ES2271695T3 - Corte de materiales de cemento. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de múltiples pasadas para el corte de secciones gruesas de materiales basados en cemento, comprendiendo el procedimiento las etapas de: atravesar mutuamente una superficie a cortar con un rayo láser, dejar que dicho material fundido se solidifique; romper dicho material solidificado en partículas; y retirar dichas partículas mediante medios de succión, caracterizado por realizar el corte con un rayo láser desenfocado con una densidad de potencia tal que permite producir una profundidad de material fundido de un máximo de 10 mm en cada avance.

Description

Corte de materiales de cemento.

La presente invención se refiere a un procedimiento, según el preámbulo de la reivindicación 1 y a un aparato, según el preámbulo de la reivindicación 11, para el corte de secciones gruesas de hormigón, por ejemplo, de hasta 1 mm o superiores, específicamente, aunque no exclusivamente, de hormigón que tiene contaminantes insertados en la matriz por debajo de la superficie y, más específicamente, aunque no exclusivamente, de hormigón que está contaminado por radionucleidos, en los que cualquier material que se retira durante el corte requiere un estricto confinamiento.

Los reactores nucleares y las instalaciones de procesos nucleares tienen de manera general una vida de servicio de aproximadamente 40 años. Como parte del proceso de desmantelamiento, el reactor debe ser desmontado, y el muro de hormigón, que debe ser de más de 1 m de grosor y que ha servido como escudo biológico, debe ser derribado. Después del cierre del reactor, el hormigón sigue conteniendo cantidades significativas de radiación residual. Contaminantes radioactivos comunes son el estroncio-90, el cesio-137 y el cobalto-60. Durante el proceso de desmantelamiento, es muy importante que estos radionucleidos no se liberen a la atmósfera, y que la exposición del personal en la obra a estas sustancias se mantenga en un mínimo absoluto. Las técnicas convencionales para cortar hormigón, tales como el corte con cuchilla de diamante y con hilo de diamante, la perforación con coronas de diamante, incluyendo la perforación por puntos, el corte por chorro de agua, y el corte mediante lanza térmica, crean en todos los casos cantidades de residuos en forma de aguas residuales, polvo y gases que también deben ser confinados y reunidos y que forman parte del volumen de desechos que debe ser tratado y almacenado. Algunas de estas técnicas del estado de la técnica presentan dificultades de acceso, ya que requieren acceso desde ambas caras de la estructura de hormigón, por ejemplo, en el corte con hilo de diamante. Por lo tanto, las mismas no son adecuadas de modo ideal para esta aplicación específica.

Los procedimientos de corte del estado de la técnica basados en láser incluyen técnicas de pasada única y de múltiples pasadas. De manera general, el aspecto más importante que controla la profundidad del corte es la eficacia con la cual puede retirarse el material fundido. En el caso de las técnicas de pasada única, normalmente se practica primero un orificio de forma mecánica a través del hormigón, tras lo cual el rayo atraviesa el segmento a cortar, y el material fundido sale expulsado hacia el extremo opuesto mediante la presión de un gas coadyuvante. No obstante, la utilización de un gas coadyuvante añade dificultades, ya que enfría el hormigón fundido, que ya es muy viscoso y difícil de extraer, agravando por lo tanto el problema. Existen también problemas para mantener la orientación de un chorro de gas a distancias de corte al aire por encima de la profundidad. El plano focal del rayo láser puede estar situado en la superficie del hormigón o por debajo de la misma, según las preferencias del operario. Sin embargo, ninguna de las dos estrategias es ideal cuando se intenta cortar un grosor muy grande en una sola pasada.

Los procedimientos de pasada única propuestos para mejorar la eficacia incluyen: la utilización de un gas a alta presión para ayudar a retirar los restos fundidos; la introducción de un explosivo en polvo en la incisión para hacer explotar el material fundido; disparar balas explosivas en la incisión y activarlas utilizando el calor generado por el rayo láser; mejorar la densidad de potencia del láser enfocando tres rayos láser hacia un solo punto y hacer explotar el material fundido lateralmente y hacia abajo; la introducción de un formador eutéctico para disminuir la temperatura de fusión del hormigón; y la inyección de agua a alta presión para enfriar y triturar el hormigón fundido. Incluso con niveles del orden de 15 kW, todavía tiene que demostrarse que estas técnicas pueden penetrar más de 180 mm, y por lo tanto no son adecuadas para el corte de secciones profundas.

