微波加熱巖石與混凝土的研究進展與工程應用

邵珠山，魏 瑋，陳文文，郜介璞，袁 媛

(1.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 710055；2.西安建筑科技大學理學院，陜西 710055；3.西安建筑科技大學陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 710055)

隨著建筑行業(yè)以及地下工程的快速發(fā)展，廢棄建筑物的拆除以及隧道開挖都成為現在施工的關鍵點和難點。對于建筑的拆除或者隧道開挖過程中所采用的混凝土以及巖石破碎的主要方法是爆破法或機械破碎法。爆破法在大型破碎工程中有明顯的優(yōu)勢，該方法效率高，靈活性強，且初期投資較低。但該方法對鄰近建筑物擾動大，隧道開挖時會對原巖產生擾動。機械破碎法能克服爆破法的很多缺點，目前已經得到了廣泛應用。該方法在隧道開挖時能較好保護圍巖，且較為安全，但這一方法也有局限性，一次性投資機械費用高，刀具破碎嚴重。在破碎強度較高巖石時，效率極低且需要經常更換刀具，沒有經濟優(yōu)勢[1－2]。近年來，一些新技術被引入到機械破碎領域中，其中“微波+機械”破碎方法由于具有高效性、低污染性、低能耗性被廣泛關注。微波機械破碎方法，即先利用微波照射巖石或混凝土，使其受到損傷強度較低，而后再利用機械道具進行進一步破碎分離。對于拆除的廢舊建筑物，建筑垃圾的處理也是當前亟需解決的問題。目前混凝土的二次利用已然發(fā)展為主導趨勢。再生混凝土骨料，主要是粗骨料來自于廢舊混凝土，通過對廢舊混凝土塊進行破碎、分離，將廢舊混凝土中的粗骨料與其周圍砂漿體分離，形成再生骨料，用作再生混凝土生產的原材料。目前使用的骨料分離方法有低溫煅燒法、剝殼法、破碎分級法等，但目前的技術不能將附著在骨料表面的砂漿有效分離且會對剔除骨料性能造成較大影響，同時分離過程亦對環(huán)境造成二次污染[3－4]。通過微波加熱輔助二次骨料回收利用的新型技術，利用微波加熱的選擇性特點，能在骨料和砂漿界面產生溫度梯度以及應力梯度，從而導致沿界面裂紋的產生，加速和促進骨料和砂漿的界面分離，能有效剔除骨料表面附著的砂漿，最后獲得高品質骨料。目前國內外學者針對微波加熱在巖石破碎、巖石鉆孔、混凝土固化、混凝土表面打磨、混凝土骨料回收利用以及微波輔助選礦等方面展開理論和試驗研究并取得一定成果。

Jones等[5－8]和 Kingman 等[9－11]對微波照射下巖石和礦物的影響進行了試驗和數值模擬的研究。微波功率越大，照射時間越長，對材料強度折減影響越明顯。Hassani等[12－14]將微波穿透深度這一研究引入應用實際中，將微波破碎巖石和TBM進行結合，探討微波和機械結合破碎巖石的應用前景。Toifl等[15－18]和 Hartlieb 等[19－20]研究了不同微波功率和加熱時長下的材料的溫度場和應力場分布，分析材料破壞的狀態(tài)和影響因素，通過數值模擬和試驗研究相結合的手段討論了在非均勻巖石中微波加熱的熱力學特性。Lovás等[21－23]對微波照射下安山石的響應進行了數值模擬和試驗研究，討論微波照射下材料的介電性能的變化。Ali等[24－25]和Bradshaw等[26]通過FLAC2D和PFC的數值模擬研究了微波加熱對礦物破壞程度的影響因素以及不同顆粒大小礦物對微波照射的反應，為微波加熱在混凝土骨料回收以及選礦方面的應用奠定一定的理論基礎。

上述研究在一定程度上揭示了微波加熱巖石和混凝土的內在機制，在實驗研究和理論研究方面都取得了重要的認知和突破。隨著試驗設備和數字圖像處理技術的發(fā)展，關于微波針對固體材料加熱的很多研究現在已經側重細觀方面，包括加熱過程中的裂紋萌生及擴展狀況，材料的形態(tài)對加熱效果的影響，材料在加熱過程中是否有化學成分的變化，材料的介電常數和加熱時間、功率的關系等。但針對不同骨料類型和配比、不同砂漿特性及齡期的混凝土以及含有不同礦物的巖石的加熱效果和參數卻不能量化，無法獲得最合理最高效的加熱參數以及加熱效果。總體而言，考慮微波加熱巖石和混凝土的內在熱-力耦合理論方面以及如何將微波加熱的新型技術運用到實際中的研究任重道遠。本文在對微波加熱巖石和混凝土的原理和應用的研究現狀和研究成果進行總結的基礎上，系統分析微波加熱的原理和影響因素以及不同材料對加熱的不同反應，介紹了不同微波加熱設備以及加熱特點，討論了微波加熱在改變巖石強度、輔助巖石破碎、巖石鉆孔、混凝土骨料回收以及微波輔助選礦等工程領域的研究現狀與應用前景，詳細解析當前研究存在的不足和亟需解決的理論與工程應用問題。

