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(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004;3.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司 國(guó)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(guó)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(duì)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(chǎng)，被廣泛應(yīng)用于大理石及花崗巖荒料開(kāi)采和異形石材加工等被我們熟知的領(lǐng)域，同時(shí)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(guó)際廣場(chǎng)項(xiàng)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(wàn)元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(chǎng)中進(jìn)行使用，當(dāng)時(shí)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(qiáng)度低，使用壽命短。在隨后的發(fā)展中，研究者開(kāi)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(kāi)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(dòng)式氣動(dòng)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(chǎng)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(shì)的加工特點(diǎn)。金剛石繩鋸除可提供高效的切割速率外，同時(shí)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(duì)建筑物的其他結(jié)構(gòu)無(wú)不利影響。

2 國(guó)外研究發(fā)展

早期，國(guó)外研究者常采用直徑為6 mm左右的高強(qiáng)度鋼絲繩、直徑為11 mm，長(zhǎng)度不超過(guò)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(jì)，用以保證金剛石繩鋸在混凝土切割時(shí)具有一定的切割速率和使用壽命。隨著研究的不斷深入，開(kāi)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(guó)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(guò)程中諸如混凝土等磨料工件材料對(duì)金剛石串珠造成的侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。

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(qiáng)度，GARRARD R[5]等將40/50目美國(guó)網(wǎng)狀人造金剛石替換為高強(qiáng)度的30/40目，從而實(shí)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(shí)際工程應(yīng)用；還有部分研究者開(kāi)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(guó)外該應(yīng)用領(lǐng)域還未形成一個(gè)完整、統(tǒng)一的理論。

3 國(guó)內(nèi)研究發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)，相比于礦山荒料開(kāi)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(duì)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(guó)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(qiáng)度和沖擊性能，使之具有良好的鋒利度和使用壽命。在實(shí)際切割高鋼筋含量混凝土梁時(shí)，切割速度可達(dá)2.0～2.8 m2/h，使用壽命可延長(zhǎng)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?xún)r(jià)比[6]。

在基礎(chǔ)理論研究方面，對(duì)金剛石繩鋸在混凝土切割過(guò)程中的鋸切力進(jìn)行研究。研究表明，鋸切力會(huì)隨金剛石繩鋸軸向運(yùn)動(dòng)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(shí)際切割應(yīng)用方面，研究者對(duì)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(shí)際工程進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)研究與分析。通過(guò)在諸多工程中的實(shí)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(qiáng)的施工靈活性，不會(huì)對(duì)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(shì)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(chǎng)及應(yīng)用前景。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然目前金剛石繩鋸在礦山繩鋸市場(chǎng)前景仍穩(wěn)中向好，但結(jié)合國(guó)家“十四五”規(guī)劃及“推動(dòng)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(duì)礦產(chǎn)資源及不可再生資源的保護(hù)與合理使用，必定會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)礦山繩鋸市場(chǎng)產(chǎn)生一定沖擊，并趨于收窄趨勢(shì)。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(guó)內(nèi)外市場(chǎng)仍處于一片藍(lán)海，下游潛在市場(chǎng)極大，隨著深入發(fā)展必將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。但介于目前我國(guó)對(duì)此類(lèi)方向的整體研究開(kāi)發(fā)不足，還需科研學(xué)者們繼續(xù)加大對(duì)金剛石繩鋸基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用的研究投入，加快實(shí)現(xiàn)我國(guó)2030年“碳達(dá)峰”和2060年“碳中和”的偉大目標(biāo)。