摘要
传统混凝土破碎技术存在粗骨料损伤大、机械磨损严重和能耗高等弊端,这些问题可以通过在破碎前对混凝土进行微波处理来解决。为了评价微波处理技术的工业适用性,通过不同功率微波对混凝土试件进行加热,并与传统加热方式相比较,研究混凝土的加热效率和宏观裂纹扩展规律,而后进行单轴抗压强度试验,得到混凝土在不同热处理条件下的强度弱化规律。结果表明:与传统加热方式相比,微波加热技术能有效促进混凝土内部和表面裂纹扩展,削弱混凝土的强度,并且高功率微波下效率更高,能量消耗更少。此外,微波加热时未完全烘干的混凝土容易出现低温爆裂现象,爆裂时间与功率水平呈负幂函数关系,与烘干时间呈正幂函数关系。
粗骨料占据了混凝土总体积的60%~75%,其生产主要依赖于开山及挖河采石,造成水土流失、河道破坏等一系列问
对再生粗骨料回收利用的关键处理环节是破碎混凝土并将水泥砂浆与粗骨料分离。现有机械破碎技术对再生粗骨料造成损伤,且无法有效分离粗骨料和砂浆,导致再生粗骨料表观密度小、吸水率高及力学性能差等一系列问题。有学者提出,通过300 ℃高温加热可使水泥水化产物脱水,与骨料分
已有研究表
研究采用P·O 42.5水泥,其化学成分见
CaO | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | SO3 |
---|---|---|---|---|
57.57 | 19.50 | 6.45 | 3.08 | 2.01 |
K2O | MgO | P2O5 | TiO2 | Na2O |
1.35 | 1.21 | 0.43 | 0.34 | 0.25 |

图1 玄武岩的岩相显微图像
Fig. 1 Petrographic microscopy images of basalt
强度等级 | W/C | 配合比/(kg· | 砂率/% | 坍落度/mm | 抗压强度/MPa | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
水泥 | 中砂 | 石子 | 水 | |||||
C20 | 0.60 | 358 | 654 | 1 114 | 215 | 37.0 | 98 | 21.57 |
共制备100 mm×100 mm×100 mm的立方体混凝土试件200块,其中,108块在3种微波功率下加热,36块用于传统加热。
微波加热采用湖南昌兆微波技术开发有限公司生产的工业多模微波加热系统(CY-MU1000C-L)进行。入射微波功率在0~6 000 W范围内可调,水冷磁控管的工作频率为2.45 GHz。微波输入功率和曝光时间由可编程逻辑控制器(PLC)和触摸屏控制,如

图2 CY-MU1000C-L多模工业微波加热系统
Fig. 2 CY-MU1000C-L multi-mode industrial microwave heating system
微波加热腔的尺寸为410 mm×320 mm×414 mm,如

图3 工作频率为2.45 GHz的多模微波系统和测温示意图
Fig. 3 Schematic diagram of multimode microwave system operating at a frequency of 2.45 GHz and temperature measurement
传统加热采用洛阳力宇窑炉有限公司生产的LYL-17LB型马弗炉,如

图4 LYL-17LB常规加热炉加热系统
Fig. 4 LYL-17LB conventional furnaces heating system
经28 d标准养护完成后,部分试样由于未进行烘干,在微波加热时出现了低温炸裂现象,如

图5 微波加热下试件炸裂
Fig. 5 Specimen bursting at microwave heating
试样在高微波功率下发生炸裂所需的时间较短,

图6 未烘干试样的炸裂时间与功率水平的幂关系
Fig. 6 Power relationship between the burst time and power level for samples not dried

图7 6 kW微波功率下试件的炸裂时间与烘干时间的关系
Fig. 7 The relationship between bursting time and drying time of specimens at 6 kW power
在100 ℃条件下烘干15 h后,36组试件的加热效率如

图8 试样表面温度和热处理时间的函数
Fig. 8 Surface temperatures as a function of heat treatment time for the specimens
如

