戴 俊，楊 凡，李棟爍，薛貴堂，贠菲菲

(西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710000)

0 引言

隨著建筑行業(yè)不斷發(fā)展，大量舊鋼筋混凝土結構面臨拆除，為避免大量可用建材浪費，有學者提出了鋼筋混凝土回收再利用的觀點[1]。以往鋼筋混凝土回收過程都是采用切割機或破巖機等將混凝土進行破碎[2-3]，然后篩選出鋼筋和骨料等具有二次利用價值的材料，從而實現(xiàn)廢棄資源再利用。鋼筋混凝土結構拆除問題主要出現(xiàn)在城市，且傳統(tǒng)機械法存在噪音和粉塵污染的缺陷，不符合現(xiàn)代城市綠色發(fā)展理念，機械破碎后塊度較大，極不利于運輸。因此，有必要探尋一種環(huán)保、經濟和高效的鋼筋混凝土回收新方法。

近年來，微波技術逐漸興起，由于微波具有獨特性質[4]，諸多國內外學者將微波用于輔助破巖，并進行了大量研究。文獻[5-7]通過對比微波輔助機械研磨礦物和純機械研磨礦物總電力消耗量，得出微波輔助下研磨消耗的電力僅為純機械研磨達到同樣粉碎程度所消耗電力的50%，證明了微波的高效性和節(jié)能性。文獻[8-9]通過有限元建立二相模型來研究微波破巖機理，證明微波是利用不同礦物吸波性能和熱力學性能的差異，使礦物產生不均勻膨脹從而致使巖石破裂。文獻[10-14]通過微波照射巖石，分析不同種類巖石在微波照射下升溫特性及破損現(xiàn)象，證明不同巖石具有不同的吸波性質，得出微波加熱具有選擇性和穿透性，且進一步論證了微波破巖機理。綜上所述，微波可穿透巖石使其發(fā)生整體微觀損傷，且在破巖過程中具有無噪、無塵的特點，有望改進傳統(tǒng)鋼筋混凝土回收方法。目前，已有學者對混凝土結構中微波輔助剔選骨料進行了大量研究[15-18]，利用微波選擇性加熱的特點成功將骨料與混凝土分離，但鋼筋的回收過程存在的效率低、污染嚴重等問題仍沒有得到有效解決?；诖耍疚膶ξ⒉ㄕ丈湎落摻钆c混凝土界面黏結強度損傷演化過程進行試驗，以尋找環(huán)保、經濟、高效的鋼筋回收方法。

1 試驗內容

1.1 試驗設計

試驗參考GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[19]，采用42.5級普通硅酸鹽水泥和長度為250 mm、直徑為16 mm的HRB400級鋼筋制作鋼筋混凝土試件，試件示意圖如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土試件示意圖

將鋼筋嵌入尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土中，黏結長度為鋼筋與混凝土中心40 mm。為避免拉拔試驗中黏結段端部出現(xiàn)應力集中而造成提前退出工作的現(xiàn)象，在黏結段兩端各設置55 mm長的聚氯乙烯(poly vinyl chlorid,PVC)管，用來傳遞拉拔應力，并在鋼筋與PVC管間用泡沫填充，防止混凝土漿液流入，形成對稱的未黏結段。

采用高功率微波爐對標準養(yǎng)護試件進行10組不同功率的微波照射試驗，照射時長均為5 min，功率參數(shù)分別設定為0 W、700 W、1 000 W、1 500 W、2 000 W、2 500 W、3 000 W、3 500 W、4 000 W和5 000 W。待自然冷卻至室溫后，采用RFP-09型智能測力儀進行拉拔試驗，加載速率為0.2 kN/s。采集拉拔試驗過程中拉拔力(黏結應力)與鋼筋滑移量散點值，對散點數(shù)據(jù)進行整理，用Origin軟件繪制曲線，并進行曲線方程擬合。將拉拔試驗后的試件沿鋼筋軸向劈裂，拍照并記錄其黏結界面破壞形式。試驗所用的微波爐和智能測力儀分別如圖2和圖3所示。

1.2 試驗結果及分析

對10組拉拔試驗過程中采集的試驗數(shù)值進行四段式擬合，擬合后所得的黏結應力-鋼筋滑移量(τ-s)曲線如圖4所示，僅展示0 W(不進行微波照射)、3 000 W和5 000 W這3組的擬合曲線。圖4中，RC代表鋼筋混凝土試件，RC后的4位數(shù)字中，末尾2位代表同條件下試件編號(如01表示01號試件)，前2位數(shù)字代表微波功率(如30表示微波功率為3 000 W，00表示無微波照射)。