En estrategias de pasadas múltiples, el rayo se enfoca normalmente hacia la superficie de corte y el material fundido sale expulsado hacia el rayo láser que se aplica mediante un gas coadyuvante, o bien se permite que vitrifique y se retira posteriormente. En el documento JP-A-63157778, que da a conocer un procedimiento según el preámbulo de la reivindicación 1 y un aparato según el preámbulo de la reivindicación 11, el rayo láser está enfocado hacia la superficie a cortar, y se obtiene la máxima profundidad de corte, normalmente superior a 45 mm o más, utilizando un láser con una potencia de aproximadamente 5 kW o superior. Después de la solidificación, el hormigón fundido se retira mediante distintas técnicas mecánicas o químicas, y el proceso se repite reenfocando el rayo láser hacia la nueva superficie en la base de la trayectoria tratada anteriormente. Sin embargo, pueden surgir problemas si el material solidificado es demasiado grueso, ya que en la práctica es como el vidrio, y en piezas sólidas y gruesas puede resultar difícil de retirar mediante cepillos giratorios, palas y similares. En el caso de las cuchillas de corte, existe un límite práctico de profundidad para la cual pueden ser utilizadas.

El documento JP-A-62181898 da a conocer una técnica de tratamiento de múltiples pasadas mediante el disparo de balas explosivas directamente en el material fundido, para expulsar el hormigón fundido y para provocar la fragmentación local del hormigón sólido que lo rodea. Este procedimiento es claramente peligroso, y tiene también la desventaja adicional de aumentar la corriente de desechos y de la propagación potencial del material contaminado a un área grande, la desventaja adicional de impedir una fácil retención y recogida del mismo.

Aunque estos procedimientos del estado de la técnica permiten en principio obtener profundidades de corte mucho mayores, existen unos límites definidos en la profundidad que puede obtenerse con las herramientas giratorias y en la complejidad de la geometría que puede obtenerse. De manera general, la liberación de residuos a la atmósfera es difícil de controlar y, de este modo, las presentes tecnologías no son las más adecuadas para cortar material contaminado.

Otra desventaja de los procedimientos del estado de la técnica que tienden a producir un corte lo más profundo posible es que, como consecuencia del calor aplicado y de las temperaturas mucho más elevadas que se alcanzan, la generación de vapor en exceso, que puede contener cantidades relativamente elevadas de especies radioactivas, es en consecuencia alta y potencialmente peligrosa para las personas y para el entorno, y el vapor no puede ser confinado fácilmente.

Un objetivo de la presente invención es dar a conocer un procedimiento y aparato para llevar a cabo un corte de sección profunda de hormigón contaminado en masa y armado, que permite una fácil gestión de los desechos generados.

Según un primer aspecto de la presente invención, se da a conocer un procedimiento según la reivindicación 1.

Según un segundo aspecto de la presente invención, se da a conocer un aparato según la reivindicación 11.

En esta descripción, se entenderá que el término "secciones gruesas" significa profundidades de hormigón o de materiales análogos del orden de 1 m o superiores. No obstante, debería tenerse en cuenta que un procedimiento capaz de cortar dichos grosores también deberá ser capaz de cortar secciones mucho más finas y, por lo tanto, este término no se considerará como una limitación.

En esta descripción, se entenderá que el término "basado en cemento" cubre todos los materiales de construcción comunes que incluyen, por ejemplo, cemento Pórtland, hormigón que tiene sustancialmente una segunda fase de áridos (los áridos podrán ser cualquier tipo de arena o roca), y una matriz de cemento y de materiales de roca natural.

Aunque la presente invención se ha desarrollado para cortar hormigón contaminado, la invención tiene una aplicación más amplia en ingeniería civil y estructural general, en la que se utiliza hormigón no contaminado.

A diferencia de las técnicas basadas en láser del estado de la técnica, esto se lleva a cabo utilizando una densidad de potencia del láser relativamente baja. La escasa profundidad de corte por pasada significa que la cantidad de calor introducido es en consecuencia inferior en total, y que la cantidad de vapor que se forma es menor que en el estado de la técnica. Además, el material se funde relativamente rápido y dado que la relación de volumen de material fundido con respecto al volumen de material no fundido situado alrededor es relativamente baja, el material fundido se solidifica rápidamente y es de naturaleza frágil y porosa, lo que hace que pueda romperse y retirarse fácilmente.

