淺談金剛石繩鋸在鋼筋混凝土切割中的應(yīng)用發(fā)展

張 俊，張 喆，莫 睿

(1.桂林特邦新材料有限公司,廣西 桂林 541004;2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司 廣西超硬材料重點實驗室，廣西 桂林 541004;3.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司 國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心，廣西 桂林 541004)

0 引言

金剛石繩鋸作為一種高精柔性切割工具，已歷經(jīng)了近50余年的發(fā)展。在其誕生之前，國內(nèi)外石材大板曾經(jīng)用砂鋸加工技術(shù)進(jìn)行切割。該方法存在切割板材表面質(zhì)量平整度差、切割效率低和對環(huán)境污染嚴(yán)重等弊端。在此背景條件下，高效、高精和環(huán)保型金剛石繩鋸一經(jīng)推廣，迅速占領(lǐng)砂鋸市場，被廣泛應(yīng)用于大理石及花崗巖荒料開采和異形石材加工等被我們熟知的領(lǐng)域，同時在大型構(gòu)筑物、建筑物、橋墩等鋼筋混凝土建筑物的拆除和分解中也有著出色的表現(xiàn)[1-2]。如在珠海橫琴新區(qū)金源國際廣場項目支撐梁拆除工程中[3]，金剛石繩鋸切割總量為4500 m3的鋼筋混凝土，施工周期僅為18天，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械或人工拆除方式至少縮短42天，節(jié)約施工成本近73萬元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 金剛石繩鋸在混凝土切割應(yīng)用中的發(fā)展歷史

20世紀(jì)70年代，金剛石繩鋸首次被意大利研究者引入天然礦石場中進(jìn)行使用，當(dāng)時的金剛石串珠普遍采用電鍍方法進(jìn)行制備，該方法制備得到的金剛石繩鋸金剛石粘結(jié)強度低，使用壽命短。在隨后的發(fā)展中，研究者開始嘗試采用粉末冶金工藝中的燒結(jié)方式進(jìn)行替代，并于1986年在花崗巖鋸切應(yīng)用上取得巨大成功[4]，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷向外拓展。除在大理石及花崗巖等石材開采及異形石材加工領(lǐng)域得以大量應(yīng)用外，還在建筑行業(yè)(圖1)中的整修和拆除方面嶄露頭角。

圖1 金剛石繩鋸切割混凝土

相較于手動式氣動鑿巖機(jī)、破碎錘以及炸藥等常規(guī)切割手段，金剛石繩鋸能成功占領(lǐng)市場并快速發(fā)展，主要得益于其高效、高精和環(huán)保等迎合當(dāng)下趨勢的加工特點。金剛石繩鋸除可提供高效的切割速率外，同時還能保證被切割物的表面平整光滑，有效降低設(shè)備能耗、人工成本、廢棄物、噪音以及粉塵污染等。尤其是適用于復(fù)雜、特殊的切割環(huán)境，如狹小空間及水下作業(yè)等，不受混凝土構(gòu)件方向、角度和尺寸的制約，對建筑物的其他結(jié)構(gòu)無不利影響。

2 國外研究發(fā)展

早期，國外研究者常采用直徑為6 mm左右的高強度鋼絲繩、直徑為11 mm，長度不超過10 mm的金剛石串珠以及每米40粒金剛石串珠的結(jié)構(gòu)設(shè)計，用以保證金剛石繩鋸在混凝土切割時具有一定的切割速率和使用壽命。隨著研究的不斷深入，開始從金剛石串珠的配方、燒結(jié)方式等方面入手，如采用性能優(yōu)異的鈷基配方，采用高熱穩(wěn)定的40/50目美國網(wǎng)狀人造金剛石以及高溫?zé)Y(jié)等，從而保證金剛石繩鋸可以在1 m2/h左右的速度下自由快速切割，并減少鋸切過程中諸如混凝土等磨料工件材料對金剛石串珠造成的侵蝕風(fēng)險。

