微波辐照剔选高品质再生粗骨料技术

屠冰冰 孙雪花

摘 要：微波辐照剔选高品质再生粗骨料技术，是改善建筑垃圾“围城局面”，实现建筑垃圾资源化再利用的有效途径，但目前对于该项新技术的认识还不够清楚，相关工艺尚不成熟。对比介绍了传统再生粗骨料剔选技术和微波辐照技术所剔选出的再生粗骨料品质，分析了微波辐照技术的特点、应用前景和经济效益。研究表明，采用微波辐照技术剔选出的再生粗骨料砂浆包裹率低、品质较好;微波辐照技术具有较好的应用前景，能够带来明显的经济效益。因此，政府相关部门应给予鼓励政策，推动微波辐照技术在建筑垃圾资源化再利用中的应用，进而推动了再生混凝土在实际工程中的应用。

关键词：微波辐照技术;再生粗骨料;建筑垃圾

中图分类号：TU 502

文献标识码：A 文章编号：1672-7312（2020）05-0443-05

Microwave Irradiation Technology for Selecting High

Quality Recycled Coarse Aggregate

TU Bing-bing1，SUN Xue-hua2

（1.College ofSciences，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;2.College of Electrical and Control Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：Microwave irradiation technology of high quality recycled coarse aggregate is an effective way to improve the “siege situation” of construction waste and realize the recycling of construction waste.However，the current understanding of this new technology is not clear enough，and the related

technology is stillimmature.The characteristics，application prospect and economic benefit of microwave irradiation technology are analyzed.The results show that the recycled coarse aggregate mortar selected by microwave irradiation has low encapsulation rate and good quality.Microwave irradiation technology has a good application prospect and can bring obvious economic benefits.Therefore，relevant government departments should give encouragement policies to promote the application of microwave irradiation technology in the recycling of construction waste，thus promoting the application of recycled concrete in practical projects.

Key words：microwave irradiation technique;recycled coarse aggregate;construction waste

0 引言

随着我国土木工程事业的快速发展，我国城市每年产生建筑垃圾约16亿t，已占到城市垃圾总量的30%～40%。目前，各大城市正处于大发展、大建设时期，随着城中村改造的加速和废旧建筑的不断拆除，建筑垃圾逐年增加。除一小部分建筑垃圾用作道路和建筑物的基础垫层外，绝大部分未经任何处理，便被运往郊外露天堆放或填埋，既浪费资源，又污染环境。相关专家以西安市为例，声称如果将西安市产生的建筑垃圾集中堆放到约13 km2的明城墙内，今后五年产生的建筑垃圾总量将填平整个西安古城。建筑垃圾加剧了土地、资源的紧张局面，已经严重影响到社会经济和生态环境的协调发展。建筑垃圾资源化再利用是最终出路，是发展循环经济、建设环境友好型和资源节约型社会的重要举措，也是贯彻落实科学发展观、实现可持续发展、保护环境的必然要求。

建筑垃圾的主要成分是混凝土，将废弃混凝土块再利用重新浇筑成再生混凝土是处理建筑垃圾的主要思路。目前，关于建筑垃圾回收利用及剔选方法已取得较好的成果，一定程度上实现了净化和循环利用的目的。石建光[1]分析了骨料级配和化学成分对再生混凝土强度的影响，提出颗粒级配对再生混凝土强度影响显著。李秋义[2]等提出了一种再生粗骨料颗粒整形剔选工艺，利用此工艺从废弃混凝土块中剔选出的再生粗骨料品质较高。吴祖达[3]研究了不同再生粗骨料剔选工艺所对应的基本物理参数，为再生粗骨料在工程中的應用提供了依据。孙增昌[4]等对比分析了现有的4种再生粗骨料强化方法：加热磨损法、改进机械研磨法、化学强化方法和再生粗骨料湿处理方法，指出各种方法的优缺点。Pandurangan[5]等分析了不同改性工艺对再生粗骨料混凝土粘结性能的影响规律。Saravanakumar[6]等对比分析了经过4种化学溶液浸泡、改性后的再生粗骨料基本物理性能，发现经过HCl溶液处理后的再生粗骨料某些特性得到显著提高。