El rayo láser podrá estar desenfocado, dispuesto en paralelo ópticamente, o preferentemente, se podrá utilizar un láser directo o en bruto (desenfocado, paralelo). Más preferentemente, el rayo láser debe estar desenfocado y debe ser paralelo, aunque también con una sección transversal con una forma sustancialmente rectangular. Los rayos láser enfocados utilizados en el estado de la técnica, aunque permiten obtener elevadas densidades de potencia en el punto de incidencia de la superficie, no son capaces de cortar a una gran profundidad, debido a la naturaleza cónica del rayo y a la consecuente naturaleza cónica del canal de corte que forman. Por otro lado, los rayos paralelos son capaces de cortar a profundidades mucho mayores. No obstante, los rayos paralelos con una sección transversal circular también tienen limitaciones evidentes, debido al hecho de que también tienden a producir un canal de corte cónico, aunque la inclinación de las paredes del canal de corte es mucho menor que con los rayos enfocados. El corte cónico producido con rayos circulares es debido a la densidad de potencia en el punto de aplicación del rayo, que es de naturaleza pseudo gaussiana, de modo que la densidad de potencia en los bordes del punto de aplicación es menor que hacia la línea central del rayo en la dirección del movimiento. Además, con un rayo láser circular, cuando el rayo está atravesando una superficie, el material en los bordes laterales del punto de aplicación del rayo queda sujeto a una densidad de potencia significativamente menor durante un periodo de tiempo más corto que el material situado en el interior de los bordes del rayo hacia el centro. No obstante, incluso aunque la anchura de la incisión se estrecha inicialmente de forma bastante rápida, parece alcanzar una anchura constante en la zona de corte más
profunda.

Una sección rectangular del rayo láser, tal como un rayo láser cuadrado, por ejemplo, permite superar estas desventajas, debido al hecho de que cuando el rayo está atravesando la superficie, todo el material que queda dentro del punto de aplicación es tratado al menos al mismo tiempo, ya que el punto de aplicación del rayo forma un frente de avance plano en el material, y la profundidad del rayo en la dirección de desplazamiento es también constante.

El material solidificado en el interior de la incisión (el término "incisión" se utiliza para el material retirado en el corte o la abertura del corte) podrá romperse mediante un tratamiento de percusión y/o de compresión, tal como por martilleo y/o abrasión, por ejemplo.

La profundidad máxima de material fundido es de 10 mm por pasada.

Sin embargo, preferentemente, el grosor del material fundido en cada pasada podrá estar en la gama de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 mm por pasada. Más preferentemente, el grosor podrá ser de aproximadamente 1 a 4 mm por pasada. Incluso más preferentemente, el grosor de material fundido podrá ser de aproximadamente 1 a 2 mm por pasada.

El grosor del material fundido se mantiene normalmente preferentemente en solo unos pocos mm por pasada, en cuyo estado solamente se requiere de una fuerza mínima para desprender y triturar el material tratado, por ejemplo, utilizando un dispositivo mecánico de vibración en piezas lo suficientemente pequeñas para que sean succionadas y trasladadas con facilidad hacia un sistema de filtrado mediante un transportador neumático. Fundiendo solamente unos pocos mm de material por pasada, la cantidad de calor introducido se minimiza, y el material fundido se resolidifica muy rápidamente y en una condición muy porosa y frágil, debido en parte a la desgasificación de constituyentes relativamente volátiles, tales como, por ejemplo, el agua de cristalización. Cuando la capa fundida es demasiado gruesa, la cantidad de calor introducido aumenta mucho y el tiempo de resolidificación del material fundido también aumenta en consecuencia, lo cual provoca que el material solidificado sea más homogéneo, inherentemente mucho más resistente, y en consecuencia mucho más difícil de romper. La incisión podrá romperse mediante un dispositivo mecánico de vibración que también podrá tener un conducto asociado al mismo, de modo que las partículas rotas podrán ser retiradas por succión. Se ha comprobado que con el procedimiento y aparato según la presente invención la gran mayoría del material triturado comprende un tamaño de partícula inferior a 2 mm, que se retira fácilmente mediante medios de succión.

El dispositivo de trituración y extracción podrá ser introducido en la incisión del corte y seguir el movimiento del rayo láser a una distancia suficiente para permitir la solidificación antes de que se produzca el contacto.

La presión ejercida sobre el material solidificado para llevar a cabo la trituración es de un máximo de aproximadamente 100 MPa, lo que hace fácil el proceso.

Podrá utilizarse un vibrador mecánico que acciona un dispositivo de trituración tubular, y cuya altura puede regularse de forma apropiada. Normalmente, la punta de la trituradora es una punta de herramienta endurecida tubular, conformada para potenciar al máximo la presión, por ejemplo, mediante la incorporación de dientes, en su extremo de impacto o de corte. La trituradora puede oscilar axialmente, o bien girar, o incluir ambos movimientos. El diámetro del dispositivo de trituración debería ser menor que el diámetro del rayo láser, es decir, menor que la anchura de la incisión.

