钢筋混凝土切割技术

     在过去50年来，作为降低工程成本的途径，工业金刚石在建筑工业中的应用，不但在用量上呈现稳步增长，而且应用的领域也不断增加。据估计现在每年全球金刚石工具的市场销售额接近10亿美元。这主要是由于金刚石生产商和金刚石工具制造商、冶金行业和机械制造业人员共同开发与技术进步，使的金刚石工具行业有可能生产出高技术性能的工具制品，因而使得当今的建筑工业能够随心所欲地选用。
一、建筑行业
        由于建筑、拆除与维修及民用建筑工程组成的建筑业被认为是国民经济最重要的部分之一。以美国为例，1998年其新的建筑工程金额超过6000亿美元。在以欧洲和日本为例，在过去50年以来，为满足人口不断增长引起的房屋建造与商业建筑两方面的需求，大量改造改建工程和开发项目工程继续增长。
        由政府与贸易协会提供的报告表明，美国建筑业也呈上升趋势。过去七年多来建筑业的明显上升趋势还会继续发展。公共写字楼建设、大众教育设施、公路和多用住房建筑被大家公认是发展最大的领域。

二、建筑、维修与拆除用金刚石
        50多年来，由于建筑工业的增长，工业金刚石工具在建筑工业中的应用蒸蒸日上，并在不断降低成本的条件下，提高生产效率和工具寿命。由于满足了成本控制，目前金刚石工具已被认可为最有效的切割建筑材料的工具。
        这段时期金刚石工具的发展是由于在很多不同应用领域的开发所致。有M.Jennings报道的最新实例清楚表明，目前金刚石工锯的应用一延伸刀普通的民用建筑工程项目中。为遵守欧洲运输规程，应将运输卡车的允许承载量增大到40吨，因而所有通过英国的道路桥梁需进行相应的检测，以确保增大的载荷能安全通过。在某些情况下桥面和桥墩要大大强化与加固或完全更换。要在较短的工期内以最少的交通停顿和较少的预算费用实现上述目的，最有效的解决办法是广泛使用金刚石孕镶取心钻头、圆盘锯和绳锯切割。
        因交通阻塞与中断引起的费用不断上升促使金刚石工具广泛使用，它能使工程施工时间大大缩短。美国混凝土锯切于钻进协会杂志“Concerete Openings”（混凝土天地）经常报道是用金刚石工具的实例。在最近的一次报道中，美国亚特兰大Hartsfield国际机场旧跑道翻新重建时由于全面采用金刚石工具而明显地节省了时间与费用，采用常规的方法要耗资3500-3900万美元，跑道至少要完全关闭六个月。采用金刚石节缝切割机可以将旧跑道分成易处理部分，快速取出运送到机场外，并立即铺上新跑道。虽然这种“快速铺设法”费用高达5200万美元，但把每关闭一天跑到需花费50万元的费用考虑进去的话，增加的费用还是合理的。通过大量自动化应用，是制造工艺工程更为有效，未来是用金刚石工具的趋势人会持续增长。仅在1999年一年内两大设备制造厂商推出了更为便捷、有效且基本投资费用低的激光焊接设备。金刚石与可供选择的结合剂原材料的更为有效的应用，再加上其整个成本的下降，使金刚石工具在经济上更为大家所认可与接受。这些事例清楚表明，由于其令人满意的成本，金刚石工具已能满足和适应工业需求。

三、公路与机场跑边面纹理加工
        金刚石工具大量用于公路与机场跑道表面的整平与纹理结构加工。英国交通监控部门与世界上其他许多运输管理一样认为是用金刚石工具能够保证交通停顿最短情况下的施工速度与精度。目前专门用于公路与机场设施的维修施工。
        为满足对道路严格的表面纹理结构的要求，早期金刚石锯片大量使用20-40美国目的粗颗粒的天然金刚石。
        为了促使表面纹理加工成本下降，提高工具寿命，完善切割性能，促使工具性能的显著变化，必须研制开发新结合剂体系，使其在高速切割磨蚀性很高的混凝土与沥青时能减缓快速磨损。为承受高温烧结专门生产热稳定相很好的30-50美国目的高强度人造金刚石，使其在更高的速度下能较少的磨损。由于实施了工具改进，并使用重型切割机械，在90年代仍然使用同样的转速，但使用三倍于锯片数量的磨头，以更高的切割给进速率完成路面纹理加工。
        为提高道路表面加工的效率，曾考虑如何减少操作人员、冷却使用量及路面岩屑与淤泥的清除工作，对原用常规实心锯片进行改进设计，新型设计采用φ300mm的通风钢基体和激光焊接的钴基结合剂刀头，可以不用冷却水，仍能承受高的工作温度。
        由于工作温度较高，锯片刀头采用强度很高、热稳定性很好的40/50美国目的六八面体人造金刚石孕镶烧结而成。当在沥青和混凝土路面切割宽度为9mm沟槽时，达到切割效率分别为4m/min和1.5m/min。
        更具Noritake金刚石工业有限公司和NipponFoureki工业有限公司计算表明，完全的干式切割系统比类似湿式切割机费用略贵，但整个干式切割成本便宜。成本降低的原因主要是磨切机器操作工人更少，无需运水车和事后的清扫工作。

