建筑切割，混凝土切割技術(shù)發(fā)展
一、建筑行業(yè)
由于建筑、拆除與維修及民用建筑工程組成的建筑業(yè)被認(rèn)為是國(guó)民經(jīng)濟(jì)最重要的部分之一。以美國(guó)為例，1998年其新的建筑工程金額超過6000億美元。在以歐洲和日本為例，在過去50年以來，為滿足人口不斷增長(zhǎng)引起的房屋建造與商業(yè)建筑兩方面的需求，大量改造改建工程和開發(fā)項(xiàng)目工程繼續(xù)增長(zhǎng)。
貿(mào)易協(xié)會(huì)提供的報(bào)告表明，美國(guó)建筑業(yè)也呈上升趨勢(shì)。過去七年多來建筑業(yè)的明顯上升趨勢(shì)還會(huì)繼續(xù)發(fā)展。公共寫字樓建設(shè)、大眾教育設(shè)施、公路和多用住房建筑被大家公認(rèn)是發(fā)展的領(lǐng)域。
二、建筑、維修與拆除用金剛石
50多年來，由于建筑工業(yè)的增長(zhǎng)，工業(yè)金剛石工具在建筑工業(yè)中的應(yīng)用蒸蒸日上，并在不斷降低成本的條件下，提高生產(chǎn)效率和工具壽命。由于滿足了成本控制，目前金剛石工具已被認(rèn)可為最有效的切割建筑材料的工具。
這段時(shí)期金剛石工具的發(fā)展是由于在很多不同應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)所致。有M.Jennings報(bào)道的實(shí)例清楚表明，目前金剛石工鋸的應(yīng)用一延伸刀普通的民用建筑工程項(xiàng)目中。為遵守歐洲運(yùn)輸規(guī)程，應(yīng)將運(yùn)輸卡車的允許承載量增大到40噸，因而所有通過英國(guó)的道路橋梁需進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)，以確保增大的載荷能通過。在某些情況下橋面和橋墩要大大強(qiáng)化與加固或完全更換。要在較短的工期內(nèi)以最少的交通停頓和較少的預(yù)算費(fèi)用實(shí)現(xiàn)上述目的，最有效的解決辦法是廣泛使用金剛石孕鑲?cè)⌒你@頭、圓盤鋸和繩鋸切割。
因交通阻塞與中斷引起的費(fèi)用不斷上升促使金剛石工具廣泛使用，它能使工程施工時(shí)間大大縮短。美國(guó)混凝土鋸切于鉆進(jìn)協(xié)會(huì)雜志“Concerete Openings”（混凝土天地）經(jīng)常報(bào)道是用金剛石工具的實(shí)例。在最近的一次報(bào)道中，美國(guó)亞特蘭大Hartsfield國(guó)際機(jī)場(chǎng)舊跑道翻新重建時(shí)由于采用金剛石工具而明顯地節(jié)省了時(shí)間與費(fèi)用，采用常規(guī)的方法要耗資3500-3900萬美元，跑道至少要完全關(guān)閉六個(gè)月。采用金剛石節(jié)縫切割機(jī)可以將舊跑道分成易處理部分，快速取出運(yùn)送到機(jī)場(chǎng)外，并立即鋪上新跑道。雖然這種“快速鋪設(shè)法”費(fèi)用高達(dá)5200萬美元，但把每關(guān)閉跑到需花費(fèi)50萬元的費(fèi)用考慮進(jìn)去的話，增加的費(fèi)用還是合理的。通過大量自動(dòng)化應(yīng)用，是制造工藝工程更為有效，未來是用金剛石工具的趨勢(shì)人會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。僅在1999年一年內(nèi)兩大設(shè)備制造廠商推出了更為便捷、有效且基本投資費(fèi)用低的激光焊接設(shè)備。金剛石與可供選擇的結(jié)合劑原材料的更為有效的應(yīng)用，再加上其整個(gè)成本的下降，使金剛石工具在經(jīng)濟(jì)上更為大家所認(rèn)可與接受。這些事例清楚表明，由于其令人滿意的成本，金剛石工具已能滿足和適應(yīng)工業(yè)需求。
