微波加热法增强再生粗骨料性能的试验研究

王 建，于 瑶，李 豪，王德志，2，3，4*，张晓华，2，3，王鹏刚

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏银川 750021；3.宁夏土木工程防震减灾工程技术研究中心，宁夏银川 750021；4.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川 750021；5.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033）

随着新建筑的开建和旧建筑破拆，带来的是大量建筑废弃物处理难和天然砂石短缺等问题。建筑废弃物存在存量大、利用率低的问题，多数选择堆放或就地掩埋，造成了大量土地资源的浪费，同时伴随着环境污染问题。针对上述问题，相关学者基于“废弃物—再生产品资源—废弃物—再生产品资源”的循环经济发展模式提出了建筑固废再生骨料的制备方法，废弃混凝土经破碎、筛分、洗涤后粒径大于5 mm 的即为再生粗骨料。研究表明[1—5]，再生粗骨料较天然骨料表观密度小、吸水率大、坚固性较差，因此由再生骨料制备的混凝土的力学性能及耐久性会有一定程度的降低。主要原因是再生粗骨料表面存在粘附的旧砂浆，旧砂浆吸水率大且与骨料之间存在界面过渡区[6]，导致再生骨料品质较差。因此，去除再生骨料表面老旧砂浆，降低老旧砂浆含量，是提升再生粗骨料及再生混凝土性能的根本方法。为解决再生骨料老旧砂浆引起的骨料物理性能降低问题，相关学者提出了再生骨料改性方法，并作了针对性研究。已有再生骨料改性方法可分为两大类，物理改性方法及化学改性方法。化学方法一般是将再生集料浸入聚合物、水泥砂浆、酸、碱等液体中[7]，再生骨料表面的老旧砂浆与化学液体反应生成晶体或者胶凝体，通过该物质的填充性修补老旧砂浆中的裂缝和孔隙，从而降低了再生骨料的孔隙率，提高了物理力学性能[7—10]。然而化学方法存在一定的操作复杂及污染环境的缺点。物理方法则操作简便且环境污染较小，分为机械研磨和热处理法两类。其中机械研磨和传统加热法都存在能耗高的问题，且机械研磨、传统加热方法分别会对骨料造成机械损伤和高温损伤[11]，导致骨料性能降低。微波加热法的提出则在降低能耗的同时减少了骨料损伤，使得再生骨料品质有了一定的提升[11—14]。

微波加热法的原理是通过微波加热使石料与旧砂浆间产生温度应力，从而去除表面老旧砂浆。再生骨料所含旧砂浆和石料均为电介质，不同的电介质因其介电常数不同而对微波能量的吸收不同。砂浆较石料有着更小的介电常数，对于微波加热的敏感度更高，更易吸收微波能量[12—13，15]。相同微波加热时间下砂浆更易达到其分解温度（300 ℃），使其强度下降，而石料仍处于较低温度，使得旧砂浆与石料的界面区产生较高的温度应力，从而导致外部旧砂浆的脱落，以此达到去除再生粗骨料表面老旧砂浆的目的。肖建庄等[11]使用家用微波炉处理再生骨料，以较低功率加热-水洗冷却循环去除再生骨料旧砂浆，但是存在加热-水洗冷却循环次数过多的问题。赵海鑫等[14]提出以低功率（400 W、800 W）及高功率（1 600 W）对不同状态的再生骨料进行微波处理，再生骨料增强效果明显，但未研究中等微波处理对再生粗骨料性能的影响及处理后再生骨料对混凝土强度的影响。

针对上述研究中不同功率、加热-水冷循环次数及冷却方式对砂浆去除效果的影响研究较少的问题，为获取更优的老旧砂浆去除方法，本文研究微波加热功率、冷却方式、加热-水冷循环次数等因素对老旧砂浆的去除效果和对再生骨料物理力学性能的影响，分析对比试验结果，对再生骨料表面老旧砂浆的去除方法进行优化，并以此基础研究再生骨料对混凝土力学性能的影响。

1 材料与方法

1.1 再生粗骨料粘附砂浆去除试验

再生骨料由废弃旧楼板破碎而成，粒径为5～16 mm。微波炉为功率0～1 200 W，连续可调。试验过程如下：称取洗净烘干后的再生粗骨料（5 kg）；将再生骨料放入耐高温的托盘中，置于微波炉内按设定功率进行加热；加热结束后将骨料放于空气中冷却5 min 或倒入水中（18 ℃）冷却2 min；重复至设定循环次数。

1.2 再生粗骨料表面老旧砂浆去除率测量试验

选用热处理方法[16—18]测量再生粗骨料表面的老旧砂浆去除率，该方法较酸溶解法、观察测量法等方法适用范围广、操作简便且误差较小，具体步骤如下:

（1）将质量M1的再生粗骨料样品浸入水中直至达到吸水饱和状态。

（2）吸水饱和的样品放入高温烘箱中，加热至600 ℃并保温2 h，取出样品后立即浸入冷水中。

（3）经以上操作后，大部分老旧砂浆可自动脱落，通过橡胶锤锤击使残余砂浆脱落。将处理完毕的骨料用孔径为4 mm 的筛子进行筛分，得到粒径小于4 mm 的粗骨料，质量M2。老旧砂浆去除率（η）按下式进行计算：

1.3 微波加热方案

试验采用4 个不同的加热功率840，960，1 080，1 200 W 进行加热，每次加热5 min；冷却方式为自然冷却（室温冷却5 min）及水冷（18 ℃水中冷却2 min）；加热-冷却循环次数设定为10，15，20 次。按1.1 节所示试验步骤进行试验后，测定吸水率、表观密度及压碎指标，老旧砂浆去除率以1.2 节所示方法测定并计算。微波加热试验方案如表1 所示。

