世界木材材料资源状况行业分析报告.docx

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世界木材材料资源状况行业分析报告

壹、前言

随着世界木材资源减少，全球环保意识日增，各国相继采取原木或木材出口限制措施。

国目前所需之林业原料近99%仰赖进口，因此，如何开发国产造林木加工技术以提高国木材自给率，实为今后林产工业所面临之重要课题（吴万益等，1998）。

根据林务局第三次森林资源与土地利用调查报高，目前森林地面积约占全岛陆地面积约58.53%，而人工造林地面积约占森林地面积20%。

其中，柳杉在人工林面积中仅次于松类造林木，蓄积量约777万立方公尺，且大部分柳杉造林木已达间伐与主伐期，因此必须有效利用以增加其附加价值（王松永2002）。

由于国产造林木多属中小径木，无法应用于大断面实木的场合。

因此，必须藉由集成材之优点以增加中小径木利用围，并提高国产材的附加价值。

国木材工业中已逐渐注重结构用集成材之应用与开发，然而受限于结构用集成材之制造技术与对于新订定CNS11031结构用集成材相关标准尚未应用于制程上之控管。

因此，造成结构用集成材制品不符结构上设计需求与产品规定，使得在设计与应用上产生困难。

另一方面，由于结构用集成材能作有效之弯曲加工作业，可灵活应用在建筑空间，深受建筑设计者与民众所接受。

然而，在开发过程中，国相关结构用弯曲集成材强度性能之研究并不多见。

本研究目的依据CNS11031之标准，使用国产柳杉中小径木开发6m长之结构用弯曲集成材，并以三铰径向拱型集成材进行静曲试验，评估实大尺寸弯曲集成材之强度性能。

另外，并搭建弯曲集成材拱桥，以长期监测木造桥梁之潜变与桥梁于自然环境下材料含水率之变化与劈裂情形，用以评估中、小径木材应用在木质结构之可行性，以提供相关业者与建筑师设计之参考。

贰、材料与方法

一、试验材料

（一）、柳杉（CryptomeriajaponicaD.Don）︰

采用南投县鱼池乡私有林班地30-40年生之中小径木。

（二）、胶合剂：

间苯二酚－酚甲醛共缩合树脂（Resorcinol-phenol-formaldehydeadhesive，RPF）主剂型号为AD-500，固形份含量52-58﹪。