三、公路與機(jī)場(chǎng)跑邊面紋理加工
金剛石工具大量用于公路與機(jī)場(chǎng)跑道表面的整平與紋理結(jié)構(gòu)加工。英國(guó)交通監(jiān)控部門與世界上其他許多運(yùn)輸管理一樣認(rèn)為是用金剛石工具能夠保證交通停頓最短情況下的施工速度與精度。目前專門用于公路與機(jī)場(chǎng)設(shè)施的維修施工。
為滿足對(duì)道路嚴(yán)格的表面紋理結(jié)構(gòu)的要求，早期金剛石鋸片大量使用20-40美國(guó)目的粗顆粒的天然金剛石。
為了促使表面紋理加工成本下降，提高工具壽命，完善切割性能，促使工具性能的顯著變化，必須研制開發(fā)新結(jié)合劑體系，使其在高速切割磨蝕性很高的混凝土與瀝青時(shí)能減緩快速磨損。為承受高溫?zé)Y(jié)專門生產(chǎn)熱穩(wěn)定相很好的30-50美國(guó)目的高強(qiáng)度人造金剛石，使其在更高的速度下能較少的磨損。由于實(shí)施了工具改進(jìn)，并使用重型切割機(jī)械，在90年代仍然使用同樣的轉(zhuǎn)速，但使用三倍于鋸片數(shù)量的磨頭，以更高的切割給進(jìn)速率完成路面紋理加工。
為提高道路表面加工的效率，曾考慮如何減少操作人員、冷卻使用量及路面巖屑與淤泥的清除工作，對(duì)原用常規(guī)實(shí)心鋸片進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，新型設(shè)計(jì)采用φ300mm的通風(fēng)鋼基體和激光焊接的鈷基結(jié)合劑刀頭，可以不用冷卻水，仍能承受高的工作溫度。
由于工作溫度較高，鋸片刀頭采用強(qiáng)度很高、熱穩(wěn)定性很好的40/50美國(guó)目的六八面體人造金剛石孕鑲燒結(jié)而成。當(dāng)在瀝青和混凝土路面切割寬度為9mm溝槽時(shí)，達(dá)到切割效率分別為4m/min和1.5m/min。
更具Noritake金剛石工業(yè)有限公司和NipponFoureki工業(yè)有限公司計(jì)算表明，完全的干式切割系統(tǒng)比類似濕式切割機(jī)費(fèi)用略貴，但整個(gè)干式切割成本便宜。成本降低的原因主要是磨切機(jī)器操作工人更少，無需運(yùn)水車和事后的清掃工作。
四、建筑材料的表面紋理加工
隨著工業(yè)條件下建筑與維修工作的增長(zhǎng)，過去10余年來采用金剛石工具進(jìn)行室內(nèi)地面紋理加工的需求也相應(yīng)增長(zhǎng)。增長(zhǎng)原因不僅在于開發(fā)了快速干切工具，停工時(shí)間短與損耗少，而且也是很多地面施工有很嚴(yán)格的平整度與粗糙度公差的超標(biāo)要求所致。在研制出金剛石紋理加工技術(shù)之前，地面的加工通常使用濕式刮板或者采用安裝有硬質(zhì)合金或釘齒之類的翻松路面工具進(jìn)行。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，金剛石工具加工成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的工藝。
五、金剛石繩鋸
金剛石繩鋸鋸切工藝自從70年代次開發(fā)應(yīng)用于天然石材的開采后，在建筑工業(yè)中產(chǎn)生了重大影響，特別是在建筑結(jié)構(gòu)的拆除與修正中作用巨大。繩鋸切割工藝應(yīng)用的增長(zhǎng)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，還能相應(yīng)節(jié)省與降低設(shè)備動(dòng)力、勞動(dòng)力成本，減少過多的切割量、噪音與粉塵污染。
