METSÄNTUTKIMUSLAITOKSEN TIEDONANTOJA 890, 2003 Mänty- ja koivupienpuun käyttömahdollisuudet rakennepuutuotteissa (EWP) Tekesin osarahoittaman esiselvityshankkeen loppuraportti Henrik Herajärvi, Aki Jouhiaho, Vesa Tammiruusu, Tuula Nuutinen, Tuomo Väärä, Erkki Verkasalo JOENSUUN TUTKIMUSKESKUS METLA METSÄNTUTKIMUSLAITOKSEN TIEDONANTOJA 890, 2003 Mänty- ja koivupienpuun käyttömahdollisuudet rakennepuutuotteissa (EWP) Tekesin osarahoittaman esiselvityshankkeen loppuraportti Henrik Heräjärvi, Aki Jouhiaho, Vesa Tammiruusu, Tuula Nuutinen, Tuomo Väärä, Erkki Verkasalo JOENSUUN TUTKIMUSKESKUS Herajärvi, H., Jouhiaho, A., Tammiruusu, V., Nuutinen, T., Väärä, T. & Verka salo, E. 2003. Mänty- ja koivupienpuun käyttömahdollisuudet rakennepuutuotteissa (EWP). Tekesin osarahoittaman esiselvityshankkeen loppuraportti. Metsäntutkimuslaitoksen tiedonantoja 890. 58 s. + liitteet. ISBN 951-40-1877-X, ISSN 0358-4283. Avainsanat: EWP, koivu, mänty, pienpuu, rakennepuutuotteet Kirjoittajien yhteystiedot: Metsäntutkimuslaitos, Joensuun tutkimuskeskus, PL 68, Joensuu, puh. 010 2111, fax. 010 211 3113, sähköposti: henrik.herajarvi@metla.fi Julkaisija: Metsäntutkimuslaitos, Joensuun tutkimuskeskus, Puunkäytön mahdollisuudet ja puutuotteiden menekki -tutkimusohjelma (PKM) Tilaukset: Metsäntutkimuslaitos, kirjasto, PL 18, 01301 Vantaa, puh. 010 211 2200. fax. 010 2201 Hinta: 10 € Hyväksynyt: Tutkimusjohtaja Kari Mielikäinen 1.4.2003 Painopaikka: Joensuun yliopistopaino 3 SISÄLLYS 1 JOHDANTO 6 1.1 Tausta 6 1.2 Pienpuuraaka-aineen laatuja käyttö 7 1.3 Rakennepuutuotteet (Engineered Wood Products) 11 1.4 Tutkimuksen tavoitteet 16 2 MENETELMÄT JA AINEISTO 18 2.1 Tuotteiden raaka-ainevaatimukset 18 2.2 Laboratoriokokeet 19 2.3 Alueittaiset raaka-ainekertymät 23 2.4 Raaka-aineen tehdashinnat ja rakennepuutuotannon talous 24 2.5 Standardit ja tuotesuojaukset 26 3 TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU 26 3.1 Tuotteiden raaka-ainevaatimukset 26 3.2 Laboratoriokokeet 29 3.3 Alueittaiset raaka-ainekertymät 36 3.4 Raaka-aineen tehdashinnat ja rakennepuutuotannon talous 39 3.5 Standardit ja tuotesuojaukset 41 4 PÄÄTELMÄT JA JATKOTUTKIMUSTARPEET. 45 KIRJALLISUUS 49 4 ALKUSANAT Kotimaisessa puutuoteteollisuudessa on viime vuosina ryhdytty entistä tehok kaammin hyödyntämään jatkojalostuksen ja uudentyyppisten tuotteiden tarjoamia liiketoimintamahdollisuuksia. Tutkimus ja tuotekehitys pyrkivät edistämään uusien innovaatioiden syntymistä ja niiden nopeaa mutta riskit minimoivaa käyttöönottoa tuotannossa ja markkinoinnissa. Erityisesti kotimaisen pienpuun lisäkäyttö uusissa, jalostusarvoltaan korkeissa tuotteissa nähdään koko metsäklusterin toimintaedelly tyksiä parantavana tavoitteena. Metsäntutkimuslaitoksessa toteutettiin vuonna 2002 esiselvityshanke "Suomalai sen pienpuun soveltuvuus EWP-tuotantoon", jonka loppuraporttina syntyi käsillä oleva julkaisu. Tässä julkaisussa pyritään luomaan laatuaan ensimmäinen katsaus kotimaisen rakennepuutuotannon mahdollisuuksiin erityisesti pienpuun hyödyntämi sen kannalta. Samalla täsmennetään ja yhtenäistetään rakennepuutuotteisiin liittyvää, aiemmin kovin sekavasti ja osin epäjohdonmukaisesti käytettyä terminologiaa. Tähän asti rakennepuutuotteita on kutsuttu kotimaassa nimellä "insinööripuutuotteet" ja englanninkielisissä maissa nimellä "Engineered Wood Products" (EWP). Esiselvityshanke toteutettiin pääosin Tekesin Tukista Tuplasti -tekno logiaohjelman rahoituksella. Metla osallistui hankkeen kustannuksiin omara hoitusosuudella sekä vakinaisen henkilöstön työpanoksella. Hankkeen ohjausryhmän puheenjohtajana toimi Olavi Mikkola (Schauman Wood Oy) ja jäseninä olivat Pentti Hakkila (VTT Prosessit), Risto Itkonen (Finnforest Oy), Matti Kairi (TKK), Jarmo Laitinen (Metso Oyj), Markku Lehtonen (Wood Focus Oy), Tuula Nuutinen (Metsäntutkimuslaitos), Erkki Salmenlinna (Koskisen Oy), Pekka Salonen (Wood Focus Oy) sekä Juha Vaajoensuu (Tekes). Arvokkaita kommentteja käsikirjoitukseen esittivät myös professori Matti Kärkkäinen Joensuun yliopistosta sekä vanhempi tutkija Tuomo Poutanen Tampereen teknillisestä yliopistosta. Toimiva yhteistyö Kymenlaakson ammattikorkeakoulun puutekniikan osaston kanssa mahdollisti tutkimuksen laboratoriokokeiden joustavan toteuttamisen. Haluamme esittää lämpimät kiitokset sekä kaikille edellä mainituille että muille hankkeen edistymiseen myötävaikuttaneille henkilöille ja organisaatioille arvokkaista kommenteista, avoimesta tiedonvaihdosta ja yhteistyöstä hankkeen aikana. Joensuu, toukokuussa 2003 Tekijät 5 TIIVISTELMÄ Rakennepiiutuotteilla (Engineered Wood Products) tarkoitetaan puutuotteita, jotka on valmistettu liimaamalla yhteen puulastuja, säleitä, viiluja tai muita pilkottuja puupar tikkeleita siten, että tuotteesta on saatu kimmoisuus-, lujuus- ja osin myös kosteus elämisominaisuuksiltaan massiivipuuta tasalaatuisempi. Tämän esitutkimuksen ta voitteena oli tutkia, onko suomalaisesta mänty- ja koivupienpuusta mahdollista val mistaa rakennepuutuotteita raaka-aineominaisuuksien ja raaka-aineen teknis taloudellisten hyödyntämismahdollisuuksien puolesta. Kotimainen mänty- ja koivupienpuu ovat teknisiltä ominaisuuksiltaan pääosin kilpailukykyisiä raaka-aineita verrattuna muualla maailmassa rakennepuutuotteisiin käytettäviin puulajeihin. Laboratoriokokeissa havaittiin, että kooltaan OSB-levylle tyypillisistä lastuista on mahdollista valmistaa lujaa ja jäykkää rakennepuupalkkia, edellyttäen että lastujen suuntaamisessa onnistutaan riittävän hyvin. Pieni läpimittaisesta männystä ja koivusta laboratoriossa valmistettujen, lähinnä pienidi mensioista OSL-palkkia muistuttavien koekappaleiden lapetaivutuslujuudet vaihteli vat 40-52 MPa:n välillä ja taivutuskimmoisuudet 6500-8600 MPa:n välillä, kun järe än mäntytukin oksattomasta pintaosasta tehtyjen optimilaatua edustaneiden vertailu koekappaleiden lapetaivutuslujuus oli keskimäärin 59 MPa ja -kimmoisuus 9700 MPa. Aiempien selvitysten perusteella lienee selvää, että kotimaassa voidaan inves toida lähinnä johonkin OSB-levyä pienemmällä tuotantovolyymilla valmistettavaan palkki- tai levytuotteeseen. Valmistettavissa olevia tuotteita samoin kuin tuotteiden valmistusmenetelmiä rajoittavat monet tuotesuojaukset. Tarkastelluilla metsäkeskusalueilla (Kaakkois-Suomi, Häme-Uusimaa, Lounais- Suomi, Etelä-Pohjanmaa) on vuoden 2001 toteutuneisiin hakkuisiin suhteutettuna pääsääntöisesti joko ennallaan pysyvä tai kasvava vuotuinen kuitupuun hak kuupotentiaali. Vuonna 2001 toteutuneet hakkuut olivat keskimäärin 1/3 - 2/3 suu rimman kestävän hakkuumäärän arviosta. Poikkeuksena oli Etelä-Pohjanmaan alue, jossa hakkuut olivat vuonna 2001 lähes suurimman kestävän hakkuusuunnitteen mu kaiset. Tältä kannalta tarkasteltuna uuden pienpuuta käyttävän teollisuuden luominen jollekin kyseisistä alueista on mahdollista. 6 1 JOHDANTO 1.1 Tausta Teollistuneissa maissa suurin osa pienpuusta käytetään massa- ja paperi teollisuudessa (esim. Peltola 2002). Suomessa selluloosateollisuus on käyttänyt män tyä 1920-luvulta ja koivua 1950-luvulta. Viime vuosina pienpuun käyttöä kemialli sessa puunjalostuksessa on lisännyt lähes yksinomaan tehtaiden tuotannon pullon kaulojen avaaminen asteittain. Noin kaksi kolmannesta kaikesta Suomessa tuotetusta sahatavarasta käytetään ra kentamiseen (Sipi 1998). Sahausmäärät ovat siis voimakkaasti riippuvaisia rakenta misesta. Koko Euroopassa puurakenteisten talojen osuus kaikista uusista talonraken nushankkeista on noin 10 % ja betoni- tai tiilirakenteisten noin 90 %. Esimerkiksi Pohjois-Amerikassa runkorakennusmateriaalien osuudet ovat lähes päinvastaiset. Puutuoteteollisuuden vision 2010 mukaan puun käyttöä rakentamisessa ja laaduk kaan asumisen kuluttajatuotteissa pitäisi lisätä nykyisestä niin kotimaassa kuin tär keimmillä vientimarkkinoillakin. Siinä tapauksessa, että jatkossakin aiotaan tukeutua perinteiseen rakentamiseen sahatavarasta ja sen jatkojalosteista, järeän tukin saata vuuden heikkeneminen ja samanaikainen puun lisääminen rakennuskäytössä muo dostavat vaikeasti ratkaistavan yhtälön. Kysymystä voi olla helpompi lähestyä mui den kuin järeän tukin käyttöön perustuvien rakennustuotteiden avulla. Voidaanko harvennusmetsien ja päätehakkuuleimikoiden pienpuusta tuottaa kannattavasti perin teistä sahatavaraa korvaavia tuotteita? Perinteisellä havusahatavaralla on rakennusteollisuuden kannalta muutamia epä edullisia piirteitä. Ensinnäkin, hukkaprosentti talonrakentamisessa rakennustyömaal la on suuri: vain arviolta 70-80 % työmaalle tuodusta sahatavarasta päätyy lopputuot teeseen eli taloon. Toiseksi, sahatavara sisältää aina erilaisia vikoja ja epäjatkuvuus kohtia, jotka heikentävät sen lujuutta ja kasvattavat siten laskennallisia varmuusker toimia. Tällaisia vikoja ja epäjatkuvuuskohtia ovat muiden muassa oksat, halkeamat, lahot, reaktiopuu, syysuuntapoikkeamat ja myös vajaasärmät. Sahatavaran lujuus massa -suhde tai lujuus-dimensio -suhde ovatkin muihin rakennusmateriaaleihin verrattuna vaatimattomalla tasolla. Käytännössä pienpuuta käytetään rakentamisessa eniten perinteisenä sahatavarana ja höylättyinä, profiloituina, sormijatkettuina tai aihioituina jatkojalosteina (esim. Boren 1999, 2001, Wall 2002). Tällöin puhutaan pikkutukeista, joiden minimi läpimitta vaihtelee välillä 9-14 cm ja pituus välillä 2,6-4,6 m. Pikkutukin sahaus on tähdännyt ensisijaisesti huonekalu- ja rakennuspuusepänteollisuuden tarpeisiin. Suuri osa sahatavarasta on kuitenkin laadultaan lähinnä pakkaus- tai rakennussahatavaraa (vrt. Jouhiaho & Uusitalo 2001, Wall ym. 2003). Pikkutukeista saadaan dimensi oiltaan keskimääräistä pienempää sahatavaraa, mikä rajoittaa sen käyttöä mm. talon rakentamisessa. Otollisia käyttökohteita löytyy kuitenkin mm. korjausra kentamisesta ja tee-se-itse -tuotteista (Verkasalo 2001, Wall 2002). Erikoisuutena Suomessa tuotetaan muutamilla sahoilla pienpuusta edelleen myös ns. egyptinparrua, joka on vakiomittainen, nelisahattu, tyveltä latvaa kohti kapeneva ja nimensä mukai sesti Egyptin rakennusmarkkinoille toimitettava massiivipuutuote. Pienpuun rakennuskäyttöä on Suomessa pikkutukkien sahauksen ohella pyritty edistämään myös pyöröpuutuotteiden avulla (esim. Boren ym. 1998, Ranta-Maunus 1999, Boren ym. 2000, Heräjärvi ym. 2000, Kivinen & Pietilä 2000, Pietilä ym. 7 2000, Boren 2001, Stöd 2002 b). Näillä tarkoitetaan erilaisia aita-ja rakennustolppia sekä muita piha- ja ympäristörakentamisen sekä puutarhojen ja viinitarhojen raken nelmia. Joko suoraksi ympyrälieriöksi sorvatut tai latvaa kohti kapenevat katkaistun ympyräkartion muotoiset pyöröpuurakenteet ovat kuitenkin rakennusteknisesti haas tavia. Mm. kieroutuminen ja halkeilu kuivauksessa ja käytön aikana monimutkaista vat ovi- ja ikkunarakenteiden sekä kantavien palkkien liitosten suunnittelua ja ovat hidastaneet tuotteiden kaupallistumista. Pyöreätä tai osin profiloitua puuta on kokeil tu käytettäväksi myös vaneri- tai OSB-uumaisten I-palkkien paarteina (Koch ym. 1989). Näistä ei kirjoittajien tietämyksen mukaan ole muodostunut kaupallista tuotet ta. Pyöröpuurakenteiden suunnitteluun on innostanut pieniläpimittaisen raakapuun oletetun hyvän saatavuuden ja edullisen hinnan lisäksi myös mahdollisuus hyödyntää vaneri- tai LVL-tehtailta ylijääviä sorvipurilaita. Ensiharvennuspuun käyttömahdollisuuksista on pinta-alaperusteisesti tarkasteltu na Suomessa yli puolet hyödyntämättä (esim. Boren 2000, Verkasalo 2001, Hakkila ym. 2002). Mäntykuitupuun kotimainen tarjonta kattaa lähes kokonaan kuiduttavan teollisuuden nykyisen kysynnän. Mäntykuitupuuta tuotiin kuitenkin Suomeen vuonna 2001 noin 1,36 milj. m 3. Valtaosa eli 6,86 milj. m 3 tuontikuitupuusta oli koivua, li säksi kuusikuitupuuta tuotiin 1,51 milj. m 3 (Peltola 2002). Koivun lisäksi muita leh tikuitupuulajeja, tarkoittaen käytännössä haapaa, tuotiin 0,4 milj. m 3. Koivukuitu puun raaka-ainetilanne suhteessa puun käyttöön on varsin ristiriitainen: noin puolet Suomessa jalostetusta koivukuitupuusta tuodaan Venäjältä, samalla kuitenkin erityi sesti Länsi-Suomessa on merkittävä mutta puutteellisesti hyödynnetty koivuraaka ainereservi (ks. Peltola 2002). Suometsien merkitys teollisuuden puuhuollossa kasvaa tulevaisuudessa turvemaille tehtyjen ojitus- ja lannoitusinvestointien tuottaessa tulos ta. Valtaosa tästä raakapuureservistä on harvennushakkuiden pieniläpimittaista män tyä ja koivua (esim. Nuutinen ym. 2000, Niemi ym. 2002). Suomessa 1960-luvulla alkanut ja 1990-luvun alkuun asti jatkunut männyn inten siivinen viljely monentyyppisille kasvupaikoille takaa pääosin heikkolaatuisen män typienpuun runsaan tarjonnan periaatteessa ainakin seuraavalle 30-50 vuoden ajan jaksolle (ks. esim. Uusvaara 1975, 1985, Kellomäki ym. 1992, Nurmi 2002). Käy tännössä kotimaisen puun tarjonta teollisuuden käyttöön riippuu puukauppojen toteu tumisesta, mihin vaikuttavat vallitsevan kantohintatason lisäksi lukuisat eri tekijät. Ellei haluta laskea sen varaan, että mänty- ja koivupienpuuta kemiallisesti jalostava teollisuus lisäisi kuitupuun käyttöä olennaisesti, on haettava keinoja näiden puutava ralajien mekaaniseen jalostukseen. 