圖4a為無微波照射的試件在拉拔力作用下的τ-s曲線，曲線前兩階段黏結應力增長迅速，黏結應力峰值將近15 MPa，對應鋼筋滑移量僅為2 mm。圖4b為3 000 W微波照射后的試件在拉拔力作用下的τ-s曲線，該功率下曲線前兩階段增長速率較0 W微波照射時明顯降低，應力峰值也降低到約9 MPa。圖4c為5 000 W微波照射后的試件在拉拔力作用下的τ-s曲線，曲線前兩階段的增長速率非常小，且黏結應力峰值僅為5 MPa，對應鋼筋滑移量增大到13 mm，相比于無微波照射的試件，黏結應力峰值(黏結強度)僅為0 W微波照射后的1/3。

圖4中3條曲線整體變化趨勢比較類似。分別對4個階段進行分析：第1階段稱為初始滑移段，該階段黏結應力隨鋼筋滑移量增大而線性增長，可認為鋼筋與混凝土未發(fā)生相對滑動，僅產生彈性變形，此時黏結應力全由化學膠著力提供。第2階段稱為滑移段，黏結應力仍隨鋼筋滑移量增大而增長，但曲線斜率逐漸降低，最終達到鋼筋混凝土黏結強度，該階段部分黏結界面處產生相對滑動，相對滑動部位化學膠著力逐漸退出工作，隨即產生了機械咬合力，代替化學膠著力繼續(xù)承擔黏結作用，當達到峰值時，化學膠著力基本完全退出了工作。第3階段稱為下降段，隨鋼筋滑移量繼續(xù)增大，黏結應力減小，由于部分黏結界面處咬合齒破碎，隨之機械咬合力逐漸退出工作，咬合齒破碎部位滑動摩擦力代替退出工作的機械咬合力繼續(xù)承擔黏結作用。第4階段稱為殘余段，黏結應力隨鋼筋滑移量增大而減小，最后趨于穩(wěn)定。在此階段，隨滑移量增大，鋼筋機械咬合力逐漸消失，鋼筋與混凝土完全分離，鋼筋拔出的過程中只剩滑動摩擦力起黏結作用，從而黏結應力趨于平緩但不為零。

圖5 τ-s曲線匯總圖

不同功率微波照射下τ-s曲線，雖然整體趨勢相似，但仍存在差別，為便于對比，將10組不同微波功率照射下τ-s曲線的4個階段用平滑曲線連接后繪入同一坐標系，見圖5。

從圖5中可看出:黏結應力峰值(黏結強度)隨微波功率增大而迅速降低，表明微波照射確實可達到降低鋼筋與混凝土黏結強度的目的。當微波功率小于1 500 W或大于3 500 W時,相鄰曲線峰值相差較小;當微波功率為1 500～3 500 W時,相鄰曲線峰值相差較大，由此得出在該功率范圍內黏結強度對功率參數(shù)較為敏感；當微波功率大于3 500 W后，隨著微波功率繼續(xù)增大,黏結強度依然有所降低，但降低幅度逐漸變小，即能效比逐漸降低。因此，可通過改變微波功率來控制微波作用的能效比，實現(xiàn)更經濟高效的工藝。對比第4階段趨于穩(wěn)定后的殘余強度可知：隨微波功率的提高，穩(wěn)定后的殘余強度變得越來越低。分析其原因是由于微波功率越高,黏結界面的混凝土損傷越嚴重，隨著鋼筋和混凝土相對滑動，機械咬合齒破碎越嚴重，黏結界面變得更加平滑，故摩擦力降低,可以體現(xiàn)黏結強度經微波照射后顯著降低。

2 界面損傷演化特性

2.1 定義損傷變量

為更加清晰地分析黏結界面損傷演化特性，將鋼筋混凝土試件看作三元結構模型，分別為混凝土單元、鋼筋單元和鋼筋混凝土黏結單元。將黏結單元視為一種獨立的新材料，并定義黏結單元強度參數(shù)在無損狀態(tài)下為A，損傷狀態(tài)下為A′,則拉拔損傷變量D可表示為：

(1)

由式(1)可知：當A′=A時，D=0，即黏結單元沒有損傷；當A′=0時，D=1，即黏結單元完全損傷。

2.2 界面損傷機理分析

通過分析τ-s曲線，為避免損傷演化分析過程中受正負符號變化的影響，采用割線斜率作為黏結強度指標。定義A′為抵抗鋼筋單位滑移量的黏結力，則有：

τ=sA′，

(2)

其中：τ為鋼筋混凝土界面黏結應力；s為鋼筋滑移量。

結合τ-s曲線可知：在初始滑移段，割線斜率A′不變，故該階段損傷變量D沒有發(fā)生變化，即不發(fā)生拉拔損傷。在初始滑移段結束后，A′開始逐漸減小，直至殘余段后期隨鋼筋滑移量增大繼續(xù)增大，黏結應力趨于穩(wěn)定，A′越來越小，基本趨于穩(wěn)定，此時A′減小的主要原因是滑動摩擦過程中界面磨損造成的極小損傷。

