邵珠山，張鵬舉，魏 瑋，陳文文，張宏亮

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055)

近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的快速發(fā)展，以及共建“一帶一路”的推進(jìn)，國民生活水平日益提高，中國建筑業(yè)也保持著穩(wěn)定的增長。截至2018年底，中國的總建筑面積就達(dá)到了601×108m2[1]。隨著中國城鎮(zhèn)化建設(shè)發(fā)展，目前，中國是世界上最大的混凝土生產(chǎn)國和消費(fèi)國[2]，混凝土年產(chǎn)量比世界上其他國家總和高出53%，此外，中國的水泥產(chǎn)量也是全球最高的[3]。資源化是目前解決建筑材料需求與環(huán)境破壞之間矛盾的重要方法，將廢混凝土、廢磚瓦加工成再生集料，用于生產(chǎn)再生混凝土砌塊等制品，是一種重要的資源化利用方式[4]。研究表明，再生骨料的生產(chǎn)回收過程中會(huì)伴隨著高能耗、大量粉塵污染等問題，且生產(chǎn)得到的再生骨料質(zhì)量不高，適應(yīng)性較差[5-8]。相比于傳統(tǒng)的骨料回收方式，微波加熱輔助混凝土骨料回收方式對(duì)環(huán)境二次污染小，機(jī)械損傷程度低，無需添加額外新材料，具有更高的安全性和自動(dòng)化水平，因而是一種具有良好應(yīng)用前景的再生骨料回收技術(shù)[9-10]。

微波加熱技術(shù)由于其高效、低污染及安全可控的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于食品加工、木材干燥、陶瓷加工制造及采礦等技術(shù)領(lǐng)域。研究表明，無論是在混凝土的養(yǎng)護(hù)階段，或是廢棄混凝土分離提取再生制品的資源化處理階段，微波技術(shù)都有巨大的應(yīng)用前景[11]。肖建莊等[12]通過低功率微波對(duì)再生粗骨料（recycled coarse aggregate, RCA）進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，微波加熱改性再生粗骨料具有更理想的效果。Tsujino等[13]首先提出了采用微波新技術(shù)進(jìn)行混凝土骨料回收，并通過1 t廢棄混凝土處理過程中CO2排放量試驗(yàn)及力學(xué)性能測試證實(shí)，相比于傳統(tǒng)回收方式，微波加熱過程中產(chǎn)生的CO2含量低且回收的RCA品質(zhì)高。Ong等[14]系統(tǒng)論述了微波技術(shù)在混凝土循環(huán)利用過程中的可能性，討論了微波技術(shù)在混凝土再生應(yīng)用中的基本工作原理，相比于其他傳統(tǒng)骨料提取技術(shù)，微波加熱結(jié)合機(jī)械破碎技術(shù)可以獲得更高的RCA質(zhì)量。然而，在土木工程領(lǐng)域，由于缺乏相關(guān)理論研究，微波技術(shù)尚未得到大規(guī)模的應(yīng)用：一方面，混凝土作為一種復(fù)雜的人工復(fù)合材料，微波作用下混凝土的性質(zhì)受配合比、含水率等因素的影響；另一方面，高溫作用下混凝土內(nèi)部的水分遷移變化、孔隙壓力、熱應(yīng)力等機(jī)理研究尚不明確，極大地限制了微波技術(shù)的推廣應(yīng)用。

水的介電常數(shù)比一般介質(zhì)材料大，因此水分對(duì)微波加熱的敏感性極高，含水量越大，其介質(zhì)損耗也越大[15]。在升溫過程中，混凝土內(nèi)部如自由水、毛細(xì)水等會(huì)不斷蒸發(fā)，水泥水化形成的水化產(chǎn)物，如高硫型水化硫鋁酸鈣（AFt）和單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm）等不斷脫水[16]，導(dǎo)致原有水化產(chǎn)物分解，水分蒸發(fā)和水化產(chǎn)物的分解使得混凝土內(nèi)部孔隙增多，原有孔隙增大；當(dāng)孔隙壓力積聚到臨界值時(shí)，混凝土發(fā)生破裂，因此含水量以及水的存在形態(tài)對(duì)微波輔助混凝土骨料回收有著重要影響。Akbarnezhad等[17]研究表明，當(dāng)砂漿內(nèi)含水量增大時(shí)，砂漿吸收微波的能力隨之增強(qiáng)。此外，煤樣含水率的增大也有助于微波致裂[18-19]。微波作用下水分對(duì)不同巖石的波速、穿透深度和強(qiáng)度也產(chǎn)生不同的影響[20-21]。本文主要通過試驗(yàn)手段探究微波輻射下含水率變化對(duì)混凝土加熱效果及強(qiáng)度弱化的影響規(guī)律，對(duì)微波輔助混凝土骨料回收技術(shù)具有重要指導(dǎo)意義。