1.2 Pienpuuraaka-aineen laatuja käyttö Selluloosa- ja paperiteollisuudessa jalostustekniikka on suunniteltu pääosin tavallista ensiharvennuspuuta järeämmän raakapuun käsittelyyn. Esim. rumpukuorinnassa ohuet harvennuspuupölkyt murskaantuvat järeämmän kuitupuun seassa, mikä kasvat taa kuorintahävikkiä (Hakkila ym. 1995). Mielenkiintoa ensiharvennuspuuta kohtaan ovat laskeneet myös sen eräät kuidutuksen kannalta negatiiviset ominaisuudet, mm. paperin lujuusominaisuuksia heikentävä alhainen kuidun pituus sekä selluloosan saantoa laskeva alhaisempi puuaineen tiheys (esim. Hakkila ym. 1995, Saranpää 2002). Lisäksi ensiharvennuspuukuitu sekoittuu tehtailla epä-tasaisesti muun raaka aineen joukkoon aiheuttaen siten vaihtelua sellun laadussa. Pieniläpimittainen män 8 tykuitupuu soveltuu kuitenkin hyvin esimerkiksi pehmopaperin valmistukseen ja hienopaperin valmistuksessa korvaamaan lyhytkuituista koivusellua. Hakkila ym. (1995) määrittelevät Suomessa valtaosin alaharvennuksina toteutet tavien harvennushakkuiden tavoitteet seuraavasti: "Metsikön luonnonmukaista elin kaarta myötäillen poistuma kohdistetaan kasvukyvyltään ja tekniseltä laadultaan heikoimpaan puustoon. Ensisijaisesti poistetaan kilpailussa alakynteen jääneitä puu yksilöltä mutta laatuharvennuksena myös etukasvuisia susipuita." On siis selvää, että vain pieni osa harvennushakkuupoistumasta kelpaa perinteisen puutuoteteollisuuden tarpeisiin. Koska järeän tukkipuun saatavuus kuitenkin on hei kentynyt, pikkutukin käyttö puutuoteteollisuudessa on lisääntynyt erityisesti havu puiden mutta viime aikoina myös koivun osalta. Nykyinen terveoksaista mäntysahatavaraa käyttävä huonekaluteollisuus voi hyö dyntää myös ensiharvennushakkuista saatavaa puutavaraa. Jouhiaho & Uusitalo (2001) havaitsivat ensiharvennusmänniköiden keskisaheista saatavan A-laadun saha tavaraa tukin läpimittaluokittain tarkasteltuna lähes yhtä paljon kuin järeiden puiden latvaosista, noin 55 %. Ensiharvennuksissa oli puolestaan selvästi päätehakkuita vähemmän B-laadun ja vastaavasti enemmän C-laadun saheita. A-laadun saheista valtaosa luokiteltiin A4-alaluokkaan. Kasvupaikan viljavuustason ei havaittu vaikut tavan ensiharvennuksilta korjatuista mäntypikkutukeista saadun sahatavaran laatuja kaumaan. Voitaneen kuitenkin sanoa, että pikkutukista saadaan oksatonta tai vähäoksaista sahatavaraa vain vähän. Sen sijaan suuretkin terveet oksat ovat tavallisia, kuolleita oksia taas on keskimäärin vähemmän kuin järeästä tukista tuotetussa sahatavarassa (mänty: ks. Hakala 1992, Boren 2001, Jouhiaho & Uusitalo 2001, Wall ym. 2003; koivu: ks. Varis 2000, Lehtimäki ym. 2002, Varis 2002). Oksat vaikeuttavat sahata varan jalostusta: kuolleet oksat irtoavat ja terveet halkeilevat kuivauksessa ja mo lemmat oksatyypit vaikeuttavat höyläystä. Lisäksi oksat lisäävät sahatavarakappaleen kuivausmuodonmuutoksia, alentavat sen lujuutta ja luovat tuotteeseen oman visuaali sen ilmeensä. Pääosin havupuu- mutta viime aikoina myös muutamat koivusahat ovat suuntau tuneet pieniläpimittaisen ja lyhyen tukin sahaukseen aina 9 cm:n latvaläpimittaan ja runsaan kahden metrin tukkipituuksiin saakka (ks. luku 1.1). Verkasalo (2001), Stöd (2002 a) ja Wall (2002) luettelevat sahaamalla jalostetun havupikkutukin olemassa oleviksi käyttökohteiksi huonekalujen osat, rakennuspuusepänteollisuuden tuotteet, liimapuun, pakkausjärjestelmät, piha- ja ympäristörakentamisen, korjausrakentami sen ja tee-se-itse -tuotteet. Pieniläpimittaista, enimmäkseen terveoksaista koivua käytetään eniten huonekaluissa ja lattiapäällysteissä (Heikkinen 1999, Lehtimäki ym. 2002, Varis 2002). Pikkutukkien prosessointiin suunniteltuja sahakoneita ja -linjoja on tarjolla useilla suurilla ja myös pienemmillä sahakonevalmistajilla. Pikkutukin sahauksessa keskei nen ongelma on tukkien alhainen järeys ja lukuisat muotoviat, varsinkin mutkat ja lenkous (Kärkkäinen 1980 a, 1980 b, Uusvaara 1985, Hakala 1992). Nämä tekijät aiheuttavat suoraan tai välillisesti useimmat ensiasteen jalostuksessa ilmenevät vai keudet. Ensinnäkin ne vaikeuttavat teknisesti sahausprosessia ja kasvattavat raaka aineen käyttösuhdetta (m 3 raaka-ainetta / m 3 tuotetta). Pienimmissä latvaläpi mittaluokissa (9-11 cm) tarvitaan yli kolme kuutiometriä kuorellista tukkia yhden täyssärmäisen sahatavarakuutiometrin tuottamiseen (Jouhiaho & Uusitalo 2001, Wall ym. 2003). Pienpuulle tyypillinen monivääryys, lenkous ja mutkaisuus aiheuttavat 9 sen, että vain vähäinen osa ensiharvennusmännystä (Stöd 2002 a) ja -koivusta (Leh timäki ym. 2002) on sahaukseen soveltuvaa. Tasaisen lenkouden tai lievän mutkaisuuden vaikutuksia pyritään kompensoimaan kehittämällä käyräsahaustekniikkaa, joka mahdollistaa sahanterien tietyissä rajoissa tapahtuvan tukin yhdensuuntaisen lenkousakselin mukailun. Moniväärien tukkien kohdalla - joita mm. pieniläpimittaiset lehtipuutukit usein ovat - käyräsahaus ei toi mi. Pohjois-Amerikassa on käytössä ns. käärmesahauslaitteita, joilla voidaan mukail la tukin mutkia monipuolisemmin kuin tavanomaisessa yhdensuuntaisessa käy räsahauksessa. Kyseinen tekniikka on kuitenkin niin kallis, ettei ainakaan johtava kotimainen pienpuusahakonevalmistaja sitä hyödynnä, vaikka mahdollisuus onkin olemassa. Lyhyet tukkipituudet (esim. 2-3 m) kasvattaisivat niin hehtaarikohtaisia pikku tukkikertymiä kuin sahauksen saantoakin; tällöin rungon muotovikaisia kohtia voi daan välttää tavanomaisia tukkipituuksia helpommin ja lyhyissä tukeissa lenkous, mutkaisuus tai kartiokkuus eivät ole yhtä vahingollisia vikoja kuin pitkissä (ks. Wall 2001, Heräjärvi & Verkasalo 2002, Wall ym. 2003). Sahauksen nettotuotto kuitenkin laskee siirryttäessä lyhyempiin tukkipituuksiin (Fröblom 2001, Wall ym. 2003). Li säksi pituuksien pienentäminen aiheuttaa vaikeuksia mm. tukkien kuorintaan (n. 2 metriä on minimitukkipituus nykyisille kuorimakoneille), suurilla linjanopeuksilla tukkien syöttölaitteiden toimintaan (tukkien lukumäärä pituusyksikköä kohti kasvaa) sekä sahatavaran käyttäytymiseen ja kapasiteetin käyttöasteeseen kuljettimilla, lajittelu-ja rimoituslaitoksissa, kuivauksessa ja paketoinnissa (sahatavarakappaleiden lukumäärä pituusyksikköä kohti kasvaa). Ominaisuuksiensa perusteella pienpuu soveltuu myös perinteisen lastu- tai kuitu levyteollisuuden raaka-aineeksi. Verkasalon (2001) mukaan näitä teollisuudenaloja ei kuitenkaan voida pitää potentiaalisina pienpuun käyttäjinä, koska sahojen ja vaneri tehtaiden sivutuotteet takaavat niille jo nyt riittävän raaka-ainelähteen. Pienpuun mekaanista jalostusta rajoittavat siis yhtäältä puutavaran alhainen järeys ja heikko runkomuotolaatu, mutta toisaalta myös itse puuaineen ei-toivotut ominai suudet. Viimeksi mainitulla tarkoitetaan suurta nuorpuun, oksapuun ja kuoren suh teellista osuutta. Nuorpuun, joksi luetaan puulajista ja -yksilöstä riippuen suunnilleen 5-25 ensimmäistä vuosirengasta puun ytimestä alkaen, ominaisuudet poikkeavat muun puuaineen eli ns. aikuispuun ominaisuuksista mm. suuremman vuosirengasle veyden, alhaisemman keskimääräisen tiheyden, lujuuden ja jäykkyyden, lyhyemmän kuitupituuden, ohuempien soluseinämien, korkeamman ligniini- ja alhaisemman selluloosapitoisuuden sekä soluseinämän jyrkemmän mikrofibrillikulman suhteen (esim. Kärkkäinen 1985, Sarvas 2002). Viimeksi mainittu aiheuttaa nuorpuuhun mo ninkertaisen pituussuuntaisen kuivauskutistuman aikuispuuhun verrattuna, mikä ha vaitaan kuivattaessa sahatavaran voimakkaana vääntyilynä, kieroutumisena ja halkei luna (esim. Uusvaara 1985, Boren 2001, Saranpää 2002). Nuorpuuta voidaan jalos tus- ja käyttöteknisten ominaisuuksiensa puolesta verrata reaktiopuuhun. Reaktiopuu ta esiintyy runkojen mutka- ja lenkokohdissa: havupuissa puristus- eli lylypuuta run gon koveralla puolella ja lehtipuissa vetopuuta rungon kuperalla puolella (Kärkkäi nen 1985, Zobel & van Buijtenen 1989). Nuorpuun muodostuminen on sidoksissa jällen ikään siten, että puun biologisesta iästä riippumatta jälsi tuottaa ensimmäiset 5-25 vuotta nuorpuuta ja alkaa vasta sen jälkeen tuottaa aikuispuuta. Tästä syystä nuorpuu muodostaa runkoon ydinkeskeisen lähes tasapaksun lieriön, joka suippenee kartioksi vasta puun latvaosassa, jossa vuo 10 sirenkaiden lukumäärä on vähemmän kuin mainitut 5-25 kpl (Zobel & van Buijtenen 1989). Jos oletetaan puun jällen muodostavan nuorpuuta 15 vuotta, ja puun sädekasvu nopeuden olevan 3 mm/a, kaikki rungon läpimitan 90 mm yläpuolelle muodostunut puuaines on nuorpuuta. Vastaavasti ko. läpimitan alapuolella aikuispuun osuus run gon tilavuudesta kasvaa sitä suuremmaksi, mitä lähempänä tyveä ollaan. Esimerkki tapauksessa aikuispuun osuus tavoittaa maksiminsa puun tyvellä, jossa sitä on ytimen ympärille sijoittuvaa noin 90 millimetrin läpimittaista nuorpuulieriötä lukuun otta matta koko ulkopuolinen vaippa. Ohjeiden mukaan ajoitetussa ensiharvennuksessa poistettavien puiden keskimääräinen rinnankorkeusläpimitta on tavallisesti alle 15 cm. Harvennuspoistuma samoin kuin päätehakkuiden latvapölkyt ovat siten suurelta osin nuorpuuta. Jos pienpuu jalostetaan sahatavaraksi, nuorpuun aiheuttamiin ongelmiin voidaan vaikuttaa muutamilla jatkojalostuksen keinoilla. Tunnetuin tapa välttää sahatavaran kuivausmuodonmuutoksia on käyttää painoja kuivauskuorman päällä ja pakottaa puu siten pysymään suorana. Myös eri kuivausmenetelmät ja -kaavat aiheuttavat eriastei sia muodonmuutoksia sahatavaraan. Näiden vaihtelua ei kuitenkaan tunneta niin hyvin, että pienpuun kuivaus kyettäisiin hallitsemaan aukottomasti. Perinteisten kui vauslämpötilojen, jotka ovat tavallisesti alle sadan asteen, lisäksi voidaan käyttää korkeampiakin lämpötiloja. Lämpömodifioinnissa kuivaamon lämpötila käytetään muutamia tunteja 180-220 asteessa, jolloin puun hemiselluloosia hajoaa ja puuaineen ominaisuudet muuttuvat tasapainokosteuden, kosteuselämisen, kimmoisuuden, taivu tus-, puristus-, leikkaus- ja