硬化剂型号为Hardener-501，固形份含量69-73﹪。

胶合剂外观为红褐色，常温硬化时间约3-4小时。

使用时主剂与硬化剂之比例为1：

1。

（三）、H型扣件：

镀锌碳钢材。

（四）、弯曲集成材拱桥：

ㄇ型扣件如图1所示，其余详细材料项目列于表1︰

图1、ㄇ型扣件（单位：

㎝）

表1、木质集成弯曲拱桥材料单

名称

*尺寸（㎝）

数量（支）

备注

集成梁

集成柱

扶手1

扶手2

扶手3

装饰拼花1

装饰拼花2

装饰拼花3

桥面板

木钉

补强材

593×10×25

158×10×11

100×10×4

102×10×4

103×10×4

61×10×4

47×10×4

19×10×4

24×10×4

60×10×4

47×10×4

23×10×4

18×10×4

63×10×4

47×10×4

17×10×4

22×10×4

116×10×4

5×1（ψ）

3.9×18.5×4

柳杉防腐材

南方松防腐材

螺栓

螺帽

垫片

ㄇ型扣件

锚栓

13.5×1.588（ψ）

23.5×1.588（ψ）

1.5

5×5×0.45

10×20×0.5

30×1.5（ψ）

不锈钢

镀锌钉

镀锌牙钉

L型角铁

多功能角铁

3.9（长）

5（长）

7.7（长）

Η2.5

A34

1㎏

1kg

1㎏

镀锌碳钢

护木油

Cobot3060

5加仑

*尺寸为长×宽×厚、（ψ）＝直径尺寸

二、仪器与设备

（一）、分等工具与仪器设备

1、目视分等工具：

游标卡尺、直尺、卷尺。

2、位移计：

型号3026F，精密度为0.01mm，非破坏性静曲试验。

（二）、实大尺寸集成材静曲破坏试验设备

动态疲劳试验机

最大载重50公吨，型号WT-6040A1，最大试验跨距800㎝，试材容许高度100㎝，控制系统由万匠企业股份公司设计。

（三）、指接设备

1、指接作榫机

型号KMFJ-400，川劦企业制造。

手动进料，刀轴马力15HP，切断马力5HP。

容许切削宽35㎝，加工容许高度15㎝。

2、指接机

型号KMFJ-400S，川劦企业制造。

手动进料，加压时间可设定延迟至1小时以上。

指接机容许加工长度610㎝，宽15㎝，厚7.5㎝。

油压缸容许压力10吨。

3、指刀规格

160（直径）×50（轴）×6（指距）×22mm（指刀长）×9片，如图2所示。

图2、指接刀规格与形状

（四）、集成材层积胶合设备

1、扭力板手：

容许出力2707kgf-cm。

2、集成机台：

工作台作业长度800cm、宽度300cm、高度100cm，配有15座活动加压夹具组，本次试验使用11组共22支水平加压螺杆，螺杆平均直径为2.8㎝，螺纹间距0.33㎝。

由光信公司承制。

3、电子天秤

4、布胶滚轮

（五）、拱桥监测仪器

1、电阻式含水率测定仪：

型号HydrometteH35，德国制。

2、位移计：

型号BXL-302，精度为0.01㎜量测围50㎜，MitutoyoCo.制造。

（六）、其它加工与施工设备

双面刨、圆锯机、水平式钻孔机、手提式钻孔机、手提电刨、手提圆锯机、花刨机、自动纵切机：

作为定长、定宽、定厚、打花边、钻孔等木材加工与拱桥建造使用。

三、试验材料制造方法

（一）、集成元分等方法

1、非破坏静曲试验

目视分等方法依据CNS11031集成元之品质标准规定进行等级区分，依照强度性能项目之检测标准，对于对称异等级结构用集成材之最外层用集成元，长度方向未纵接者需符合CNS11031静曲B试验测定合格静曲弹性系数标准，依测定结果将集成元区分为3等，试验方法如图3所示，跨距采用330㎝。

测定加上适当初期载重与最终载重时之挠曲差，依下式计算出静曲弹性系数（MOE）。

L90以上为1等、L80-L90为2等与L70-L80为3等。

试样集成元合格标准须符合表2之平均值以上，且试样集成元之95%以上静曲弹性系数须符合表2之下限值所示数值以上，静曲弹性系数计算如下：

MOE（kgf/㎝2）=

△P：

比例限度上限载重值与下限载重值之差（kgf）

△y：

与△P相对应之挠曲差值（㎝）

l：

跨距（㎝）b：

集成元宽度（㎝）h：

集成元厚度（㎝）

图3、柳杉集成元三点载重静曲试验B之试验方法

表2、依目视区分等级之强度性能标准

树

种

群

树种名称

依目视区分等级

1等

2等

3等

静曲弹性系数

（103kgf/cm2）

静曲弹性系数

（103kgf/cm2）

静曲弹性系数

（103kgf/cm2）

平均值

下限值

平均值

下限值

平均值

下限值

柳杉、杉、杉木、西部侧柏与具同等强度之树种

2、目视区分等级方法

经强度性能初步区分等级后，再进行集成元外观缺点之集中节径比、材缘部径比、纤维倾斜比、端裂、腐朽、与平均年轮宽之判定，以区分本试验集成元试材之等级，其判定标准如下：