De manera general, la matriz de hormigón podrá estar compuesta de cemento Pórtland y de áridos. Los áridos son normalmente arena (\sim80% SiO_{2}), piedra caliza (CaCO_{3}), basalto, granito, o andesita, con un diámetro de partículas comprendido entre menos de 1 mm y más de 10 mm. A su vez, el cemento Pórtland está compuesto predominantemente por SiO_{2} y CaO divididos finamente, con cantidades similares de Fe_{2}O_{3}, Al_{2}O_{3}, y MgO. Mediante la hidratación, forma una estructura compleja a modo de gel, que contiene agua en varias fases cristalinas presentes, así como agua libre adsorbida en la estructura porosa compleja del material. Por debajo de un umbral de densidad de energía de aproximadamente 100 W\cdotcm^{-2} a 200 W\cdotcm^{-2}, la expansión térmica diferencial y/o el vapor de agua deshidratada provocan que las capas de la superficie se desprendan, sin que tenga lugar ninguna fusión, en un proceso conocido como "desbastado" ("scabbling"). Por encima de este umbral, se produce la fusión. Los valores exactos de densidad de energía requerida para la fusión, y la temperatura de fusión varían con la calidad y componentes del hormigón, aunque de manera general son del orden de 300 W\cdotcm^{-2} y 1000°C, respectivamente. Se ha determinado que las densidades de potencia del láser útiles están entre aproximadamente 300 y aproximadamente 12000 W\cdotcm^{-2}.

A medida que la profundidad de la incisión aumenta y su anchura se estrecha ligeramente, podrán llevarse a cabo cambios compensatorios aumentando la densidad de potencia, a efectos de mantener una anchura de la incisión suficiente para permitir el acceso de medios de retirada de los restos.

El diámetro exterior de un rayo láser circular en el punto de interacción con el hormigón podrá estar en la gama de 8 a 30 mm. También son viables formas de rayo rectangulares u otras formas. Pueden utilizarse temperaturas de aproximadamente 1000°C, justo por encima del punto de fusión del hormigón. Puede utilizarse todo la gama de temperaturas hasta el punto de ebullición de 2400°C si la instalación de extracción de humos asociada es suficientemente potente. La temperatura del hormigón y la velocidad de avance determinan la relación vapor-fusión. La zona de trabajo para esta relación está entre 0,05 y 3. Sin embargo, a efectos de minimizar la generación de humo y vapor, es deseable trabajar en el extremo inferior de la gama más cercano a la temperatura de fusión del hormigón.

Los parámetros de proceso de mayor importancia para el corte son: la velocidad de avance del rayo; la energía del láser; y el diámetro del punto de aplicación o área del rayo (derivándose la densidad de potencia de estos dos últimos valores). Para este procedimiento, el caudal de flujo de gas es menos importante cuando el hormigón se está cortando, utilizándose el gas esencialmente solo para asegurar la limpieza de los componentes ópticos, evitando que el humo y los escombros los alcancen. Durante el tratamiento, tienen lugar la fusión y la vaporización. De manera general, la relación vapor-fusión y la profundidad de corte por pasada disminuyen a medida que la densidad de potencia disminuye, y a medida que la velocidad de avance aumenta. El régimen seleccionado es por lo tanto un compromiso entre la cantidad de vapor que el usuario está preparado para gestionar y la velocidad de corte mínima deseada. Cuanto mayor es el punto de aplicación del rayo, mayor es la eficacia en el uso de la energía. Se requiere preferentemente un diámetro o anchura de rayo en la superficie de trabajo de un mínimo de aproximadamente 8 a 10 mm, para asegurar una anchura de la incisión lo suficientemente amplia para una entrada óptima de las herramientas de trituración por percusión y de succión. El punto de aplicación del rayo está rodeado por una zona afectada por el calor (HAZ), cuya área y capacidad de ser triturada son funciones de los parámetros de funcionamiento utilizados. Debido a la presencia de una HAZ y al movimiento de la trituradora, la anchura de la incisión es de manera general ligeramente más amplia que el diámetro del rayo láser.

En una realización de la presente invención, el rayo láser podrá desplazarse por la superficie de trabajo con una velocidad de avance de entre 3 cm\cdotmin^{-1} y 40 cm\cdotmin^{-1}.

Las tasas de retirada de material varían según el tipo de láser. Para un láser de diodos puede obtenerse una tasa de retirada de masa del orden de 150 cm^{-3}\cdotkWh^{-1}, y de aproximadamente 100 cm^{-3}\cdotkWh^{-1} para un láser de CO_{2}.

