥离时,每一片产生的单板都是从原木内相似的径向位置锯切移除得到的;因此,每片单板内部的质量属性基本是一致的(即图1中显示颜色是相同的)。
这有助于实现有效的原料分离和产品制造,将质量一致的单板制成最终产品,可以使产品性能均匀平衡,同时也可以改善产品的结构和美观度。通过旋转剥离法,能够回收更多优质木材(如图蓝色部分显示)。
将圆木锯切成方板的过程中,会损失大量价值较高的木材原料(如图1显示)。
而与锯切相比,旋切具有一些明显的加工和资源利用优势,本文将继续详细探讨以锯木板为基础的和以单板为基础的大尺寸板材的优势和劣势,明确研究需要和改进方案,从而支持澳大利亚工业发展国内WBMP市场。
将大尺寸板材进行对比
在比较以锯材为基础的和以单板为基础的木板特性时,需要考虑许多因素。这篇文章重点讨论的是这些板材一系列技术性能。不讨论其资本和生产成本。
耐久性
虽然WBMPs的主要用途是在封闭和防风雨的环境中使用,但如果这类板材更加坚固、耐用性更高,就会拥有很多市场机会。
通过使用耐用的原料、经过防腐处理、选用合适的胶粘剂能够保证EWPs的耐久性。大多数可以利用的木材资源其实都不耐用,但如果使用的是耐久的天然木材,就很有利于制造耐用的锯木板和单板。
然而,无论使用哪种木材品种,制造单板相比锯木板更加便捷,因为单板很容易干燥且易于粘合。如果使用的是更常见的非耐用品种,利用旋切技术制成单板板材,其厚度更小且纹理排列方向是纯径向的,所以相比锯材更容易渗透防腐剂。
制造单板的胶粘剂除了更容易粘附这一优点之外,还具有良好的耐用性,因为通常使用的是酚醛树脂胶粘剂,我们甚至可以在这种粘合剂配方中加入杀白蚁剂来有效地防止虫害,随后将以单板为基础的EWPs制成VBMP的过程中就不再需要进行额外的处理工作。
稳定性
WBMPs通常被用于打造木结构建筑的高性能墙体和地板。因此,板材的尺寸必须稳定,其尺寸稳定性往往是通过交叉层压来实现的。
从本质上来看,由于交叉层压,CLT具有高稳定性。而VBMPs中含有的木材层数更多,将其交叉层压结构更优化的可行性会很大,所以能够以最大限度提高它的结构性能和稳定性。
当然,VBMPs中木材层数量较多是有一定的优点,但与CLT方案相比,这确实还需要加入更多的粘合剂。
结构
WBMPs的结构性能受生产所用原料的质量、板材横截面的位置以及纹理排列方向的影响。
板材不同结构性能的重要性取决于板材的具体应用方式。由于改进了随机可能出现的缺陷,并且相邻的单板之间是已做加固的,所以由单板制成的EWP通常比由类似密度和刚度原料制成的锯板EWP具有更好的强度性能。
而与CLT相比,VBMPs内含有的木材层数更多,因此,该面板含有木材纹理的横截面面积更大,这样的板材在应用过程中即使被弯曲,也具备了高强度和良好的刚度性能,例如用VBMPs制成的地板。
一般稳定的墙体,其结构性能的设计通常取决于紧固件性能等级,紧固件和墙体之间连接件的强度还需过关。使用 WBMP连接件受WBMP板材本身密度的影响,通常以单板制成的WBMP的密度会高于以锯材制成WBMP。
使用高性能的连接件不仅可以减少工程所需的紧固件数量,而且还可以减少现场安装紧固件所需的时间,从而节省建设项目的资金。
更重要的是,通过使用更高性能的连接件,传统结构设计的方法可以得到改变。例如在连接件中尝试加入复合磁芯,以“激活”建筑体系中更多剪力墙的应用【剪力墙又称抗风墙、抗震墙或结构墙。房屋或构筑物中主要承受风荷载或地震作用引起的水平荷载和竖向荷载(重力)的墙体】,从而加强建筑物的载荷承重能力。
密封性
CLT和VBMPs在“气密性”方面都表现良好,将CLT或VBMPs制成大块木结构时,通过使用胶带对面板接头进行处理,可以实现足够的气密性。
密度对WBMPs的声学性能和热性能有影响。制造过程中提升VBMP的密度将有望改善这类板材的声学性能并降低它的热性能。
然而,结构性能的提高可以让墙板变得更薄,这反倒可以增加高性能热产品的厚度,如绝缘材料,确保使用安全性。
防火性
澳大利亚国家建筑规范里包含了一个满足防火设计的解决方案,根据该方案,以锯木为基础的WBMP和以单板为基础的WBMP性能相同。而且避免了木板的视觉暴露,降低建筑高度的上限。
兼顾产品性能基础的设计方案,能够让产品在达到防火要求的同时,还能大幅度提升它的使用灵活性。有两个材料因素会影响兼顾产品性能的防火设计方案:产品的密度和使用的粘合剂类型。目前,VBMPs和CLT的生产工艺分别使用酚醛树脂和聚氨酯(PUR)胶粘剂。
酚醛树脂在发生火灾时的性能明显优于PUR,当板材被灼烧后,粘接起来的木材也不会出现分层现象,这就有利于防火设计方案简单化。
鉴于WBMP在澳大利亚大规模建筑中的快速使用,以及澳大利亚木材资源可用性又有限,采用原木单板旋切加工工艺,能够让原木体积与质量增益,这证明了进一步研究VBMP产品的必要性。
此外,与以锯材为基础的VBMPs相比,以单板为基础打造的VBMPs的性能优点是明显的,这更加证明了旋转剥离是不错的木材加工方法。
如果有更多类似于本文的研究能够明确以单板为主的木材体系,其加工技术的效果可以达到预期,并且这样的体系和技术能够以非常经济的方式产出优质的板材如VBMPs或CLT等,那么无论是技术还是优质成品板材,都能共同为澳大利亚木材产品市场做出宝贵贡献。