在土木工程領域,用激光加工建材的研究,已進行了長達40年之久,但進展非常緩慢,原因是:激光加工的成本太高。該領域對激光器輸出功率的要求太高,因為(wei) ,在通常情況下,混凝土和其它建材都是很厚、很大的。自上世紀90年代後期以來,幾千瓦級激光器(如高功率二極管激光器和光纖激光器等)的巨大進展,又重新在土木工程領域點燃了研究激光加工建材的熱情。下麵,我們(men) 將簡要介紹高功率激光器在加工建材方麵的最新進展,如混凝土、灰泥板材和天然的激光、鑽孔和表麵處理等。
激光上釉 :對天然石材和製品進行激光上釉的技術,是在上世紀90年代早期發展起來的,上釉後的產(chan) 品主要用於(yu) 護牆板。用低功率密度(大約400 W/cm2)的散焦光束熔化表麵層,而顏色則可通過添加金屬離子的方法加到層中去。在天然石材的情況下,可在激光處理之前,用刷子或用其它方法將鹽水中的金屬離子塗到產(chan) 品的表麵上。在水泥製品情況下,可在澆鑄之前,將少量的金屬氧化物粉沫加到灰泥或混凝土混合料中。當表麵被激光融化時,玻璃層就披上一層與(yu) 金屬離子或氧化物相應的顏色。激光上釉的優(you) 點是:圖案或顏色深淺很容易通過改變激光處理參數調節。
激光去汙:許多國家都在研究用激光去除混凝土工事表麵和核實施地麵汙染層的可行性。通常,汙染隻在表麵附近存在, 再下麵的混凝土是沒有汙染的。去除汙染的表麵層(通常幾毫米厚),會(hui) 大大減小在核設施報廢時要處理的混凝土體(ti) 積。激光去汙的優(you) 點是:容易實現遙控操作,這可把工人在汙染區的工作時間縮到最短,減小二次汙染廢物的產(chan) 生,減少設備汙染。可供選擇的幾項激光去除表麵層的技術有:蒸發、散裂和熱退化。
表麵層蒸發(消融)可用聚焦的高功率激光束在混凝土表麵掃描實現,但此時的功率密度必須足夠高,至少在幾千瓦/厘米2量級,而在散裂過程中,隻需使用非聚焦的激光束,功率密度較低,約為(wei) 200-300瓦/厘米2量級。在後者情況下,位於(yu) 表麵下的混凝土中的水,瞬時蒸發產(chan) 生內(nei) 部應力,這種應力會(hui) 引起表麵層分層和散裂。用水泥散裂方法去除表麵層的缺點是:該方法不太穩定,隻能作為(wei) 第一個(ge) 操作步驟使用。用激光重複掃描已散裂的區域幾乎不會(hui) 產(chan) 生進一步散裂。為(wei) 此,這一方法隻對去除2-3毫米的淺表麵層有效。 去除表麵層的第三個(ge) 方法是用激光使近表麵的混凝土熔化和熱退化。凝固的玻璃層和它下麵的熱退化層非常脆弱,很容易用機械方法去除。1999年,日本已用Nd:YAG激光器加係統,對核設施進行了成功的清洗,證明這個(ge) 方法是可行的。激光熔化和機械清除工序可以重複,直到去除厚度達到要求為(wei) 止。
表麵粗化:用CO2激光器在用於(yu) 大樓的花崗岩表麵劃痕和粗化,已於(yu) 十幾年前在日本演示過了,人們(men) 試圖用它作為(wei) 傳(chuan) 統方法(噴火粗化法)的替代品。與(yu) 噴火粗化法相比,激光劃痕的優(you) 點是:幾乎不會(hui) 使表麵下的材料破壞,幾乎不會(hui) 影響的強度,不會(hui) 破壞石頭的邊緣。 最近,在德國、西班牙和日本所做的調查表明:還可以用激光在花岡(gang) 岩和其它石頭表麵上刻出很微小的彈坑或很淺的軌道。德國夫琅禾費材料和光束技術研究所已經發展了一種工藝:用脈衝(chong) 的激光束沿石頭表麵掃描,使其耐滑性能得到了改善,又不會(hui) 減少光澤。該方法已在意大利和德國的一些工廠中應用,生產(chan) 防滑石材。用於(yu) 對現有地麵進行防滑加工的可移動激光樣機已經研製成功。 岩石鑽孔 日本北海道發展局一直在研究用激光在路邊危險懸岩上打孔的可行性。打孔的目的是為(wei) 了能將炸藥塞進去,實行爆破和去除這些懸岩。采用激光在石頭上打洞的原因是:在鑽孔過程中,不存在和噪聲。已用8kw Nd:YAG激光器進行了現場試驗。
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