El rayo podrá pasar a través de una copa de succión, acoplada a un filtro HEPA y a un sistema de extracción. La copa de succión de la ventosa podrá situarse lo más cerca posible de la parte superior de la incisión, de modo que pueda extraer cualquier vapor que se origine durante el proceso. La copa podrá estar montada en un conjunto de robot accionado que aloja el propio oscilador del láser, o los componentes necesarios para enfocar la salida del láser desde la salida de un cable de fibra óptica, o bien otra unidad de suministro del rayo. Normalmente, podrá utilizarse un rayo directo o en bruto de un láser de CO_{2} o de diodos. No obstante, también puede utilizarse un láser Nd:YAG, un láser de fibra, o un láser químico de oxígeno-yodo (COIL).

En los casos en los que sea apropiado, el sistema de láser podrá comprender un colimador de rayos, tal como un sistema de dos lentes para la manipulación de la densidad de potencia que forme parte del sistema de control de la densidad de potencia. Esto permite regular el diámetro del rayo hasta un tamaño deseado, manteniendo al mismo tiempo el paralelismo del rayo.

Un láser de diodos es pequeño y compacto, y el oscilador del láser podrá formar parte de un aparato móvil. Esto es particularmente importante, ya que la forma rectangular del rayo láser podrá conservarse, y de otra manera se perdería si el rayo láser se transmitiese por cable de fibra óptica.

Las estructuras de hormigón están reforzadas con frecuencia con barras de metal, tales como barras de acero que discurren a través del hormigón. Cuando se efectúa la demolición de dichas estructuras de hormigón, es necesario cortar también las barras de acero. A este respecto, resulta ventajoso utilizar un dispositivo de láser que tiene una reserva de potencia por encima de la requerida para cortar el hormigón según el procedimiento de la presente invención, debido a la mayor densidad de energía requerida para cortar el metal, dada su superior conductividad térmica. Puede introducirse un dispositivo de visualización de fibra óptica en la incisión para detectar la presencia de barras de acero, y para visualizar el proceso. Preferentemente, debería haber un suministro de oxígeno capaz de proporcionar una atmósfera de oxígeno súper-estequiométrica, a efectos de utilizar totalmente la entalpía de reacción por la oxidación del acero. Los desechos de metal generados podrán tener forma de polvos de óxido férrico divididos de forma relativamente fina, o de piezas de acero fundido resolidificadas. Sería deseable que el aparato para llevar a cabo el procedimiento de la presente invención incluya un conducto para suministrar oxígeno, y que tenga una salida que pueda colocarse lo más cerca posible de la zona de incidencia del rayo láser. La mencionada anchura mínima de la incisión hace que esto pueda obtenerse fácilmente. Debido a la superior conductividad térmica del acero, es necesaria una mayor densidad de energía para mantener la reacción oxígeno-acero por encima de su temperatura de ignición. Este valor es normalmente de 1500 W\cdotcm^{-2} para una barra de acero con un diámetro exterior de 15 mm, dependiendo de la velocidad de avance. Si se utiliza un láser de menor potencia, éste puede obtenerse regulando la posición del plano focal. Si debe cortarse hormigón armado utilizando un rayo láser directo o en bruto, la densidad de energía de dicho rayo tendrá que superar este valor, o un valor proporcional al diámetro de las barras de acero en cuestión. Una alternativa al corte por láser de las barras de acero es la utilización de una llama, por ejemplo, de oxiacetileno, y la utilización de un sistema de suministro de oxígeno para tal propósito.

El rayo láser podrá estar dirigido hacia el hormigón mediante una cámara o copa de succión hueca a través de la cual puedan extraerse los humos generados en el proceso, y a través de la cual podrá pasar un tubo de suministro de oxígeno para dirigir un chorro de oxígeno hacia el punto de aplicación del rayo cuando se están cortando las barras de acero de refuerzo. Podrá haber un tubo de percusión-extracción acoplado mecánicamente a una estructura de soporte que sustenta el dispositivo de láser, y situado a escasa distancia detrás del punto de aplicación del rayo, para retirar los restos solidificados. Ambas corrientes de extracción podrán pasar a través de un sistema de filtrado absoluto, en el que pueden ser confinados los contaminantes radioactivos según las necesidades del usuario.

