金刚石工具在钢筋混凝土结构修复改造中的应用与研究现状.pdf
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1、第 4 3卷第 6期 2 0 1 6年 6月 探 矿工程 ( 岩土钻掘工程 ) E x p l o r a t i o n E n g i n e e r i n g( Ro c k& S o i l Dr i l l i n g a n d T u n n e l i n g ) Vo 1 43 No 6 J u n 2 0 1 6: 3 43 8 金刚石工具在钢筋混凝土结构修复改造中的 应用与研究现状 段 隆 臣 ,谭松成 ( 1 中国地质大学( 武汉) X - 程学院, 湖北 武汉4 3 0 0 7 4 ; 2 岩土钻掘与防护教育部工程研究中心, 湖北 武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘
2、要: 我国正处于钢筋混凝土结构应用与发展的大规模新建与修复改造并重阶段。为对钢混结构进行局部或整体 的拆除与修复改造, 传统机械破碎与爆破拆除方式存在施工效率低 、 安全隐患大和环境污染严重等问题 , 而利用金 刚石工具对其进行静力切割拆除的施工方法在近年来得到迅速发展。目前, 在钢混结构拆除与修复改造施工中应 用最多的金刚石_T具为金刚石薄壁钻头 、 金刚石锯片和金刚石绳锯。本文对上述 3类金刚石工具在钢混结构修复 改造施工中的应用现状、 钻进与锯切机理、 制造技术和施工工艺等研究现状进行了总结与分析, 在此基础上指出了 其可能的研究趋势与发展方向。研究成果可为金刚石工具在工民建和部分特殊领
3、域的广泛应用提供技术参考。 关键词 : 钢筋混凝土 ; 修复 改造 ; 金刚石薄壁钻头 ; 金刚石锯片 ; 金刚石绳 锯 中图分类号 : P 6 3 4 4 ; T U 7 4 6 文献标识码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 7 4 2 8 ( 2 0 1 6 ) 0 60 0 3 4 0 5 Appl i c a t i o n and Re s e ar c h St a t us o f Di amo nd Too l s o n t he Re pai r a nd Re c o ns t r u c t i o n of Re i n f o r c e d Con c r e
4、 t e S t r u c t u r e D U A N L o n g t h e n ,T A N S o ng c h e n g 。 。 ( 1 F a c u l t y o f E n g i n e e r i n g ,C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s ,Wu h a n Hub e i 4 3 00 74Ch i n a;2 En g i ne e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r o f Ro c k S o i l Dr i l l i ng Ex c a
5、va t i o n a nd Pr o t e c t i o nMi ni s t r y o f Ed u c a t i o n , Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 7 4 , C h i n a ) Ab s t r a c t :N o wa d a y s ,b u i l d i n g n e w r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s , r e p a i r i n g o r r e c o n s t r u c t i n g o l d s t ruc t u r e
6、s a r e b o t h i mp o r t a n t i n C h i n a T o d e m o l i s h a n d r e c o n s t ruc t a w h o l e( o r p a r t o f )r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e , c o n v e n t i o n a l me t h o d s o f m e c ha ni c a l d i s r u pt i o n a n d bl a s t i ng d e mo l i t i o n h a