但传统的再生粗骨料剔选或改性工艺仍存在以下问题。一是无法将再生粗骨料表面所包裹的旧砂浆体剔除完全，导致再生粗骨料存在弱化分界面，强度较低。二是传统的机械破碎工艺将在再生粗骨料内部引起二次裂纹，导致再生骨料与天然骨料相比，吸水率大、孔隙率大、品质差，只能用于路基路面或基础垫层等非承重结构;同时，破碎现场扬尘，将造成环境的二次污染。为此，近年来相关学者试图结合微波辐照技术[7-8]，提出了一种新的再生粗骨料剔选技术，即微波辅照剔选技术[9]。但该项技术刚刚提出，相关机理及工艺尚不成熟。

在对比分析现有再生粗骨料剔选工艺基础上，介绍微波辐照剔选技术的特点、剔选效果、应用前景和经济效益，以期为微波辐照剔选技术的应用、推广提供参考，促进我国建筑垃圾资源化再利用进程。

1 再生粗骨料剔选技术

针对建筑垃圾中废弃混凝土块中的粗骨料，传统的剔选方法主要有[10-13]：物理剔选法（高温处理法、研磨法、颗粒整形法和湿处理法）和化学剔选法（碳化法和溶液浸泡法）两大类。近年来提出的微波辅照剔选技术较好地解决了现有建筑垃圾处理技术成本高、剔选率低、骨料品质差、环境二次污染严重等问题，有效缓解了建筑垃圾的围城局面，真正实现了建筑垃圾的资源化再利用。

图1对比了不同剔选工艺所剔选出的再生粗骨料与天然骨料的差异。可见，微波辐照技术所剔选出的粗骨料砂浆包裹率低、品质好，与天然骨料特性最接近。

表1对比了不同来源建筑垃圾通过微波辅照剔选技术剔选出的再生粗骨料颗粒级配与天然粗骨料的区别。可见，不同来源建筑垃圾所对应的大颗粒粗骨料（>30 mm）筛余量差异较大，但小颗粒粗骨料（<30 mm）筛余量差异较小。

2 微波辐照技术特点

2.1 微波加热特点

微波[14]是指频率范围在300 MHz～ 300 GHz之间，波长范围为1～1 000 mm，能够应用波导和谐振腔技术进行发射和接收的电磁波。不同类型电磁波频率和波长范围如图2所示。

微波加热具有如下特点：

1）加热速度快。微波穿透距离与电磁波波长同数量级，且不需要热传导过程，可实现短时间内整体式加热。

2）加热均匀。微波加热时，物体各部分无论形状如何，都能均匀渗透微波产生热量。均匀性加热可避免外焦内生、外干内湿的现象。

3）微波膨化。微波的内部加热特性，使物料内部迅速受热升温产生大量蒸汽。随着蒸汽的不断排出，物料内部形成无数的微小孔道，使物料组织膨胀，疏松。

4）选择性加热。微波对不同性质物料加热效果不同。水分子对微波的吸收最好，含水率高的物料或部位，吸收微波功率较多。

5）工艺先进、易控制。微波加热只需有水、电的基本条件，只要控制微波功率即可实现立即加热或终止，应用微波设备可进行加热过程和加热工艺规范的自动化控制。

6）占地面积少，安全无害。由于微波能是控制在金属制成的加热室内和波导管中工作，所以微波泄漏极少，没有放射线危害及有害气体排放，不产生余热和粉尘污染;既不污染食物，也不污染环境。

正是由于微波加热具有选择性，而废弃混凝土块中的粗骨料和砂浆体相对介电常数不同，在微波照射下同时加热，但升温程度不同，使骨料与砂浆体间接触面因温度应力而产生裂缝。废弃混凝土块经过微波照射后，辅助机械振动，即可将粗骨料表面所包裹的砂浆完全剥离，进而剔选出高品质的再生粗骨料。微波加热装置如图3所示。