halkaisulujuuden, pinnan kovuuden ja lahonkeston suh teen (ks. Viitaniemi 2002, van Acker & Hill 2003). Lisäksi puun väri muuttuu. Nuorpuuvaltaisen pienpuun ominaisuuksien muuttumisesta lämpömodifioinnissa verrattuna aikuispuun ominaisuuksien muuttumiseen ei ole tutkimustietoa toistaiseksi saatavilla. Toinen käytössä oleva modifiointitekniikka on puristuskuivaus, jossa sahatavara kappaleeseen kohdistetaan lämpötilan ohella puristuspaine. Puristuskuivaus voidaan tehdä pienellä puristuspaineella, jolloin pyritään vain kontrolloimaan sahatavaran muodonmuutoksia. Käytettäessä suurempaa puristuspainetta pyritään muodonmuu tosten lisäksi vaikuttamaan myös puun fysikaalisiin ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Tästäkään menetelmästä ei ole tutkimustietoa käytettävissä. Varsinkin lahonkestävyyden mutta jossain määrin myös kosteuselämisen vähen tämiseen tähtäävä modifiointitekniikka on puutavaran painekäsittely (impregnointi), jossa puun solukko kyllästetään kemikaalilla paineistetussa kyllästyssylinterissä. Perinteisten kreosootti- ja suolakyllästeiden lisäksi voidaan käyttää mm. mäntyöljy kyllästeitä, maleiinia ja furfuryylialkoholia, joista viimeksi mainituilla on positiivi nen vaikutus myös puutavaran mittapysyvyyteen (Epmeier ym. 2003, Westin ym. 2003). Puun soluontelot ja soluseinien huokoset voidaan täyttää myös esimerkiksi muovilla, jolloin saadaan kosteutta kestävää ja mittapysyvää puu-muovi - komposiittia. Painekäsittely edellyttää, että soluseinämän huokoset ovat avoinna, jotta kemikaali pääsee tunkeutumaan soluonteloon. Avohuokosisia ja siten kyllästy viä puulajeja ovat mm. kotimaisen männyn pintapuu sekä koivu (esim. Kärkkäinen 2003). Mänty- ja koivupienpuun alhainen kantohinta ja harvennusmetsien korkeat kor juukustannukset ja pienet kertymät (esim. Korpilahti ym. 1995, Tanttu ym. 2002, Stöd 2002 a) vähentävät metsänomistajien kiinnostusta harvennushakkuisiin. Toisaal ta pienpuun epäedulliset raaka-aineominaisuudet vähentävät sahateollisuuden mie 11 lenkiintoa pienpuuta kohtaan. Siksi on perusteltua pyrkiä ohjaamaan pienpuuta käyt tökohteisiin, joissa suuren nuorpuuosuuden, epäedullisen runkomuodon ja runsasok saisuuden merkitys ei pääse vaikuttamaan jalostukseen. Puutuoteteollisuudessa mai nitun kaltaisia käyttökohteita voisivat olla sellaiset tuotteet, joiden valmistusprosessi ei perustu sahaamiseen eikä viiluttamiseen vaan esim. lastuamiseen ja liimaamiseen. 1.3 Rakennepuutuotteet (Engineered Wood Products) RakennepuutuotteiUa tarkoitetaan tässä raportissa sellaisia puutuotteita, jotka on valmistettu liimaamalla yhteen puulastuja, säleitä, viiluja tai muita pilkottuja puupar tikkeleita siten, että tuotteesta on saatu kimmoisuus-, lujuus-ja kosteuselämisominai suuksiltaan massiivipuuta tasalaatuisempi ja halutunlainen. Puun luontaiset viat ja epäjatkuvuuskohdat on näin hajotettu pienempiin osiin, jotka jakaantuvat tasaisesti varsinaiseen tuotteeseen ja näin pienentävät kappaleiden sisäistä ja niiden välistä ominaisuusvaihtelua. Tämä mahdollistaa mm. massiivipuuta kevyempien ja sirompi en rakenteiden suunnittelun, pidempien jännevälien käytön ja pienemmät varmuusva rat suunnitteluarvoihin. Kun tuotteen lujuuden hajonta pienenee, kasvaa sen karakte ristinen lujuus. Näin ollen rakennepuutuotteissa saadaan massiivipuuhun verrattuna käyttöön suurempi lujuuskapasiteetti samasta raaka-ainemäärästä. Vaikka sahatava ran ja rakennepuutuotteen otoksista määritetty lujuuden keskiarvo olisikin sama, voidaan rakennepuutuotteelle käyttää korkeampia laskennallisia mitoitusarvoja, kos ka sen lujuushajonta on pienempi. Rakennepuutuotteisiin liittyvä terminologia on pitkälti englanninkielistä, mutta tuotteille ja niiden valmistustavoille on keksitty myös suomennoksia. Englanninkie linen yleisnimitys Engineered Wood Products (EWP) on käännetty usein suomeksi "insinööripuutuotteiksi", joka kirjoittajien näkemyksen mukaan kuvaa tuoteryhmää huonosti. Tämän vuoksi käsillä olevassa julkaisussa käytetään englanninkielisestä tuoteryhmänimestä johdettua nimikettä rakennepuutuotteet. Nimikkeen katsotaan kuvaavan sekä tuotteiden pääasiallisia käyttökohteita puurakenteiden osina että nii den koostumista rakenneosaa pienemmistä puukappaleista. Bodigin & Jaynen (1982) mukaan puukomposiiteilla voidaan määritelmällisesti tarkoittaa lähes mitä tahansa puutuotetta. Eräissä tapauksissa (esim. massiivisahata vara) tämä edellyttää kuitenkin, että puun eri komponentit, selluloosa, hemiselluloo sat jne., luetaan eri materiaaleiksi, jotka on liimattu yhteen ligniinin avulla. Sinänsä tarkastelutapa ei ole väärä. Oleellinen ero tämän raportin ja Bodigin & Jaynen (1982) terminologiassa on se, että tässä raportissa puuaine luetaan yhdeksi materiaaliksi joka muodostaa komposiitin vasta, kun siihen on liiman avulla sekoitettu toista materiaa lia, esim. muovia tai hiilikuitua. Rakennepuutuotteet eroavat edellisen määrittelyn mukaan oleellisesti komposii teista ja yhdisteistä, koska niissä ei ole käytetty rakenteellisena osana muuta kuin puuta tai puukuituja, joita on liitetty toisiinsa liiman avulla. Nykykäsityksen mukaan komposiitit koostuvat aina kahdesta eri materiaalista, jotka liittää toisiinsa liimasidos. Kemialliset yhdisteet puolestaan koostuvat kahdesta eri materiaalista, jotka liittää toisiinsa materiaalien välillä tapahtuneen kemiallisen reaktion aiheuttama sidos. Bodig & Jayne (1982) jaottelevat puukomposiitit kuuteen eri ryhmään (taulukko 1). Tässä raportissa käsiteltävät rakennepuutuotteet voidaan rinnastaa komposiitti 12 ryhmiin 3 ja 4. Itse asiassa nykyisin tunnetaan myös useita taulukon 1 jaottelun kans sa osittain päällekkäisiä hybridituotteita, esimerkiksi com-ply, joka on kerroskompo siitilla päällystetty lastukomposiitti, sekä triboard, joka on kuitukomposiitilla pääl lystetty lastukomposiitti, muodostaen siten kerroskomposiittirakenteen. Taulukko 1. Puukomposiittien jaottelu Bodigin & Jaynen (1982) mukaan Perinteisiä, joskaan ei välttämättä rakennepuutuotteiksi miellettyjä tuotteita ovat mm. vanerit, eräät lastu-ja kuitulevyt, kertopuu (LVL) ja erilaiset liimapuutuotteet. Näissä hyödynnetään pääasiassa järeää tukkia tai järeän tukin jalostuksessa syntyviä sivu /rinnakkaistuotteita. Toisissa tuotteissa voidaan kuitenkin hyödyntää pien- tai jopa jätepuuta (esim. Lewis 1971, Smulski 1997). Esim. pohjoisamerikkalaista kirjalli suutta tutkittaessa on kuitenkin syytä pitää mielessä suomalaiseen käsitykseen verrat tuna hyvin erilaiset määritelmät pienpuulle. Kotimaisessa kirjallisuudessa pienpuulla tarkoitetaan yleensä läpimitaltaan alle 15 cm:n puutavaraa, kun taas Pohjois- Amerikassa pienpuulla voidaan tarkoittaa esim. alle 20 cm:n pölkkyjä. Eräitä rakennepuutuotteita on valmistettu jo yli 100 vuotta. Suomessa vaneria valmisti ja käytti tuoleissa ensimmäisenä Karkkulainen Wiikari Oy vuodesta 1894 lähtien. Ensimmäisen varsinaisen vaneritehtaan perusti Jyväskylään vuonna 1912 Wilhelm Schauman. Nykykirjallisuudessa vaneria ei aina lueta rakennepuutuotteeksi, vaikka se määritelmällisesti sellainen onkin. Liima-aineina rakennepuutuotteiden valmistuksessa käytetään fenoleja, hartseja, resorsinoleja ja poly-isosyanaatteja, jotka voivat olla joko nestemäisiä tai jauhemaisia (esim. Smulski 1997). Tarvittaessa tuotteita voidaan käsitellä valmistuksen yhteydes sä erilaisilla lahonsuoja-, hyönteistorjunta- ja palonestoaineilla haluttujen ominai suuksien saavuttamiseksi sekä värjätä tai pinnoittaa ulkonäön parantamiseksi. Näillä toimenpiteillä voidaan myös parantaa pinnan sileyttä, mikä on usein ongelma levy tuotteissa. Palkkeina käytettävät rakennepuutuotteet ovat palonkestoltaan pääsääntöi sesti massiivisahatavaraa vastaavia tai parempia (mm. Ranta-Maunus 1996, Smulski 1997). Rakennepuutuotteet ovat osin kilpailevia, osin täydentäviä tuotteita perinteisille puu-, muovi- ja metallituotteille. Suomessa toistaiseksi huonosti tunnettuja tuotteita Komposiittiryhmä Valmistustapa T uote-esimerkki 1. Massiivipuu A. Sahaus, sorvaus, veistäminen... Sahatavara 2. Modifioitu puu A. Kyllästäminen B. Palonsuojaus C. Liimaus D. Kemialliset käsittelyt E. Säteilytys 3. Kerroskomposiitit A. Suuntaislaminointi Liimapuu, LVL B. Ristikkäislaminointi Vaneri, viilupintaiset suuntaislastulevyt C. Jäykistetty puu (esim. metallijäykisteet) D. Kerroslevyt E. Mekaaniset liitokset (esim. naulaus) 4. Lastukomposiitit A. Lastulevyt Pienistä, keskikokoisista tai suurista lastuista B. Kuitulevyt Huokoiset, keskitiheät tai kovalevyt 5. Kuitukomposiitit A. Paperi B. Kuitujäykistetyt muovit 6. Jauhekomposiitit A. Puristepuujauheet 13 ovat mm. OSB (Oriented Strand Board), PSL (Parallel Strand Lumber), LSL (Lami nated Strand Lumber) sekä OSL (tai CSL) (Oriented Strand Lumber (Construction Strand Lumber)). Mitään näistä tuotteista ei valmisteta Pohjoismaissa. Tuotteiden valmistusta rajoittaa se, että monet niistä ovat luonteeltaan tyypillisiä massatuotteita ja kannattavan tuotantolinjan edellytyksenä on suuri kapasiteetti. Tyy pillisimmän massatuotteen, OSB-levyn, kannattavan tuotannon minimikapasiteetiksi on arvioitu 1000-2000 m 3 /vrk, joka merkitsee jopa miljoonan kuutiometrin vuotuista raaka-aineen tarvetta. Tämä lienee - yhdessä potentiaalisten markkina-alueiden etäi syyden kanssa - ollut keskeisin rajoittava tekijä mm. kotimaisten OSB tehdasinvestointien suunnittelussa. Vuonna 1999 Euroopassa toimi 6 OSB-levy tehdasta ja kaikkiaan 12 uutta tehdasta oli suunnitteilla. Euroopan OSB-levytuotanto oli vuonna 1999 noin 1 milj. m 3 mutta Pohjois-Amerikassa peräti 17,9 milj. m 3 (Jus lin & Hansen 2002). Nykyisin OSB-levyä tuotetaan Länsi-, Keski- ja Itä-Euroopassa noin kymmenellä tehtaalla yhteensä lähes 2 milj. m 3 vuodessa (mm. Bulgariassa, Espanjassa, Irlannissa, Puolassa, Ranskassa, Saksassa ja Skotlannissa). Muut yllä mainituista rakennepuutuotteista ovat toistaiseksi pelkästään pohjoisamerikkalaisen valmistuksen varassa. Suuren kapasiteettivaatimuksen lisäksi rakennepuutuotteisiin liittyy myös joitakin muita ongelmia. Pohjois-Amerikassa usean eri yrityksen valmistaman LVL:n ongel mana oli pitkään yhtenäisten tuotestandardien puute. Eri valmistajien tuotteet saattoi vat käyttäytyä eri tavoilla, vaikka niiden dimensiot ja ulkonäkö olivatkin yhtenevät (Smulski 1997). Tämä lienee tyypillistä muillekin puutteellisesti standardoiduille tuotteille, joilla on useampia valmistajia. LSL- ja PSL-palkkeja valmistaa vain yksi yritys Pohjois-Amerikassa, kumpaakin kolmessa eri tehtaassa. Käytön kannalta kenties suurin haaste rakennepuutuotteiden kehityksessä on kos teuselämisen hallinta. Kosteuden pääsemistä rakenteen sisälle voidaan ehkäistä pin noittamalla rakenne viilulla, paperilla, kalvolla tai vettähylkivällä lakalla tai esimer kiksi lämpökäsittelemällä tai painekyllästämällä tuote. Pohjois-Amerikassa niin LSL:n, PSL:n kuin LVL:nkin käyttö suositellaan rajoitettavaksi tiloihin, joissa tuot teen keskimääräinen tasapainokosteus ei pääse kohoamaan yli 16 prosenttiin (ICBO 2000). Baileys ym. (2003) havaitsivat pintakäsittelyllä olevan mahdollista pienentää OSB-levyn kosteuselämistä huomattavasti heikentämättä kuitenkaan levyn mekaani sia ominaisuuksia. Vuorokauden vesiupotuskokeessa käsittelemättömän levyn pak suusturpoama oli 23,8 % kun pintakäsitelty levy turposi vain 8,0 %. Veden imeyty minen levyyn pieneni samassa suhteessa. Van Houts ym. (2003) raportoivat saman tyyppisiä tuloksia kokeistaan, joissa OSB-levyyn käytettiin asetyloituja lastukerrok sia veden imeytymistä estämään. Lastuista