參考應變等價原理[20],可得：在無損狀態(tài)下的黏結應力作用于有損界面時產生的鋼筋滑移量，與損傷狀態(tài)下的有效黏結應力作用于無損界面時產生的鋼筋滑移量相等。即有：

(3)

其中：τ′為受損狀態(tài)下有效黏結應力。

由式(1)可知A′=(1-D)A，代入式(3)得：

(4)

結合τ-s曲線，將式(4)進行分段整理可得：

(5)

其中：s′為初始滑移段末尾鋼筋滑移量。

由式(5)整理得到黏結界面損傷演化方程：

(6)

2.3 界面損傷演化分析

將0 W、3 000 W和5 000 W微波功率照射下試件拉拔試驗所采集的散點數(shù)據(jù)整理后代入式(6)，可得到損傷變量D的特征曲線，如圖6所示。由圖6可以看出：各曲線大致可分為3個階段，即初始水平階段、上升階段和穩(wěn)定階段。假定黏結界面損傷總量為微波損傷與拉拔損傷的總和，即對應鋼筋總滑移量也為微波損傷滑移量與拉拔損傷滑移量的總和，但在沒有拉力作用的情況下，微波損傷對應的鋼筋滑移量并不會表現(xiàn)出來，隨著拉拔力的增大，該部分對應的鋼筋滑移量才逐步體現(xiàn)。

對圖6a中各曲線D=0時所對應的初始水平階段進行分析，在該階段拉拔損傷產生的鋼筋滑移量為0 mm，即當微波功率為0 W時，微波損傷鋼筋滑移量也為0 mm，而圖6a中顯示該條件下該階段對應的最大鋼筋滑移量為1 mm，意味著黏結界面處的允許最大彈性滑移量為1 mm。隨著微波功率增大到3 000 W，如圖6b所示，第1階段最大鋼筋滑移量增大至6 mm。當微波功率達到5 000 W時，如圖6c所示，第1階段最大鋼筋滑移量已經達到8 mm。在3 000 W和5 000 W微波照射條件的第1階段滑移量中，1 mm為彈性滑移量，其余均為微波損傷應有滑移量，該現(xiàn)象與τ-s曲線中第1階段相吻合。在上升階段，隨微波功率增加，曲線由上凸逐漸變?yōu)橄掳?，斜率明顯低于無微波條件，在該階段拉拔損傷出現(xiàn)，即產生了拉拔損傷滑移量，曲線斜率下降是由于微波損傷應有滑移量在第1階段還未完全體現(xiàn)，而在該階段逐步體現(xiàn)。在即將進入第3階段的某點處，斜率與0 W條件下斜率相等時才意味著微波損傷滑移量完全體現(xiàn)，此后滑移量均為拉拔損傷產生的滑移量。該上升階段斜率先增大后減小，該現(xiàn)象與τ-s曲線中滑移段和下降段相吻合。當進入穩(wěn)定階段后，損傷變量不再發(fā)生變化，意味著基本不再進一步損傷，黏結界面已完全破壞，鋼筋與混凝土完全分離，該現(xiàn)象與τ-s曲線中殘余段相吻合。從而可證明損傷變量的合理性以及損傷機理分析的正確性。

由圖6可以看出：在0 W條件下，D為0～1；隨微波功率增大，D的范圍有所下降。為解釋此現(xiàn)象，對拉拔試驗后采集的試件劈裂圖片進行分析，拉拔試驗中受損試件如圖7所示，試件軸向劈裂圖如圖8所示。

由圖7a可知：在0 W條件下，由于界面黏結強度大于混凝土抗拉強度，試件在界面處被拉裂，并發(fā)展成貫通裂紋。當微波功率增加到3 000 W時，應力傳遞范圍明顯減小，故出現(xiàn)貫通裂紋擴展范圍明顯減小的現(xiàn)象，如圖7b所示。當微波功率達到5 000 W時，試件外表基本沒有產生裂紋，意味著拉拔損傷范圍進一步變小，如圖7c所示。

無微波照射時，可清晰看出鋼筋肋痕，如圖8a所示。隨微波功率的增加，鋼筋肋痕已變得相當模糊，如圖8b所示。當微波功率為5 000 W時，劈裂后黏結界面處基本看不到鋼筋肋痕，如圖8c所示。低微波功率下，拉拔破壞主要使混凝土產生劈裂破裂，拉拔損傷范圍較大，但黏結界面損傷較小。而高微波功率下，鋼筋混凝土黏結界面強度明顯降低，拉拔作用僅在交界面微小損傷范圍內產生破壞，使試件產生拔出破壞，從而表現(xiàn)出圖6中拉拔損傷變量D不能達到1。同樣，從圖7和圖8中可以看出：在微波照射作用下，可有效避免鋼筋拉拔過程中混凝土崩裂伴隨的能量突然釋放，降低噪音和粉塵污染。

