微波照射下钢筋混凝土升温特性

2020-04-22李栋烁

科学技术与工程 2020年2期

戴俊，李慧，李栋烁

(西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054)

在城市地下建筑和房屋改造等实际工程中，混凝土结构拆除技术已经成为一项不可缺少的技术。目前最常见的混凝土破碎工艺为机械破碎和爆破法[1]，其中机械破碎噪音大、生产效率低，爆破法噪音大、粉尘大，受到很多外在条件的限制。因此具有明显高效、低噪、绿色环保的微波辅助机械法逐渐得到应用。

目前有关高温下钢筋混凝土粘结特性以及微波辅助破岩方面的研究结果表明：高温会削弱钢筋混凝土的黏结强度[2-3]，且微波在混凝土破碎技术中具有即时性和利用率高等优点[4-7]。Dai等[8]和戴俊等[9]通过对微波照射后混凝土强度劣化规律进行研究，结果发现微波照射可使混凝土强度发生减弱，并受照射功率和照射时间的影响，为混凝土破碎开辟了一种新的思路；杜文平等[10]通过微波照射废弃混凝土热成像试验得出微波加热为体加热，比常规加热装置所需时间短，为研究微波辅助机械剔选废弃混凝土工艺提供指导意义。以上研究成果虽然将微波加热应用到混凝土破碎中，但对于钢筋混凝土在微波照射过程中的具体行为表现未作详细解释，而钢筋混凝土温度变化关系是造成钢筋混凝土黏结力发生变化的根本原因，因此对于微波照射下钢筋混凝土升温特性的研究是非常有必要的。

为此，在已有研究的基础上，以普通钢筋混凝土试件为对象，通过试验的方法对微波加热过程中钢筋和混凝土的升温行为表现进行研究，分析在不同微波功率下钢筋和混凝土温度变化差异，并且对造成的差异做出解释，为微波辅助机械破碎工艺提供一定的试验基础和理论指导。

1 微波加热原理

微波加热物质的过程实际上是微波通过加热物质内部介电性能良好的介质使其升温。混凝土介质中含有大量的极性分子，在迅速变化的电磁场中，介质内部的极性分子受到的电场力作用而发生剧烈摩擦，发生了由电磁能到热能的转化，从而使混凝土升温。

一般情况下，若忽略混凝土内部电子、离子导电率对微波损耗的影响，单位体积混凝土损耗的微波功率(也称微波功率的耗散密度)pd可表示为

Pd=2πfγ0γ″M2

(1)

式(1)中：f为微波的频率；γ0为真空介电常数(等于8.85×10-12F/m)；γ″为介质的相对介电常数；M为混凝土内部的有效电场强度。

由于在混凝土结构中，不同组分材料的相对介电常数不同，微波功率的耗散密度不同，这就导致被照射的混凝土内部产生不均匀的温度变化；另一方面，钢筋属于金属，不吸收微波，不会受到微波功率的影响。因此，需要通过试验验证微波照射下钢筋混凝土结构的升温特性。

2 试验安排

2.1 试验设备及试件

(1)试验设备：微波加热设备(南京奥润公司生产的ORW10SY-3T高功率大型工业微波炉，额定电压380 V，输出功率范围为0～10 kV)、热成像试验图像采集设备(美国菲利尔T420热成像仪)、实时测温装置、混凝土搅拌机。

(2)试件：混凝土强度等级为C30。根据《普通混凝土配合比设计规程》，混凝土配合比(重量比)为：水泥∶水∶砂∶石子= 1∶0.46∶1.29∶1.93，钢筋取直径为16 mm、长度为250 mm的HRB400型钢筋。试块达到强度要求后拆模，在相同外界环境下养护28 d。一共制作6块素混凝土试块(100 mm×100 mm×100 mm)和12块钢筋混凝土试块(150 mm×150 mm×150 mm)，分为5组，其中4组每组2个，剩下4个为1组。混凝土模具及成型试件如图1所示，水泥、钢筋具体参数见表1、表2。

图1 试件模具和成型试件

2.2 试验过程

2.2.1 预试验

将照射时间确定为5 min，用不同功率(3 000、4 000、5 000、6 000 W)的微波对4块素混凝土试块分别进行照射，以确定合适的照射功率范围。照射过程中发现当功率为6 000 W时，试块在1 min 16 s有炸裂现象。为避免试验偶然性，继续用6 000 W微波照射剩余2块素混凝土试块，结果发现试块分别在2 min 40 s和4 min 11 s时有炸裂现象。

根据预试验结果可以判定，5 000 W为照射时间为5 min时的功率上限，由此确定后续试验中采用的方案为：照射时间5 min，功率分别为1 000、2 000、3 000、4 000 W。

2.2.2 热成像试验

将时间设定为5 min，分别采用不同功率(1 000、2 000、3 000、4 000 W)的微波照射随机选取的4块钢筋混凝土试块，时间结束之后立即对试块进行热成像的图像采集，并生成热成像报告图。