A efectos de que la presente invención pueda comprenderse mejor, se describirán a continuación ejemplos, solamente con propósitos ilustrativos, haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:

la figura 1 muestra un gráfico de profundidad de penetración por pasada con respecto al número de pasadas con un láser de CO_{2} y un láser de diodos;

las figuras 2A y 2B muestran fotografías de losas de hormigón cortadas utilizando un láser de CO_{2} y un láser de diodos, respectivamente;

la figura 3 muestra un gráfico de la anchura de la incisión con respecto a la profundidad de la incisión de un corte con un láser de CO_{2} y un láser de diodos;

la figura 4 muestra un gráfico del volumen de hormigón retirado con respecto al tiempo con un láser de CO_{2};

la figura 5 muestra una representación de una losa de hormigón cortada en condiciones diferentes a las de las losas mostradas en la figura 2;

la figura 6 muestra una representación esquemática de un aparato según la presente invención para llevar a cabo el procedimiento de la presente invención; y

la figura 7 muestra un histograma de la distribución de tamaño de partículas del material de la incisión triturado, después de su tratamiento mediante el aparato mostrado esquemática en la figura 6.

Se han llevado a cabo trabajos experimentales, utilizando un láser de CO_{2} de flujo axial rápido de 1,2 kW Rofin-Sinar RS-1000 (nombre comercial), y un láser de diodos de alta potencia de 1,5 kW Laserline LDL-160-1500 (nombre comercial). Para un trabajo comparativo, el láser de CO_{2} produce un rayo circular funcionando en el modo TEM_{01}, a 10,6 \mum, y se acopló a una lente de longitud focal de 125 mm. El láser de diodos produce un rayo multimodo de sección rectangular a 808 y 940 nm, y se acopló a una lente de longitud focal de 300 mm. Los rayos láser atravesaron las losas de hormigón a una velocidad de 2 mm\cdots^{-1}. En ambos casos, el rayo se desenfocó para obtener una densidad de potencia de 1000 a 1100 W\cdotcm^{-2}. La distancia entre la lente y la superficie de interacción del hormigón se mantuvo constante. La forma del rayo de diodos se mantuvo de este modo constante, con una sección rectangular de dimensiones 12 mm x 8 mm (con la dimensión de 12 mm formando el frente de avance) y con un diámetro del rayo láser de CO_{2} de 11 mm (medido en el fondo de la incisión). Los caudales de flujo de gas se mantuvieron al mínimo para evitar el enfriamiento de los restos fundidos y para evitar que la lente se empañe.

La figura 1 muestra un gráfico de la profundidad de corte de la incisión con respecto al número de pasadas. Se obtuvo una profundidad de incisión de 120 mm después de realizar 74 pasadas con el láser de diodos, y después de realizar 94 pasadas utilizando el láser de CO_{2}. Se obtuvo una tasa de penetración de 1,6 y 1,3 mm por pasada, respectivamente. A partir de la figura 1, queda claro que la profundidad de corte de la incisión por pasada es sustancialmente constante y que la mayor influencia en la profundidad de corte por pasada es la composición del hormigón en la profundidad correspondiente, y la presencia o ausencia de caliza añadida.

Las figuras 2A y 2B muestran secciones de hormigón cortado mediante los láseres de CO_{2} y de diodos en las condiciones especificadas en el párrafo anterior, respectivamente. Puede observarse que el corte de incisión con el láser de diodos de la figura 2B es mucho más uniforme en su sección transversal que el corte con el láser de CO_{2}. Esta diferencia en la forma de la sección transversal, es decir, el superior estrechamiento con la profundidad con respecto a la incisión de diodos, se debe a la variación en la densidad de potencia a través de la anchura de avance del rayo láser, tal y como se ha explicado anteriormente.

La figura 3 muestra un gráfico que representa la variación en la anchura de la incisión con respecto al aumento de la profundidad, y muestra de nuevo la anchura de incisión más uniforme con respecto al aumento de la profundidad del láser de diodos. Sin embargo, esta uniformidad mejorada de la anchura de la incisión es una característica más relacionada con la forma rectangular de la sección transversal y con la forma paralela del rayo láser que con el hecho de que sea un láser de diodos per se.

La figura 4 muestra los resultados obtenidos con un hormigón en masa y con el rayo directo o en bruto de un láser de CO_{2}. La densidad de potencia en este ejemplo se mantuvo constante a 5500 W\cdotcm^{-2} y se utilizó una velocidad de avance de 120 mm\cdotmin^{-1}. La tasa de penetración es lineal, no obstante, la tasa de retirada disminuye ligeramente debido a un estrechamiento de la incisión. El estrechamiento de la incisión se debe a pérdidas de pared y al diferencial de densidad de energía a través del rayo láser circular, tal y como se ha explicado anteriormente, aunque puede compensarse fácilmente mediante una regulación apropiada de la densidad de potencia. La profundidad de corte mostrada en la figura 5 es de 300 mm, utilizando un láser de 1 kW.