7、v e d i s a d v a n t a g e s o f l o w c o n s t ruc t i o n e ffic i en c y,b i g po t e n t i a l s e c u rit y r i s k a n d s e r i o us e n v i r o n me n t a l po l l u t i o nHo we v e r ,t h e c o ns t r u c t i o n me t ho d o f s t a t i c c u t t i ng d e mo l i t i o n by e mpl o y i ng
8、 d i a mo n d t o o l s h a s d e v e l o p e d r a p i d l y i n r e c e n t y e a r s T h e mo s t c o mmo n l y u s e d d i a mo n d t o o l s i n c l u d e t h i n w all d i a mo n d c o r e b i t d i a mo n d s a w b l a de a nd d i a mo n d wi r e s a w Th e a pp l i c a t i o n s t a t u s,d
9、r i l l i n g a nd s a wi ng me c ha n i s ms,ma nu f a c t u r e t e c h n o l o g i e s,a s we l l a s t h e c o n s t ruc t i o n p a r a me t e r s o f t h e a b o v e me n t i o n e d 3 k i n d s o f d i a mo n d t o o l s e mp l o y e d i n r e p a i r a n d r e c o n s t r u c t i o n o f s t
10、 e e l c o n e r e t e s t r u c t u r e a r e s u mma r i z e d a n d a n a l y z e d i n t h i s p a p e r ,o n t h e b a s i s o f t h i s ,t h e p o s s i b l e r e s e a r c h t r e n d s a n d d e v e l o p me n t d i r e c t i o n s a r e o b t a i n e d T h e r e s e a r c h fi n d i n g s c
11、 a n p r o v i d e t e c h n i c a l r e f e r e n c e v a l u e f o r wi d e a p p l i c a t i o n o f d i a mo n d t o o l s i n c i v i l e ng i ne e r i n g a n d s o me s pe c i a l fie l d s Ke y wo r d s :r e i n f o r c e d c o n c r e t e;r e p a i r a n d r e c o n s t r u c t i o n;t h i
12、n w a l l d i a mo n d c o r e b i t ;d i a mo n d s a w b l a d e ;d i a mo n d w i r e SHW 0 引言 钢筋混凝土结构 目前 已广泛应用于建筑、 路桥 、 隧道 、 矿井 、 水利和海港等工程 领域 , 然而受其 自身 耐久性 的影响 , 一般钢筋混凝土结构的设计使 用年 限为 5 0年( 纪念性建筑和特别重要的建筑结构为 1 0 0年及以上 ) 。假设钢混结 构的生命 周期 呈正态 分布 , 则大部分钢筋混凝土结构 的安全使用寿命仅 约为 3 8年 。根据钢筋混凝 土结构在欧美发达 国 家的应用历史可