2.2 微波加热原理

刘君[15]等通过试验得出混凝土的介电常数为

式中：c为光速，m/s;d为试件厚度，mm;θi入射角，℃;

fi为反射极小值频率，Hz。

张卫强[16]提出单位体积介质损耗微波功率与电场强度和介质特性存在如下关系

（2）

式中：f为

微波频率，Hz;E为电场强度，V/m;tanδ为介质损耗角正切值;εr为物质相对介电常数，H/m。

可将tanδ定义为

tanδ=ε″r（w）ε′r（w）

（3）

式中：

ε″r（w）为

介质损耗;ε′r（w）为介质存储电荷能力。

可将εr为定义为

式中：σ為介质电导率，S/m;ω为电磁波角频率，rad/s;

ε0真空介质常数，F/m。

微波照射后，粗骨料和砂浆作为两种介电常数不同的材料，温度升高程度不同（图4），会在分界面处形成温度梯度，进而引起温度裂纹。随着裂纹的不断延伸，骨料和包裹砂浆最终分离，使得包裹粗骨料的旧砂浆量几乎为零。

3 微波辐照技术应用前景及经济效益

微波辅助机械高品质骨料剔选技术较好地解决了现有建筑垃圾处理技术成本高、剔选率低、骨料品质差、环境二次污染严重等问题。

长期以来，建筑垃圾主要以堆填方式简单处理。按照每填埋1万t建筑垃圾占用1亩土地计算，每年产生的建筑垃圾需占用1 000亩以上土地。建筑垃圾资源化再利用具有明显的社会、环境和经济效益。

为了有效实现建筑垃圾资源化再利用，采用微波辅助机械剔选工艺对建筑垃圾进行源头处理，推动建筑垃圾再利用的产业化趋势，大幅减少城市垃圾填埋量，应用前景如下。

3.1 符合国家资源利用政策

该项目拟采用的骨料剔选工艺不会对环境造成二次污染。城市垃圾无害化处理，既可以解决城市建筑垃圾的出路，又避免了环境污染，符合国家有关资源综合利用的政策，具有环境保护、资源回收再利用等良好的社会效益。

3.2 促进地区经济发展

该项目拟提出的微波辅助机械骨料剔选工艺的有效实施，可使西安市现有建筑垃圾受纳场使用年限延长50 a以上，相当于节约土地资源500多万m2，同时可使政府节约工程、征地青苗补偿等各类投资减少数亿元。

3.3 改善市民生活环境

建筑垃圾直接填埋的处理方式，对填埋场地周围及运输路线沿途市民的生产和生活造成一定影响，主要体现在以下几方面：①填埋场地主要大气污染物H2S浓度比周围高;②填埋场地渗滤液有机污染较严重，对附近地下水和地面水水质有一定影响;③填埋场地被砖石覆盖，影响景观，污染农田。该项目的开展，将实现建筑垃圾的循环利用，解决建筑垃圾对西安市市民生活和健康的影响。

4 结论

1）与传统再生粗骨料剔选技术相比，微波辐照技术能够剔选出高品质再生粗骨料，制备出性能良好的再生混凝土，符合我国节能高效、可持续发展的环保要求。

2）微波辐照技术能够有效解决建筑垃圾的资源化再利用问题，改善建筑垃圾“围城局面”，具有较好的应用前景和经济效益，应受到国家、政府和相关科研工作者的广泛重视。

参考文献：

[1]石建光.再生粗骨料对混凝土性能影响的试验研究和计算分析[D].上海：上海大学，2010.

[2]李秋义，朱亚光，高嵩.我国高品质再生骨料制备技术及质量评定方法[J].青岛理工大学学报，2009，30（04）：1-4.

[3]吴祖达.再生骨料混凝土性能研究[D].泉州：华侨大学，2014.

[4]孙增昌，王汝恒，古松.再生骨料混凝土增强技术研究现状分析[J].混凝土，2010（02）：57-59.

[5]Pandurangan K，Dayanithy A，Om Prakash S.Influence of treatment methods on the bond strength of recycled aggregate concrete[J].Construction and Building Materials，2016（120）：212-221.

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[16]张卫强.介质材料对微波炉腔体匹配影响的研究[D].成都：电子科技大学，2015.

（责任编辑：张 江）