valmistetuissa tuotteissa (OSB, LSL, OSL) kuivatut lastut liimoitetaan joko nestemäisellä tai jauhemaisella liima-aineella ennen suuntaamista. Samassa yhteydessä tehdään myös mahdollinen käsittely lahonsuoja- ym. kemikaaleilla. Las tut suunnataan yleensä vähintään kolmikerroksisessa suuntaamislaitteessa. Jokaisessa tasossa on pyöriviä levypyöriä, joiden väliin pudotessaan lastut kääntyvät haluttuun suuntaan. Pudottuaan kaikkien tasojen läpi suurin osa lastuista on suuntautunut ja ne putoavat edelleen kuljettimelle. OSB-levymaton valmistuksessa useita kuljettimia, joissa lastut ovat jo halutussa suunnassa, on asetettu peräkkäin siten, että ne sirottele vat lastut monikerroksiseksi lastumatoksi. Kuljettimet on sijoitettu esimerkiksi niin, että ne syöttävät vuorotellen kuljettimen suuntaan nähden pituussuuntaisia ja poik kisuuntaisia lastuja. Näin levymatto muodostuu toisiinsa nähden kohtisuorista lastu kerroksista. Tavallisimmin sisimmäksi levyn rakenteessa sirotellaan hienojae, jolloin 14 levyn lapetaivutuslujuus paranee verrattuna levyyn, jossa hienojae on siroteltu tasai sesti levyn profiiliin (esim. Barnes 2002 b). Vaikka OSB-levyä pidetään yleisesti korvaavana tuotteena havuvanerille, tuotteil la on yksi oleellinen ero: nykyisellä rakenteella OSB-levyä ei voida taivuttaa pyörei siin muotoihin yhtä vapaasti kuin havupuuvaneria tai erityisesti huonekaluteollisuu den käyttämää lehtipuuvaneria. Tästä syystä OSB-levy ei tule syrjäyttämään vanerei ta kaikissa käyttökohteissa, vaikka viimeaikainen kehitys etenkin Pohjois- Amerikassa on voinut antaa viitteitä tällaisesta. Pohjois-Amerikassa, joka Aasian ohella on ollut perinteistä vanerin käyttöaluetta, vanerin korvautuminen OSB-levyllä on ollut selvemmin havaittavaa kuin Euroopassa, jossa vaneria edullisemmat lastu-ja kuitulevyt ovat olleet suosiossa jo noin 50 vuotta. Vanerin paremmuutta OSB:hen nähden on joskus perusteltu sillä, että ruuviliitokset pitäisivät vanerissa OSB-levyä paremmin. Erdil ym. (2002) osoittivat kuitenkin molempien tuotteiden toimivan yhtä hyvin/huonosti ruuvikiinnityksissä; myös levyjen sisäinen vaihtelu oli suurta sekä pohjoisamerikkalaisissa vanereissa että OSB-levyissä. Useiden tuotteiden pohjana olevien aihioiden (LVL, PSL, LSL, OSB, OSL) puris tus voidaan tehdä jatkuvatoimisena prosessina esimerkiksi puristimella, jossa aihio siirtyy teräsnauhojen välissä. Liima-aineen kovettumista voidaan nopeuttaa esimer kiksi mikroaaltokäsittelyllä, joka on kuitenkin tuotteen valmistuskustannuksia kohot tava menetelmä (esim. PSL). Aihioiden kuivatuksen jälkeen on vuorossa niiden mahdollinen leikkaaminen tuotteen määrämittaan, hiominen tai muu viimeistelykäsit tely sekä pakkaaminen tai siirto jatkojalostukseen. Rakennepuutuotteet voivat olla joko valmiita standardimitoille valmistettuja ra kenneosia tai suuria edelleen jatkojalostuksessa käytettäviä aihioita. Erilaisia raken nepuutuotteita voidaan niinikään yhdistää komponenteiksi, kuten katto- ja lattiara kenteisiin käytettäviksi puisiksi I-palkeiksi tai metallilevyillä toisiinsa liitetyiksi ris tikkorakenteiksi. I-palkkien käytöllä haetaan lattia-, välipohja- tai kattorakenteisiin hyvää taivutuslujuus-massa -suhdetta. Juslinin & Hansenin (2002) mukaan peräti 60 % Pohjois-Amerikan lähes 1,5 miljoonan kuutiometrin LVL-tuotannosta käytetään I palkkien paarteina. I-palkkeja nimitetään usein sellaisenaan rakennepuutuotteiksi, vaikka ne itse asiassa ovatkin kahdesta eri tuotteesta koottuja komponentteja: keskel lä oleva uumalevy on tavallisesti OSB:tä tai havuvaneria ja paarteet joko massii visahatavaraa, liimapuuta tai nykyisin yhä useammin LVL:ää. Myös kotimainen puutuoteteollisuuskonserni on aiemmin valmistanut vaneriuumaisia I-palkkeja. Ny kyisin kotimaista valmistusta ei enää ole ilmeisesti liian vähäisen kysynnän vuoksi. Toinen tekijä, joka alentaa I-palkkien käyttömahdollisuuksia lattiarakenteissa, on niiden huono askelääneneristävyys. Pohjois-Amerikassa I-palkkikannatteisen, OSB levyllä tai vanerilla jäykistetyn lattian ääneneristävyyttä on parannettu liimaamalla levyn päälle kokolattiamatto. Euroopassa voimassa olevat tiukemmat normit sisäil man puhtaudelle ja askelääneneristävyydelle vaikeuttavat tällaisten rakenteiden suunnittelua. I-palkkien korkeudet vaihtelevat alle 20 cm:stä yli 60 cm:iin, pituudet esim. kal tevilla katoilla voivat olla jopa 15 m. Pisimmät sallitut jännevälit sekä palkkien asen nusvälit ja koot on ilmoitettu tarkoin asennusohjeissa, jotka perustuvat standardeihin. Tavallisesti I-palkkeja ei saa enää työstää rakennuspaikalla, vaan esim. läpiviennit putkille ja johdoille on tehty jo tehtaalla joko tilatun mukaisina porauksina tai vakio tuotteissa tehdasporattuina ns. knockout-reikinä, jotka voidaan avata lyömällä tulppa irti uumalevyssä olevasta reiästä. 15 Suurina aihioina valmistettavien rakennepuutuotteiden melko vapaa muotoiltavuus on etu niin rakennustuoteteollisuuden kuin piha- ja ympäristörakenteidenkin kannal ta. Esimerkiksi viilusta valmistettava PSL tuotetaan jatkuvatoimisella linjalla, jossa ulostulevan aihiotangon korkeus (paksuus) voi olla 483 mm ja leveys 280 mm ja jossa vakiopituuksia tuotetaan 20 m:iin saakka. Poikkileikkaukseltaan neliön muotoi sia pilareita voidaan valmistaa 180 x 180 mm:iin saakka (Ranta-Maunus 1996). LSL palkkeja valmistetaan 89 mm:n korkeuteen ja jopa 2400 mm:n leveyteen asti. Pituus rajoittuu 10,67 metriin. Nykyisen kotimaisen puutuoteteollisuuden kannalta merkityksellisissä rakenne puutuotteissa, vanerissa ja LVL:ssä, hyödynnetään ainoastaan järeää, yli 18 cm:n tukkia. Viilun valmistukseen tarvitaan hyvälaatuisia sorvitukkeja, kun taas lastuista valmistettavien OSB:n, OSL:n ja LSL:n raaka-aineeksi kelpaa laadultaan suhteellisen vaatimaton ja samalla vähäarvoinen pienpuu. Lastuista valmistettavissa rakennepuu tuotteissa raaka-aineen käytön hyötysuhde on parhaimmillaan jopa 70 % pyöreän kuorettoman puutavaran tilavuudesta, kun se on keskimääräisten tukkien sahauksessa 45-55 % (esim. Hakala 1992, Nelson 1997, Boren 2001). Dimensioiltaan ei-symmetrisistä lastuista liimaamalla ja puristamalla valmistetta vissa rakennelevytuotteissa (OSB) ja palkkituotteissa (LSL, OSL) lastujen materiaa lin, eheyden ja tasalaatuisuuden (Moriarty 2002) ohella niiden suuntaamisella on suuri merkitys tuotteen jäykkyydelle ja lujuudelle (esim. Meyers 2001, Barnes 2002 a, 2002 d, Cabangon ym. 2002, Cates 2002, Xu 2002, Yadama 2002). Edelleen lopputuotteen tiheys on positiivisessa riippuvuussuhteessa sen taivutusominaisuuk siin (Bozo 2002). Suurimmat jännitykset kohdistuvat taivutettaessa kappaleen ylä- ja alapintaan. Tämän vuoksi esim. OSB-levyssä ylä-ja alapinnan lastujen sirottelusuun ta pyritään saamaan mahdollisimman yhdensuuntaiseksi levyn pituusakselin kanssa ja suuntaissiroteltujen pintakerrosten väliin jäävä osa on joko suuntaamatonta lastua tai poikittain pintalastuihin nähden suunnattua lastua (ristikkäisrakenne). Valmistettaessa suuntaissirotelluista lastuista palkkituotteita (LSL, OSL), saavute taan massiivipuuta vastaava keskimääräinen jäykkyys ja lujuus, kun lastujen suunta poikkeama tuotteen pituusakseliin nähden on vähemmän kuin 10 astetta (Barnes 2002 a). On myös havaittu, että lastun pituuden kasvattaminen korreloi noin 15 cm:iin asti positiivisesti tuotteen taivutuslujuuden ja -jäykkyyden kanssa (Barnes 2001, Meyers 2001) (vrt. LSL, keskimäärin 30 cm:n lastupituus). Tämän jälkeen taivu tusominaisuudet eivät enää juurikaan parane, joten 15 cm:n lastuista valmistettu tuote on lähes yhtä jäykkä ja luja kuin 30 cm:n lastuista valmistettu tuote, edellyttäen että molemmissa tuotteissa lastut on suunnattu samalla tavalla. Syy yli 15 cm pitkien lastujen käyttöön on siis se, että lastupituus korreloi positiivisesti lastujen suuntaami sen onnistumisen kanssa. Lastun pituuden kanssa korreloi positiivisesti myös sen herkkyys katkeilla kuiva uksen, seulonnan ja sirottelun aikana. Lyhyet lastut eivät katkeile helposti, mutta niitä on vastaavasti vaikea suunnata. Ohuet lastut taas pyrkivät sitomaan liima-ainetta liiallisesti. Toisaalta pitkät ja ohuet lastut voivat liiman levityksen jälkeen "kihartua" vaikeuttaen lastumaton muodostamista. Liian paksut lastut ovat puolestaan jäykkiä ja huonontavat puristustulosta (Meyers 2001). Barnes (2002 b) havaitsi, että keskimäärin 15 cm pitkistä haapalastuista valmiste tun OSL-palkin lujuuteen vaikuttavat lastujen suuntauksen ja tuotteen tiheyden ohel la hienojakeen määrä ja jakauma tuotteen profiilissa. Tyypillinen OSB-lastun valmis tuksessa käytettävä kone tuottaa aina huomattavan määrän hienojaetta, joka OSB levyn valmistusprosessissa seulotaan erilleen ja sirotellaan levyn keskiosaan. Jotta 16 vastaavista lastuista valmistettavasta OSL-palkista saataisiin riittävän luja ja jäykkä kilpaillakseen sahatavaran kanssa, lastujen pitäisi olla paitsi hyvin suunnattuja myös tasakokoisia läpi koko palkin profiilin. Jos hienojaetta esiintyy ja se on tasaisesti jakautunut, palkin lape-ja syrjätaivutuslujuus laskevat lineaarisesti hienojaepitoisuu den kasvaessa. Kuvassa 1 esitellään muutamia rakennepuutuotteita ja niiden jalosteita. 1.4 Tutkimuksen tavoitteet Tämän esitutkimuksen tavoitteena oli tutkia, onko suomalaisesta mänty- ja koivu pienpuusta mahdollista valmistaa rakennepuutuotteita raaka-aineominaisuuksien ja teknis-taloudellisten hyödyntämismahdollisuuksien perusteella. Tutkimuksessa kes kityttiin pieniläpimittaiseen raakapuuhun ja jätettiin vaille tarkempaa käsittelyä ny kyisen selluloosa-, paperi-, saha-, vaneri-, viilu-ja LVL-teollisuuden jätepuu. Tutki muksen yksilöidyt tavoitteet olivat: • Tutkia pienpuusta valmistettavissa olevien, ei-symmetrisistä lastuista liimattu jen rakennepuutuotteiden asettamia vaatimuksia raaka-aineen puuteknisille ominaisuuksille, verrata niitä kotimaisen mänty- ja koivu-pienpuuraaka-aineen ominaisuuksiin ja tehdä tämän perusteella arvio mahdollisista tuotevaihtoeh doista ja tuotteiden käyttökohteista. • Tutkia laboratoriokokeilla männystä ja koivusta valmistetuista lastuista liimat tujen palkkiaihioiden keskeisiä teknisiä ominaisuuksia ja vertailla tuloksia kir jallisuuden perusteella ulkomailla muilla puulajeilla saatuihin tuloksiin. • Tarkastella mänty- ja koivupienpuun raaka-ainekertymiä valituilla metsä keskusalueilla sekä raaka-aineen tehdashintaa valituissa käyttöpisteissä. • Arvioida valittujen rakennepuutuotteiden valmistuksen mahdollisuuksia ja ta loutta raaka-aineen tehdashinnan ja tuotteiden markkinahintojen perusteella. • Kartoittaa rakennepuutuote- ja -tuotantostandardeja sekä tuotesuojauksia. • Kartoittaa rakennepuutuotteita koskevaa terminologiaa ja tehdä sitä koskevia täsmennysehdotuksia. Perinteisten lastu- ja kuitulevyjen valmistukseen, rakenteeseen ja ominaisuuksiin ei tässä raportissa paneuduta; näistä on aiemmin julkaistu huomattava määrä kirjalli suutta. Oppikirjatietoa perinteisten ja muutamien uudempien puutuotteiden ominai suuksista ja erityisesti niiden suunnittelusta ja laskennasta on julkaistu mm. teoksissa Liiri & Nykänen (1958), Tsai & Hahn (1980), Juvonen & Kariniemi (1984), Jastr zebski (1987), Bodig & Jayne (1989), Maloney (1993), Koponen (1995), Smulski (1997), Veistinen & Pennala (1997) ja Vanerikäsikirja...(2ool). 