意大利石材行业近年来的技术发展趋势

接续近年来意大利石材界探讨的一些技术问题一

四、关于花岗石加工循环液（切削液）用添加剂

为了提高花岗石的加工能力，意大利有关部门按照一项专利，采用工业化机器进行了一系列试验研究活动，就是在水混合液中适当添加进化学化合物而成为循环液（切削液），那么矿山和加工厂中使用的花岗石加工机器的生产能力就可以有明显的改进。但在研中，也发现这一试验结果有一定的可变性，其造成的原因一是操作机器的方式的不同，二是环境温度和构成循环液的水混合液的温度高低使然。目前所使用的有添加剂的水混合液实际上就是乳液，其稳定性受温度左右。于是就开展了关于温度效应对添加剂乳液性能的影响的系统研究，目的是为了改进在实施上述研究计划时对这些添加剂的使用。研究结果表明，和不控制温度相比，注意调节温度可以使金刚石刀具的生产能力增加50%以上。

这项研究试验所依据的是机械化学原理。机械化学是有关化学－物理环境对固体机械性能影响效应的科学和技术的一个分科。这门科学研究的是一定的表面活性对某些结晶材料切割强度的影响。具体到石材，就是研究机械化学对花岗石加工的影响效应。在对不同品种的花岗石进行试验中，观察到了机器性能的可变性，对这种现像的诠释所得出的结论就是环境温度与循环液温度是不可忽视的重要性的因素。下面概述了试验过程和得出的结论。

1使用的材料和方法

1.1仪器设备

试验中使用了一件模拟器，即一金刚石岩心钻其内径为10mm，外径为18mm，用来在一定几何形状上的石材试样上切削环状沟槽。对金刚石岩心钻加的推力、泵的旋转速度和每一次试验的持续时间，都根据每次循环液的流量来设置，循环液流量则采用一蠕动泵调节。循环液的温度用一适当的恒温化系统调节。金刚石岩心钻上配备有两个传感器，一个用来控制旋转速度，另一个用来测量金刚石岩心钻在石材试样上的进刀速度，也就是金刚石岩心钻在石材试样上切削沟槽的深度。

1.2石材试样

研究使用的石材是一种瑞士片麻岩，这种石材具有一种异型胚芽颗粒状结构和表明其是变质原状的方向性纹理。按一定层理锯切这种石材后，这种方向性纹理很容易在外露表面上看出来。

适当切割石材，和上述方向性纹理一起还会看到另一种纹理，但不是方向性纹理，而是无特别空间顺序分布的矿物。从这种石材样品上取的试样形状是三直角四边棱柱形，边缘的尺寸为3×3x12m。切割时，精心选择了切割面，以便使两个较大棱柱面上显示出的是方向性纹理，另外两个面上显示的是非方向性纹理。

1.3化合物（添加剂）

添加剂是阳离子表面活性物混合液，名称为Ral-tat-10由醋酸烷基胺－主要是棕酷和油胺－构成Raltat-10在水中的可溶性相对较低，在0C时，只有3×1/103克分子几混合液；在20℃，为3×1/10克分子儿混合液。这些数值解释了为什么在40℃时制备的水混合液是均质的，而将混合液在20℃中置放48h后，会看到浮在表面层状的偏析。可以认为，在20℃时，或在更低的温度时，混合液远远达不到均质水平，并且是处于一种甚至都不能叫做溶液的状态因此，所观察到的添加剂性能可变性，起码一部分原因是这种不均质性造成的。

1.4分光光度学测定

在初步试验中，在40℃中制备几小时后，水和Raltat-10的混合液在室温中是乳白色的，这乳白色随着浓度而增加，并且在各种浓度中，随着在0℃到40℃之间温度的提高乳白色又逐渐消失。这证明了乳白色强度指数参数就是传热系数。因此，为了研究在各种浓度中，以及在考虑到的温度范围内的水/Ral-tat‐10混合液的状态，采用了单射线分光光计

1.5实验统计方案和数据分析

在给出的试验条件下，通过在设计温度中使用添加剂，用金刚石岩心钻对石材试样切削，而生成的沟槽深度增加量，与在室温中采用水循环液、用金刚石岩心钻对石材试样切削、而得到的沟槽深度增加量之间进行对比，来以量表达出由机械化学效应引起的机器性能的改变。对每一种操作条件试验都提供了两套试验数值，这两套数值，从它们的性质来讲，都被看作是所有不同统计的样板。对每一作条件都做5次重复试验。

2实验结果

2.1分光光度学测定

第一个结果是在室温中（18℃和20℃之间）测得的水混合液的热传导系数，随着浓度得增加而降低也就是从对5×10—4m混合液的93%降到对10—3m混合液的70%。

在所有研究的浓度中，导热系数都是随着温度而降低；例如10—3m混合液在冰里，在4℃中保存24h其导热系数就会比在44℃时的导热系数降低超过了50%，而在44℃时，其导热系数几乎为100%。