13、知 , 其应用与发展可分为大规模新 建 、 新建与修复改造并重 , 以及重点转 向老 旧结构修 复改造这 3个阶段 。 目前 , 西方发达国家大都处于第三阶段 , 而我国 正处于新建与修复改造并重 的第二阶段 。例如根据 A S C E( 美 国土木工程师协会 ) 2 0 0 5年公开的一份调 查 , 美国的6 0万座桥梁中, 有 2 7 需要进行不 同程 度的修复改造 J 。我国 自2 0世纪 8 0年代初开始大 收稿 日期 : 2 0 1 60 51 6 基金项 目: 中央 高校荩本科研项 目( 编号 : C U G 1 6 0 8 1 6 ) 的部分研究 内容 作者简介 : 段隆 臣,
14、男 , 汉族 , 1 9 6 7年生 , 教授 , 博士生 导师 , 主要从事金 刚石工具 与岩石破碎相关教学和研 究, 【 作 , 湖北省 武汉市洪 山区鲁磨 路 3 8 8 , d u a n l o n g c h e n 1 6 3 t o n i 。 第4 3卷第 6期 段隆臣等 : 金刚石工具在钢筋混凝土结构修复改造中的应用与研究现状 3 5 规模兴建钢筋混凝土结构 , 受 当时设计标准 、 材料质 量 、 使用理念和维护水平等多种条件的限制 , 正逐步 陈旧老化 。与此 同时 , 我 国也在不断新建大量的钢 筋混凝土结构 , 例如根据 国家统计局公布的数据 , 在 建筑行业 2
15、0 1 4年我国房屋施工面积达到 1 2 5 0 2亿 m , 从业人数达到 4 9 6 0 5 8万人 ; 在交通运输行业截 止 2 0 1 4年末 , 全 国铁路运营里程达到 1 1 2万 k m, 公路 总里程达 4 4 6 3 9万 k m( 其 中公路桥梁 7 5 7 1 万座 , 长 4 2 5 7 8 9万 m, 比上 年末 增加 2 1 8万座 、 2 8 0 0 9万 1T I ) 。因此 , 随着社会 经济 的发展 与人 类 对生活环境要求 的提高 , 钢筋混凝土结构 的修复改 造工作量将长期维持在一个非常高的状态 , 这也可 能是未来探矿工程专业服务国民经济建设 的一个新
16、 的重要领域 。 为对 已有钢筋混凝土结构进行修复改造 , 需要 对 目标结构进行局部或整体拆 除。现有的钢筋混凝 土结构拆 除方法包括机械 凿除 、 静力破碎 、 爆破拆 除 、 静力切割和放电破碎拆除等 5种 J 。其中, 静力 切割拆除方法是利用金刚石工具对拟拆除的钢混结 构进行钻孔 ( 锯切或切割) 施工 , 将原结构拆卸成块 状体运走进行二 次利用 J 。静力切 割技术是无 损 性拆除技术 的一种 , 可在满足拆除结构物 的前提下 , 同时保护结构物的局部质量 , 是近年迅速发展起来 的一种环保 、 高效和安全的施工方法 , 其 常用的金刚 石工具包括金刚石薄壁钻头 、 金刚石锯片和
17、金 刚石 绳锯 。 1 金刚石薄壁钻头 金刚石薄壁钻头在钢筋混凝土结构修复改造中 的钻孔应用包括对病危结构的排孔钻进切割 、 墙壁 楼板的钻孔安装与修复、 桥梁 隧道 的加 固与防护 、 钢混结构 内应力测试评估 、 建筑基础 大坝等钢混结 构的施工与质量检测等 , 应用 范围非 常广。薄壁金 刚石钻头与钢筋混凝土钻孔机配合使用 时具有施工 精度高 、 速度快 、 孔壁光洁、 施工过程振动小 、 噪声低 等优点。 目前 , 在钢筋混凝土结构修复改造施工 中 应用的常见钻 机设 备功率 为 15 k W, 转速 1 0 0 2 0 0 0 r m i n , 钻孔直径 1 81 0 0 0 m
18、m, 钻孔深度一般 可达 6 m J 。关 于钢筋混凝土材料钻孔用金刚石 薄壁钻头 的研究 主要包括钻 头产品设计 与制作工 艺 , 以及钻头切削机理研究 2个方面。 早期 的研究 主要是从钻头产品设计角度 出发 , 研究钻头参数与钢筋混凝土的适应性 , 认为可从提 高金刚石品级与粒度、 胎体硬度和耐磨性等方面提 高钻头机械钻速 , 延 长钻头 使用寿命 。杨俊德 等 叫考虑到混凝土材料的强研磨性 , 提出采用混合 目数金刚石进行钻头设 计的方法 , 其中高品级大颗 粒金刚石用于切割混凝土 , 而细颗粒金刚石 主要用 于提高钻头的耐磨性 。金刚石薄壁钻头的制作方法 可分为电镀法 、 热压法和钎
19、 焊法 , 邓福铭等 采用 新工艺制备金刚石工程薄壁钻头进行钢筋混凝土台 架钻进试验 , 与国内某知名厂家 的热压产品进行对 比, 钻头使用寿命和钻进效率得到了显著提高。 钢筋混凝土结构 内部的石子骨料和钢筋在钻进 过程中对钻头胎体和金刚石存在 冲击破坏作用 , 因 而其钻进过程是一种断续切削过程。同时 , 金 刚石 切削钢筋时产生 的热量较 高易导致金 刚石表面碳 化, 而钢筋切屑对钻头胎体的磨蚀严重, 进而影响钻 头使用寿命和机 械钻速 。为探 索金刚石钻头与 混凝土结构间切削界面上 的相互作用 , A b t a h i 研 究了钻进工艺参数对钻进功率的影 响规律 ; 李季 阳 等 对钻