Una característica adicional que se puede utilizar cuando se corta una estructura de hormigón, tal como un alojamiento de un reactor nuclear durante su desmantelamiento y que está contaminado principalmente en su interior, es que es posible un acceso desde el exterior, y el rayo láser no tiene que penetrar en la estructura totalmente, provocando de este modo daños no deseados a objetos en superficie interior y más allá de la misma. Las tensiones térmicas que se desarrollan durante el proceso provocan invariablemente grietas a través de los últimos centímetros, haciendo que el tratamiento del láser sea redundante en los mismos. Este fenómeno puede observarse en las figuras 2 y 5, en las que puede apreciarse claramente una grieta en el fondo del corte que se extiende a través del resto del grosor.

La figura 6 muestra una representación esquemática de un aparato (10) según una primera realización de la presente invención. Una pieza de trabajo (12) cortada parcialmente (mostrada solamente en parte) es estática, formando parte de una estructura más grande (no mostrada) que se está desmantelando. El aparato comprende un alojamiento (14) (mostrado como un recinto mediante una línea discontinua) que mantiene y soporta de forma operativa varios elementos de aparato que atraviesan la superficie (16) de la pieza de trabajo a cortar. El equipo (14) se soporta en esta realización mediante un brazo robótico multi-eje (no mostrado) de manera conocida. Los elementos del aparato mantenidos y soportados por el alojamiento (14) incluyen: una fuente (18) de luz de láser (20); una copa de extracción (22) con forma de cubierta que cubre la parte de la superficie de corte en la que está situado el punto de incidencia (24) del rayo láser; un conducto de oxígeno (26); y una herramienta de percusión vibradora (28) accionada mediante un dispositivo de vibración/posicionamiento controlable (30). Un sistema de extracción y filtrado (32) está conectado a la copa (22) y a la herramienta de percusión (28), incluyendo el sistema de extracción un ciclón (34) para retirar los escombros más gruesos, un filtro absoluto (36) para retirar las partículas finas, y un ventilador extractor (38).

Si se utiliza un láser compacto de CO_{2} o un láser de diodos de alta potencia, hay montado un oscilador de láser (18) que se mueve junto a los componentes mencionados anteriormente. Si, no obstante, se utiliza un láser Nd:YAG, de diodos, de fibra, o COIL, el rayo (20) puede suministrarse de forma alternativa mediante un cable de fibra óptica, representando el número (18) un sistema de lentes apropiado.

También es posible el suministro del rayo mediante un sistema de espejos reflectante (no mostrado).

Durante su utilización, el alojamiento (14) atraviesa la superficie (16) mediante el brazo de robot (no mostrado) en la dirección de la flecha (11), y el punto de incidencia del láser (24) hace que el hormigón se funda en el mismo y deja tras de sí una huella poco profunda (40) de material fundido que se resolidifica en (42). La herramienta de percusión (28) con forma de tubo (44) que acaba en punta de material resistente al desgaste (46), sigue el punto de incidencia del rayo láser a una distancia en la que el hormigón fundido se ha resolidificado en (42), y rompe el material solidificado mediante un movimiento alternativo, generalmente en la dirección del eje del tubo y/o por giro alrededor del eje del tubo accionado por la unidad (30). El tubo de trituración está acoplado a una punta fabricada con un material duro, tal como carburo de tungsteno o carburo de tungsteno con un recubrimiento de nitruro de titanio, por ejemplo, a efectos de aumentar la resistencia al desgaste, y conformada de modo que potencia al máximo la presión en los puntos de contacto entre la punta y los restos de hormigón. El material solidificado se rompe muy fácilmente debido a que el grosor de la capa es poco profundo, es decir, inferior a 5 mm, y debido a que el material se ha fundido rápidamente con humedad y con una desgasificación de constituyentes volátiles del propio material fundido y del hormigón subyacente, provocando una porosidad considerable en el material que se ha resolidificado rápidamente, que en consecuencia tiene una resistencia reducida. En esta realización, el dispositivo de trituración también tiene la segunda función de extraer el material triturado a través del orificio del tubo (44) y suministrar los escombros al sistema de filtrado (32) mediante medios de succión proporcionados por el ventilador de extracción (38). La copa de extracción (22) es estanca en la medida de lo posible con respecto a la superficie (16) mediante el uso de precintos que comprenden tiras de caucho elásticas o cepillos (48), a efectos de evitar salidas de humo y escombros.