2.2沟槽深度增加

试验表明，在44℃的温度（如前所述，在这一温度时，水混合液的乳白色消失）时水混合液/添加剂的加热，总是导致在具有非方向性纹理的表面上出现沟槽深度的净增加；此外，非常重要的是，较大的增加是在转速较低时被观察到的，并且在5×10克分子浓度时，图表走势总是发生改变。

在所有金刚石岩心钻的旋转速度中，其切削的沟槽深度在方向性纹理的表面上的增加，比在非方向性纹理表面上的增加要大的多。

3评论与结论

试验结果说明了水混合液温度的重要性：当温度是44℃时（这时乳白色消失），沟槽深度的增加，也就是机械化学的效应量（强度），表现非常明显，并且在在5×10克分子浓度时，以及在低的转速时其超过了130%。另外，沟槽深度的增加还提供了另个信息，即存在一最佳浓度，低于它，特别是高于它，机械化学效应会大大降低。毫无疑问，这一信息对使用添加剂的经济效应是非常重要的。

3.1水混合液的状态

试验表明，热导系数降低过程的激活能量和化学反应不相适应，并且主要涉及着聚集状态的变化。因此可以认为混合液的乳白色涉及的是与化合价无关的聚集状态：如果考虑到与Kraf点相关联的情况，就有理由认为，在室温中，混合液实际上就是“油掺水”型的乳液，这一乳液随着温度得升高就会变成胶态分子团的清澈透明溶液。因此，在低温时，在不到44℃时，混合液是不均质的，并且因为添加剂分子在水的方向上分布不均质，所以它们在结晶表面上的吸附也是低效的。这至少在部分上解释了在温度低于44℃，有时甚至接近度时采用添加剂流体所得到的结果的显著可变性。

3.2石材纹理的影响

试验结果确定，当在平行于石材层状纹理平面的平面上切削沟槽，并当沟槽是做在白云母延伸薄片上时（薄片在造山运动过程中经过压延压到纹理平面上的，同时造成了原状正片麻岩），石材对金刚石节块式刀具的反作用强度是较大的：正是在白云母薄片范围内滑过，使得金刚石结块然后在其他成分的晶粒上发生“阻塞”同时滑脱，而不刻划这些结晶颗粒。

3.3金刚石岩心钻旋转速度的影响

在是所有使用过的速度中最低的41.89rad/s旋转速度时，对金刚石岩心钻的圆周边金刚石来讲，与3600x41.89×0009m/h=1357m/h相对应的化学机械效果为最大，这种情况是归因于流体的离心作用小，因此导致添加剂胶态分子团和石材表面有较长的持续（和接触）时间。这一结果说明，迄今为止，各种试验机械的金刚石的节块的进刀速度也对添加剂性能的可变性起着作用，因此这个参数也应在考虑范围之内。

肯定结论是，给循环液加热对机器性能最佳化起着根本作用。加热的成本因素无关紧要。市场上有很多新型金刚石绳切割机，凡是油压驱动的，例如CMS型金刚石绳切割机，它们的性能要优于同等功率的传统的电动机型：在这些机器上，安装着热交换器用来冷却液压流体，液压流体则提供着大量的热可以用来加热循环液，而循环液则可以起冷却流体作用。

五、关于断裂和松碎石材的加固

一些石材，特别是彩色石材，有断裂和松碎现象，这就给加工带来了困难。为了能对这些石材加工好以便利用，就需进行加固。加固作业一般采用从外部粘接粗大断裂的地方，或者向荒料内部注入合成树脂材料。使用的树脂都是热固性的（环氧树脂的、聚氨的和聚酯的，或是和其他类树脂混合的，如丙烯酸的或硅酮的），这些树脂材料都应当对石材裂隙和小导管有良好的渗透性，并且是低粘度的和低表面张力的。当然还要有良好的机械性能、良好的粘接力极佳的聚合时间、高的形成网状结构能力、高的化学惰性和颜色不褪色性。经常会添加一些惰性材料的填料（也有时是各种色素的颜料）以降低总的操作成本。树脂使用技术有多种。但如果只是采取简单的浇注法实施注入，那么对荒料渗透就不是彻底充分的因此就要使用能提供使用压力或外部负压的技术进行操作，来促进树脂的渗透。使用这种方法效果良好因为树脂在这些条件下能够顺利地渗进荒料，在深度上增强加固和改良需处理的石材。