四、建筑材料的表面纹理加工
        随着工业条件下建筑与维修工作的增长，过去10余年来采用金刚石工具进行室内地面纹理加工的需求也相应增长。增长原因不仅在于开发了快速干切工具，停工时间短与损耗少，而且也是很多地面施工有很严格的平整度与粗糙度公差的超标要求所致。在研制出金刚石纹理加工技术之前，地面的加工通常使用湿式刮板或者采用安装有硬质合金甩刀或钉齿之类的翻松路面工具进行。通过实验对比，金刚石工具加工成本远低于传统的工艺。

五、金刚石绳锯
        金刚石绳锯锯切工艺自从70年代第一次开发应用于天然石材的开采后，在建筑工业中产生了重大影响，特别是在建筑结构的拆除与修正中作用巨大。绳锯切割工艺应用的增长主要是由于它降低成本。除了能提高切割速度，并留下清晰、光滑、平整的切割表面外，还能相应节省与降低设备动力、劳动力成本，减少过多的切割量、噪音与粉尘污染。
        由于使用了高强度的30/40美国目的人造金刚石，进来成功地对工具设计进行了改进与完善使得切割锋利，提高了锯切速度从而降低了锯切工程所需时间，提高了锯切效率。
        此外，为了提高工具的整体性能，使用了可选择的钎焊结合剂系列。与常规的烧结串珠相比较，该技术可更好的控制金刚石在串珠上的整体分布及其磨损速率。由于在应用中金刚石凸出高度更大，故趋向于使用高强度金刚石。

六、孕镶金刚石圆盘锯
        对于混凝土与沥青公路的维修与公用设施安装锯切，多数承包商都愿采用φ350mm到φ1m以上的水冷金刚石圆盘锯片而不采用其它常规锯切工具，锯片多安装在以柴油发动机作为动力的切割机上，要求切割锋利、寿命长、停机少、故障少，并要降低劳动力成本。使用这种工艺的另一有利因素是切割精度高，能量利用更为有效。
        过去25年来，为保持稳定的锯片性能，在锯切钢筋混凝土和高磨蚀性沥青为主的材料时，金刚石工具制造行业坚持大量使用30-50美国目的六八面体完整晶型金刚石。为强化锯片的耐磨性，在生产钴合金结合剂刀头时，不采用常规的热压工艺，而趋向于使用熔渗烧结工艺。
        在使用性能方面，由于使用更大功率的切割机，加之在锯片生产中使用耐磨的结合剂与高强金刚石，从而延长了整个工具寿命，并由于减少了停机时间而改善了其经济性能。

七、干式圆盘锯切割
        于80年代中期才开始采用φ110-φ400mm直径的孕镶式金刚石刀头干切锯片和连续式锯片，不附加冷却措施而能用于材料的锯切于开槽。这主要是由于将刀头采用激光焊接在锯片基体上，同时对锯片的技术性能进行了完善与改进，使其能安全地使用。自从开发出干切时锯片后，由于它具有一些操作使用上的优势，诸如更高的圆周切割速度与切割效率，同时不降低使用寿命，固干式切割取代了传统的树脂切割偏于冷却式湿切金刚石锯片。更重要的是干式切割工艺使其在冷却水提供困难的地区能更方便地使用，同时因减少事后的清除工作而节约了成本。
        为锯切割中难切材料，这一特定市场产品通常依据锯片性能可广义的划分称三个不同类别。第一类为“专用型锯片”。该类锯片主要用于专业建筑承包商的大功率半自动切割机。为适应这种切割速度高、可靠耐用、运转平衡、使用寿命长、停工时间少的要求，采用30-50美国目的高强金刚石与耐磨性结合剂孕镶烧结。
        第二类的锯片为“半专用型锯片”（或称通用型锯片），主要由经销商和房建承包商用于不连续长期使用的锯片。通常要求该类锯片对各种不同材料具有恒定的切割效率。该类锯片一般采用40/50美国目的中强金刚石。
        第三类的锯片为“DIY”类。可采用价格低廉、脆性较好的锐利的金刚石和较软的结合剂。

八、混凝土钻孔
        由于金刚石孕镶取心钻具优于传统的冲击钻孔技术而成为在各种建筑材料中钻进小孔与大直径孔的第一选择。由于其钻进速率高，寿命长，钻进很深，尺寸精确，而且不要在此修整孔眼，噪音低，废岩屑少，所以深受使用这欢迎。
        最初钻具的开发倾向使用有青铜与钴粉再加入适量用于提高耐磨性的碳化钨烧结的刀头。这种刀头孕镶有20-50美国目的粗颗粒天然金刚石。
        为提高钻具性能，过去10余年来不断开发，使钻进效率提高了一倍。这主要应归因于不断使用30/40美国目的高强金刚石。