1 微波加熱的原理

微波是一種波長介于1 mm~1 m的波，對應的頻率范圍為300 MHz~300 GHz，圖1為電磁波波譜圖。目前工業(yè)上應用的微波主要是915 MHz和2450 MHz兩種。微波作為一種電磁波，在交變電壓作用下，其產生電場和磁場都隨時間發(fā)生周期變化。從微觀角度分析，巖石以及混凝土骨料內部的礦物包含許多正負電荷組成的偶極子，在微波照射下，這些偶極子由先前的雜亂無章的狀態(tài)向電磁場方向排列，克服分子間相互作用。在電磁場下，偶極子反復極化，相鄰極性分子間相互作用使得加熱介質內部產生了劇烈的“摩擦作用”，從而導致溫度不斷升高，能量由微波的電磁能轉化為熱能[27－29]。

圖1 電磁波譜Fig.1 Electromagnetic spectrum

根據對微波加熱的反應，材料針對微波加熱可分為以下四個類型：1)吸收型，微波被材料大量吸收；2)不吸收型，微波穿過材料時沒有任何能量被吸收；3)絕緣型，微波不能穿過材料并被反射出來；4)混合型，材料中有的固體能吸收微波能量而有的固體對微波不吸收直接被穿透。已有的研究表明，礦石礦物如玄武巖等為微波吸收介質，而通常情況下脈石則不易吸收微波[30－32]。

微波加熱有以下幾個特點：

1)整體性加熱

微波具有較強穿透性，且基于微波加熱的原理，微波對固體內的微波吸收介質同時加熱，不存在由外向內的熱傳導過程。

2)選擇性加熱

微波加熱只對介電材料有作用，而不同材料的介電性能也不同，則微波加熱的先后順序也不同。材料介電性能不同，吸收微波能量不同，導致溫度升高不同，從而使得兩種不同材料的應力狀態(tài)的差異，達到分離目的。

3)高效性

微波加熱過程中不需要傳遞熱量，所有能量均被加熱物體所吸收，且微波加熱時，選擇加熱環(huán)境為對微波不吸收物質例如干燥空氣，加熱過程能量損失會很小，加熱效率較高。

4)即時性

對于傳統加熱方法，熱源是通過熱傳導、對流等方式實現對固體的加熱，熱量從固體外向內傳導，存在一個熱傳導的過程，加熱緩慢。而微波加熱不同，只要將吸收微波的物質放到微波場中，加熱過程就會立即開啟，加熱不具有延時效應。

5)安全、低能耗、低污染

微波加熱具有良好的可操控性，所以安全性較高，且較傳統加熱方法，微波加熱時間短，能耗低，且不產生二次廢物，加熱具有無污染性，對環(huán)境十分友好。

微波照射條件下，礦物體內產生的總熱量取決于外加電場強度、微波頻率以及礦物質的介電特性。單位熱能可以估計為[33]：

式中：Pd/(W/m3)為微波功率密度；f為微波頻率；ε0為真空中介電常數；ε＇為巖石材料介電損耗因子；E0/(V/m)為電場強度。

微波穿透深度是指電磁波穿透到介質內部的能力。當電磁波從固體表面進入固體內部時，能量不斷被固體材料所吸收并傳化為熱能，穿透深度[27,34]為：

式中：Dp為微波穿透深度；ε＇為材料介電常數；λ0為微波波長。由式(2)可知，微波穿透深度與波長處于同一數量級，且材料介電損耗因子越大，微波穿透深度越低。研究表面，微波穿透深度與加熱溫度、材料化學成分、材料微觀結構能有關[35]。

根據電磁理論基礎，電磁波由震蕩電場和磁場組成相互激發(fā)形成統一的電磁場，電磁場問題實際上是求解給定邊界條件下的麥克斯韋方程組。麥克斯韋方程對恒定電磁場和靜電場的基本規(guī)律經過修正后適用于變電磁場，得到一切宏觀電磁場現場都遵從的規(guī)律，即麥克斯韋方程組[36－40]：

式中：?為 Nabla算子；E為電場強度矢量；H為磁場強度矢量；J為傳導電流矢量；D是電勢移矢量；B是磁通量密度矢量；J、D、B、E、H的關系為：

則

式中：σ是電導率；ε是物質的介電常數；μ是復磁導率。

由于考慮材料表面及內部的反射影響，相比于朗伯比爾定律，麥克斯韋方程可以更準確地預測溫度場，朗伯比爾定律在合適的應用情況范圍下可以簡化溫度場的求解過程。朗伯比爾定律更適用于當試件厚度遠遠大于波的穿透深度的情況，即半無限試件，而麥克斯韋方程更適用于多層板在微波下的精確描述[41－43]。