17 Kuva 1. Ylhäällä vasemmalla: tyypillistä OSB-levyn pintaa. Ylhäällä oikealla: vaneriuuma levystä ja massiivisahatavarapaarteista valmistettuja l-palkkeja (Fletcher Challenge Forests, Mt. Maunganui Plywood, Tauranga, Uusi Seelanti). Keskellä vasemmalla: OSB-levystä lii maamalla koottu pystykannatteen ala- tai ylätukijalka esim. koristerakentamiseen (APA, The Engineered Wood Association, Tacoma, WA, USA). Keskellä oikealla: järeitä LSL-palkkeja (Forintek Corp., Vancouver, BC, Kanada). Alhaalla vasemmalla: metallilevyliitoksin varustet tuja PSL-palkkeja (University of British Columbia, Centre for Advanced Wood Processing, Vancouver, BC, Kanada). Alhaalla oikealla: massiivisahatavarasta ja OSB-levystä naulattu seinäelementti maanjäristystä simuloivassa tärinänkestotestissä (University of California, Fo rest Products Laboratory, Berkeley, CA, USA). Kuvat: Henrik Heräjärvi. 18 2 MENETELMÄT JA AINEISTO 2.1 Tuotteiden raaka-ainevaatimukset Tuotteiden raaka-ainevaatimuksia tarkasteltiin pääasiassa kirjallisuuden perusteella. Koska haluttiin keskittyä pienpuusta valmistettavissa oleviin tuotteisiin, tarkastelta viksi tuotteiksi valittiin LSL, OSB ja OSL. Vertailun vuoksi tutkittiin myös viiluista valmistettavan PSL:n raaka-ainevaatimuksia ja tuotannossa käytettäviä puulajeja. Aluksi kartoitettiin kirjallisuustutkimuksena ne puulajit, joista näitä rakennepuutuot teita eri puolilla maailmaa valmistetaan. Tämän jälkeen haettiin kirjallisuudesta ky seisten puulajien ominaisuustietoja. Tutkittavina ominaisuuksina olivat kuiva tuoretiheys (kg/m 3 ), taivutusmurtolujuus, -kimmokerroin ja vetolujuus kohtisuoraan puunsyitä vastaan, puristuslujuus syyn suunnassa ja kohtisuoraan syitä vastaan (MPa) sekä säteen suuntainen, tangentin suuntainen ja tilavuuden kuivauskutistuminen (%). Kotimaisen mänty- ja koivupuun ominaisuuksia verrattiin lopuksi rakennepuu tuotteiden valmistuksessa käytettävien puulajien ominaisuuksiin. Koska lastuamispe riaatteella valmistettavissa rakennepuutuotteissa käytetään yhteensä yli 30 eri puula jia ja tavallisesti useammasta puulajista tehtyä raaka-ainesekoitusta, ei katsottu mie lekkääksi tehdä puulajien ominaisuuksista parivertailuja kaikkien männyn ja koivun muiden puulajien kanssa muodostamien yhdistelmien kesken. Sen sijaan laskettiin keski- ja ääriarvot halutuista ominaisuuksista kunkin tuotteen valmistuksessa ao. puulajeja käytettäessä. Arvoja verrattiin kirjallisuudesta saatuihin kotimaisten puula jien vastaaviin arvoihin. Kotimaisesta mänty- ja koivupienpuusta ei ole saatavissa mekaanisia ominaisuuksia tai kutistumista/turpoamista koskevaa tutkimustietoa vir heettömän puuaineen osalta. Tiedetään kuitenkin, että puun mekaaniset ominaisuudet ovat tavallisesti positiivisesti korreloituneita puuaineen tiheyden kanssa (mm. Bodig & Jayne 1982). Esimerkiksi kimmokerroin kasvaa lähes suoraviivaisesti puuaineen tiheyden kasvaessa (Palka 1973), jos kuormitustapa, kosteus ja lämpötila pysyvät vakioina. Pienpuun tiheyteen ja sen vaihteluihin on kiinnitetty huomiota (mm. Jalava 1945, Uusvaara 1974, Hakkila 1979, Veiling 1979, Hakkila ym. 1995, Verkasalo 1998, Möttönen & Luostarinen 2001). Koska puuaineen tiheyden tiedetään korreloivan sen mekaanisten ominaisuuksien kanssa, näitä voidaan arvioida käytössä olevien tiheystietojen perusteella. Armstron gin ym. (1983) mukaan ennestään tuntemattoman puulajin eräitä mekaanisia ominai suuksia voidaan ennustaa tiheyteen perustuvilla eksponenttiyhtälöillä. Mänty- ja koivupienpuun taivutus- ja puristuslujuuden estimaatit laskettiin tässä tutkimuksessa soveltaen näitä yhtälöitä. Tuloksiin liittyy useita epävarmuustekijöitä, koska yhtälöis sä otetaan huomioon ainoastaan näytteen tiheys eikä esimerkiksi sitä tämän tutki muksen kohdalla merkitsevää seikkaa, onko näyte nuor- vai aikuispuuta ja sisältääkö se mahdollisesti reaktiopuuta. 19 2.2 Laboratoriokokeet Hypoteesit ja koeaineistot Tutkimuksen empiirisessä osassa haluttiin määrittää eri rungonosista saatavien män ty- ja koivupienpuuraaka-aineiden väliset erot ja soveltuvuus OSL-palkin tyyppisen tuotteen valmistukseen. Empiirisen osan viitekehyksen muodostivat kolme tutkimus hypoteesia, joiden toteutumista tutkittiin kokeellisesti: 1. Pieniläpimittaisesta ensiharvennuspuusta (mänty ja koivu) valmistetun koekappaleen tiheys, taivutuskimmokerroin ja -murtolujuus sekä turpoa maominaisuudet eivät eroa järeän puun latvaosasta valmistetun tuotteen ominaisuuksista. 2. Männyn tyvitukin pintapuusta valmistettu lasturaaka-aine on tiheätä ja ho mogeenista ja antaa siksi puristettuna koekappaleelle paremmat ominaisuu det kuin pienpuuraaka-aineesta valmistettu lastu. 3. Ohuista lastuista valmistetuissa koekappaleissa on paremmat kimmoisuus-, lujuus- ja turpoamaominaisuudet kuin paksuista lastuista valmistetuissa. Koekappaleet valmistettiin 100 mm:n tavoitepituisista ja 30 mm:n tavoitelevyisistä lastuista eli tyypillisestä kaupallisen OSB-levyn raaka-aineesta. Koe-erät valmistet tiin ja mitattiin Kymenlaakson ammattikorkeakoulun puutekniikan laboratoriossa elokuussa 2002. Tutkittaviksi taustamuuttujiksi valittiin erityyppiset mänty- ja koi vupienpuuraaka-aineet sekä valmiin tuotteen ilmakuivatiheys ja näiden vasteominai suuksiksi tuotteen taivutuskimmokerroin, taivutusmurtolujuus sekä vesiabsorptio ja paksuus-, leveys ja pituusturpoamat. Tutkitut raaka-ainelajit olivat: 1. Ensiharvennusmäntypölkyt, latvaläpimitta vähintään 50 mm. 2. Järeän männyn latvapölkyt, latvaläpimitta vähintään 50 mm, 3. Järeän männyn tyvitukin oksaton pintaosa (100 % pintapuuta), 4. Ensiharvennuskoivupölkyt, latvaläpimitta vähintään 50 mm, 5. Järeän koivun latvapölkyt, latvaläpimitta vähintään 50 mm. Puuraaka-aine hankittiin Kymenlaakson ammattikorkeakoulun opetusmetsistä Mie hikkälästä heinä-elokuussa 2002. Harvennuspuut valittiin kahdesta metsiköstä, luon taisesti syntyneestä kuivahkon kankaan (VT) männiköstä ja noin 30 vuotta aikai semmin ojitetusta mustikkaturvekankaan (Mtkg) hieskoivu-kuusisekametsiköstä. Koemetsiköistä mitatut keskitunnukset on esitetty taulukossa 2. Järeät männyt kaa dettiin kuivan kankaan (CT) metsiköstä; samalla saatiin tarvittavat männyn latvapöl kyt. Tätä raaka-aineositetta ei voida pitää kovin edustavana, koska kuiva kangas ei ole männyn tyypillinen kasvupaikka Etelä-Suomessa. Järeän koivun latvapölkyt han kittiin tuoreen kankaan (MT) rauduskoivun siemenpuuhakkuulta. Harvennusmän nyistä arvioitu keskimääräinen vuotuinen pituuskasvu oli 30-40 cm, joka tarkoittaa, että lastuttaessa pölkkyjä 10 cm tavoitelastupituuteen arviolta joka neljänteen lastuun sattui oksa tai oksia. Poistettavat puut valittiin harvennuksissa alaharvennusperiaat teen mukaisesti. Kummassakin harvennuskohteessa oli tehty taimikonhoitotöitä 3-5 vuotta aiemmin, tällöin oli poistettu pieniä, rinnankorkeusläpimitaltaan 4-6 cm:n puita. Harvennusmetsiköiden pienpuu ja järeiden puiden latvapölkyt otettiin labora toriokokeisiin 5 cm:n latvaläpimittaan saakka. 20 Taulukko 2. Harvennusmetsiköiden puustotunnuksia Pölkyt kuorittiin ja lastuttiin noin viikon kuluttua puiden kaadosta. Paksut pölkyt kuorittiin aluksi kuorimakoneella ja jäljelle jäänyt kuori poistettiin painepesurilla. Kaikki pienemmät pölkyt kuorittiin painepesurilla. Pölkyt kuorittiin siis käytännössä puhtaiksi uiko- ja sisäkuoresta, normaalin kuorimakoneen tulosta tarkemmin. Tämä menettelytapa valittiin koeasetelman yhdenmukaistamiseksi ja tulosten tulkinnan helpottamiseksi. Erikokoisten ja runkomuodoltaan erilaisten pölkkyjen vaihtelevasti onnistuva kuoriutuminen tavallisessa kuorimakoneessa olisi aiheuttanut raaka-aine erien välille vaihtelevia kuoripitoisuuksia. Ensiharvennusmäntyä (raaka-ainelaji 1) hankittiin kahden eri lastupaksuuden valmistuksen takia n. 0,5 m 3 ja muita raaka-ainelajeja kutakin n. 0,2 m 3. Mäntytukin pintaosa (raaka-ainelaji 3) sahattiin kahdesta järeästä tyvitukista pinnanmyötäisesti siten, ettei talteen otettuihin pintalautoihin jäänyt silmämääräisen arvioinnin perus teella lainkaan sydänpuuta. Kaikista pölkyistä sahattiin näytekiekot raaka-aineen kosteussuhteen ja tiheystunnusten määrittämiseksi. Nämä tunnukset on esitetty raa ka-ainelajeittain taulukossa 3. Osassa raaka-aineositteista näytekiekkojen alhaiset kosteussuhteet indikoivat tapahtuneen kuivumista. Raaka-aineositteiden vaihtelevien kosteussuhteiden mahdollista vaikutusta lastuamisprosessin onnistumiseen ei voitu ottaa huomioon tulosten laskennassa. Taulukko 3. Koerungoista sahattujen näytekiekkojen määrät (N), keskitilavuudet tuoreena (V) sekä puuaineen kosteussuhteet (MC), kuivatuoretiheydet (p) ja kuivatiheydet (p0) raaka ainelajeittain. Kuorinnan jälkeen puuraaka-aine-erät lastuttiin Wigo-teräkehälastuajalla OSB-levyn valmistuksessa käytettävän lastun mittoihin (pituus n. 10 cm, leveys 1-3 cm, paksuus 0,5-1,0 mm). Kukin raaka-ainelaji käsiteltiin omana eränään siten, että lastut eivät päässeet sekoittumaan. Teräasetteena käytettiin kaikissa raaka-aineositteissa 1,0 mm:n paksuutta. Ensiharvennusmäntyraaka-aineesta tehtiin lisäksi lastuja 0,5 mm:n teräasetteella. Ensiharvennusmännyllä, joka osoittautui hakkuukertymälaskelmissa potentiaalisimmaksi raaka-ainelähteeksi uusiin puutuotteisiin, tutkittiin siis myös kahden lastupaksuuden aiheuttamia eroja tuotteen ominaisuuksiin. Harvennusmänty ja koivuraaka-aineista lastuttaviksi valittiin sekä tyvi- että latvapölkkyjä. Mäntyraaka-aii ie Koivuraaka-a ine Kasvupaikkaluokka VT Mtkg Mänty Koivu Kuusi Pohjapinta-ala, m 2 /ha 21 13 14 Rinnankorkeusläpimitta, cm 16 13 12 Pituus, m 13 16 11 Ikä, a 40 35 30 Raaka-ainelaji N V MC P Po kpl cm 3 % kg/m 3 kg/m 3 1. Harvennusmäntypölkyt 10 270 95 416 464 2. Järeän männyn latvapölkyt 7 344 148 372 412 3. Männyn tyvitukin pintaosa 8 430 106 497 578 4. Harvennuskoivupölkyt 10 265 58 488 551 5. Järeän koivun latvapölkyt 8 560 56 509 580 21 Lastut kuivattiin kuivauskaapissa noin kolmen prosentin tavoitekosteussuhteeseen, jonka jälkeen ne seulottiin kevyesti hienoimman aineksen poistamiseksi. Seulonnassa hienomateriaalia erottui n. 10 % koko lastuerän massasta. Lastujen dimensiot mitat tiin satunnaisotoksesta 30 lastua/raaka-aine-erä. Lastun paksuus, leveys ja pituus vaihtelivat varsin paljon. Harvennusmäntylastujen paksuuden keskiarvo oli ohuem malla lastuamisasetteella (0,5 mm) lähellä tavoitetta eli 0,61 mm, paksulla asetteella (1,0 mm) lastujen keskimääräinen paksuus, 0,82 mm, alitti tavoitteen. Lastujen dimensioita kuvaavat mittaustiedot on esitetty raaka-ainelajeittain taulu kossa 4. Eniten kokovaihtelua oli ensiharvennuskoivusta valmistetuissa lastuissa. Suuria terveitä oksia sisältäneistä koivun latvapölkyistä valmistetuissa lastuissa oli muita raaka-ainelajeja enemmän epämuodostuneita lastuja. Taulukko 4. Lastujen dimensioita kuvaavat keskiarvo- ja -hajontatunnukset raaka ainelajeittain. Levyaihioiden valmistus Koekappaleiden valmistukseen tarkoitettujen levyaihioiden valmistus aloitettiin lii moittamalla lastut ilmahajoitteisella ruiskusuuttimella liimoitusrummussa. Liima aineena oli fenoli-formaldehydihartsi, kauppanimeltään Dynea Finland Oy:n LVL hartsi Exter 4566. Liimaseos oli seuraava: FF-hartsi (kuiva-aine 47 %) 100 paino-osaa K 2 C0 3-kovete (kuiva-aine 25 %) 4 paino-osaa Hartsimäärä oli vakio, 8 % kuivaa hartsia (g) / kuivaa puuta (g). Lastujen kosteus suhde mitattiin satunnaisotoksin ennen ja jälkeen liimauksen. Kosteussuhteet vaihte livat raaka-ainelajien välillä taulukon 5 mukaisesti. Taulukko 5. Lastujen kosteussuhde ennen liimausta ja liimauksen jälkeen. Raaka-ainelaji Lastun paksuus, mm Lastun leveys, mm Lastun pituus, mm X (s) 1. Harvennusmäntypölkyt Tavoitelastupaksuus 0,5 mm 0,61 (0,19) 8,6 (6,0) 84,9 (21,2) Tavoitelastupaksuus 1,0 mm 0,82 (0,23) 14,3 (9,9) 78.4 (26,7) 