依CNS11031结构用集成材，有关柳杉集成元以目视区分等级方法说明如下：

（1）、集中节径比

A、节之直径

以节存在之材面，与材长方向的棱线相平行之节的两切线间之长度表示之，当直径为集成元短边之2.5倍长度以上之节径者，视为其实测直径之1/2。

B、节径比

节之直径对于其所存在材面宽度的百分率表示，本试验集成元只以宽面之节为主要判定对象，分别求出宽材面之两材面径比，以其最大值为径比。

C、集中节径比

系指在15㎝长度之材面所存在的节与穴之径对于其所存在之材面宽度的百分率之合计。

集中节径比N（％）=

Di：

存在于材长15㎝围，且与材长方向的棱线相平行之两切线间之长度为其节径（i=1….n）。

W：

材宽

（2）、宽面之材缘部径比

从棱线至材面宽度的1/4距离作为材缘，该围节与穴之径对于其所存在之材面宽度的百分率。

（3）、平均年轮宽

在横断面上年轮宽完全者之平均年轮宽表示之。

（4）、纤维走向之倾斜比

纤维走向之倾斜比系指纤维走向之倾斜高度对于集成元长度方向之比。

依照CNS11031与CNS14630中目视区分之集成元测定方法进行分等，依节之集中径比、宽面之材缘部径比、纤维走向倾斜比、腐朽、割裂以与平均年轮宽，将试材区分成四个等级。

如表3所示。

表3　集成元目视区分之标准

项目

等　　　　　　　　　　级

1　　等

2　　等

3　　等

4　　等

节与穴

集中径比

20%以下

30%以下

40%以下

50%以下

宽面之材缘部之径比

17%以下

25%以下

35%以下

50%以下

纤维走向倾斜比

1/16以下

1/14以下

1/12以下

1/8以下

腐朽

无

割裂

极轻微

轻微

变色

轻微

逆木理

轻微

平均年轮宽

6mm以下

──

（二）、结构用弯曲集成材制造方法：

1、试验设计：

本研究开发之结构用弯曲集成材，依照CNS11031结构用集成材之规定设计制造：

（1）、拱桥主构材之制造：

以二铰径向拱型集成材方式制作，该集成材由12支600cm长×10cm宽×2cm厚之集成元，胶合层积成3支弧度为π/6曲率半径为1146㎝，断面尺寸为10㎝宽×240㎝厚之中断面对称异等级结构用集成材，其集成元之排列方式为1、2、3、3、4、4、4、4、3、3、2、1，如图4所示。

（2）、结构用三铰拱之弯曲集成材制造

制作弧度为π/6之三铰径向拱型集成材，每支弯曲集成材由2支300㎝长×10㎝宽×25.2㎝厚之中断面对称异等级结构用集成材组合构成，试验弯曲集成材共由12支360cm（长）×10cm（宽）×2.1cm（厚）之集成元胶合层积而成，经解压后定长为300㎝之集成材，再由H型扣件接合而成。

其集成元排列方式分为两种类型，每种类型各重复3次。

一为1、2、3、3、4、4、4、4、3、3、2、1，另一为1、1、2、2、3、3、3、3、2、2、1、1，如图4所示。

拱橋集成材

三鉸拱型集成材

图4、对称异等级结构用弯曲集成材之集成元等级配置断面图

2、曲率之计算方法

弯曲集成材品质之优劣，除取决于材料强度性质外，成品曲率之精度亦相当重要，因曲率会直接影响结构体之组装与外观，曲率之偏误过大甚至可能导致该批集成材无法组装使用，因此于加工前与加工过程中需将影响曲率之因子降至最低。