这里主要就是探讨分析有关荒料的预备性处理（各种天气和温度下的脱气）的和负使用的问题，重点是树脂在压力下注入到荒料的上部，而同时在荒料下部使用适当的负压法以保证树脂在荒料中充分渗透且分布均匀充实。

1实验过程

做此项试验时使用了一些结构上（孔隙率、断裂状态）近乎相同的、立方尺寸为30×30×30cm的彩色大理石立方块。使用前，对这些立方石块用蒸水进行了精心清洗，然后放在加热炉中在130℃下干燥24h。因此石块是保存在湿度非常低的环境中。使用前，石材立方小块还要在不同温度下和不同时间内做真空脱气先期处理。加固用的树脂是环氧类的（双酚A+环氯丙烷）并是低粘度的（350 Pa.s，ISO 3212)。按照生产厂家规定的比例，在树脂内添加一种氨类硬化剂，以及一种反催化剂（为适当降低形成网状结构的速度）和一种适当的表面活性氟化物由于添加进各种量的使树脂开始溶化的有关溶剂，这树脂的粘度得以降低。有的时候是，通过少量添加一种非常细的散状无机惰性物质使树脂粘度增加，并且还能恢复石材的原状颜色。注入树脂的工具，用的是树脂注入压力控制装置（2～10个大气），由压缩气体（氮气）构成，用可变的且可精心测量出的压力将压缩气体直接作用在待加固的石材荒料上部的树脂层上。石材荒料被从侧面用套起来，即用一种聚氨酯基的专用粘接剂粘在石材上，并被放进一适当的装置里。在石材荒料下部，则用真空泵进行适当的减压（20~100mmHg)。整个装置放在一间能进行温控（20～60℃）并能保持常温的房间中。注入完树脂（共约用60min)，石材荒料从上述装置中拿出，擦净多余的树脂并在50℃中养护8个h，然后在室温中相对（60%）中护个，大的形成网状结构。通过评估树脂重量就能确定荒料吸收树脂的量 （百分比），随后通过用金刚石片切然后用显微镜就可以评估树脂的均匀性和深度，以及（通过吸水率测量出）被处理的石材上的孔隙率。

2试结果与研讨

试验表明，由于注入压力不同，以及在注入树脂前对在不同时间和不同温度下都预先保持处于负压状态的大理石荒料先期处理的效果不同，石材所吸收树脂的百分率也是不同的。使用40mmHg真空度对荒料进行先期脱气，在同样条件下，有利于树脂在荒料上更好地渗进，这种吸收树脂的量也随着脱气温度增加（在30~50℃之间）和时间 (40～60min之间）延长而增加。这种试验结果，可能与在进行预处理作业时消除掉小导管和孔隙中的湿度，以及和同时在试验石材内部形成了有利于在下一步注入作业中树脂渗透的剩余负压（即使强度很弱） 相关联。当然，注入压力越高树脂渗透量越大，因而树脂吸收百分比越高。而注入树度 (25～60℃之间）也表明对脂吸收量有积极效果，并且这种效果好像在 35℃时（高温具有实际上的稳定影响） 达到最好。也就是说，注入温度增加能够促使树脂粘度降低，从而更有利于树脂在石材裂隙和小导管中的流动。

如果在注入树脂过程中，同时从荒料底部实施负压，一般都会大量增加对树脂的吸收量。所得到的测试结果都表明，使用负压这一技术得到的树脂吸收率数值要大大超过只用从荒料上部加压技术所获得的数值。例如，在操作条件完全相同的情况下 （脱气：温度为50℃用60min时间；注入温度25℃，压力为10个大气压），并使用负压为40mmHg 时，脂吸收率能从0.31%增加到0.38%。试验结果可以简单地解释为压力从上面将树脂推进荒料的小导管和裂隙，同时负压以均匀的方式将树脂吸到底部。这种方式得到的是压力和负压两种效果的总和，结果就是树脂吸收率大大增加。

还有一种值得注意的情况，即当高的注入压力伴随着高的吸收负压 （例如注入压力为 10个气负压为20mmHg）时，总的走势相比，脂的吸收率就会略微低一些。在这些条件下，树脂有可能被强迫通过小导管或石材随意途径流动，使得在整个荒料上均质的分布和移动倒可能产生相反的效果。因此就引出进一步的问题，即高的负压作业条件不应当伴随有高的树脂注入压力：这即高度消耗了能源，而得到的加固效果又不好。