2 微波加熱設備

微波能量通常由直流電或50 Hz電通過半導體器件或者電真空器件來獲得。傳統工業(yè)微波加熱設備的基礎結構一般可分為：微波加熱腔體、微波電源、波導管、抑制器、冷卻系統、控制系統和輔助監(jiān)測系統?；A結構功能為：

1)微波腔體：加熱空間，物料在微波腔體內進行加熱或干燥等微波處理。

2)微波電源：包括磁控管、變壓器等將電能轉換微波能的元器件等。

3)波導管：波導為空心長方形的管，當微波信號進入其中時，微波在其中遵循法拉第電磁感應定律，通過電磁感應原理，從波導的一端傳到另一端，即波導是將微波電源發(fā)射的微波能從發(fā)生器傳輸到微波加熱腔體內。

4)抑制器：防止微波泄漏，控制微波泄漏達到安全使用標準的微波抑制系統。

5)冷卻系統：將微波腔體因微波加熱形成的水蒸氣和熱量排除的機構，一般分為風冷卻和水冷卻裝置。

6)控制系統：包括操作人員控制微波設備運行、人員設備安全的報警保護和生產工藝參數設置等整個微波設備安全運行的系統，目前大部分微波控制系統都是智能控制系統，帶有可編程序邏輯控制器和觸控屏幕。

7)輔助監(jiān)測系統：反饋微波加熱過程中的實時數據的系統，如物料溫度、微波功率和傳輸速度等與生產相關的一系列數據。

微波燒結設備的核心是腔體。目前所使用的諧振式加熱腔分為單模諧振腔和多模諧振腔。單模諧振腔中電磁場場強相對集中，材料的介質損耗不太大可以在單模諧振腔中進行燒結。多模與單模都可以通過微波加熱物體，諧振腔內的模式越多，電磁場的分布結構就越多，諧振腔內的微波能分布也就越均勻。多模諧振腔的特點是結構簡單，適用各種加熱負載，但由于腔內存在多種諧振模式，很難精確分析，對不同的材料進行微波燒結需要不斷通過試驗調節(jié)燒結爐的參數。對一般的單模諧振腔(如圖2所示)加熱設備，駐波器一般都在波導管頂部。微波產生后直接由波導管傳輸。圖3為一種典型的工業(yè)微波加熱設備——工業(yè)微波爐。圖4給出了 Lu等[44]設想的一種新型微波輔助硬巖壓裂設備示意圖，包括微波源、磁控管、隔離器、耦合器、阻抗調諧器等。

圖2 單模諧振腔示意圖Fig.2 A schematic model of single-mode cavity

圖3 微波加熱設備Fig.3 Microwave heating equipment

目前實驗室中使用的微波加熱設備主要以上述的由單模諧振腔或多模諧振腔構成的燒結設備為主。而滿足特定工程需要，囿于對應于不同微波照射條件下的能源節(jié)省及效率提高很難定量確定及預測的原因，諸如微波輔助巖石破碎等大規(guī)模工業(yè)需求的設備尚處于研制開發(fā)階段，但是其基本組成部分與實驗室用微波加熱設備并無太大區(qū)別。

圖4 微波輔助硬巖地下壓裂系統示意圖Fig.4 Schematics of the system for microwave-assisted subsurface fracturing of hard rocks

3 微波加熱裂紋擴展機制

Omran等[45]通過電鏡掃描分析對比了含鐵礦物在微波照射和傳統加熱方式下的斷裂情況。研究發(fā)現，在微波功率為900 W照射時長為50 s時，在鮞粒巖和脈石間發(fā)生穿晶破壞。在溫度為400 ℃的普通加熱爐中加熱一小時后，試件并未發(fā)生破壞，在溫度為500 ℃下加熱一小時后，顆粒間幾乎沒有發(fā)生破壞，少量裂紋僅僅產生在鮞粒巖表面。研究還發(fā)現，在微波加熱下，試件內產生寬且深的裂紋，在傳統加熱爐里試件產生的裂紋很細且都處于試件表面(如圖5所示)。

圖5 鮞鐵礦的背散射電子成像圖[47]Fig.5 BSE images of oolitic iron ore[47]

微波加熱裂紋出現的形式不同于傳統加熱的首要原因即微波的選擇性加熱特點，對于不同材料，材料對于微波的吸收能力不同，微波的加熱效應不同，微波加熱在不同材料內產生的不同溫度也會反過來影響材料的性能[19]。Chen等[46]研究了40種礦物在不同微波照射功率下的被加熱情況和加熱速率，如表1所示。

表1 不同礦物在2450 MHz微波加熱3 min~5 min的結果[46]Table 1 Results of microwave heating experiments on ore minerals; microwave frequency 2450 MHz;exposure 3 min~5 min