表1 水泥物理力学指标

表2 钢筋力学性能参数

这里混凝土表面测线布置方式为：在混凝土表面横向和竖向各取三条等距离直线。钢筋测点布置方式为：在钢筋两端裸露部分取两点。四次试验试块在微波炉中的位置需保持一致：以微波炉舱门为固定视角，钢筋位于试块左右两端，试块顶面和前面随机放置。

2.2.3 连续升温测定试验

将8个试件随机分成4组，每组2个，编号见表3。将时间设定为5 min，采用不同功率(1 000、2 000、3 000、4 000 W)的微波分别照射表中4组钢筋混凝土试块。测温计的布置方式(图2)为：将3个探头用耐高温铝箔纸随机固定在混凝土表面位置，剩下的一个探头固定在钢筋端部。测量过程中用摄像机同步计时录像，每隔10 s进行一次读数。

表3 升温测定试件编号表

图2 测温布置实物图

3 试验结果及分析

3.1 热成像试验结果分析

微波照射结束后，对采集到的热成像处理生成的报告图如图3所示；通过对图像中各测点温度的比较分析，可得出不同功率微波照射后混凝土表面和钢筋测点最高温度变化曲线(图4)以及试块温度值离散程度变化曲线(图5)。

通过分析图4可以确定，钢筋混凝土试块升温情况受到微波照射功率的影响，混凝土表面最高温度和钢筋测点最高温度随微波功率的升高均增大，但两者增加的幅度有差异，混凝土表面温度增幅较钢筋温度增幅要大。根据图5可知，钢筋混凝土各测线温度值的标准差、测线与测点温度值的极差均随着微波功率的升高而增大，这表明随着微波功率的增大，混凝土表面温度分布越来不均匀，钢筋与混凝土之间的温度梯度一直增大。

对以上试验结果的原因分析：混凝土试块内部的粗骨料具有较强吸波性质，但其分布并不均匀，因此试块受到微波加热后混凝土各部位温度分布也呈现出不均匀性。随着微波功率增大，混凝土内部吸波较强的组分温度就越高，但是由于混凝土属于惰性材料，各个组分之间的热传递不够迅速，于是造成了试块各个部位温度不均匀性增大。对于钢筋而言，其温度的改变与微波功率大小无关，而是由于周边混凝土的热传递作用，因此钢筋测点温度上升幅度相对小的多。另外，混凝土中粗骨料与钢筋之间存在砂浆以及空隙这些惰性物质，导致热传递速率远低于吸收微波的速率，因此钢筋与混凝土之间的温度梯度随功率的升高而不断增大。

由热成像试验可进行如下推论：当微波功率处于1 000～5 000 W，钢筋混凝土结构受到微波照射后会形成一定的温度梯度，导致结构内部产生热应力以及不协调变形，从而在钢筋混凝土粘结面产生粘结损伤。

3.2 微波照射下钢筋混凝土连续升温测定试验结果及分析

通过对不同微波功率照射下的4组钢筋混凝土试块的升温探测，对数据进行整理，得到图6所示的温度-时间曲线。

通过分析图6可以发现，同一微波功率照射下的2个试块混凝土表面的6个测点温度-时间曲线明显不同，而钢筋末端的2个测点温度-时间曲线基本重合；不同微波功率照射下，试件升温的平均速度随着微波功率的增大而增大，钢筋与混凝土的温差也随着微波功率的增大而增大，此结论与热成像试验保持一致。为了更确切地说明钢筋混凝土试件针对微波照射功率改变的升温特性，取各组中温度最高的测点升温特性曲线进行分析，其中混凝土测点取T-102测点2、T-201测点1、T-301测点1和T-401测点2，对应钢筋测点取T-102、T-201、T-301和T-401。

分析选取的混凝土测点的温度-时间曲线：T-102测点2，升温速率在前200 s平均值为0.42 ℃·s-1，200 s之后减小；T-201测点1，升温速率在前120 s平均值为0.83 ℃/s，120 s之后减小；T-301测点1，升温速率在前70 s平均值为1.25 ℃/s，70 s之后减小；T-401测点2，升温速率在前40 s平均值为2.23 ℃/s，40 s之后减小；即在1 000、2 000、3 000、4 000 W微波照射下选取测点的升温速率分别在200、120、70、40 s最快，之后又变慢。对于钢筋测点而言，虽然温度随着微波功率增大而升高，但其增大的趋势都比较平缓，升温速率差别不大，且增加的幅度也较小。

通过对混凝土表面其他测点的温度变化曲线的比较分析还可以可得出：微波功率分别为1 000、2 000、3 000、4 000 W时，混凝土表面其他测点升温速率分别在200、120、70、40 s左右达到最大值，与选中测点基本一致。于是可以确定混凝土在升温过程中存在速率变化临界点，在实际应用中可以参考此结论设置微波最佳照射时间。