由于使用了高強(qiáng)度的30/40美國(guó)目的人造金剛石，進(jìn)來成功地對(duì)工具設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)與完善使得切割鋒利，提高了鋸切速度從而降低了鋸切工程所需時(shí)間，提高了鋸切效率。
此外，為了提高工具的整體性能，使用了可選擇的釬焊結(jié)合劑系列。與常規(guī)的燒結(jié)串珠相比較，該技術(shù)可更好的控制金剛石在串珠上的整體分布及其磨損速率。由于在應(yīng)用中金剛石凸出高度更大，故趨向于使用高強(qiáng)度金剛石。
六、孕鑲金剛石圓盤鋸
對(duì)于混凝土與瀝青公路的維修與公用設(shè)施安裝鋸切，多數(shù)承包商都愿采用φ350mm到φ1m以上的水冷金剛石圓盤鋸片而不采用其它常規(guī)鋸切工具，鋸片多安裝在以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的切割機(jī)上，要求切割鋒利、壽命長(zhǎng)、停機(jī)少、故障少，并要降低勞動(dòng)力成本。使用這種工藝的另一有利因素是切割精度高，能量利用更為有效。
過去25年來，為保持穩(wěn)定的鋸片性能，在鋸切鋼筋混凝土和高磨蝕性瀝青為主的材料時(shí)，金剛石工具制造行業(yè)堅(jiān)持大量使用30-50美國(guó)目的六八面體完整晶型金剛石。為強(qiáng)化鋸片的耐磨性，在生產(chǎn)鈷合金結(jié)合劑刀頭時(shí)，不采用常規(guī)的熱壓工藝，而趨向于使用熔滲燒結(jié)工藝。
在使用性能方面，由于使用更大功率的切割機(jī)，加之在鋸片生產(chǎn)中使用耐磨的結(jié)合劑與高強(qiáng)金剛石，從而延長(zhǎng)了整個(gè)工具壽命，并由于減少了停機(jī)時(shí)間而改善了其經(jīng)濟(jì)性能。
七、干式圓盤鋸切割
于80年代中期才開始采用φ110-φ400mm直徑的孕鑲式金剛石刀頭干切鋸片和連續(xù)式鋸片，不附加冷卻措施而能用于材料的鋸切于開槽。這主要是由于將刀頭采用激光焊接在鋸片基體上，同時(shí)對(duì)鋸片的技術(shù)性能進(jìn)行了完善與改進(jìn)，使其能地使用。自從開發(fā)出干切時(shí)鋸片后，由于它具有一些操作使用上的優(yōu)勢(shì)，諸如更高的圓周切割速度與切割效率，同時(shí)不降低使用壽命，固干式切割取代了傳統(tǒng)的樹脂切割偏于冷卻式濕切金剛石鋸片。更重要的是干式切割工藝使其在冷卻水提供困難的地區(qū)能更方便地使用，同時(shí)因減少事后的清除工作而節(jié)約了成本。
為鋸切割中難切材料，這一特定市場(chǎng)產(chǎn)品通常依據(jù)鋸片性能可廣義的劃分稱三個(gè)不同類別。類為“專用型鋸片”。該類鋸片主要用于專業(yè)建筑承包商的大功率半自動(dòng)切割機(jī)。為適應(yīng)這種切割速度高、可靠耐用、運(yùn)轉(zhuǎn)平衡、使用壽命長(zhǎng)、停工時(shí)間少的要求，采用30-50美國(guó)目的高強(qiáng)金剛石與耐磨性結(jié)合劑孕鑲燒結(jié)。
第二類的鋸片為“半專用型鋸片”（或稱通用型鋸片），主要由經(jīng)銷商和房建承包商用于不連續(xù)長(zhǎng)期使用的鋸片。通常要求該類鋸片對(duì)各種不同材料具有恒定的切割效率。該類鋸片一般采用40/50美國(guó)目的中強(qiáng)金剛石。