1 微波加熱混凝土原理

微波是一種波長介于1 mm～1 m，對(duì)應(yīng)頻率范圍為300 MHz～300 GHz的超高頻電磁波，具有波長短、頻率高的特點(diǎn)。圖1為電磁波譜圖，目前工業(yè)上應(yīng)用的微波主要是915和2 450 MHz 2種[22]?；炷磷鳛橐环N以水泥為主要膠結(jié)材料，以各種礦物成分的粗細(xì)骨料為基體拌合而成的人工混合介質(zhì)材料，不同程度地吸收微波能。微波加熱混凝土?xí)r，微波電磁場與混凝土介質(zhì)材料相互耦合，形成各種功率耗散，使微波能在混凝土內(nèi)部轉(zhuǎn)化為熱能。從微觀角度分析，混凝土內(nèi)部的各種介質(zhì)材料包含許多由正負(fù)電荷組成的偶極子，在微波輻射下，這些偶極子由原來的無序狀態(tài)向電磁場方向排列，克服分子間相互作用，在電磁場下，偶極子反復(fù)極化，相鄰極性分子間相互作用使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了劇烈的“摩擦作用”，能量由微波的電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，從而導(dǎo)致溫度不斷升高[23-25]?；炷敛牧显谖⒉▓鲋兴a(chǎn)生的熱量大小與混凝土內(nèi)部組成成分及其介電特性有關(guān)。從亞微觀上來看，混凝土是一種非均質(zhì)多相復(fù)合材料，水作為混凝土的一種重要的組成成分（圖2），在微波輔助混凝土破碎過程中起著極其重要的作用，在受力之前，內(nèi)部就由于水的多種存在狀態(tài)及作用存在許多微裂紋。

圖1 電磁波譜Fig. 1 Electromagnetic spectrum

圖2 混凝土亞微觀組成Fig. 2 Submicroscopic composition of concrete

微波輻射下，混凝土產(chǎn)生的總熱量取決于混凝土內(nèi)各種材料成分吸收微波的電場強(qiáng)度、微波頻率及其介電損耗，單位體積的混凝土材料損耗的微波功率P為[26-27]：

式中，f為微波頻率，ε0為真空介電常數(shù)（8.85×10-12F/m），ε′′為混凝土材料介電損耗因子，E0為電場強(qiáng)度。

根據(jù)能量守恒和轉(zhuǎn)化定律，混凝土吸收的微波能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，對(duì)于某一介質(zhì)而言，介質(zhì)損耗是基本固定的，P與電場強(qiáng)度E0的平方和頻率f成正比。因此，電場強(qiáng)度越大，頻率越高，混凝土吸收的微波功率就越大，產(chǎn)生的溫升和熱量就越大[28]。

微波穿透深度是指電磁波穿透到介質(zhì)內(nèi)部的能力，當(dāng)電磁波從混凝土表面進(jìn)入到混凝土內(nèi)部時(shí)，能量不斷地被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，功率和電場強(qiáng)度就會(huì)不斷衰減，穿透越深，損耗于材料的能量就越多，穿透深度用符號(hào)D表示[23-29]：

式中，D為微波穿透深度， ε′為混凝土材料介電常數(shù)，λ為微波波長。由式（2）可知，微波穿透深度與波長處于同一數(shù)量級(jí)，且混凝土材料介電損耗因子越大，微波穿透深度越低。研究表明，微波穿透深度與混凝土微觀結(jié)構(gòu)能、混凝土化學(xué)成分、加熱溫度有關(guān)[30-31]。