九、建筑工业中的混凝土
        混凝土是建筑工业所有工程中使用的最重要的材料之一。根据石料生产协会（QPA）报导，由于混凝土用途的多样性，仅英国每年生产的预混混凝土达到2200万立方米左右，并以每年1.5个百分点的速度增长。
        尽管混凝土应用范围非常广泛，倘若不加保护与处理，在工作环境中暴露出的有害元素可能常常导致互凝土外表或内部钢筋迅速锈蚀。
        更具NiDI报导，在美国有60万左路桥被列为钢筋混凝土已锈蚀，其维修费用非常高昂，将要花费200亿美元。
        在日本整个国家很多混凝土铁路桥梁与隧道仅在25-30年后已锈蚀。随之而来，所有这些地区的维修工程将提供很多新的和多种多样的使用金刚石工具的机遇。

十、未来对金刚石的要求
        自从进入建筑工业，金刚石工具的应用在很广的范围内继续推广与发展，取代了很多传统的磨料工具与切割技术。正如上述已经描述的那样，其主要的原因是能保证很高的生产效率和工具寿命，同时降低能量消耗和浪费。为使这种趋势继续向前发展，企望金刚石合成、工具加工、粉末冶金和设备制造商能继续促使金刚石工具制造上生产出高品质、高性能的金刚石工具。
        最理想的解决办法是是用粗颗粒、高强度金刚石。

十一、对粗颗粒、高强度、高热稳定性人造金刚石的评价
        为正是钻具寿命与锯切效率方面的潜在优势，采用粗颗粒、高强度和热稳定性好的金刚石磨料能够实现这一目标。为此进行了一系列金刚石绳锯与薄壁钻具的试验。
        为进行薄壁钻头钻进试验，采用三种粗颗粒、高强度和热稳定性好的人造金刚石磨料与通常钻眼工程使用的30/40美国目的高强度金刚石进行了对比试验。

十二、钢筋混凝土的薄壁钻具钻进
        第一系列钻进试验采用人工控制的克里斯坦森300建筑钻机完成。
        测定了四种浓度为30%、直径为107mm的700SPC（每克拉颗粒数）、325SPC、250SPC和150SPC金刚石焊接式薄壁钻。以花岗岩和燧石石料的钢筋混凝土钻进孔眼。四种钻具的平均试验结果表明，以700SPC金刚石钻具钻进花岗岩和燧石钢筋混凝土的结果作为标准参照系进行比较，325SPC和250SPC金刚石钻具既获得较长钻具寿命，又获得更高的钻进效率。钻头的载荷基本相近，但是150SPC粗颗粒金刚石钻具到头磨耗严重。
        采用相同的参数钻进燧石钢筋混凝土，标准的700SPC金刚石钻具表明，其刀头严重磨损。并导致刀头基体碎裂与崩落。但是使用粗颗粒、高强度金刚石时，不使用过高的载荷，仍能达到较高的钻进效率与钻具寿命。

十三、钢筋混凝土和天然石材的绳锯切割
        第二组实验是在PelligriniDF2000固定式绳锯锯机上完成的。仍然是用花岗岩石料钢筋混凝土为锯切材料。采用250SPC金刚石做成φ9mm的双层焊接串珠绳锯。
        结果表明，使用粗颗粒高度凸出的金刚石其锯切效率显著提高。将新型串珠实验记录下的性能参数与工业中常用结果进行对比，清楚表明，在锯切2.5平方米钢筋混凝土和4.8平方米天然花岗岩后，绳锯性能非常优越。与工业中有代表性的性能参数相比，锯切效率为其1.4倍。
        结论
        建筑工业是国民经济最重要的部门之一，数据表明在过去50余年来金刚石建筑工业的应用一直在连续增长。减少系统运行的堵塞、机器的停顿与损耗以及工程精度的要求是金刚石工具在建筑工业应用明显增长的原因。
        为提高金刚石工具的寿命与切割性能，在工具设计、结合剂配方和金刚石技术特性的各方面已经做了大量的开发与研究工作。举例来说，刀头式圆盘锯能在比过去更高的圆周速度下，即能在湿切又能在干切条件下锯切，这方面应归因于使用了风冷钢制锯片基体和激光焊接技术，使其能保持锯片的整体牢固性。在锯切诸如混凝土和沥青之类高磨蚀性材料时，通过使用耐磨结合剂加工刀头，可使锯片的磨蚀降低到最低限度，其中包括使用钴粉和碳化钨粉末进行高温烧结。
        在金刚石性能方面本文概略叙述了几个关键的应用领域，其中某些应用趋向大量使用各种粒度的高强度金刚石，使金刚石工具锯切更为锋利，能量消耗降低，并能承受更高锯切效率时产生的载荷。通过一系列薄壁钻与绳锯的钻切实验也展示了上述优点。这是设备、工具、工艺和新型改进的人造金刚石磨料持续开发研究相结合的结果，特别是对金刚石粒度及其破碎特性给与重视与研究，这都将促进生产效率提高。