本试验曲率半径之计算方法如图5，并依下列各式计算：

h=R–d

d=R-h

S=Rθ

d=Rcos

cot

C=2Rsin

=2dtan

C：

跨距或弦长

S：

弧长

R：

曲率半径

θ：

角度

h：

弦高

d：

曲率半径与弦高之差

本研究采用S=600㎝；弧度为

时；则θ=30∘

可得圆周长为600×12=7200㎝；

则2R=7200/3.1416=2292㎝；R=1146㎝

C=2Rsin

=2292×sin15∘=593㎝

d=Rcos

=1146×cos15∘=1107㎝

h=R–d=39㎝

图5、曲率计算方法

3、集成元之纵向接合方法

（1）、指形

指形规格：

指长L为18mm，指距P为6mm，指端宽ｔ为1.5mm。

（2）、指榫制作

将窑干后集成元试材刨光至厚度为21㎜后进行指榫切削，切削前需将端部切削围之缺点去除，以避免缺点于指榫部位影响指接胶合的效果，然后进行指榫切削作业。

（3）、集成元之纵向接合作业

指榫接合以间苯二酚－酚甲醛树脂胶合剂进行胶合，木材之布胶量约为250g/m2，主剂与硬化剂之比例为1：

1，榫接布胶后进行指接端部纵向加压接合，加压压力为10kgf/cm2，仪表压力控制在20kgf/cm2以下，加压时间为5分钟，置于常温硬化时间为4小时。

所加压之仪表压力计算方式如下：

R×P＝A×W

式中，

R：

气压缸之断面积（cm2）

P：

仪表压力（kgf/cm2）

A：

集成元材料断面积（cm2）

W：

纵接胶合压力（kgf/cm2）

2.5㎝×2.5㎝×3.1416×P＝10㎝×2.1㎝×10kgf/㎝2

P＝11kgf/㎝2

4、结构用集成材层积加压胶合方法

先以双面刨将指接作业后之柳杉集成元刨光至厚度2cm，以刨除指接部位之渗胶保持接合处之平整，然后进行布胶，布胶量为250g/m2，再以水平加压夹具台进行集成材胶合作业，每支集成材采用12支集成元胶合层积而成，相邻集成元之指接位置间距需错开15cm以上，加压至紧密后以扭力板手进行压力之检测。