表1 微波加热试验方案表

1.4 再生混凝土力学试验

对试验结果进行分析，选取最优老旧砂浆去除方案，制备试验所需粗骨料。以0%，25%，50%的再生粗骨料掺量浇筑3 组再生混凝土试件，测定规定养护龄期（35 d）再生混凝土抗压强度，具体配合比如表2 所示。

表2 再生混凝土配合比

2 结果与分析

2.1 微波功率对老旧砂浆去除率的影响

再生粗骨料表面的老旧砂浆去除率随着微波功率的增大呈现出逐渐增加的趋势，如图1 所示。840 W 加热处理后骨料的老旧砂浆去除率较未处理骨料增加13.3%，960 W 的功率下再生骨料的老旧砂浆去除率较未处理骨料增加17.7%，而1 080 W、1 200 W 的加热功率较960 W 的功率下老旧砂浆的去除效果提升不大。可见微波加热去除再生粗骨料表面的老旧砂浆是可行的，且微波功率与老旧砂浆去除效果存在一定的关系。考虑能耗以及经济效益的因素，可优先选取中等微波功率（960 W）对再生粗骨料进行微波加热处理。

图1 不同功率对老旧砂浆去除率的影响

2.2 微波加热-水冷循环次数对老旧砂浆去除率的影响

循环次数对再生粗骨料表面的老旧砂浆去除率的影响如图2 所示。在加热功率为960 W 时随着微波加热-水冷循环次数增加，再生粗骨料表面的老旧砂浆去除率增大。相较未处理再生粗骨料，循环10 次的老旧砂浆去除率为67.5%，循环15 次的老旧砂浆去除率为68.6%，循环20 次的老旧砂浆去除率提高至69.4%。可见加热-水冷循环次数超过10次后，老旧砂浆对循环次数不再敏感。

图2 循环次数对老旧砂浆去除率的影响

微波加热是由外而内进行的，循环次数越多，天然骨料温度越高，致使老旧砂浆与骨料温度应力差减小，老旧砂浆去除效果降低[14]。因此为使老旧砂浆去除效果最优，选择微波加热-水冷循环次数为10 次。

2.3 冷却方式对老旧砂浆去除率的影响

浸水冷却可使再生粗骨料表面的老旧砂浆层快速降温，形成一定的温度应力，降低老旧砂浆强度，从而使老旧砂浆脱落，减少再生粗骨料表面的老旧砂浆。由图3 知，浸水冷却较自然冷却使得再生粗骨料表面老旧砂浆去除效果更明显，浸水冷却处理的再生粗骨料老旧砂浆去除率为67.5%，较自然冷却方式提高了7.4%。浸水冷却可产生更大的温度应力差，使得老旧砂浆去除效果提升。

图3 冷却方式对老旧砂浆去除率的影响

2.4 再生混凝土粗骨料性能

经上述试验处理后的再生粗骨料性能如表3 所示。由表3 可知，再生粗骨料经微波加热处理后，老旧砂浆减少、吸水率降低、坚固性提高、表观密度增加，骨料性能显著提升。可见再生粗骨料的老旧砂浆含量是影响再生粗骨料性能的主要因素。需要注意的是微波加热处理15 次、20 次较10 次的物理指标虽有一定的提升，但提升幅度较小。相较自然冷却，水冷去除老旧砂浆效果更优。因此，建议单次加热处理较多再生骨料时采用中等微波功率（960 W）下微波加热-水冷循环10 次的方式处理再生粗骨料。

表3 加热处理前后再生骨料物理力学性能

2.5 再生混凝土力学性能

对3 组试件进行抗压强度测定，结果如图4 所示。由图4 可知，相较未掺再生粗骨料的混凝土（R-0），掺25%微波处理再生粗骨料的混凝土（R-25）抗压强度提高了7.6%，而50%再生粗骨料取代率下混凝土（R-50）的抗压强度降低了4.2%。而图5[19]中，未经处理的再生粗骨料在20%，50%的取代率下混凝土的抗压强度均有不同程度的降低。由此可见经微波处理后的再生粗骨料在一定的掺量范围内可提高混凝土的抗压强度。主要原因是经微波加热-水冷循环处理后的再生粗骨料表面粉尘减少、老旧砂浆减少，增强了水泥浆体与再生粗骨料之间的黏结作用，使得新旧界面过渡区孔隙率降低，界面强度提高，再生混凝土复杂的界面过渡区结构有了一定的改善[6]，混凝土的抗压强度得到提高[6]。因此，再生粗骨料掺量为25%时，再生混凝土的力学性能较优。

图4 再生混凝土抗压强度

图5 再生混凝土抗压强度[19]

3 结论

（1）合适的微波加热功率、循环次数和冷却方式可提高再生粗骨料表面老旧砂浆的去除效果，减少再生粗骨料表面的老旧砂浆。

（2）单次微波加热处理再生粗骨料较多质量时，单次加热功率越大，老旧砂浆去除效果越优；加热-水冷循环次数越多，老旧砂浆去除效果并非逐渐增强；水冷较自然冷却砂浆去除效果更好。基于能量利用最大化及经济效果最优，应选取中等微波功率（960 W）下微波加热-水冷循环10 次去除再生粗骨料表面老旧砂浆，以取得较优物理性能的再生骨料。

（3）微波加热处理再生混凝土粗骨料，可降低骨料吸水率、压碎指标，提高表观密度，整体增强了再生骨料的物理力学性能。

（4）经微波加热-水冷循环10 次处理的再生粗骨料，取代率为25%时，再生混凝土强度会有一定的提高。