树脂粘度是保证树脂在需加固的荒料上有好的渗透效果的另一个重要参数。通过添加一定量的适当的溶剂或添加由极细粉末状矿物构成的矿物填料，树脂粘度是可以改变的。通过分析随着注入压力变化和随着树脂粘度而变化的树脂吸收百分率，可以看出树脂粘度值低一般倒利于树脂大量吸收。这一结果和期待的一致。此外还看到，在约 300Pa.s 之下，粘度大大低于为吸收树脂而确定的粘度。有可能就是降低粘度树脂分散的速度快，并尽可能大量地填满裂隙和小导管；但是添加溶剂的量相对高，会更加降低树脂粘度这样又不可避免地降低树脂实际吸收百分率。而高的粘度值很少使用，因为这样树脂很难在石材裂隙中流动，这样就很容易遗留真空，或遗留部分真空。

经加固的荒料养护后，再经适当切割，就会看到树脂在其内部的情况。X/Xi 比例表达了吸液系数的变化 (X为用树脂处理后的测出的数值，Xi为在没经处理的初始石材上测出的数值），它实际上代表了石材孔隙率指数，也代表了加固后密实程度指数。

在任何情况下，使用的低位负压（40mmHg，其他参数都一样），都会联带着在所有深度上测出的X/Xin 比例数值的净缩小。因此，在实施负压的同时采用注入树脂加固的石材，其孔洞率总是较低的，并且这一现象在只靠压力效应树脂就很难渗入的石材更深的部位更加明显。当然，离注入点越远，X/Xin 比例对注入压力的依存性就会越大。此外，用显微镜分析观察会发现，树脂吸收百分比数量同样时，使用低粘度值、较高的工艺温度和荒料低位负压进行作业的这些条件，会使树脂的渗透较为均匀。

在各种作业参数（注压力、低位使用的负压树脂粘度和温度）下的树脂的渗透深度计算用 HH比，H 为树脂达到的深度，H。为荒料长度。总之只要注入压力高，粘度低，工作温度高，有保证树脂流动性好的条件，树脂的渗透就是最好的。使用的负压也是很重要的参数：特别是负压这个参数，即使在低的注入压力值下，也能使树脂能良好地渗进。

3结论

要想需加固荒料很好地吸收树脂，就必须做好这些作业：1）对料进预处，2)。特别要用较长时间和较高温度下的负压（40mmHg）对料进行先期脱气处理，消除需渗进树脂的石材孔隙和小导管中的湿度，同时形成一有利于树脂渗透的负压，从而有利于更好地吸收树脂。在正式注入树脂作业中，高的注入压力 （在荒料顶部），加上荒料低位上的较强的负压，高的作业温度，和低的树脂粘度树脂吸收百分率一般都是较高的。

结论就是，注入作业使用负压很重要，因为这样能使树脂均匀地和均质地渗进荒料，甚至在那些离注入点较远的地位也是如此。

六、关于石材荒料结构内部缺陷非破坏性检测

天然石材，当采用其大块体荒料进行作业，如做雕像，或实心柱子时，会碰到的麻烦就是荒料内部有可能隐藏着石材固有的缺陷，而这些暗藏缺陷只有在作业过程中才会发现。这样有时会造成重大损失。如何在作业之前，在不毁坏和不破坏荒料整体性的情况下就能检验荒料内部内在的缺陷，就成了意大利石材界研究的课题。

意大利有关研究部门，从水泥行业借用来一种检测技术，就是用于检验处理大尺寸材料的“地质雷达（Georadar)”技术，用这一技术对石材荒料进行了检测试验。仪器记录下来的数据将石材发出的回应信号编码成高频电磁信号，再由传输天线发出：这里所说的信号，被发往荒料内部，其频率在10到250Hz之间，如果碰到可能的不连续性，就是在它的有功分量上遭遇到一连串反射、折射和射，就会返回到表面被第二条天线，也就是接收天线捕获。这一测试方法有效，但还不是彻底的，因为其达到的深度有限，但是对中等尺寸的荒料其反应效果还是可以的，因为几米的深度能得出有用的作业回应。当然，发出脉冲和得到回应的时间间隔，取决于不连续性幅度和可调节的传播速度。

另一个非毁坏性研究方法，就是使用超声波传感器来分析和测量弹性波在石材荒料质体内部的传播也就是通过测量由传感器机发射械脉冲到由接收器接收之间所经过的时间，这一经过时间的长短还取决于石材的弹性和强度。波的传播速度越大，石材荒料质体反作用的强度越大，因为针对信号遇到的每一不连续性，都会相应有一接受传感器捕获动作的延缓。

这种试验也可以采用直接传输来试验，就是将两个传感器面对面放在石材荒料的光面上，或者把传感器放在相邻两个面上（一般90°角），或者把这两个传感器按预定距离放在同一面上的两个点上。采用这里所说的试验，能检查出石材质体的均匀性并能识别代表不连续性的表征 - 如断裂，暗槽道、以及其他从外部不能发现的、可能的结构上不协调的存在，这些在商业上都叫做质量缺陷。

全文完