第三類的鋸片為“DIY”類?？刹捎脙r(jià)格低廉、脆性較好的銳利的金剛石和較軟的結(jié)合劑。
八、混凝土鉆孔
由于金剛石孕鑲?cè)⌒你@具優(yōu)于傳統(tǒng)的沖擊鉆孔技術(shù)而成為在各種建筑材料中鉆進(jìn)小孔與大直徑孔的選擇。由于其鉆進(jìn)速率高，壽命長(zhǎng)，鉆進(jìn)很深，尺寸，而且不要在此修整孔眼，噪音低，廢巖屑少，所以深受使用這歡迎。
最初鉆具的開發(fā)傾向使用有青銅與鈷粉再加入適量用于提高耐磨性的碳化鎢燒結(jié)的刀頭。這種刀頭孕鑲有20-50美國(guó)目的粗顆粒天然金剛石。
為提高鉆具性能，過去10余年來不斷開發(fā)，使鉆進(jìn)效率提高了一倍。這主要應(yīng)歸因于不斷使用30/40美國(guó)目的高強(qiáng)金剛石。
九、建筑工業(yè)中的混凝土
混凝土是建筑工業(yè)所有工程中使用的最重要的材料之一。根據(jù)石料生產(chǎn)協(xié)會(huì)（QPA）報(bào)導(dǎo)，由于混凝土用途的多樣性，僅英國(guó)每年生產(chǎn)的預(yù)混混凝土達(dá)到2200萬立方米左右，并以每年1.5個(gè)百分點(diǎn)的速度增長(zhǎng)。
盡管混凝土應(yīng)用范圍非常廣泛，倘若不加保護(hù)與處理，在工作環(huán)境中暴露出的有害元素可能常常導(dǎo)致互凝土外表或內(nèi)部鋼筋迅速銹蝕。
更具NiDI報(bào)導(dǎo)，在美國(guó)有60萬左路橋被列為鋼筋混凝土已銹蝕，其維修費(fèi)用非常高昂，將要花費(fèi)200億美元。
在日本整個(gè)國(guó)家很多混凝土鐵路橋梁與隧道僅在25-30年后已銹蝕。隨之而來，所有這些地區(qū)的維修工程將提供很多新的和多種多樣的使用金剛石工具的機(jī)遇。
十、未來對(duì)金剛石的要求
自從進(jìn)入建筑工業(yè)，金剛石工具的應(yīng)用在很廣的范圍內(nèi)繼續(xù)推廣與發(fā)展，取代了很多傳統(tǒng)的磨料工具與切割技術(shù)。正如上述已經(jīng)描述的那樣，其主要的原因是能保證很高的生產(chǎn)效率和工具壽命，同時(shí)降低能量消耗和浪費(fèi)。為使這種趨勢(shì)繼續(xù)向前發(fā)展，企望金剛石合成、工具加工、粉末冶金和設(shè)備制造商能繼續(xù)促使金剛石工具制造上生產(chǎn)出高品質(zhì)、高性能的金剛石工具。
最理想的解決辦法是是用粗顆粒、高強(qiáng)度金剛石。
十一、對(duì)粗顆粒、高強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性人造金剛石的評(píng)價(jià)
為正是鉆具壽命與鋸切效率方面的潛在優(yōu)勢(shì)，采用粗顆粒、高強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好的金剛石磨料能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。為此進(jìn)行了一系列金剛石繩鋸與薄壁鉆具的試驗(yàn)。
為進(jìn)行薄壁鉆頭鉆進(jìn)試驗(yàn)，采用三種粗顆粒、高強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好的人造金剛石磨料與通常鉆眼工程使用的30/40美國(guó)目的高強(qiáng)度金剛石進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。
十二、鋼筋混凝土的薄壁鉆具鉆進(jìn)
系列鉆進(jìn)試驗(yàn)采用人工控制的克里斯坦森300建筑鉆機(jī)完成。