3 ANSYS數(shù)值模擬

3.1 模型建立及參數(shù)設定

圖9 數(shù)值模型

采用ANSYS16.0有限元軟件對0 W、1 500 W、3 000 W和5 000 W功率微波照射后模型進行拉拔模擬，采用前文假設，將模型定義為三元模型，即混凝土單元、鋼筋單元和鋼筋混凝土黏結單元。定義3種單元類型分別為Solid-concert 65單元、Pipe-2-node 288單元和Combination-Nonlin spring 39單元，該黏結單元可定義為無厚度的面單元，故直接定義鋼筋混凝土黏結界面。由于該黏結單元可自定義其應力-應變曲線，從而可將前文對應的微波功率下τ-s曲線各階段方程作為其應力-應變曲線。

采用與試驗試件1∶1的數(shù)值模型，如圖9所示，為體現(xiàn)試驗試件中PVC管的作用，模型在對應位置空隙中施加徑向約束，只允許產生鋼筋軸向的自由滑動。鋼筋單元參數(shù)以鋼筋出廠參數(shù)為準，屈服強度為400 MPa，彈性模量為200 000 MPa，泊松比為0.3?；炷羺?shù)由預試驗所得，Solid-concret 65單元鋼筋與混凝土主要參數(shù)見表1。為將試驗與模擬結果對比，模擬荷載按各τ-s曲線4個階段末值施加于外漏鋼筋端部，數(shù)值模擬荷載方案如表2所示。

表1 Solid-concret 65單元鋼筋與混凝土主要參數(shù)

表2 數(shù)值模擬荷載方案

3.2 模擬結果及分析

在0 W、1 500 W、3 000 W和5 000 W微波照射下，分別采用滑移段末強度值為拉拔力荷載(黏結應力峰值)，荷載峰值模擬結果如圖10所示。

圖11 3 000 W微波功率照射下的試驗與模擬結果對比

由圖10a可明顯看出：當微波功率為0 W時，混凝土受力范圍相當大，拉拔應力已傳遞到模型邊緣,當拉拔應力大于混凝土抗拉強度，產生如圖7a所示的貫通劈裂裂紋。當微波功率逐漸增大，如圖10b所示，在1 500 W微波照射下，拉拔應力傳遞范圍明顯減小，試件表面僅中心處受到拉拔力影響。如圖10c所示，當微波功率達到3 000 W時，拉拔應力傳遞范圍僅為黏結段附近。當微波功率達到5 000 W時，如圖10d所示，拉拔力傳遞范圍已經縮到很小，只有接觸面小范圍內受拉拔影響。且鋼筋所受最大拉拔力也隨微波功率增大而明顯降低，證明微波對黏結強度的影響非常顯著，可有效降低鋼筋與混凝土黏結強度。模擬結果和試驗現(xiàn)象與2.3節(jié)所得結論相符。

不同微波功率下模型按表2中的荷載方案進行模擬，將相同微波條件下的試驗和數(shù)值模擬所對應的數(shù)值，用Origin軟件繪入同一坐標中進行對比，3 000 W微波功率照射下的試驗與模擬結果對比曲線如圖11所示。試驗中產生的鋼筋滑移量與同條件下模擬所得的鋼筋滑移量基本重合，其他功率下也具有同樣的規(guī)律，經計算得平均誤差僅為0.937 5 mm，完全在可接受試驗誤差范圍內，且模擬受力現(xiàn)象與試驗破裂現(xiàn)象相符，從而證明了τ-s曲線的準確性以及損傷變量演化方程的準確性。

4 結束語

(1)混凝土黏結強度隨微波功率的提高而顯著降低，且微波功率為1 500～3 500 W時，黏結強度對功率變化較為敏感，從而可通過調節(jié)微波功率來實現(xiàn)高效、節(jié)能的工藝。

(2)隨微波功率增加，鋼筋拉拔過程中混凝土破裂范圍逐漸減小。低微波功率下，鋼筋拔出過程中混凝土發(fā)生崩裂；高微波功率下，鋼筋可由很小拉力直接拔出，混凝土試件不發(fā)生劈裂。

(3)試驗過程中，低功率微波照射后，拔出鋼筋的過程中混凝土發(fā)生崩裂，伴隨噪音和粉塵的產生。高功率微波照射后，鋼筋在拉拔力作用下直接被拔出，未產生噪音和粉塵。微波照射法可有效降低鋼筋回收過程中的噪音和粉塵污染。