由于水的微波吸收能力大于混凝土材料，當(dāng)混凝土含水率增加時(shí)，導(dǎo)致其介電特性增強(qiáng)，因此，由式（2）可知，混凝土含水量增加后將導(dǎo)致微波的穿透深度降低。

混凝土吸收微波后，微波能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致混凝土的溫度升高，即：

式中，Q為混凝土吸收的微波能，C為混凝土的比熱容，m為混凝土的質(zhì)量， ΔT為混凝土吸收微波能后產(chǎn)生的溫度增量。

2 試驗(yàn)設(shè)備、試樣和方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

微波加熱試驗(yàn)采用由湖南長儀微波科技有限公司提供的CY－MU1000C－L型箱式工業(yè)級(jí)水冷微波加熱系統(tǒng)（圖3），該系統(tǒng)采用微波頻率為（2 450±50） MHz的多模諧振腔。多模諧振腔比單模諧振腔能夠提供更均勻的加熱效果，其結(jié)構(gòu)主要包括微波加熱腔、微波發(fā)生器、觸摸控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。其中，微波加熱腔為尺寸420 mm×420 mm×320 mm的密閉不銹鋼腔體，微波發(fā)生器是由4個(gè)1.5 kW磁控管組成，磁控管產(chǎn)生的微波能量，由波導(dǎo)管傳輸?shù)轿⒉t腔體內(nèi)。溫度測量采用安裝在腔體內(nèi)部的熱電偶溫度傳感器，混凝土放置在微波高溫專用保溫材料中央，使熱電偶與混凝土試塊表面耦合，并采用手持紅外測溫儀對(duì)試塊進(jìn)行輔助溫度測量。

圖3 CY-MU1000C-L型微波加熱系統(tǒng)Fig. 3 CY-MU1000C-L microwave heating system

2.2 試驗(yàn)試樣

試樣采用尺寸100 mm×100 mm×100 mm，強(qiáng)度等級(jí)為C35的混凝土試塊。水泥為PO42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，粗骨料選擇由微粒方解石和白云石組成的含白云質(zhì)微晶灰?guī)r，如圖4所示。微晶方解石（Cal）中分布著少量自形粒狀；白云石（Do）為單晶和聚晶；細(xì)骨料取自中國西安渭河，細(xì)度模量為2.6，物理力學(xué)性能滿足《混凝土用沙、石質(zhì)量及試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ52—2006）要求，混凝土配合比如表1所示，水泥化學(xué)成分如表2所示。拌合成的試樣在溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，然后，將試塊放入104～110 ℃的烘箱中干燥，直至質(zhì)量不再變化，再置于干燥器內(nèi)冷卻至室內(nèi)常溫。

表2 水泥化學(xué)成分Tab. 2 Chemical compositions of cement%

圖4 粗骨料的巖相顯微圖像Fig. 4 Petrographic microscopy image of the coarse aggregates

表1 混凝土配合比Tab. 1 Mix proportion of concrete

2.3 試驗(yàn)方法

取18組完全干燥的混凝土塊，記錄此時(shí)質(zhì)量為m0，放入塑料箱中，加入蒸餾水，水面沒過所有試塊，并且保證試塊吸水后，仍然能被淹沒，每2組為同一浸泡時(shí)間，開始每隔30 min記錄一下試塊質(zhì)量，以后依次把時(shí)間間距加大為1、2、4 h，···，即記錄時(shí)間分別為0、0.5、1.5、3.5、7.5、15.5、31.5、63.5、127.5 h。

每次稱重試塊時(shí)，將試塊從水箱中取出，放在鐵架上控水5 min；然后，用濕布擦拭表面，使表面不存在水滴，但仍保持濕潤狀態(tài)，稱重此時(shí)質(zhì)量mi；每次稱重時(shí)都要注意輕取輕放，防止把邊角碰掉，影響測量質(zhì)量變化的準(zhǔn)確性。