El proceso se controla de modo que el grosor de la zona fundida (40) se mantiene por debajo de unos pocos mm, para asegurar que es necesaria una presión mínima para triturar los restos, y de modo que puede llevarse a cabo de forma controlable, sin una vaporización por ebullición durante la fase de fusión del proceso.

La figura 7 es un histograma que muestra la distribución de tamaño de partículas de la incisión triturada resultante del procedimiento según la presente invención, tal y como se muestra en las muestras de losas de hormigón cortadas de las figuras 2 y 5. Puede observarse que el número de fracción más grande comprende partículas con un tamaño de 1 a 2 mm, con la mayor parte del material triturado por debajo de esta figura. Sólo aproximadamente el 10% del material triturado tiene partículas en la gama de 2 a 4 mm, y del 1 al 2% tiene un tamaño de partículas superior a 4 mm. Por lo tanto, prácticamente todo el material triturado puede ser retirado por el aparato mostrado en la figura 6.

La anchura de la incisión se mantiene lo suficientemente amplia para permitir un acceso fácil al tubo de trituración-extracción, y que hace posibles profundidades de corte de 1 a 2 mm.

El hormigón está armado frecuentemente con barras de acero (no mostradas) que requieren ser cortadas si se debe desmantelar la estructura más grande. Se dispone un tubo de suministro de oxígeno (26) a efectos de suministrar una cantidad de oxígeno súper-estequiométrica para ayudar a cortar dichas barras de refuerzo mediante un potencial de oxidación mejorado. El posicionamiento de la punta (50) del tubo (26) se lleva a cabo mediante un dispositivo de posicionamiento mecánico (52), tal como se indica en la figura 6.

Aunque en la realización descrita anteriormente la capa de escombros solidificada se rompe y se retira mediante el tubo de trituración y de succión combinado (28), estos elementos podrán ser independientes y consistir en un elemento de trituración destinado a tal propósito y en un tubo de succión separado que sigue el elemento de trituración. Además, podrá haber más de un dispositivo de tubo de trituración/succión para gestionar las partículas restantes que son demasiado grandes para ser retiradas por dicho primer dispositivo.

Claims (14)

1. Procedimiento de múltiples pasadas para el corte de secciones gruesas de materiales basados en cemento, comprendiendo el procedimiento las etapas de: atravesar mutuamente una superficie a cortar con un rayo láser, dejar que dicho material fundido se solidifique; romper dicho material solidificado en partículas; y retirar dichas partículas mediante medios de succión, caracterizado por realizar el corte con un rayo láser desenfocado con una densidad de potencia tal que permite producir una profundidad de material fundido de un máximo de 10 mm en cada avance.

2. Procedimiento, según la reivindicación 1, que comprende una serie de avances a lo largo de sustancialmente la misma trayectoria de corte.

3. Procedimiento, según la reivindicación 1 ó 2, en el que el rayo láser está desenfocado.

4. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material fundido resolidificado se retira directamente después de la solidificación, después de cada pasada.

5. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la profundidad del material fundido en cada pasada está en la gama de 0,5 a 5 mm.

6. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la presión requerida para triturar el material resolidificado es inferior a 100 Mpa.

7. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la densidad de potencia del láser está en la gama de 300 W\cdotcm^{-2} a 12000 W\cdotcm^{-2}.

8. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la velocidad de avance del rayo está entre 3 cm\cdotmin^{-1} y 40 cm\cdotmin^{-1}.

9. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la tasa de retirada de material es del orden de 150 cm^{-3}\cdotkWh^{-1} para un láser de diodos y de 100 cm^{-3}\cdotkWh^{-1} para un láser de CO_{2}.

10. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el rayo láser se suministra mediante un sistema de suministro de rayo móvil que comprende un sistema de espejos reflectantes.

11. Aparato para el corte de secciones gruesas de materiales basados en cemento mediante el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo dicho aparato medios para atravesar mutuamente una superficie a cortar con unos medios de rayo láser para romper el material fundido y resolidificado en partículas; y medios para retirar dichas partículas mediante medios de succión, caracterizado porque dicho rayo láser es un rayo láser desenfocado con una densidad de potencia suficiente para producir una profundidad de material fundido de un máximo de 10 mm en cada avance.

12. Aparato, según la reivindicación 11, en el que los medios para romper el material resolidificado comprenden un elemento de percusión para triturar el material.

13. Aparato, según la reivindicación 12, en el que el elemento de percusión es hueco y el material triturado se retira a través del elemento mediante medios de succión.

14. Aparato, según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en el que el rayo láser es un rayo sustancialmente paralelo.