加压胶合时间为4小时，其用胶量与压力之计算如下：

（1）、每支集成材总布胶量：

[（600㎝×10㎝）/10000]×250g/m2×11=1650g

（2）、集成压力为600㎝×10㎝×10kgf/㎝2＝60000kgf，利用螺杆加压，加压螺杆总数22支计算扭力扳手载重，扭力扳手载重计算公式如下：

FL＝W×R×（3.1416×F×D＋K）/（3.1416×D－F×K）

D＝（d1＋d2）/2，R=D/2，

FL：

扭力扳手施力作功（kgf-cm）；K：

螺纹间距（cm）

W：

单一螺杆所需负载之力60000/22=2727（kg）

R：

螺杆之半径（cm）

F：

摩擦系数（0.2）；d1：

螺杆外径（cm）；d2：

螺杆径（cm）

D：

螺杆平均直径=（螺杆外径+螺杆径）/2（cm）；

FL=2727×1.48×（3.1416×0.2×2.8+0.33）/（8.7965-0.2×0.33）

FL=966（kgf-cm）

四、三铰径向拱型结构用集成材性质试验

（一）、集成元之基本性质测定

1、柳杉集成元基本性质试验方法

（1）、密度试验，根据CNS451，测量柳杉气干体积（V），称取试材质量（m），依下式计算其气干密度（D；g/cm3）：

（2）、含水率试验，根据CNS452，测量柳杉干燥前之质量（m1），将试材置于103±2℃烘箱中，直到质量恒重，即为试材绝干质量（m2），依下式计算其含水率：

MC（%）=

（3）、柳杉之实木剪断试验，根据CNS455，柳杉以径切面与弦切面两种型式进行试验，重复次数各为12次，依下式计算其剪断强度（τ）：

τ=

（kgf/cm2）

式中，τ：

剪断强度

P：

最大载重（kgf）

A：

剪断面积（cm2）

2、指接性质试验方法

柳杉集成元之四点载重静力弯曲试验，依据CNS11031中静曲C试验，如图6所示，制作宽度与厚度与试样集成元一样，长度为集成元厚度之25倍以上之试材。

柳杉集成元试材区分为有指接与无指接两种，长度方向有纵接胶合集成元，制作试材时，该指接胶合部位应置于试材中央。

指接胶合集成元试材规格为72㎝（长）×10.1㎝（宽）×2.1㎝（厚），其试验重复14次。

其静曲强度依表4区分为3等，依目视区分集成元，试片静曲强度之平均值与下限值需符合表所示数值以上。

圖6、柳杉集成元經縱向接合後進行四點載重靜力彎曲試驗（單位：

㎝）

表4、依目视区分集成元之静曲强度等级区分标准

树种群

1等

2等

3等

静曲强度（kgf/cm2）

平均值

下限值

平均值

下限值

平均值

下限值

630

475

540

405

485

365

540

405

485

365

450

340

485

365

450

340

420

315

450

340

420

315

390

295

420

315

390

295

360

270

390

295

360

270

330

250

（二）、结构用弯曲集成材强度试验：

1、集成材强度性能之试验方法

（1）、四点载重静力弯曲试验

根据CNS11031静曲A试验，如图7所示，测定在破坏时之静曲强度（MOR），依比例限度之上限载重与下限载重与其相对应之挠曲差，求出静曲弹性系数（MOE）。

试材尺寸为593㎝（长）×10㎝（宽）×25.2㎝（厚），跨距593㎝（为集成材实大材厚度之18倍以上）。

由下式计算出静曲弹性系数与静曲强度。

MOE（kgf/cm2）=

MOR（kgf/cm2）=

式中，△P：

比例限度上限载重与下限载重值之差（kgf）

△y：

与△P相对应之挠曲差（cm）

l：

跨距（cm）

Pb：

最大载重（kgf）

s：

两载重点间距（cm）

b：

实大集成材试材宽度（cm）

h：

实大集成材试材厚度（cm）

图7、三铰径向拱形结构用弯曲集成材四点载重静力弯曲试验

（三）、煮沸剥离试验

1、试材制作:

从试验集成材之两端各截取长度为75mm之试材，本试验共制取12片试材。

2、试验方法:

将试片浸渍在煮沸水中4小时，更在室温（10~25℃）之水中浸渍1小时后，从水中取出将试片放入70±3℃之烘箱中，干燥24小时以上，干燥后试片之含水率应较试验前之含水率为低。

但标示第Ⅰ类使用环境目的时，需进行上述处理反复两次，之后计算试片剥离率，测定剥离长度时，干裂、节所引起木材之破坏不视为剥离。

3、试片合格标准:

将试材两横断面之剥离长度达3mm以上者进行测定并合计之。

再求出各集成材剥离率之平均值，当两横断面之剥离率在5％以下，且同一胶合层剥离长度为各试材长度之1/4以下者为合格。

由下式计算出剥离率：

剥离率（％）=（两横断面剥离长度之合计/两横断面胶合层长度之合计）×100

（四）、木块剪断试验:

1、试片制作:

依CNS11031胶合剪断试验之规定，将胶合试材制取35片规格如图6之试片，进行胶合剪断强度之预备试验。

另外，于实大尺寸集成材静曲A试验后，再从试验集成材之两端各取一个试片，对于全部胶合层制作成如图8所示规格之试片，本试验共需制取132片胶合剪断试材。

2、试验方法:

试验时，试片之剪断面与载重轴成平行，载重速度为约1000kgf/min，直至试片破坏为止。

图8、胶合剪断试片制作规格（单位：

㎜）

3、试片合格标准:

试片之剪断强度与木破率如表5所示，柳杉剪断强度应为54kgf/cm²，木破率为70%以上。

表5、柳杉结构用集成材剪断强度与木破率标准

树种区分编号

树种区分

剪断强度

（kgf/cm2）

木破率

（%）

柳杉、杉、杉木、西部侧柏与具同等强度之树种

五、两铰径向拱型结构用集成材制作拱桥之作业流程

拱形集成材歩道桥之制造，桥身总长593cm，宽116cm，扶手型式设计为中国式拼花，桥面板至扶手高度依公路桥梁设计规，规定需为105cm高，且所有木材均经CCA防腐处理。

（图9）

图9、弯曲集成桥梁之俯视图（单位：

㎝）

（一）、基础桥墩施工

依设计以混凝土铺设桥梁基础，混凝土之规格为160㎝长×45㎝宽×60㎝厚。

首先进行模板作业，基础台面离地表约30㎝，需视施工现场之斜坡，经水平仪量侧后之高度为基准。

混凝土之水泥、细沙与卵石，其比例为1：

2：

4，模板拆除时间为灌浆后3天。

（图10）

图10、基座尺寸与扣件之距离（单位：

㎝）

（二）、锚栓安置

锚栓总长30cm，直径1.5cm，一端加工折弯如锚状，材质为不锈钢螺杆，其用途是作为基础与弯曲集成梁端部扣件之连结，同时于混凝土硬化后可加强牢固作用，于灌浆过程中每一ㄇ型扣件与6支锚栓套入后埋进混凝土基础中，位置分别在距基座长边约9cm，离宽边约25cm处，锚栓露出基础外2.5~3cm长，埋入深度17~20cm。

（三）、护栏施工

1、装饰拼花

首先制作拼花之矩形框，框体四角以45∘接合，其接合部以木钉与涂布环氧胶接合，周围4支连结材同样以木钉接合。

2、护栏柱、扶手与拼花之连结

拼花、护栏柱与扶手以L型角铁接合，柱与扶手使用A34多功能角铁接合，拼花与扶手与护栏柱接合位置依据桥梁曲率为基准。

（图11）

图11、弯曲集成桥之侧视图

（四）、护栏与弯曲集成梁之接合

以两支直径1.588cm不锈钢螺栓进行接合，螺栓之端距与间距依规分别为螺栓直径之4倍（7cm）与7倍（11cm）以上（图12）。

图12、集成梁与护栏柱之组合详图

（五）、结构用弯曲集成材之安装

三支结构用弯曲集成材作为拱桥主梁，两侧端部安装时，置入于事先固定于混凝土桥墩上之ㄇ型扣件，再以4支13.5×1.588（ψ）之螺栓接合固定于基座上，相邻集成材之间距为40cm，施工时应注意维持三支主梁上缘在同一高度，以利于桥面板材之铺设与桥梁结构之完整。

（六）、补强材施工

分别在距离结构用弯曲集成材两端部150cm位置，以2×8规格之南方松防腐材作为侧向支撑。

（七）、桥面板铺设

桥面板尺寸为2×4之柳杉防腐材，长度116cm，以7.7cm长之镀锌牙钉，由桥梁之一端开始铺设于弯曲集成梁材面上，每一支桥面板材间距为0.4cm。

（八）、护木油涂装

以Cabot水性透明耐候漆（水性油脂、水性压克力树脂）涂刷木材表面，干燥时间为24小时，涂刷次数为2次，在第一次涂刷后之15分钟，于漆面仍处于湿润状态下复刷。

六、弯曲集成拱桥之测试

（一）、潜变测试：

桥梁建造完成之后依公路桥梁施工规，人行步道桥应用场合之活载重设计以400kgf/m²计算，将水泥柱平均放置于桥面上，以位移计量测于桥梁中心，以监测梁中央位置之弯曲变位量，最初两星期每天量测一次，接着每三天量测一次，持续三星期，最后每一星期量测一次，预计量测三个月的时间。

记录每一次量测之变位量，绘制弯曲变形-时间关系曲线，其最后结果不得超过公路桥梁设计规L/300。

（二）、含水率监控:

施工完成后弯曲集成梁之含水率为30%以上，定期

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