混凝土試塊的含水率ρi為：

設(shè)置3 kW、300 s和5 kW、300 s這2種加熱路徑，對(duì)不同含水率混凝土試塊進(jìn)行微波加熱試驗(yàn)。試塊加熱完成后立刻對(duì)不同加熱路徑下的混凝土試塊進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試，試驗(yàn)機(jī)加載速率設(shè)定為0.3 mm/s，以上每種試驗(yàn)測試均進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，以降低試驗(yàn)帶來的離散性。試驗(yàn)流程如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)流程圖Fig. 5 Flow diagram of experimental

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 混凝土含水率

通過混凝土試塊的浸泡試驗(yàn)，得到含水率與浸泡時(shí)間的關(guān)系（圖6）。所有試塊的含水率隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律相似，在開始的3.5 h增長迅速；在127.5 h含水率就隨浸泡時(shí)間增長緩慢，可以近似認(rèn)為試塊含水率達(dá)到飽和，此時(shí)混凝土試塊的含水率為5.9%。

圖6 混凝土試塊含水率與浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig. 6 Relationship between water content of concrete test block and soaking time

3.2 加熱效果

當(dāng)采用3 kW功率連續(xù)加熱300 s時(shí)，不同含水率狀態(tài)下混凝土試塊加熱效果如圖7所示。試塊完全干燥時(shí)，加熱完成后混凝土表面有較為明顯裂紋產(chǎn)生（圖7（a））；隨著含水率增大，加熱完成后，試塊表面產(chǎn)生的微裂紋逐漸增加（圖7（b））；當(dāng)試塊達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，加熱完成后，微波爐腔體內(nèi)壁沾滿水珠，試塊表面存在少部分水分并產(chǎn)生較多孔隙（圖7（c））。這是由于采用低功率微波加熱混凝土試塊時(shí)，當(dāng)試塊處在干燥狀態(tài)，微波能量大部分作用于砂漿與骨料；當(dāng)試塊內(nèi)部存在水分，由于水的介電常數(shù)比一般介質(zhì)大，微波能量全部被混凝土試塊吸收后，大部分作用于混凝土內(nèi)部各種形態(tài)的水分，當(dāng)水的溫度達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)，在內(nèi)部蒸汽壓力的作用下，試塊開始產(chǎn)生裂紋。當(dāng)試塊達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，由于功率過低，試件內(nèi)部水分沒有被加熱完畢，導(dǎo)致混凝土表面留有殘余水分并產(chǎn)生較多孔隙。

圖7 3 kW、300 s下混凝土試塊在不同含水率下的加熱效果Fig. 7 Heating effect of concrete specimen at different moisture content under 3 kW and 300 s

當(dāng)采用5 kW功率連續(xù)加熱300 s時(shí)，不同含水率狀態(tài)下混凝土試塊加熱效果如圖8所示。試塊完全干燥時(shí)，加熱完成后混凝土表面有明顯裂紋產(chǎn)生（圖8（a））；試塊被浸泡后，一開始，只在混凝土表面產(chǎn)生微裂紋（圖8（b）、（c）），隨著含水率增大，裂紋密度與深度逐漸增加（圖8（f））；當(dāng)試塊含水率相對(duì)較高時(shí)，加熱過程中極易發(fā)生爆裂，能聽到混凝土試塊崩開彈射到微波爐內(nèi)壁的聲音，試塊呈現(xiàn)不規(guī)則的碎塊狀。

圖8 5 kW、300 s下混凝土試塊在不同含水率下的加熱效果Fig. 8 Heating effect of concrete specimen at different moisture content under 5 kW and 300 s

不同的加熱路徑會(huì)對(duì)不同含水率的混凝土試塊產(chǎn)生不同的加熱效果，取決于微波的加熱功率及混凝土試塊內(nèi)部的水分含量。試驗(yàn)中，在5 kW的加熱功率下，混凝土試塊含水率達(dá)到5.74%時(shí)，混凝土試塊會(huì)發(fā)生爆裂，試塊達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)（即含水率為5.90%），同組的3個(gè)試塊全部發(fā)生爆裂，整個(gè)破碎過程如圖9所示。破碎后混凝土碎塊的骨料與砂漿分離界限明顯（圖10）。絕大部分破壞形式為繞晶破壞，并可以從破碎后的混凝土中提選出來較多完整的骨料，骨料砂漿附著率低。這是由于砂漿和骨料在微波加熱過程中的介電常數(shù)、比熱容、密度以及熱膨脹性的差異，致使首先在砂漿-骨料界面產(chǎn)生溫度梯度和熱失配應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生；隨著含水率的增大，加熱過程中迅速產(chǎn)生的蒸汽壓力導(dǎo)致裂隙擴(kuò)展、連接，進(jìn)一步地降低砂漿-骨料界面的黏結(jié)度，最終導(dǎo)致砂漿和骨料界面的分離。