Jones等[8]采用FLAC2D有限差分熱力學模型，研究了黃鐵礦-方解石二相模型在微波照射下的破壞機制，發(fā)現在方解石和黃鐵礦的邊界處發(fā)生剪切破壞，而方解石外部邊緣拉伸破壞出現隨著照射時間增長，一部分拉伸破壞也在兩種礦物邊界產生。圖6給出了不同照射時間黃鐵礦-方解石二相模型邊界的破壞狀態(tài)，由于兩種礦物在微波加熱下的熱膨脹系數不同，產生的體積應變不同，主破壞發(fā)生在兩種礦物邊界處[8]。

圖6 不同加熱時間邊界的破壞形態(tài)[8]Fig.6 Mechanical state of the material after different heating time around the grain boundary[8]

此外，Hartlieb等[47]分析了玄武巖圓柱試樣在微波照射后的微裂紋及破壞形態(tài)。研究表明，微波照射后玄武巖試樣的裂紋形態(tài)主要表現為沿著徑向發(fā)展的徑向裂紋和平行于試樣軸線的軸向裂紋，主要破壞形態(tài)為受拉破壞，如圖7所示。裂紋的形成與微波照射后試樣內部產生的溫度場誘發(fā)的熱應力有關，當內部熱應力大于試件抗拉強度時玄武巖試樣開始發(fā)生破壞。且裂紋的形成不受玄武巖礦物組成的影響，其發(fā)展受到宏觀溫度梯度和試樣幾何形狀的控制。目前研究已經表明，礦物在微波照射下強度明顯降低，裂紋擴展明顯。雖然脈石不能被微波直接加熱，但由于熱傳導的作用，礦物體系中存在沿徑向的溫度梯度，自然也就存在硬度沿徑向變化。普遍結果就是結合部位，也就是礦物邊界硬度都降低了。結合部分的硬度降低，預示著解離可能優(yōu)先沿著結合部分進行。唐陽等[48]基于離散元模型對石英和斜長石兩相物質組成的材料的研究表明，微裂紋起源于高吸收相石英晶體的外邊界且圍繞著石英晶體延伸擴展至斜長石晶體，最終呈現放射狀的網絡張拉裂紋。

圖7 玄武巖試樣在3.2 kW微波照射60 s后中心處的薄切片圖[48]Fig.7 Thin section taken from the center of basalt-sample after irradiation for 60 s with 3.2 kW[48]

其他研究也表明，在微波照射下，主斷裂主要是沿晶斷裂，這是由于在微波照射下，不同礦物的性質決定了在微波下的加熱速率不同：一部分礦物首先加熱且加熱速率快；另一部分礦物加熱慢且不易被加熱，這樣就在不同礦物間產生了溫度梯度。加之由于各礦物的熱膨脹率不同，在微波加熱下的體積應變不同，則在易吸收和不易吸收礦物內部的應力狀態(tài)不同，熱應力的增加導致在礦物邊界形成放射狀微裂紋，迫使晶體周邊產生沿晶破壞。加熱過程中當不同材料內部升溫不同時，反過來會對材料的介電性能產生影響，最終導致加熱結果的差異性。同時，材料內水分在微波加熱下的轉化會對材料的介電性能產生影響，影響材料破壞。這種斷裂破壞的方式也正是微波可以高效輔助巖石和混凝土破碎的最主要的原因[49－50]。圖8給出了微波加熱巖石和混凝土的基本原理圖。

圖8 微波加熱巖石和混凝土基本原理Fig.8 A schematic model of rock and concrete subjected to microwave energy

4 微波加熱的影響因素

4.1 水分對加熱結果的影響

在混凝土和巖石孔隙中，水有結合水和自由水兩種形式，可細分為顆粒內部吸收水、顆粒表面吸收水、毛細水、顆粒表面附著水以及不同顆粒間的水分，如圖9所示。當溫度達到水的沸點時，自由水蒸發(fā)，在微波照射強度足夠大時，結合水釋放并轉化為水蒸氣在材料內部擴散。

研究表明，溫度、水的存在狀態(tài)和含量都會對微波加熱過程產生影響。不同介質的介電常數不同，水的介電常數比一般的介質大，因此在一般情況下，加工物料含水量越大其介質損耗也越大，圖10為微波加熱下水泥砂漿及粗骨料的衰減系數。某些物料溫度上升時，其介質損耗反而下降，這時就出現了加熱時所謂的自動平衡。微波的這種自動平衡使得物料加熱更為均勻，同時也避免了出現過熱的缺陷。

圖9 材料中的水分分布Fig.9 Moisture distribution within the material

圖10 微波加熱下粗骨料和水泥砂漿的衰減因數[50]Fig.10 The attenuation factors of coarse aggregate and cementitious mortar[50]