20、进时轴压力和摩擦力进行 了测量 , 结果表 明金刚石与混凝土间的界面动摩擦系数随冲击速度 增高而增大 , 但在每次冲 一旋加载过程 中基本恒定。 随着环境保护要求的提高 , 传统有冷却液 的切割技 术受到了一定限制 , 干式切割技术也开始逐步发展。 Mo s e l e y等 ” 以复合片取心钻头为研究对象 , 研 究了钻进钢筋混凝土时复合片的磨损与破坏机理 , 认为复合片的磨损主要源于复合片在切削钢筋和混 凝土时分别处于受压和局部受拉应力状态 , 在高 回 转速度条件下受到持续 循环载荷影 响而破坏 , 并基 于压入理论提出了复合片钻头钻进模型。 生产实践表 明, 金 刚石钻头在钻遇钢筋时的
21、机 械钻速仅约为素混凝土钻进 时的 1 1 0 , 且机械钻速 和钻头使用寿命还与钢筋的布筋密度和材质密切相 关。因此 , 为提高金刚石薄壁钻头的钻孔效率 , 有必 要对金刚石钻头在钢筋混凝土非均质材料中钻进时 的受力状态及磨损机理进行 系统研究 , 从而指导金 刚石钻头结构设计 、 胎体配方优化 和金 刚石参数优 选 , 进而促进整个行业 的不断发展。此外 , 为提高金 刚石钻头对干钻条件 的适应性 , 还需要研究钻进过 程中摩擦热量的传递 与消散过程 、 钻 屑的清除与收 集方法 , 以及干钻条件对钻头物理力学性能和制作 工艺提出的特殊要求。 3 6 探矿工程 ( 岩土钻掘 工程 ) 2
22、0 1 6年 6月 2金刚石锯片 金刚石锯片是钢筋混凝土结构修复改造 中应用 最普遍的一种金刚石工具 , 最大的金 刚石锯片尺寸 可达 0 3 0 0 0 m m, 最大切深可达 1 7 5 0 m m 。 目前 国内常用的金 刚石锯片直径 为 1 2 0 0 mm( 切深 5 0 0 mm) , 用于切割地坪 、 墙壁 , 或地基基础。金刚石锯 片切割混凝 土的理论研究 最早始 于 2 0世纪 7 0年 代 , 德 国汉诺威大学 曾先后 以单颗粒 金刚石和单节 块金刚石锯片为切削工具对混凝土的锯切机理进行 了初步探索 , 并提 出了单 颗粒金 刚石切割混凝 土的 模型 。 早期关于金刚石锯
23、片的研究 主要关注的是现场 使用效果 , 包括锯 片结合剂体系 、 金刚石参数 、 制造 工艺与装备 、 锯片耐磨性与磨损形式 , 以及锯切参数 等。例如 , 元素六公 司( 原 D e B e e r s 公 司) 在 2 0世 纪 7 0年代末即对金刚石锯片切割混凝土路面进行 研究 , 分析 了金刚石在锯切混凝土材料过程 中的主 要磨损破坏形式 , 并提 出锯切参数 的选择依据 ; 王秦生等 着重分析 了金 刚石 和金属结合剂对锯 片使用性能的影响规律 , 并针对不 同锯切对象推荐 了相应的结合剂体系 ; 朱永伟等 认为金 刚石表面 镀钛可改善金刚石 与锯片胎体问的结合 强度 , 提高 金
24、刚石的锋利度 , 进而提高工具使用寿命和锯切效 率 。 2 l 世纪以来 , 干式锯切得到迅速发 展与应用 , 研究者们就干切过程 中的金刚石锯片切削动态特征 监测 、 切削与失效机理 , 以及基 于 A N S Y S的切削过 程仿真分析等开展了大量的研究工作, 并取得了丰 富的研究成果 。( 钢 筋 纤 维 ) 混凝 土的锯切 过程为, 混凝土首先在锯片的冲击作用下形成裂纹 , 随后脆性材料在金刚石的微切削作用下断裂形成极 细的粉屑 , 钢纤维直接被金刚石切断或拉断 , 而钢筋 则在金刚石 切削作 用下发生 塑性变 形而破坏 。 金刚石切削混凝土过程中, 两侧的混凝土切屑会飞 溅出去或者残
25、留在切削槽两侧 , 同时金 冈 0 石前端也 会堆积一些切屑并不断被压实 , 当堆积到一定体积 后再被一次性弹出 。此外 , 有 限元仿真分析结果 表 明, 混凝土被锯切破坏时 的金刚石受力值远大于 混凝土的屈服强度 , 且给进速度 、 切 削速度 和切 削深度对锯片工作时所受应力和变形 的影响显著性 依次减小 J 。金刚石锯片在高速锯切加工过程 中, 金刚石的损坏主要受 冲击载荷作用的影 响 , 而锯 齿则因为切削力沿径 向成三角形分布 ( 半径越大处 切削力越大 ) , 从而工作齿根部易形成应力峰值 , 并 在循环周期载荷作用下造成锯齿疲劳断裂 。 金刚石锯片在高速切割过程中往往伴随一定程
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