图9 玄武岩粗骨料的温度和热处理时间的函数
Fig. 9 Temperatures as a function of heat treatment time for basalt coarse aggregate
加热方式 | 500 ℃时试件的加热时间/s | 能量消耗/kJ | 升温速率/ (℃· |
---|---|---|---|
传统加热 | 1 960 | 29 412 | 0.26 |
4 kW微波加热 | 901 | 3 600 | 0.55 |
5 kW微波加热 | 518 | 2 592 | 0.97 |
6 kW微波加热 | 290 | 1 728 | 1.72 |
热处理后,几乎所有经微波加热过的试件表面均出现裂纹,而经马弗炉加热的试件仅有极少部分出现裂纹。

(a) 4 kW微波功率,200 ℃

(b) 5 kW微波功率,150 ℃

(c) 6 kW微波功率,100 ℃

(d) 传统加热,500 ℃
图10 试件表面裂纹萌生
Fig. 10 Crack initiation on the surface of the specimens

(a) 4 kW微波功率,500 ℃

(b) 5 kW微波功率,500 ℃

(c) 6 kW微波功率,500 ℃
图11 试件表面裂纹扩展
Fig. 11 Crack propagation on the surface of the specimen
由
传统加热和6 kW微波加热下试件的横截面见

图12 混凝土在不同温度下的横截面图像
Fig. 12 Cross-section images of concrete at different temperatures
试件经热处理后,在MATLAB中利用rgb2gray函数将RGB模式下的源图像转换为灰度图像,采用二值化算法对灰度图像进行二值化,其中,一些像素被二值化为裂缝,另一些作为背景。6 kW微波功率下试件表面的二值化图像如

图13 6 kW微波功率下裂纹的源图像和二值化图像
Fig. 13 Source images and binary images of cracks at 6 kW microwave power

图14 各温度下试块表面的宏观裂纹密度
Fig. 14 Macroscopic crack density of specimen surface at different temperatures
各加热条件下试件的单轴抗压强度与表面温度和热处理时间的关系分别见

(a) 单轴抗压强度值

(b) 单轴抗压强度损失百分率
图15 单轴抗压强度值和单轴抗压强度损失百分率作为温度的函数
Fig. 15 The UCS values and UCS loss percentage as a function of temperature

(a) 单轴抗压强度值

(b) 单轴抗压强度损失百分率
图16 单轴抗压强度值和单轴抗压强度损失百分率作为时间的函数
Fig. 16 The UCS values and UCS loss percentage as a function of heating time
在微波加热过程中,随着温度升高,混凝土内部的裂纹萌生和扩展引起表面裂纹出现及混凝土强度降低,内部裂纹主要表现为界面裂纹的发展,说明砂浆—骨料界面裂纹的逐渐发展导致了混凝土强度降低。然而,在传统加热过程中,温度较低时不存在试件内部裂纹产生的条件,因此试件强度变化很小。
两种加热方式下试件强度的弱化速率如
微波功率对于试件强度的弱化速率有很大影响,从
微波辅助混凝土破碎的目的是预先削弱砂浆—粗骨料界面的粘结强度,再与机械破碎方法相结合剔选出粗骨料,既能轻易地消除粘结砂浆,又不会在破碎过程中损伤粗骨料。结果表明,在200~400 ℃之间,微波照射可以使骨料—砂浆界面出现裂纹,弱化混凝土的强度,达到粗骨料释放的效果,并且高功率照射效率更高。值得注意的是,混凝土表面温度不超过400 ℃可以减少再生粗骨料的损伤,且需要额外试验保证再生粗骨料的质量才能加快微波技术在再生粗骨料回收领域的应用。
以微波破碎混凝土技术为背景,与传统加热方式相比,研究了微波加热下混凝土的破坏特征,主要结论如下:
1)以100 ℃烘干不足15 h的混凝土试件在微波加热时容易出现低温爆裂现象,爆裂时间与微波输入功率呈负幂函数关系,与烘干时间呈正幂函数关系。
2)微波加热效率远远大于传统加热,尤其是在加热初期。微波输入功率越高,加热速率越快,加热至相同温度所需能量越少,同功率下混凝土的加热时间和表面温度呈线性关系。
3)与传统加热方式相比,微波加热后混凝土表面的宏观裂纹密度更大,功率越高,裂纹密度越大,混凝土强度折减程度越大。当混凝土表面温度不超过400 ℃时,粗骨料和砂浆界面裂纹的发展是混凝土破坏和强度降低的主导因素。反之,传统加热下混凝土内部几乎不出现裂纹,强度变化很小。
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