Itaya等[51]通過實驗分析了高嶺土分別在微波加熱和熱空氣加熱下的加熱狀態(tài)。結果表明，在微波加熱下，當水的溫度達到沸點時，在內部蒸汽壓力的作用下，裂紋產生。在加熱的初始階段，由于試件內水分含量高，微波能量都被試件所吸收，隨著加熱時間增長，水分含量降低，試件吸收微波能力下降。同種材料不同含水率下的微波吸收能力亦有明顯差異，戴俊等[52]的研究表明隨著含水率的增加，玄武巖試樣的受損破壞水平越嚴重，且其抗剪強度也顯著降低。Akbarnezhad等[53]的研究也表明，當砂漿內水含量增大時，砂漿吸收微波的能力隨之增強。

Abdelghani-Idrissi等[54]將微波加熱水泥的過程更為詳細地劃分為三個階段，如圖11所示。第一階段內，由于水泥和水分都在吸收微波能量，材料溫度升高；第二階段，當溫度達到水的蒸發(fā)溫度，即 100℃時，吸收的微波能量都用來蒸發(fā)水分；第三階段材料持續(xù)吸收微波，溫度繼續(xù)上升。一般物質在微波場中的升溫階段分為兩個階段，初始階段快速升溫，此過程也是物料吸熱升溫最主要的階段，物料溫度在短時間內快速上升。之后，物料的溫度升高變得緩慢，甚至完全不再升高，此階段一般為物料升溫的第二階段。

圖11 潮濕水泥粉末溫度變化[54]Fig.11 Investigation evolution of humidified powder temperature[54]

對于不同材料來說，即使材料都處于飽和狀態(tài)下，由于介電常數的不同，微波加熱效率也不同，所以水分的影響對于同種材料可以進行量化研究，對于不同材料要基于材料的介電性能才能做出比較[55]。COMSOL Multiphysics軟件可模擬微波加熱下材料的傳質傳熱過程，該軟件可對材料在微波加熱下的電場、磁場、溫度場以及水分遷移進行全面系統地模擬，可研究不同時間、功率、頻率下的材料內部水分變化過程，目前在研究水分對于材料加熱結果方面該軟件得到廣泛應用。

4.2 功率輸入和密度對加熱結果的影響

大量研究表明，提高微波加熱的功率輸入和功率密度可以有效提高加熱效率[56－58]。

Kingman等[9]通過實驗，將未處理過的試件在置于三種不同的功率下進行照射10 s研究其強度的變化，結果表明，在15 kW微波照射1 s之后，材料的殘余強度低于未處理前強度的55%，而在5 kW微波照射1 s后材料的強度下降并不明顯。然而隨著照射時間的增長，15 kW微波照射下材料的強度降低趨勢并不明顯，如圖12所示。要產生大的強度折減，高功率短時間的微波加熱效果是最明顯的。

Ali等[24]利用FLAC2D4.0有限差分軟件對在微波照射下的方鉛礦-方解石二相模型進行研究。模型由90%的透波礦物-方解石和10%的吸波礦物-方鉛礦組成，其中方鉛礦在模型內隨機分布，兩種礦物的交界處則為顆粒邊界。在微波加熱下，當材料內部拉力大于材料抗拉強度時，視為材料被破壞。通過模擬發(fā)現，微波功率密度為1×1010W/m3照射時長為0.001 s時，顆粒邊界發(fā)生的破壞程度為74.3%，當密度為1×109W/m3照射時長為0.01 s時，破壞率還不到50%。這是由于，在照射功率密度低且照射時間長時，微波產生的熱量在吸收相方鉛礦中被耗散，兩種礦物之間的溫度梯度降低，不利于形成兩種材料的界面破壞。Hassani等[13]研究表明，在5 kW微波照射僅30 s后，蘇長巖試樣即出現裂紋，而在3 kW功率下，需照射120 s才能產生裂紋。當在5 kW功率下照射65 s以后，試樣中心變紅，預示巖石將要被熔化。在照射功率越高的情況下，試樣越易吸收微波，溫度升高越快，越早達到熔點。Hassani等[13]通過微波和 TBM(全斷面隧道掘進機)的結合，證明微波破碎巖石運用到實際工程中的可能性。實驗表明，對未被微波處理過的蘇長巖，TBM 的穿透速率為 40 mm/r在微波功率分別為1.2 kW和3 kW時，在微波照射120 s后，穿透速率(圖13)分別提高到50 mm/r和60 mm/r。而將蘇長巖在5 kW微波功率照射僅65 s后，穿透速率顯著提高到100 mm/r。因此，將微波技術和TBM相結合，在滾刀切割之前選擇合理微波照射功率和時間進行巖石輻射，最大程度將巖石強度折減且不使巖石融化，將明顯提高 TBM 的掘進速率，將微波合理、高效利用到巖石破碎甚至隧道掘進中。

圖12 多模腔裝置下點荷載試驗結果[9]Fig.12 Point load test results for multimode cavity[9]