2. Järeän männyn latvapölkyt 0,78 (0,23) 12,8 (8,5) 82,7(21.6) 3. Männyn tyvitukin pintaosa 0,78 (0,29) 14,4 (14,4) 92,6(17.3) 4. Harvennuskoivupölkyt 0,77(0,18) 17,6(12,7) 83,9 (24,7) 5. Järeän koivun latvapölkyt 0,76 (0,21) 7,3 (4.1) 66,6 (24,5) Raaka-ainelaji Kosteussuhde ennen liimausta Kosteussuhde liimauksen jälkeen % 1. Harvennusmäntypölkyt Tavoitelastupaksuus 0,5 mm 4,8 13,5 Tavoitelastupaksuus 1,0 mm 6,2 14,1 2. Järeän männyn latvapölkyt 6,9 12,8 3. Männyn tyvitukin pintaosa 4,8 13,1 4. Harvennuskoivupölkyt 4,0 11,1 5. Järeän koivun latvapölkyt 3,8 12,2 22 Liimoitetut lastut siroteltiin puristettavaksi kakuksi käyttäen apuna halkaistusta muo viputkesta tehtyä kourua, jossa lastut suunnattiin käsin ja kumottiin alumiinilevyn päälle asetettuun 1000 x 500 mm:n kokoiseen lastulevystä valmistettuun muottilaa tikkoon. Kun kaikki yhteen levyyn tulevat lastut oli siroteltu, muottilaatikko nostet tiin varovasti pois ja alumiinilevy aihioineen siirrettiin puristimeen. Levyn paksuus säädettiin tasolle 25 mm alumiinisilla rajoitinlistoilla. Aihiot puristettiin lämpötilassa 150° C 13 minuutin ajan, käyttäen taulukon 6 mu kaista puristuspainekaavaa. Tutkimuksessa käytetty Becker van Hiilien -puristin on hydraulinen kuumavesilämmitteinen vaneripuristin. Puristuksen jälkeen levyt särmät tiin 900 x 450 mm:n mittoihin ja asetettiin tasaantumaan vakioilmastoon olosuhtei siin T = 20° C, RH = 65 %. Jokaisesta raaka-aine-erästä valmistettiin neljä 900 x 450 mm:n levyä. Puristuk sen jälkeiset tavoitetiheydet olivat harvennus-ja latvamännystä valmistetuilla levyillä 600 kg/m 3 (raaka-ainelajit Ija 2) ja mäntytukin pintaosasta sekä harvennus- ja latva pölkkykoivulastuista valmistetuilla levyillä 760 kg/m 3 (raaka-ainelajit 3, 4ja 5); ta voitetiheydet valittiin raaka-ainelajien kuivatiheyden perusteella. Taulukko 6. Puristuspaine eri raaka-aineen tiheysluokissa ajan funktiona Testaukset ja analyysit Valmistetuista 25 mm:n paksuisista levyistä sahattiin testausta varten koekappaleita seuraavasti: • syrjätaivutuskoe, 900 x 50 mm, 4 kpl / levyaihio, yhteensä 16 kpl • lapetaivutuskoe, 500 x 50 mm, 4 kpl / levyaihio, yhteensä 16 kpl • turpoamakoe, 50 x 50 mm, 5 kpl / levyaihio, yhteensä 20 kpl Kaikista taivutuskoekappaleista määritettiin ilmakuivatiheys pi 2 (kg/m 3 ) sekä taivu tuskimmokerroin (MPa) ja taivutusmurtolujuus (MPa) neljän pisteen taivutuksessa. Yhdestä taivutuskoekappaleesta / levy määritettiin kosteussuhde. Lämpökaapissa tasaannutetuista koelevyistä ennen koestusta määritetty kosteussuhde vaihteli 11,3 ja 11,9 prosentin välillä. Turpoamakoekappaleista mitattiin ennen liotusta paksuus, leveys, pituus sekä massa, joiden perusteella laskettiin kappaleiden ilmakuivatihey det. Kappaleita liotettiin vedessä 24 tuntia, jonka jälkeen em. tunnukset mitattiin uudelleen. Kahden mittaustuloksen perusteella laskettiin kappaleiden vesiabsorptio sekä paksuus-, leveys- ja pituusturpoamat. Taivutuskokeet tehtiin standardin SFS-EN 408 mukaisesti. Kimmokerroin (MOE) ja murtolujuus (MOR) mitattiin sekä lape- että syrjätaivutuksessa. Eri raaka ainelajeista valmistettujen koekappaleiden tuloksia vertailtiin keskenään graafisena Puristusjakso, min 600 kg/m 3 T avoitetihey sluokka Paine, MPa 760 kg/m 3 0.00 - 5.00 3,1 3,8 5.00 - 9.00 1,9 2,5 9.00- 12.00 0,8 1,3 12.00-12.30 0,4 0,4 12.30-13.00 0,0 0,0 23 tarkasteluna. Lisäksi tuloksia verrattiin kirjallisuudesta saatavilla olleisiin, mahdolli sia korvattavia tuotteita koskeviin tietoihin. Asetettujen hypoteesien todenperäisyyttä aineistossa tutkittiin Mann-Whitneyn U testillä, joka on jakaumasta riippumaton kahden populaation vertailuun soveltuva testi (mm. Ranta ym. 1994). Nollahypoteesina (H 0) oli: populaatioiden jakaumien välillä ei ole tilastollisesti merkitsevää eroa. Jos testin tuloksena saatava p-arvo on alle 0,05 (5 prosentin riskitaso), jakaumien välillä olevaa eroa voidaan pitää tilastollisesti merkitsevänä. Testillä voidaan ainoastaan selvittää onko eroa olemassa, se ei ilmaise eron sijaintia tai syytä. Kun oli saatu selville raaka-aineen tiheyden, tuotteen tiheyden ja tuotteen kimmoisuus- ja lujuusominaisuuksien väliset riippuvuudet, laskettiin teoreettisesti mänty- tai koivupienpuuraaka-ainetta käyttävän OSL-tehtaan puuraaka-aineen käyttömäärät valmistettaessa halutut lujuusarvot täyttävää palkkia. Tässä tarkastelussa OSL-palkin tavoitemurtolujuudeksi valittiin 40 MPa ja tehtaan vuosituotantomääriksi 10 000, 50 000 ja 100 000 m 3. 2.3 Alueittaiset raaka-ainekertymät Alueittaisia raaka-ainekertymiä tarkasteltiin Etelä-Suomen rannikkoalueiden neljällä metsäkeskusalueella (Lounais-Suomi, Häme-Uusimaa, Kaakkois-Suomi ja Etelä- Pohjanmaa). Raaka-aineen saatavuuskysymystä käsiteltiin aluksi mänty- ja koivuval taisten metsiköiden kehitysluokittaisina pinta-aloina kirjallisuuden perusteella (Tomppo ym. 1998, 1999, 2000, Korhonen ym. 2000 a, 2000 b). Eri metsäkeskusalu eiden kehitysluokittaiset hakkuutarpeet on arvioitu 9. valtakunnan metsien inven toinnin maastomittausten yhteydessä ja tiedot ajoittuvat sen vuoksi eri vuosille 1990- luvun lopussa. Tämä ei aiheuttane kuitenkaan suurta harhaa ajoitettaessa tuloksia vaikkapa nykypäivään; merkittäviä muutoksia alueittaisissa ja kehitysluokittaisissa hakkuutarpeissa ei ole tiettävästi viime vuosina tapahtunut. Edelleen kirjallisuustarkasteluna (Hirvelä ym. 1998, Hirvelä 1999, 2000, Nuuti nen & Hirvelä 2000 a, 2000 b) määritettiin mänty- ja koivukuitupuun vuotuiset hak kuukertymät puuntuotantoon käytettävissä olevalla metsä- ja kitumaalla tutkituilla metsäkeskusalueilla suurimman kestävän hakkuusuunnitteen mukaisesti. Lisäksi raportoitiin Peltolan (2002) tulokset mänty- ja lehtikuitupuun vuonna 2001 toteutu neista hakkuista ko. alueilla. Pieniläpimittaiselle männylle ja koivulle laskettiin lisäksi alueellisten metsäoh jelmien (AMO) mukaiset hakkuukertymäennusteet jaksotettuna 30 vuoden ajalle metsäkeskusalueittain Metsäntutkimuslaitoksen MELA-ohjelmistolla. Tutkitut ajan jaksot olivat: Etelä-Pohjanmaa (ennusteet vuosille 1997-2026), Häme-Uusimaa (1999-2028), Kaakkois-Suomi (1997-2026) ja Lounais-Suomi (1998-2027). Myös näissä laskelmissa lähtötietoina on käytetty 9. valtakunnan metsien inventoinnin maastomittausten tietoja. Laskentamenetelmä on kuvattu tarkemmin julkaisuissa Hirvelä ym. (1998), Hirvelä (1999, 2000) ja Nuutinen & Hirvelä (2000 a, 2000 b). MELA-laskelmien tulokset esitetään puuston viiden senttimetrin rinnankorkeus läpimittaluokin (6-10 cm ja 11-15 cm). Tulokset eivät siis sisällä em. läpimittaluok kia järeämpien puiden latvaosista saatavaa kuitupuuta eivätkä tukkivähennystä eli järeydeltään tukkikokoista mutta laatunsa vuoksi kuitupuuksi luokiteltavaa puutava raa. MELA-laskelmissa kuitupuun minimiläpimittana käytettiin männyllä 63 mm ja koivulla 65 mm ja kuitupuupölkyn minimipituutena molemmilla puulajeilla 2,0 m. 24 Nämä raja-arvot poikkeavat jonkin verran puukaupassa tavanomaisista kuitupuun minimimitoista. 2.4 Raaka-aineen tehdashinnat ja rakennepuutuotannon talous Yksi ensiharvennuspuun hyödyntämistä rajoittava tekijä ovat korkeat puunkorjuukustannukset. Ensiharvennuspuun korjuun yksikkökustannukset ovat jopa kolminkertaiset päätehakkuilta saatavan puutavaran kustannuksiin verrattuna (Örn 2002). Korjuun yksikkökustannuksia nostavat käsiteltävien runkojen suuri määrä puutavaran tilavuusyksikköä ja leimikon pinta-alayksikköä kohti, varovainen ja osin talvikauteen rajattu työskentely jäävän puuston vaurioiden minimoimiseksi, puutavaran pienet hehtaarikohtaiset kertymät (tyypillisesti 40-50 m 3 /ha) sekä pieniläpimittaisen puun kuormien alhaisempi tiiviys metsä-ja kaukokuljetuksessa. Koska korjuu pienpuuta eli latvaläpimitaltaan alle 15 cm:n puutavaraa tuottavilla ensiharvennusleimikoilla ja muilla kasvatushakkuuleimikoilla tehdään nykyisin yli 80-prosenttisesti koneellisesti (Örn 2002), sen tehostamiseksi on kokeiltu mm. jouk kokäsittelyä, jossa hakkuukoneen kaatopäähän kerätään useita runkoja, jotka karsi taan samassa nipussa (mm. Sikanen & Vesisenaho 1995). Lisäksi on kehitetty yhdis telmäkoneita, jotka tekevät sekä hakkuun että metsäkuljetuksen (esim. Rieppo 2001). Joukkokäsittelyhakkuukoneet sen paremmin kuin yhdistelmäkoneetkaan eivät ole toistaiseksi osoittautuneet erityisen kustannustehokkaiksi ratkaisuiksi ensiharvennus leimikoiden korjuussa. Tässä tutkimuksessa pienpuuraaka-aineelle laskettiin tehdashinnat kaavalla: jossa Th = tehdashinta, Kh = puutavaran kantohinta, Tj = työnjohtokustannus, K = korjuukustannus, Kk = kaukokuljetuskustannus maantiekuljetuksena, kaikki yksiköl tään €/m 3 (kuorineen). Kantohintatietoina käytettiin mänty- ja koivukuitupuun vuoden 2002 keskimää räisiä hintoja metsäkeskusalueittain. Hintatiedot haettiin Metlan Metinfo -palvelusta. Työnjohtokustannuksena (työ-, pääoma- ja hallintokustannukset ja organisaation yleiskustannukset) käytettiin 5,15 €/m 3 , joka oli laskettu ensiharvennusleimikoiden keskimääräiseksi työnjohtokustannukseksi Salon & Uusitalon (2001) tutkimuksessa. Työnjohtokustannus on voimakkaasti leimikon ominaisuuksista riippuva kustannus erä vaihdellen suurialaisten päätehakkuuleimikoiden tasolta noin 1 €/m 3 pienialais ten, huonojen kulkuyhteyksien päässä olevien ensiharvennusleimikoiden tasolle noin 12 €/m 3 . Ensiharvennusten korjuukustannukset riippuvat oleellisimmin puuston järeydestä, ts. rungon keskitilavuudesta sekä poistuman tiheydestä (Kuitto ym. 1994). Lähikulje tuskustannukset riippuvat mm. kuljetusmatkasta, maastoluokasta ja puutavaran jä reydestä. Koska leimikkokohtaisia muuttujia ei voida määrittää suuraluetasolla ja keskimääräisten leimikkotietojen yleistämistä suuralueille ei katsottu mielekkääksi, käytettiin korjuukustannuksina aiemmista tutkimuksista saatuja keskimääräisiä arvo ja. Kustannusten vaihtelun mahdollisuus pyrittiin ottamaan huomioon laskemalla tehdashintoja eritasoisilla korjuukustannuksilla (11, 13 ja 15 €/m 3 ). Salon & Uusita Th = Kh + Tj + K + Kk (1) 25 lon (2001) tutkimuksessa pelkät hakkuukustannukset vaihtelivat harvennusleimikoi den koneellisessa hakkuussa välillä 5-10,5 €/m 3 . Puutavaran kaukokuljetuskustannuksena käytettiin Metsäteho Oy:n tilastoista (Orn 2002) saatuja autokuljetuskustannuksia. Kuvassa 2 on esitetty tutkittujen met säkeskusalueiden ja puutavaran kuvitteellisiksi käyttökohteiksi valittujen paikkakun tien sijainnit. Keskimääräinen kuljetusmatka kohteeseen laskettiin kyseisen metsä keskuksen alueella sijaitsevien kuntien keskustaajamien ja kohdepaikkakunnan kes kustaajaman välisten etäisyyksien keskiarvona. Etäisyydet määritettiin Tiehallinnon Internet-palveluna toimivan välimatkalaskurin avulla. Kuva 2. Tutkitut metsäkeskusalueet ja raaka-aineen kuvitteelliset käyttökohdepaikkakunnat. 