圖9 飽和試塊在5 kW、300 s加熱路徑下破碎過程Fig. 9 Crushing process of saturated sample under the heating path of 5 kW and 300 s

圖10 飽和試塊在5 kW、300 s加熱路徑下破碎效果Fig. 10 Crushing effect of saturated sample under the heating path of 5 kW and 300 s

相比于干燥混凝土試塊，微波加熱飽和狀態(tài)下的混凝土可以有效地去除回收骨料上附著的膠凝砂漿，作為偶極子、強(qiáng)極性分子，水分子介電常數(shù)比一般介質(zhì)高，飽和狀態(tài)下的混凝土水分含量相對(duì)較高，其介電常數(shù)、損耗因子大，吸收微波能量隨之增大，在較低的能量損耗下，使砂漿內(nèi)部產(chǎn)生較高的溫度梯度，特別是在與天然骨料界面處，致使砂漿首先發(fā)生破碎；此外，砂漿和骨料的介電性能不同，吸收微波能量也不同，導(dǎo)致2種介質(zhì)升溫速率不同，從而使砂漿與骨料的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生較大差異。

3.3 升溫特性

當(dāng)采用3 kW的功率加熱300 s時(shí)，混凝土試塊表面溫度隨加熱時(shí)間變化如圖11所示。由圖11可見，試塊表面溫度快速升高，與時(shí)間近似成直線關(guān)系。試樣中含有水分，水作為偶極子、強(qiáng)極性分子，屬于強(qiáng)吸收微波物質(zhì)，可提高試樣的相對(duì)介電常數(shù)。含水率越高，增長速率越慢，這是由于水分在混凝土內(nèi)部的蒸發(fā)散熱作用，導(dǎo)致溫度降低?；炷猎噳K完全干燥時(shí)，試塊的平均升溫速率為0.33 ℃/s；當(dāng)含水率達(dá)到5.9%時(shí)，試塊的平均升溫速率降低到0.18 ℃/s，降低45%。

圖11 3 kW、300 s加熱路徑下混凝土的升溫特性Fig. 11 Heating characteristics of concrete under 3 kW，300 s heating path

當(dāng)采用5 kW的功率加熱300 s時(shí)，混凝土試塊表面溫度隨加熱時(shí)間變化如圖12所示。由圖12可見，含水率越高，增長速率越慢。混凝土試塊完全干燥時(shí)，試塊的平均升溫速率為0.67 ℃/s；當(dāng)含水率達(dá)到5.9%時(shí)，試塊的平均升溫速率降低到0.51 ℃/s，降低24%。當(dāng)混凝土含水率相對(duì)較高時(shí)，就會(huì)發(fā)生爆裂；達(dá)到飽和狀態(tài)，加熱到211 s時(shí)，試塊在低溫下全部爆裂。

圖12 5 kW、300 s加熱路徑下混凝土的升溫特性Fig. 12 Heating characteristics of concrete under 5 kW，300 s heating path