然而，并不是微波功率輸入或功率密度越大破壞效果越好。加熱功率的選擇取決于試樣的熱應力和巖石的熔點，當試樣內產生的熱應力超過巖石的強度極限時，試樣就會先崩開破碎，如果破碎后選擇繼續(xù)加熱，碎塊將發(fā)生熔化；當試樣的溫度先達到巖石熔點時，試樣就會先發(fā)生熔化[59]。一方面會造成能量的浪費，不能最大化利用資源；另一方面，當微波功率越大且不合理控制加熱時間使得被加熱材料溫度過高時，材料發(fā)生熔融，對于材料的破壞產生不利影響。

圖13 三種微波功率照射后TBM對蘇長巖的穿透速率[13]Fig.13 Estimated penetration rate of a TBM into norite vs.microwave treatment exposure time for three power levels[13]

4.3 微波頻率對加熱結果的影響

通常情況下，工業(yè)微波使用的頻率主要是0.915 GHz和2.45 GHz兩種。

研究表明，在同樣的加熱時間下，通過增加微波照射頻率，試件內溫度越高。Lagos等[60]通過數值模擬研究在微波加熱頻率小于2.45 GHz時，頻率越小，微波穿透深度越大，微波會出現反射現象，最大溫度分布隨著微波傳播方向起伏，距離波源越遠，最大溫度越低。當微波加熱頻率大于10.6 GHz時，溫度分布狀態(tài)發(fā)生改變。頻率大時，微波穿透深度急劇減小，功率損耗增加，波的反射幾乎可以忽略，在混凝土板內不會形成駐波，只有一個最大溫度出現，并隨距離增加溫度快速降低。照射時長是 60 s時，微波頻率為 0.896 GHz，最大溫度為37.6 ℃，將頻率增加到2.45 GHz時，最大溫度增加到71.6 ℃。而達到同樣的溫度，當頻率為10.6 GHz時，加熱時間只需3.1 s。Goangseup等[61]模擬研究了頻率分別為2.45 GHz、10.6 GHz和18.0 GHz時微波照射下混凝土表面剝落的情況，結果表明隨著頻率的增加，孔隙壓力和溫度的峰值向著混凝土表面移動。這是因為微波頻率愈大，其能量損耗愈多。當微波頻率為18.0 GHz，照射時間10 s時，加熱區(qū)域更多集中在混凝土表面附近。

微波加熱本質上是電介質被微波特高頻電場反復極化時對微波能的吸收，采用高頻率微波能使溫度快速升高。但頻率越高，單位時間內分子克服摩擦力翻轉的次數越多，能量耗散越快，且隨著頻率的升高，波長變短，高頻微波穿透能力減弱，加熱效率降低。應選擇合適頻段的微波以減少能量損耗，或使用不同頻率交替進行加熱，提高利用效率。

4.4 材料特性對加熱結果的影響

研究表明，試件的尺寸，內部顆粒大小、紋理、礦物成分、礦物比例、各向異性以及材料的性能隨溫度的變化都會對材料在微波下的加熱效應產生影響。

試件尺寸對微波加熱結果的影響主要是由于微波的穿透深度以及波的反射所引起的[61]。而礦物成分以及比例對加熱結果的影響都是基于微波的選擇性加熱特點，即礦物是否容易被加熱，容易被加熱的礦物所占的比例大小。田軍等[62]對 11種常見的造巖礦物進行了微波輻射實驗，結果表明不同造巖礦物表現出非常不同的微波吸收能力，且利用造巖礦物吸波能力的不同能預測巖石的吸波能力，含強吸波礦物較多的巖石，其吸波能力更強，升溫也越高。

在微波照射下，巖石的多相性會使得巖石內部材料對于微波的吸收性以及加熱效果產生差異，從而導致溫度梯度和應力梯度的產生，最終導致材料的破壞[16]。Toifl等[17]通過 FDTD模擬的從微觀層面上研究了材料的形態(tài)對微波加熱結果的影響。模型由微波吸收介質 A和微波不吸收介質 T兩種組成。為了比較材料形態(tài)對加熱效果的影響建立了三個模型進行對比，三個模型 A、B、C采用相同填充率都固定為f但微波吸收項A的分布形態(tài)不同。研究結果表明，三種模型產生的應力和溫度和均勻材料相比差距明顯，且三種模型在微波加熱下產生的最大主應力和溫度位置和大小都不同，這是由于雖然三維模型整體來看吸收介質A的填充率一樣，但是模型表面吸收介質 A的沿著高斯光束的填充率的不同導致所產生的應力和溫度的位置和大小不同，如圖14、圖15所示。

顆粒尺寸的大小會對微波能量吸收、熱傳導以及溫度梯度產生影響，最終導致加熱過程和結果的不同[63－64]。Bradshaw 等[26]的研究表明，要使細顆粒(顆粒尺寸為 0.125 mm~0.25 mm)達到和粗顆粒(顆粒尺寸為1 mm~2.5 mm)一樣的破壞程度，需要的能量輸入更大，這是由于相比于粗顆粒，細顆粒在相同微波能量輸入的情況下產生的溫度梯度小。他們通過FLAC2D4.0進行進一步研究，對于方鉛礦、方解石以及磁鐵礦、白云石二項模型，分別對細顆粒和粗顆粒在相同微波密度輸入下的加熱破壞結果進行比較。結果表明，對于兩種模型來說，顆粒尺寸越小，到達和粗顆粒相同的破壞效果需要的時間越長，也就是說，如果細顆粒和粗顆粒礦物產生的破壞情況相同時，需要的能量輸入越多[24]。