1. Lounais-Suomi (Rauma), 2. Häme-Uusimaa (Helsinki), 3. Kaakkois-Suomi (Kotka), 4. Etelä- Pohjanmaa (Vaasa). Metsäkeskusalueiden 2 ja 4 rannikko-osat kuuluvat Rannikon metsäkes kukseen, joiden puustotietoja ei tämän tutkimuksen MELA-laskelmissa otettu huomioon. Niille tuotteille, joille voitiin löytää markkinahinnat, laskettiin keskimääräinen hinta taso aikaväliltä 1996-2001. Levymäisten puutuotteiden hinnat ilmoitetaan yhdysval talaisissa tilastoissa muodossa S/1000 ft 2 (neliöjalkaa). Muunnettaessa hintoja kuu tiometri-perusteisiksi otettiin huomioon levyn paksuus. OSB-levyn hintatilastoissa seurataan yleisimmin 7/16"-paksuisen (n. 1 cm) levyn hintakehitystä. Kyseisellä levypaksuudella 1000 neliöjalkaa vastaa noin 1 m 3 :n tilavuutta. Raakapuun sekä sa hatavaran ja palkkimaisten tuotteiden hinnat puolestaan ilmoitetaan Yhdysvalloissa muodossa S/1000 bft (board foot, lautajalka). Raakapuun lautajalka on n. 4,5 dm 3 ja havusahatavaran lautajalka n. 2 dm 3 . Hintoja verrattaessa on otettava huomioon myös hinnoitteluperuste. Pohjois-Amerikassa hinta ilmoitetaan yleensä tehtaalla ilman veroja (FOB). Rahtikustannukset korottavat hintaa. OSL-palkille ei voitu määrittää markkinahintaa, koska tuotetta ei tiettävästi tällä hetkellä ole kaupan Euroopassa eikä pohjoisamerikkalaisiakaan hintatietoja saatu selville. OSB-levyä lukuun ottamatta tuotteiden hinta-arviot ovat muutoinkin osin harhaanjohtavia. Esim. vain yhden yrityksen valmistamien LSL:n ja PSL:n erikois tuotemainetta ja hintoja pidetään keinotekoisesti korkeina tuotantoa rajoittamalla. Tuotteiden valmistuksen teknis-taloudellista kannattavuutta Suomessa tutkittiin markkinahintojen ja raaka-aineen tehdashintojen välisen erotuksen perusteella. Ero tuksen pitäisi näin ollen kattaa tuotteen valmistuskustannukset, kotimaiset logistiik kakustannukset, markkinointikustannukset sekä yrityksen tavoitteellisen katteen. Laskelmissa oletetaan, ettei männystä ja koivusta valmistettujen tuotteiden hinnoissa ole eroja, jos tuotteiden lujuus- ym. tekniset ominaisuudet ovat toisiaan vastaavia. Käytännössä männyn ja koivun käsittely- ja prosessointikustannuksissa on todennä köisesti eroja, koska koivu on keskimäärin mäntyä tiheämpi ja siten esim. OSB-levyn valmistuksessa erilaisia puristusvoimia vaativa puulaji. 26 2.5 Standardit ja tuotesuojaukset Standardeihin ja tuotesuojauksiin perehdyttiin kirjallisuustutkimuksena. Tarkaste lussa oli mukana joukko painettuja ja internetistä haettuja rakennepuutuotteisiin liit tyviä patentteja. Patentit jakautuivat tuotteita ja valmistusmenetelmiä yleisesti ku vaaviin sekä yksittäisiä valmistusvaiheita ja laitteita edellisiä yksityiskohtaisemmin kuvaaviin patentteihin. Koska patenttien tarkoituksena on suojata uusia keksintöjä ja menetelmiä kilpailijoilta, olennaiset asiat on esitetty niissä usein tietoisesti vaikeata juisesi, moniselitteisesti ja kiertoilmauksia käyttäen. Tämän vuoksi halutun tiedon saaminen niistä voi olla vaikeata, mikä havaittiin tässäkin tutkimuksessa. 3 TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU 3.1 Tuotteiden raaka-ainevaatimukset Rakennepuutuotteiden raaka-aineena hyödynnetään noin kolmeakymmentä puulajia. Näiden nimet ja pääasialliset käyttömaat on esitetty taulukossa 7. Erityisesti OSB:n valmistuksessa puulajivalikoima on maailmanlaajuisesti monipuolinen. Yhdysval loissa OSB:n valmistuksessa käytetään yleisimmin haapaa, etelänmäntyjä (10 lajia), paperikoivua, punavaahteraa, amerikansatiinipähkinäpuuta sekä tulppaanipuuta. Näi den pääpuulajien lisäksi käytetään sekaraaka-aineena pieniä määriä muita puulajeja. Kanadassa käytetään strobusmäntyä, kuusta, palsamipoppelia ja paperikoivua sekä maan länsiosissa myös haavan ja banksinmännyn sekoitusta. Teknisiltä ominaisuuk siltaan selvästi muista OSB:n raaka-aineista poikkeava puusuku on eukalyptuslajit, joissa puuaineen tiheys on verraten korkea. Eukalyptusta kuten myös kumipuuta käytetään Aasiassa ja Australiassa. Skotlannissa ja Ranskassa käytetään nun. metsä mäntyä ja rannikkomäntyä. LSL:n raaka-aineena käytetään USA:ssa haapaa ja tulppaanipuuta. PSL:n raaka aineena käytetään tulppaanipuun lisäksi douglaskuusta, lännenhemlokkia, etelänmän tyjä, poppeleita ja punavaahteraa. OSB:n, LSL:n ja PSL:n raaka-aineina käytettyjen puulajien teknisistä ominai suuksista (Forest Products... 1999) laskettiin tuoteryhmittäin keski-, minimi ja mak simiarvot (taulukko 8). OSL-palkin valmistukseen käytettävistä puulajeista ei saatu erillistä tietoa, mutta puulajit ovat ainakin pääosin samoja, joista valmistetaan OSB levyä. Lisäksi kerättiin eri lähteistä tiedot mekaanisista ominaisuuksista ja kuiva tuoretiheydestä (p) tukkikokoisista männyn, kuusen, koivun ja haavan virheettömistä koekappaleista mitattuina (taulukko 8) (Jalava 1945, 1957, Uusvaara 1974, Hakkila 1979, Kärkkäinen ja Dumell 1983, Hakkila ym. 1995, Fagerstedt ym. 1996, Verkasa lo 1998, Forest Products... 1999, Kärki 2001, Möttönen & Luostarinen 2001, Hakkila ym. 2002, Heräjärvi 2002). 27 Taulukko 7. OSB:n, LSL:n ja PSLn valmistuksessa käytettäviä puulajeja (Verkasalo 1990, Lowood 1997, Nelson 1997, Forest Products... 1999, ICBO 2000). Tuote Puulaji englanniksi Puulaji latinaksi Puulaji suomeksi Käyttömaa OSB Paper birch Belula papyri/era Paperikoivu, amerikanhieskoivu USA, Kanada Red maple Acer rubrum Punavaahtera USA, Kanada Sweetgum Liquidambar styracijlua Amerikansatiinipähkinäpuu USA Yellow-poplar, tulip tree Liriodendron tulipifera T ulppaanipuu USA Balsam poplar Populus balsatnifera Palsamipoppeli USA, Kanada Rubberwood Hevea brasiliensis Kumipuu Aasia, Australia American arborvitae, Thuja occidenlalis Kanadantuija USA, Kanada Northern white cedar Aspen Populus spp. Haapa Quaking P. tremuloides Amerikanhaapa USA, Kanada Bigtooth P. grandidendata Isohampainen haapa USA, Kanada Eucalyptus Eucalyptus camaldulensis Eukalyptus Aasia, Australia Jarrah E. marginata Jarrah Aasia, Australia Karri E. diversico]or F.Muell. Karri Aasia, Australia Red alder, Oregon alder Alnus rubra, A. oregona Punaleppä USA Jack pine Pimis banksiana Banksinmänty USA, Kanada Maritime pine Pimis pinaster Rannikkomänty, merimänty Eurooppa Radiata pine Pinus radiata Montereynmänty, radiatamänty Chile Scots pine Pinus sylvestris (Metsä)mänty Eurooppa Red pine Pinus resinosa Amerikanpunamänty USA Eastern white pine Pinus strobus Strobusmänty Kanada Southern (yellow) pine Pinus spp. Etelän(kelta)mänty USA Loblolly P. taeda Loblollymänty USA Longleaf P. palustris Pitkäneulasmänty USA Shortleaf P. echinata Lyhytneulasmänty USA Slash P. eUiottii Elliottinmänty USA Spruce Picea spp. Kuusi Kanada Black P. mariana Mustakuusi Kanada Engelmann P. engelmannii Engelmanninkuusi USA, Kanada Red P. rubens Amerikanpunakuusi USA, Kanada Sitka P. sitchensis Sitkankuusi USA, Kanada White P. glauca Valkokuusi USA, Kanada LSL Aspen Populus spp. Haapa Quaking P. tremuloides Amerikanhaapa USA, Kanada Bigtooth P. grandidendata Isohampainen haapa USA, Kanada Yellow-poplar, tulip tree Liriodendron tulipifera Tulppaanipuu USA PSL Douglas fir Pseudotsuga menziesii Douglaskuusi USA, Kanada Western hemlock Tsuga heterophylla Lännenhemlokki USA, Kanada Red maple Acer rubrum Punavaahtera USA Yellow-poplar, tulip tree Liriodendron tulipifera T ulppaanipuu USA Southern (yellow) pine Pinus spp. Etelän(kelta)mänty USA 28 Pieniläpimittaisen puuraaka-aineen tiheysarvojen vertailu rakennepuutuotteiden val mistuksessa käytettyjen puulajien tiheysarvoihin osoittaa, että suomalainen mänty-ja koivupienpuu ovat teknisten ominaisuuksiensa puolesta kilpailukykyistä raaka ainetta perinteisten OSB:n, LSL:n, OSL:n ja PSL:n valmistuksessa käytettyjen raaka aineiden kanssa. Raaka-aineominaisuuksiin perustuvaa estettä ei liene kotimaisen haavankaan hyödyntämiselle edellä mainituissa rakennepuutuotteissa. Tulevaisuuden kotimaistakin puuraaka-ainepotentiaalia ajatellen mielenkiintoista hybridihaapaa on kokeiltu Yhdysvalloissa OSB-levyn raaka-aineena (Peters ym. 2002). Tutkimuksessa havaittiin kuitenkin hybridihaaparaaka-aineen olevan mekaa nisilta ominaisuuksiltaan risteyttämätöntä haapaa huonompaa, mikä heijastui myös levyjen ominaisuuksiin. Taulukko 8. OSB:n, LSL:n ja PSL:n raaka-aineena käytettyjen puulajien mekaanisten ominai suuksien sekä säteen suuntaisen (r), tangentin suuntaisen (t) ja tilavuuden (v) kutistumisen ja kuivatuoretiheyden keskiarvot ja käytännössä esiintyvät minimi- ja maksimiarvot. Lisäksi männyn, kuusen, koivun ja haavan vastaavat ominaisuudet virheettömistä koekappaleista mitattuina (Jalava 1945, 1957, Uusvaara 1974, Hakkila 1979, Kärkkäinen & Dumell 1983, Hakkila ym. 1995, Fagerstedt ym. 1996, Verkasalo 1998, Forest Products... 1999, Kärki 2001, Möttönen & Luostarinen 2001, Hakkila ym. 2002, Herajärvi 2002). "Tätä pienempien rauduskoivujen keskimääräinen tiheys vaihtelee Vellingin (1979) mukaan välillä 400-430 kg/m 3 . 2) Arvot on laskettu Armstrongin ym. (1983) esittämillä eksponenttiyhtälöillä. Kirjallisuustietoja mekaanisista omi naisuuksista kotimaiselle mänty- ja koivupienpuulle ei ollut kirjoitusajankohtana saatavilla, mutta Metlan vielä julkaisemattomissa tutkimuksissa tulokset ovat samansuuntaisia. Taivutus- lujuus Veto- lujuus Puristuslujuus Kimmo- kerroin Kutistuminen Kuivatuoretiheys || ± II _L II _ r t v MPa % kg/m 3 Rakennepuutuotteiden raaka-aineena käytetyt puulajit OSB Keskiarvo 81 3,2 43,4 4,3 11300 4,6 8,0 13,0 440 Min 58 1,8 29,3 2,6 8100 3,0 6,6 10,3 350 Max 139 5,2 74,5 7,0 17900 7,8 12,4 20,2 820 LSL Keskiarvo 64 2,8 34,7 3,0 9600 3,8 7,6 12,0 370 Min 58 1,8 29,3 2,6 8100 3,5 6,7 11,5 350 Max 70 3,7 38,2 3,4 10900 4,6 8,2 12.7 400 PSL Keskiarvo 84 3,0 48,0 5,0 12100 5,0 8,0 12,0 450 Min 70 2,0 38,0 3,0 10900 4,0 7,0 11,0 400 Max 95 4,0 54,0 6,0 13400 5,0 8,0 13,0 510 Kotimaiset puulajit Järeä puuraaka-aine Mänty 86 3,4 48,0 4,2 12500 3,7 7,8 12,3 400-420 Koivu 115 7,0 55,0 14500 5,3 7,8 14,0 480-520 Haapa 86 4,5 43,0 13200 3,5 8,5 10,0 400 Rinnankorkeusläpimittaluokat 7-17 cm " Mänty 65 21 36 21 400 Koivu 77 21 42 21 470 29 3.2 Laboratoriokokeet Koekappaleiden tiheys ja kosteusturpoamat Taulukossa 9 on esitetty yhteenveto eri raaka-ainelajien ilmakuivatiheys-, vesiab sorptio- ja kosteusturpoamatuloksista. Eri kohdista levyä sahattujen koekappaleiden tiheydet vaihtelivat varsin paljon. Suurimmillaan samasta raaka-ainelajista valmistet tujen näytteiden ilmakuivatiheyden ero oli 275 kg/m 3 , pienimmilläänkin 125 kg/m 3 . Tärkein syy suuriin tiheysvaihteluihin lienee ollut lastujen epätasainen sirottelu. Kes kimäärin toteutuneet tiheydet olivat kuitenkin melko lähellä tavoitetiheyksiä 600 ja 760 kg/m 3 . Taulukko 9. Koekappaleiden ilmakuivatiheyden, vesiabsorption (12 %:n kosteussuhteesta täysin vettyneeksi) ja paksuus-, leveys- ja pituussuunnassa määritetyn kosteusturpoaman keskiarvot (keskihajonnat) 20 kappaleen otoksesta määritettynä raaka-ainelajeittain. Keskimääräinen vesiabsorptio oli noin 20 prosenttiyksikköä pienempi järeän männyn tyvitukin pintaosasta, harvennuskoivusta ja järeän koivun latvasta valmistetuissa levyissä kuin harvennusmännystä ja järeän männyn latvaosasta valmistetuissa levyis sä. Vesiabsorptio myös pieneni levyn tiheyden kasvaessa. Levyn paksuusturpoama puolestaan kasvoi tiheyden kasvaessa, mikä on havaittu myös aikaisemmissa tutki muksissa (esim. Linville 2000). Levyn pituus-ja leveysturpoamaan tiheyden kasvulla ei ollut vaikutusta. Kuvassa 3 on esitetty erisuuntaisten turpoama-arvojen riippuvuu det tiheydestä harvennuskoivulla. Raaka-ainelajien välillä ei ollut tässä suhteessa eroja. Taivutuskokeet Koekappaleiden syrjä- ja lapetaivutuskokeiden tulosten yhteenveto on esitetty taulu kossa 10. Tulokset ovat 16 taivutuskokeen keskiarvoja lukuun ottamatta männyn latvapölkyistä tehtyjen koekappaleiden syrjätaivutusta sekä harvennuskoivusta tehty jen koekappaleiden lapetaivutusta, joissa keskiarvot on laskettu 15 taivutuksesta. Näissä yhden testin tulokset pilasi sähköhäiriö taivutuskokeen aikana. Raaka-ainelaji Ilmakuivatiheys Vesiabsorptio Turpoama kg/m 3 % % Paksuus Leveys Pituus 1. Harvennusmäntypölkyt Tavoitelastupaksuus 0,5 mm 640 (45) 73,9 (7,1) 17,3(2,9) 1,0 (0,3) 0,2 (0,2) Tavoitelastupaksuus 1,0 mm 626 (36) 72,2 (6,1) 15,8 (2,8) 1,3 (0,2) 0,3 (0,2) 2. Järeän männyn latvapölkyt 