采用不同的微波功率對(duì)不同含水率混凝土試塊進(jìn)行加熱時(shí)，混凝土升溫特性會(huì)呈現(xiàn)不同的規(guī)律，如圖13所示。2種加熱路徑下，表面溫度相差100 ℃左右，試塊表面溫度降幅差值基本一致；當(dāng)試塊基本達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，試塊在5 kW加熱路徑下全部發(fā)生爆裂，爆裂時(shí)表面平均溫度只達(dá)到132.4 ℃，而破碎后混凝土內(nèi)部溫度高達(dá)238.8 ℃。同一含水率狀態(tài)下，加熱功率越大，混凝土的表面溫度越高，其升溫速率越快。水分對(duì)混凝土試塊在微波加熱條件下的升溫特性也有著重要的影響，由于混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)作用，整體來看，含水率越高，升溫速率越緩慢；對(duì)于干燥混凝土，混凝土的介電特性保持不變，同時(shí)，沒有蒸發(fā)的負(fù)熱源作用，升溫速率呈線性快速增長；隨著含水率的增大，溫度降幅逐漸增大，這是由于含水率相對(duì)較高，混凝土在微波加熱初期溫度升高導(dǎo)致蒸發(fā)速率的增大。一方面，混凝土平均溫度升高導(dǎo)致混凝土中的水分含量減少，混凝土的介電常數(shù)和損耗因子減少，介電損耗產(chǎn)熱能力降低；另一方面，水分蒸發(fā)散熱也會(huì)引起混凝土溫度的下降，因此在微波場中，含水率相對(duì)較高的混凝土在加熱過程中，溫升速率較慢，卻會(huì)出現(xiàn)低溫爆裂現(xiàn)象。

圖13 不同含水率試塊在2種加熱路徑下的表面溫度Fig. 13 Surface temperature of blocks with different water content under two heating paths

3.4 單軸壓縮強(qiáng)度

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下，含水率變化對(duì)試塊單軸壓縮強(qiáng)度影響如圖14所示。由圖14可見，含水率變化對(duì)混凝土單軸壓縮強(qiáng)度影響明顯，試塊抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增高而下降，飽和狀態(tài)下試塊抗壓強(qiáng)度值只有干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度值的71.3%，下降明顯[32]。

圖14 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下試塊抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系Fig. 14 Relationship between the compressive strength and moisture content under standard conservation

2種加熱路徑下混凝土試塊含水率變化對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響結(jié)果如圖15所示。由圖15可見，隨著含水率的增加，經(jīng)過微波加熱后混凝土單軸壓縮強(qiáng)度逐漸降低。采用3 kW進(jìn)行加熱時(shí)，抗壓強(qiáng)度由干燥狀態(tài)下的37.6 MPa降低到飽和狀態(tài)下的27.9 MPa，降低25.8%；采用5 kW進(jìn)行加熱時(shí)，抗壓強(qiáng)度在完全干燥狀態(tài)下只有3 kW加熱條件的90.2%，含水率達(dá)到飽和時(shí)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到極限值，全部發(fā)生爆裂。含水量的變化對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)及抗壓強(qiáng)度有著重要的影響。相比干燥狀態(tài)，微波加熱飽和試樣產(chǎn)生更大的熱力損傷；在一定微波功率下，混凝土強(qiáng)度隨含水率的增加呈擬線性下降。高功率微波對(duì)混凝土強(qiáng)度的衰減程度更大，說明高功率微波更有利于混凝土的破碎，從能量消耗的角度來講，采用高功率微波，可大幅度減少破碎時(shí)間，顯著降低混凝土破碎過程中的能量消耗。

圖15 不同含水率混凝土試塊在2種加熱路徑下的單軸抗壓強(qiáng)度Fig. 15 Uniaxial compressive strength of concrete blocks with different moisture content under two heating paths

4 微波輻射下混凝土低溫爆裂機(jī)理

微波輻射下，不同含水率混凝土在升溫速率、砂漿-骨料界面分離效應(yīng)、混凝土強(qiáng)度等方面有很大差異。而導(dǎo)致不同熱力響應(yīng)的影響因素是混凝土內(nèi)的水分含量，即水的存在。作為良好的微波吸收材料，水的存在可以有效地影響加熱效果，當(dāng)加熱溫度達(dá)到一定水平時(shí)，水的形態(tài)變化會(huì)影響加熱現(xiàn)象，即加熱過程中的傳質(zhì)現(xiàn)象，這種水分的轉(zhuǎn)化會(huì)對(duì)加熱效果產(chǎn)生顯著影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)試塊含水率較高時(shí)，加熱溫度達(dá)到水的沸點(diǎn)，混凝土中的水分快速轉(zhuǎn)換成水蒸氣，在試塊內(nèi)部產(chǎn)生顯著的孔隙壓力，導(dǎo)致應(yīng)變的產(chǎn)生，最終混凝土在低溫下發(fā)生爆裂。