圖14 沿高斯軸y方向最大主應力[17]Fig.14 Maximum principal stress profile along the y-direction of the Gaussian beam[17]

圖15 沿高斯軸y方向溫度場[17]Fig.15 Temperature profile along the y-direction of the Gaussian beam[17]

Jones等[8]通過數值模擬研究了微波加熱下顆粒尺寸對加熱溫度的影響。建立正方形方解石內含有圓形黃鐵礦的二相模型。研究發(fā)現，當黃鐵礦尺寸變化時，微波加熱的最高溫度也會發(fā)生變化，如表2所示。黃鐵礦顆粒越大時，產生的最高溫度越大，且在礦物尺寸較小時，微波加熱功率密度增大，最高溫度增加較小。達到相同的溫度梯度時，小顆粒礦物需要更高的微波能量密度進行加熱。

微波加熱時物料的升溫特性受物料性質的控制。如果礦物的產地不同，其性質也有差異性，這就導致雖然礦物名稱相同微波升溫特性卻不一樣，甚至差異明顯。因此，礦物的微波升溫性質既有普遍的規(guī)律性，也有特殊性。在研究中，具體問題應該具體分析。

表2 微波加熱0.01 s時礦物最高溫度[8]Table 2 Peak temperature recorded in pyrite for 0.001 s exposure

5 實際應用研究

基于微波加熱固體材料的特性，現有一系列理論和試驗研究已經為微波應用到工程實際中提供可靠參考和依據。

5.1 微波加熱輔助巖石破碎

傳統機械破巖如切削、沖鑿、碾壓、研磨等不同方式破碎巖石，大部分能量無法得到有效利用[65]，且施工精度較低，破碎硬巖時刀具磨損大，侵入率低，施工時間長。微波加熱的體積性和快速加熱特點使得產生的巖石裂縫密度高，巖石的可磨性顯著改善。建造長大隧道和深井工程中，對硬巖等傳統方法難以破碎的巖石進行微波預處理后再機械破碎已經被認為是具有廣闊前景的一項技術[66－69]。

目前的研究表明，通過“微波+機械”的破碎方法可高效、低污染、低能耗破碎巖石。微波機械破碎方法，即先利用微波照射巖石，使其受到損傷，強度降低，而后再利用機械道具進行進一步破碎分離，該方法可運用于隧道開挖過程中。使用微波預處理巖石，能有效降低巖石的斷裂韌性、點荷載強度、單軸抗壓強度和抗拉強度，削弱巖石的力學特性[70－75]。研究表明，對硬巖進行微波輻射后，其機械切割率(m3/h)可實現120%的性能改善[76]。Hassni等[13]利用微波照射鎂鐵鎳礦后，其TBM侵入率由40 mm/r增加至600 mm/r，該測試表明將微波加熱與TBM技術相結合的可行性和合理性可用于項目的實際應用。通過適當的微波加熱參數預先削弱巖石可以提高侵入率，并且還可以防止刀片過度磨損。秦立科等[77]基于顆粒流模型模擬了微波照射下以方鉛礦和方解石組成的巖石顆粒，研究表明高功率微波會促使巖石在其內部形成更大的溫差，有效在巖石內部產生裂紋，且照射時間更短，耗能更少。針對不同種類巖石，選取合適的加熱時長、功率將明顯提高破碎效率。將微波加熱和機械破碎方式(圖16)相結合，例如在隧道掘進時先用一定的微波照射巖石使其強度衰減，再利用TBM進行進一步破碎，有利于提高盤型刀具的使用壽命和TBM的掘進速率。針對這一想法目前已有微波隧道掘進機(TBM)刀頭的設想的設計方案，但是有效地工程實際應用還需要進行進一步驗證和試驗[78]。

需要注意的是，當前針對微波輔助巖石破碎的一系列實驗僅停留在實驗室階段，鑒于不同工程環(huán)境的復雜性，不同的材料在微波電磁場下的吸收反射性能不同，導致了微波加熱與破碎設備的專用性，不能簡單設計一種通用型的設備。對于工程實際而言，其需要解決的是一系列復雜問題。例如面對不同種類巖石需要選擇合適的微波發(fā)生功率以及合理的照射時長以達到工程建設的需求，如何在微波施加過程中控制微波的泄漏等都是設備研發(fā)人員需要考慮的實際問題。

圖16 微波輔助TBM圓盤銑刀示意圖Fig.16 Schematic view of a microwave assisted disc cutter concept of a continuous TBM