635 (48) 74,0 (5,9) 20,2 (4,0) 1,2 (0,2) 0,3 (0,2) 3. Männyn tyvitukin pintaosa 771 (62) 52,3 (5,0) 18,2 (3,4) 1,6 (0,3) 0,1 (0,2) 4. Harvennuskoivupölkyt 789(75) 54,0 (6,8) 22,0 (3,8) 2,1 (0,6) 0,4 (0,2) 5. Järeän koivun latvapölkyt 763 (44) 57,7 (5,1) 21,9 (3,3) 1,8 (0,5) 0,4 (0,2) 30 Kuva 3. Harvennuskoivusta valmistetun levyn paksuus-, leveys- ja pituusturpoamat levyn ilmakuivatiheyden funktiona. Taulukko 10. Taivutuskoekappaleiden ilmakuivatiheyden (Pl 2), taivutuskimmokertoimen (MOE) ja -murtolujuuden (MOR) keskiarvot, -hajonnat ja ääriarvot raaka-ainelajeittain. Raaka-ainelaji Pl2 kg/m 3 Syrjätaivutus MOE MPa MOR MPa Pl2 kg/m 3 Lapetaivutus MOE MPa MOR MPa 1. Harvennusmäntypölkyt Tavoitelastupaksuus 0.5 mm X 655 6654 35,5 632 6646 44,7 s 47 534 5,6 34 541 5,1 Min 585 5619 23,4 564 5356 32,9 Max 742 7459 45,3 702 7416 50,5 Tavoitelastupaksuus 1,0 mm X 624 5819 31,6 631 6649 40,2 s 27 444 2,9 28 548 5,4 Min 573 4904 25,2 582 5443 29,8 Max 672 6556 37,9 682 7641 49,3 2. Järeän männyn latvapölkyt X 632 6415 32,0 628 6496 41,1 s 29 383 2,8 29 498 4,8 Min 565 5497 25,3 592 5670 33,3 Max 679 7115 35,2 682 7291 50,9 3. Männyn tyvitukin pintaosa X 795 10121 48,8 771 9727 59,5 s 48 766 7,9 43 970 11,5 Min 711 8219 35,2 701 8161 38,1 Max 912 11104 61,8 837 11351 76,4 4. Harvennuskoivupölkyt X 788 8451 42,5 775 8637 51,8 s 27 1056 8,0 38 969 8,1 Min 742 5354 24,2 669 6185 29.1 Max 826 9659 57,3 848 9729 62,2 5. Järeän koivun latvapölkyt X 795 7549 37,1 761 7087 43,4 s 32 694 4,0 34 761 5,4 Min 751 5868 28,7 673 5286 35,9 Max 853 8507 44,0 830 8093 53,0 31 Koekappaleen taivutuskimmoisuuden ja -lujuuden riippuvuutta ilmakuivatiheydestä tutkittiin lineaarisella regressioanalyysillä. Kuten kosteusturpoamakappaleissa, myös taivutuskappaleissa ilmakuivatiheys vaihteli varsin paljon. Ääriarvojen oletettiin aiheuttavan vääristymiä keskitunnuksiin tai mekaanisten ominaisuuksien ja ilma kuivatiheyden välisiin riippuvuussuhteisiin. Ääriarvojen vaikutuksen eliminoimiseksi aineistoa muokattiin siten, että tiheydeltään kolme pienintä ja kolme suurinta kappa letta poistettiin, jonka jälkeen aineistoon sovitettiin uudet lineaariset trendikäyrät. Pienennettyyn aineistoon sovitettujen regressiosuorien kulmakertoimet eivät poiken neet merkittävästi koko aineiston perusteella laadittujen suorien kulmakertoimista. Niinikään alkuperäisen ja pienennetyn aineiston väliset erot keskimääräisissä ilma kuivatiheyksissä, taivutuskimmokertoimissa ja -murtolujuuksissa olivat hyvin pieniä, mikä osoittaa koko aineiston keskitunnusten kuvanneen varsin hyvin kappaleiden ominaisuuksia. Pienennetyn aineiston käsittelyä ei jatkettu tämän pidemmälle. Kuvissa 4 ja 5 on esitetty koekappaleiden taivutusmurtolujuuden ja - kimmokertoimen riippuvuudet ilmakuivatiheydestä syrjä- ja lapetaivutuksissa. Sekä kimmokerroin että murtolujuus kasvoivat levyn ilmakuivatiheyden noustessa kaikilla raaka-ainelajeilla. Tavoitetiheysluokassa 760 kg/m 3 parhaat kimmoisuus- ja lujuusarvot olivat mäntytukin pintapuulastuista valmistetuilla koekappaleilla. Tavoitetiheysluokan 600 kg/m 3 alhaisimmat tulokset saatiin 1,0 mm:n lastupaksuuden harvennusmäntyraaka-aineesta valmistetuilla koekappaleilla. Tulos puoltaa hypoteesia, jonka mukaan oksaton pintapuu on tutkituista raaka-ainelajeista lähimpänä haluttua. Kuva 4. Koekappaleiden murtolujuudet syrjätaivutuksessa (yläkuva) ja lapetaivutuksessa (alakuva) raaka-ainelajeittain ilmakuivatiheyden funktiona. KH: harvennuskoivupölkyt, KL: järeän koivun latvapölkyt, MH 0,5: harvennusmäntypölkyt 0,5 mm:n tavoitelastupaksuudella, MH 1,0: harvennusmänty pölkyt 1,0 mm:n tavoitelastupaksuudella, ML: järeän männyn latvapölkyt, MT: männyn tyvitukin pintaosa. 32 Kuva 5. Koekappaleiden kimmokertoimet syrjätaivutuksessa (yläkuva) ja lapetaivutuksessa (alakuva) raaka-ainelajeittain ilmakuivatiheyden funktiona. KH: harvennuskoivupölkyt, KL: järeän koivun latvapölkyt, MH 0,5: harvennusmäntypölkyt 0,5 mm:n tavoitelastupaksuudella, MH 1,0: harvennusmäntypölkyt 1,0 mm:n tavoitelastupaksuudella, ML: järeän männyn latvapölkyt, MT: männyn tyvitukin pintaosa. Mann-Whitneyn testin mukaan raaka-ainelajien erot taivutuslujuuksissa ja kimmokertoimissa olivat pääosin tilastollisesti merkitseviä (taulukko 11). Kappaleiden ilmakuivatiheyserot eivät sen sijaan olleet merkitseviä tavoitetiheysluokkien 600 kg/m 3 ja 760 kg/m 3 sisäisissä vertailuissa. Männyn latvapölkkyjen puusta valmistettujen koekappaleiden ominaisuudet eivät eronneet harvennusmäntypölkkyjen puusta valmistetuista, joissa tavoitelastupaksuus ei myöskään vaikuttanut ominaisuuksiin. Koivun latvapölkkyjen puusta valmistettujen koekappaleiden kimmoisuus- ja lu juusarvot olivat sekä syrjä- että lapetaivutuksessa harvennuskoivupölkkyjen puusta valmistettuja alemmat. Ero voi johtua latvakoivuraaka-aineessa esiintyneistä epä muodostuneista lastuista, jotka aiheutuivat latvapölkkyjen suurista tuoreista oksista. Koko koivuaineiston koekappaleiden keskimääräinen ilmakuivatiheys ei eronnut mäntytukin pintaosan puusta valmistettujen koekappaleiden ilmakuivatiheydestä. Tiheysluokkien 600 kg/m 3 ja 760 kg/m 3 erot olivat merkitseviä kaikissa koekappalei den tarkastelluissa ominaisuuksissa. Koekappaleen lapetaivutuslujuus valittuun ilmakuivatiheyteen (pn) puristettuna voidaan laskea yhtälöillä 2 (mänty) ja 3 (koivu), ja syrjätaivutuslujuus yhtälöillä 4 (mänty) ja 5 (koivu). Vastaavasti voidaan laskea lapetaivutuskimmokerroin yhtälöillä 6 (mänty) ja 7 (koivu) sekä syrjätaivutuskimmokerroin yhtälöillä 8 (mänty) ja 9 (koi vu). Mäntyaineistosta poistettiin yhtälöiden laskennassa tyvitukin pintapuuosa aineisto, joka oli pienpuuaineistoista poikkeava. Koivulastuista valmistetuissa koe kappaleissa syrjätaivutuslujuuden ja ilmakuivatiheyden (yhtälö 5) sekä syrjätaivutus kimmokertoimen ja ilmakuivatiheyden (yhtälö 9) väliset riippuvuudet olivat huomat tavan alhaisia verrattuna lapetaivutuksessa havaittuihin riippuvuuksiin. 33 Ratkaisemalla yhtälöt ilmakuivatiheyden (pi 2 ) suhteen voidaan määrittää, mihin tiheyteen levyaihio pitää puristaa haluttaessa kappaleelle määrätty taivutuslujuus tai - kimmokerroin lape- tai syrjätaivutuksessa. Syrjätaivutuslujuuden (yhtälö 5) ja - kimmokertoimen (yhtälö 9) riippuvuudet ilmakuivatiheydestä olivat koivulastuista valmistetuissa palkeissa alhaiset myös käännetyistä yhtälöistä määritettyinä, eivätkä siten soveltamiskelpoisia. Taulukko 11. Mann-Whitneyn U-testien tulokset raaka-ainelajien taivutuskimmokertoimen (MOE), -murtolujuuden (MOR) ja ilmakuivatiheyden (p12 ) pareittaisissa vertailuissa. Jos p < 0,05, ero on tilastollisesti merkitsevä. Vertailupari Syrjätaivutuskoekappaleet Lapetaivutuskoekappaleet MOE MOR p 12 MOE MOR P12 p-arvot Harvennusmäntypölkyt, lastupaksuus 0,5 mm vs. Harvennusmäntypölkyt, lastupaksuus 1,0 mm 0,000 0,010 0,080 0,780 0,014 0,897 Harvennusmäntypölkyt, lastupaksuus 1,0 mm vs. Järeän männyn latvapölkyt 0,000 0,338 0,270 0,402 0,696 0,780 Harvennuskoivupölkyt vs. Järeän koivun latvapölkyt 0,001 0,015 0,564 0,000 0,000 0,056 Koivupölkyt vs. Männyn tyvitukin pintapuuosa 0,000 0,000 0,974 0,000 0,001 0,983 Tiheysluokan 600 kg/m 3 raaka- ainelajit vs. Tiheysluokan 760 kg/m 3 raaka- ainelajit 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 Lapetaivutus, mänty MOR = 0,126 * p 12 - 37,245 r 2: 0,492 (2) Lapetaivutus, koivu MOR = 0,155 * p 12 -71,216 r 2: 0,490 (3) Syrjätaivutus, mänty MOR = 0.089 * pn - 23,610 r 2: 0.619 (4) Syrjätaivutus, koivu MOR = 0.068 * p 12 - 14,338 r 2: 0.090 (5) Lapetaivutus. mänty MOE = 14,729 * pn - 2692.991 r 2: 0.717 (6) Lapetaivutus, koivu MOE = 19,121 * p 12 - 6844,561 r 2 : 0.369 (7) Syrjätaivutus, mänty MOE = 11,763 * p 12 - 1195.509 r 2: 0,590 (8) Syrjätaivutus, koivu MOE = 3.938 * p l2 + 4882.040 r 2: 0,014 (9) 34 Koska liiman massa ja lastumassa olivat laboratoriokokeissa vakiot, 0,5 mm:n las tuista valmistetuissa levyaihioissa liimaa käytettiin vähemmän lastujen kokonaistila vuuteen ja lastupinta-alaan nähden kuin 1,0 mm:n lastuista valmistetuissa levyaihi oissa. Lisäksi ohuiden lastujen sirotteluaika oli suunniteltua pidempi. Näiden seikko jen oletettiin vaikuttavan tutkittuihin taivutusominaisuuksiin heikentävästi. Kuitenkin ohuemmista lastuista valmistettujen koekappaleiden lujuudet ja syrjätaivutuksessa myös kimmoisuudet olivat paksummista lastuista valmistettuja merkitsevästi parem mat. Pienen aineiston vuoksi tulosta voidaan pitää vain suuntaa antavana. Postin (1958) tutkimuksessa lastun ohentaminen sekä toisaalta liimamäärän li sääminen nostivat lastulevyn murtolujuutta. Myös Klauditz (1957) havaitsi lastule vyn taivutuslujuuden paranevan ohentamalla lastua. Valmistettaessa tuotteita teh dasmittakaavassa lastupaksuutta rajoittaa lastujen katkeilualttius, joka korreloi nega tiivisesti lastun paksuuden ja positiivisesti sen pituuden kanssa (Meyers 2001). OSL- tai LSL-palkin taivutuskimmokerroin ja -murtolujuus eivät ole oleellisesti riippuvaisia lastujen pituudesta ja leveydestä (Meyers 2001). Tulos perustuu kolmella eri lastupituudella (10 cm, 20 cm ja 30 cm) ja -leveydellä (1,25 cm 1,9 cm ja 2,5 cm) valmistettujen palkkien veto- ja puristuslujuuksien vertailuun. Tärkeimmiksi palkin ominaisuuksiin vaikuttaviksi tekijöiksi osoittautuivat tuotteen tiheys ja lastujen suun taus. Lastun pituudella on suurin merkitys suuntaamisen varmistamisessa. Shupe ym. (2001) määrittivät keskimäärin 7,6 cm pitkistä lastuista valmistetun OSL-palkin tai vutuskimmokertoimeksi 12400 MPa. Taulukossa 12 on esitetty raaka-ainelajeittain lastujen pituuden ja paksuuden suh de, slenderness ratio, joka suomennetaan tässä hoikkuudeksi. Tuotteen murtolujuu den on havaittu kasvavan hoikkuuden kasvaessa (Post 1958, Suchsland 1968). Lu juusarvot vakiintuvat asymptoottisesti tietylle tasolle suurilla hoikkuusarvoilla (Thole 2002). Wangin ja Lamin (1999) tutkimuksissa optimaaliseksi hoikkuudeksi 5-10 cm pitkillä lastuilla saatiin 133, mikä oli myös käsillä olevassa tutkimuksessa parhaat kimmoisuus- ja lujuusarvot omanneen mäntytukin pintaosan puuaineesta valmistetun koekappaleen lastujen keskimääräinen hoikkuus. Koska lastudimensiot mitattiin tässä tutkimuksessa otoksesta 30 kpl/raaka-aine-erä koekappaleittaisten mittausten sijaan, hoikkuuden ja taivutusominaisuuksien välistä riippuvuutta ei voitu määrittää tarkasti. Taulukko 12. Lastujen pituuden ja paksuuden suhde eli hoikkuus (slendemess ratio) raaka ainelajeittain. Raaka-ainelaji Lastun hoikkuus X (s) 1. Harvennusmäntypölkyt Tavoitelastupaksuus 0,5 mm 154 (63) Tavoitelastupaksuus 1,0 mm 103(43) 2. Järeän männyn latvapölkyt 114(42) 3. Männyn tyvitukin pintaosa 133(52) 4. Harvennuskoivupölkyt 113(39) 5. Järeän koivun latvapölkyt 96(51) 35 Tulosten vertailu muihin puutuotteisiin Taulukossa 8 (s. 28) esitettiin aiemmissa tutkimuksissa suomalaisen männyn, koivun ja haavan virheettömistä koekappaleista saatuja tuloksia kimmoisuudesta ja lujuudes ta. Samassa yhteydessä todettiin kyseisten puulajien soveltuvan näiden ominaisuuk siensa puolesta niin OSB:n, LSL:n, OSL:n kuin PSL:nkin valmistukseen. Seuraavas sa verrataan tässä tutkimuksessa valmistettujen, lähinnä OSL-palkkeja vastaavien koekappaleiden taivutusominaisuuksia muihin, mahdollisessa kilpailuasemassa ole viin puutuotteisiin. Taulukossa 13 on esitetty kirjallisuuteen perustuvia taivutuskimmoisuus- ja - murtolujuusarvoja sahatulle massiivipuulle, LVL:lle sekä kuiviin käyttökohteisiin tarkoitetulle 11-luokan OSB-levylle. OSB-levyn käyttökohteet poikkeavat saha