隨后，為了保證在切除大體積的鋼筋混凝土?xí)r金剛石繩鋸可具有更大的出刃高度和強度，GARRARD R[5]等將40/50目美國網(wǎng)狀人造金剛石替換為高強度的30/40目，從而實現(xiàn)線速度和切割速率的雙重突破，線速度從20 m/s提升至30 m/s，切割速率幾乎達(dá)到了翻倍的效果；又或是采用更粗粒度的金剛石，使用250SPC替換700SPC金剛石顆粒，在鋸切2.5 m2的鋼筋混凝土?xí)r，粗粒度制備的金剛石繩鋸切削效率可提升1.4倍左右，使之更適用于實際工程應(yīng)用；還有部分研究者開始采用釬焊的方式進(jìn)行金剛石串珠的制備，更好地控制了串珠中金剛石顆粒的分布及總磨損速率，獲得優(yōu)異的整體性能及更大的出刃高度。但由于鋼筋混凝土是一種復(fù)合材料，成分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前國外該應(yīng)用領(lǐng)域還未形成一個完整、統(tǒng)一的理論。

3 國內(nèi)研究發(fā)展現(xiàn)狀

在國內(nèi)，相比于礦山荒料開采和高硬石材加工領(lǐng)域而言，金剛石繩鋸在鋼筋混凝土的切割應(yīng)用仍占比較少，僅有少數(shù)的科研院校及生產(chǎn)機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行研究與生產(chǎn)，并未形成規(guī)模。且由于金剛石繩鋸在工程切割領(lǐng)域起步較晚，推廣范圍窄，在串珠配方、理論研究、切割工藝等方面的研究仍整體落后于國外，研究的深度與廣度不足。

在串珠配方研究方面，采用了新型預(yù)合金粉末取代傳統(tǒng)單質(zhì)粉末，改善了混料燒結(jié)后坯體的成分不均，進(jìn)而提高了金剛石串珠的硬度、彎曲強度和沖擊性能，使之具有良好的鋒利度和使用壽命。在實際切割高鋼筋含量混凝土梁時，切割速度可達(dá)2.0～2.8 m2/h，使用壽命可延長至2.7～3.3 m2/m，其施工成本大大低于傳統(tǒng)鋼筋混凝土用金剛石繩鋸，具有較高的性價比[6]。

在基礎(chǔ)理論研究方面，對金剛石繩鋸在混凝土切割過程中的鋸切力進(jìn)行研究。研究表明，鋸切力會隨金剛石繩鋸軸向運動速度的提高而降低，隨金剛石繩鋸進(jìn)給速度的提高而提高。并且鋸切力中的垂直方向力與水平方向力的比值為4.45，呈明顯的線性關(guān)系[7]。

在實際切割應(yīng)用方面，研究者對鋼筋混凝土管架支撐[8]、橋梁拆除[9]、地鐵基坑混凝土支撐[10]等在實際工程進(jìn)行了大量的現(xiàn)場研究與分析。通過在諸多工程中的實踐應(yīng)用，結(jié)果表明，金剛石繩鋸不僅機(jī)械化程度高，周期短，高效環(huán)保，還具有很強的施工靈活性，不會對切割件的構(gòu)造產(chǎn)生影響。隨著研究與應(yīng)用的不斷深入，這些優(yōu)勢的影響力及效果也必將快速擴(kuò)大，取代傳統(tǒng)爆破、人工拆除等落后施工方式，獲得更為廣闊的市場及應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

雖然目前金剛石繩鋸在礦山繩鋸市場前景仍穩(wěn)中向好，但結(jié)合國家“十四五”規(guī)劃及“推動綠色發(fā)展，促進(jìn)人與自然和諧共生”的理念，特別是“全面提高資源利用效率”中對礦產(chǎn)資源及不可再生資源的保護(hù)與合理使用，必定會對國內(nèi)礦山繩鋸市場產(chǎn)生一定沖擊，并趨于收窄趨勢。相比而言，金剛石繩鋸在鋼筋混凝土等大型工程的切割應(yīng)用，國內(nèi)外市場仍處于一片藍(lán)海，下游潛在市場極大，隨著深入發(fā)展必將迎來爆發(fā)式增長。但介于目前我國對此類方向的整體研究開發(fā)不足，還需科研學(xué)者們繼續(xù)加大對金剛石繩鋸基礎(chǔ)理論與實際應(yīng)用的研究投入，加快實現(xiàn)我國2030年“碳達(dá)峰”和2060年“碳中和”的偉大目標(biāo)。