測(cè)定了四種濃度為30%、直徑為107mm的700SPC（每克拉顆粒數(shù)）、325SPC、250SPC和150SPC金剛石焊接式薄壁鉆。以花崗巖和燧石石料的鋼筋混凝土鉆進(jìn)孔眼。四種鉆具的平均試驗(yàn)結(jié)果表明，以700SPC金剛石鉆具鉆進(jìn)花崗巖和燧石鋼筋混凝土的結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)參照系進(jìn)行比較，325SPC和250SPC金剛石鉆具既獲得較長(zhǎng)鉆具壽命，又獲得更高的鉆進(jìn)效率。鉆頭的載荷基本相近，但是150SPC粗顆粒金剛石鉆具到頭磨耗嚴(yán)重。
采用相同的參數(shù)鉆進(jìn)燧石鋼筋混凝土，標(biāo)準(zhǔn)的700SPC金剛石鉆具表明，其刀頭嚴(yán)重磨損。并導(dǎo)致刀頭基體碎裂與崩落。但是使用粗顆粒、高強(qiáng)度金剛石時(shí)，不使用過高的載荷，仍能達(dá)到較高的鉆進(jìn)效率與鉆具壽命。
十三、鋼筋混凝土和天然石材的繩鋸切割
第二組實(shí)驗(yàn)是在PelligriniDF2000固定式繩鋸鋸機(jī)上完成的。仍然是用花崗巖石料鋼筋混凝土為鋸切材料。采用250SPC金剛石做成φ9mm的雙層焊接串珠繩鋸。
結(jié)果表明，使用粗顆粒高度凸出的金剛石其鋸切效率顯著提高。將新型串珠實(shí)驗(yàn)記錄下的性能參數(shù)與工業(yè)中常用結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，清楚表明，在鋸切2.5平方米鋼筋混凝土和4.8平方米天然花崗巖后，繩鋸性能非常優(yōu)越。與工業(yè)中有代表性的性能參數(shù)相比，鋸切效率為其1.4倍。
結(jié)論
建筑工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)最重要的部門之一，數(shù)據(jù)表明在過去50余年來金剛石建筑工業(yè)的應(yīng)用一直在連續(xù)增長(zhǎng)。減少系統(tǒng)運(yùn)行的堵塞、機(jī)器的停頓與損耗以及工程精度的要求是金剛石工具在建筑工業(yè)應(yīng)用明顯增長(zhǎng)的原因。
為提高金剛石工具的壽命與切割性能，在工具設(shè)計(jì)、結(jié)合劑配方和金剛石技術(shù)特性的各方面已經(jīng)做了大量的開發(fā)與研究工作。舉例來說，刀頭式圓盤鋸能在比過去更高的圓周速度下，即能在濕切又能在干切條件下鋸切，這方面應(yīng)歸因于使用了風(fēng)冷鋼制鋸片基體和激光焊接技術(shù)，使其能保持鋸片的整體牢固性。在鋸切諸如混凝土和瀝青之類高磨蝕性材料時(shí)，通過使用耐磨結(jié)合劑加工刀頭，可使鋸片的磨蝕降低到限度，其中包括使用鈷粉和碳化鎢粉末進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。
在金剛石性能方面本文概略敘述了幾個(gè)關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域，其中某些應(yīng)用趨向大量使用各種粒度的高強(qiáng)度金剛石，使金剛石工具鋸切更為鋒利，能量消耗降低，并能承受更高鋸切效率時(shí)產(chǎn)生的載荷。通過一系列薄壁鉆與繩鋸的鉆切實(shí)驗(yàn)也展示了上述優(yōu)點(diǎn)。這是設(shè)備、工具、工藝和新型改進(jìn)的人造金剛石磨料持續(xù)開發(fā)研究相結(jié)合的結(jié)果，特別是對(duì)金剛石粒度及其破碎特性給與重視與研究，這都將促進(jìn)生產(chǎn)效率提高。