混凝土在微波場中低溫爆裂現(xiàn)象是多個(gè)物理場共同耦合的結(jié)果，由以下原因共同作用：1）混凝土是一種多孔復(fù)合材料，內(nèi)部存在大量的連通孔隙，比如裂隙、毛細(xì)孔等，為水分的運(yùn)輸提供了條件；微波加熱下，各種形態(tài)的水分發(fā)生汽化，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量水蒸氣，氣態(tài)水?dāng)U散，形成孔隙壓力。2）水泥基材料的內(nèi)部熱應(yīng)力由熱失配應(yīng)力和熱梯度應(yīng)力2種應(yīng)力組成。熱失配應(yīng)力是由砂漿和骨料之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）不同引起的，而熱梯度應(yīng)力是由砂漿和骨料在微波輻射下產(chǎn)生的溫度差和同一材料內(nèi)部溫度場的不均勻引起的。3）孔隙壓力和熱應(yīng)力最終導(dǎo)致了應(yīng)變的產(chǎn)生，應(yīng)力和應(yīng)變是引起混凝土在微波場下低溫爆裂的直接因素。

較大的含水量會(huì)增加爆炸剝落的風(fēng)險(xiǎn)和損壞的程度，蒸汽壓理論可以更好地解釋高含水量混凝土的爆裂現(xiàn)象[33]。鞠楊等[34]根據(jù)實(shí)測孔隙微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征和蒸汽壓分布規(guī)律，提出了“薄壁球”模型，定量分析孔隙內(nèi)部蒸汽壓引發(fā)的爆裂力學(xué)機(jī)理。

蒸汽壓力影響范圍內(nèi)孔隙徑向應(yīng)力σρ和環(huán)向應(yīng)力στ分別表示為：

式中：r、R分別為蒸汽壓力影響區(qū)域的內(nèi)外徑；ρ為蒸汽壓影響半徑，球壁內(nèi)r≤ρ≤R的區(qū)域?yàn)榛炷粱w；蒸汽壓力q(T)為飽和蒸汽壓q和溫度T的函數(shù)，q(T)值隨溫度T的增大而增大。

由此得出孔隙影響范圍內(nèi)側(cè)：

圖16 微波作用下混凝土低溫爆裂機(jī)理Fig. 16 Mechanism of concrete low temperature cracking under microwave

5 結(jié) 論

本文采用微波輔助混凝土破碎技術(shù)，進(jìn)行微波輻射試驗(yàn)，并進(jìn)行理論分析，研究微波輻射下含水率對(duì)混凝土強(qiáng)度弱化的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

1）在一定的微波加熱條件下，混凝土水分含量越高，其介電常數(shù)、損耗因子越大，吸收微波能力越強(qiáng)，試塊表面產(chǎn)生的裂隙密度越大，由于水分蒸發(fā)散熱作用，試塊升溫速率反而越低。

2）含水率相對(duì)較高時(shí)，采用高功率微波連續(xù)加熱混凝土；在較低溫度下，試塊較短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生爆裂，大部分碎塊的破壞形態(tài)為沿晶斷裂，骨料與砂漿分離界限明顯，砂漿附著率低，可以從破碎后的混凝土中剔選出來較多完整的骨料。

3）微波對(duì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度是有效的。增大微波輸入功率或水分含量可以顯著提高混凝土內(nèi)部溫度梯度，加速裂紋的擴(kuò)展，增高混凝土試塊的熱損傷程度，使混凝土強(qiáng)度折減有更好的效果。

4）微波功率和水分是混凝土破碎過程中的2個(gè)重要影響因素，通過對(duì)高含水率混凝土進(jìn)行高功率條件下的微波輻射，借助其內(nèi)部迅速產(chǎn)生的水蒸氣，使孔隙壓力超過混凝土的強(qiáng)度極限，在極短時(shí)間使混凝土爆裂，可以顯著降低混凝土破碎循環(huán)利用過程中的能量消耗，最大限度地降低砂漿-骨料的黏結(jié)強(qiáng)度，去除黏著的砂漿基體，這對(duì)微波輔助廢棄混凝土骨料回收技術(shù)具有重要的意義。