5.2 微波加熱輔助鉆孔和切割

傳統鉆孔和切割方式雖然能夠滿足大部分的工業(yè)建設要求，但傳統鉆孔和切割過程中噪音及振動影響均較大，會產生粉塵堆積，其他如沖擊水流、激光、超聲波等鉆孔方法往往造價昂貴且不利于現場使用。微波鉆孔和切割主要是通過局部高溫加熱，使得被加熱材料變軟或熔化(圖17)，高效快速且無粉塵無噪音，是一種低污染低費用可控性高的鉆孔技術[79]。

研究表明，微波在混凝土鉆一個直徑2 mm深2 cm的孔只需要不到1 min[79]。Jerby等[80]研制了一種靜音、可遙控機械輔助微波鉆孔設備，該設備可在混凝土表面鉆出深26 mm直徑12 mm的孔，平均鉆孔深度可達0.6 cm/min。微波鉆孔在諸如玻璃、陶瓷和骨頭等材料中也有一定應用[81]。對于不同的巖石和不同性能的混凝土和其他固體材料，需要確定不同的微波源加熱參數，以此來確定微波合適的穿透深度和需要達到的最高溫度，避免過度能量輸入造成浪費。

圖17 微波加熱輔助鉆孔示意圖Fig.17 Schematic of microwave assisted drilling

5.3 微波加熱輔助混凝土骨料回收

建筑垃圾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，混凝土骨料回收再利用是建筑垃圾資源化利用的主導趨勢。剝殼法是當前混凝土骨料回收的主要方法，先將混凝土進行大塊的破碎，通過剝殼機進行磨削，將硬化水泥砂漿從骨料表面進行剝離[82]，該方法過程繁瑣，需要對廢棄混凝土進行多次切割，剝殼過程中噪音大、揚塵多、能耗高，且不能將骨料表面附著的水泥砂漿全部剝離，殘留的水泥砂漿會影響骨料的二次回收利用。微波加熱選擇性加熱的特點能有效使骨料分離，Tsujino等[83]首先提出將微波加熱技術引入混凝土骨料資源化回收領域。

研究表明，相比于傳統的骨料回收方式，微波加熱回收骨料提高骨料性能主要是通過減少回收骨料表面的砂漿附著，二次骨料表面附著砂漿的多少將直接影響混凝土的工作性能和力學性質[84－87]。微波加熱產生的骨料和砂漿間的溫度梯度和砂漿內更高的熱應力可以有效分離骨料和附著砂漿。由于微波加熱時間較短，可控性強，骨料內部溫度不至于過高，對骨料性能不造成損傷或損傷較低。傳統加熱需要加熱骨料至300℃~500 ℃，微波只需加熱到 100℃~200℃就可以有效剔除附著砂漿，節(jié)能高效。實驗研究表明，500 ℃常規(guī)加熱僅使砂漿含量降低約 12%，而通過微波加熱和研磨方式的結合，骨料表面附著的砂漿可減少85%，使得回收骨料性能更接近天然骨料[54]。微波輔助混凝土骨料的分離提取是一項污染少、能耗低的高效綠色技術，需確定合適的微波設備和程序以獲得高質量的再生骨料。

圖18 不同破碎方式下>5.6 mm的骨料分離圖[88]Fig.18 Pictures from the hand-sorted particles of the >5.6 mm fraction obtained after the SMT and MWT-SMT fragmentation treatments[88]

目前針對微波輔助廢棄混凝土骨料回收的工業(yè)化生產仍處于研發(fā)準備階段，完整的工藝流程尚不明確。Everaert等[88]通過對比傳統機械分離，電動破碎和微波-機械分離對骨料的提取效果(圖18)，指出微波-機械分離具有更好的應用前景。筆者設想的一種工藝流程(圖19)為先對廢棄混凝土塊進行微波加熱，再將加熱后的塊體進行機械研磨，將分離后的骨料浸水沖洗，通過篩分處理后即可得到高品質的再生混凝土骨料，或可將廢棄混凝土塊先進行機械處理后再進行微波加熱，不同處理步驟得到的骨料品質必然不同，具體的技術開發(fā)和設備研制仍是未來研究的重點和目標。

圖19 微波加熱輔助骨料回收工藝流程Fig.19 Schematic of microwave heating assisted aggregate recycling

5.4 微波加熱輔助礦物分選

不同礦物對微波的吸收能力不同，這一特性有利于微波對礦物的分選和分離。研究表明，鎳、銅、鐵和鉛鋅礦等均為良好的吸波礦物，許多脈石礦物如石英、云母、長石和其他非硫化脈石礦物等屬于透波礦物[89－91]。引入微波對含微波吸收體的難處理礦物進行預處理，充分發(fā)揮微波加熱選擇性加熱、加熱均勻、能耗低及易于控制的特點可改善礦物分選分離的效率。Kingman等[92]利用微波輔助處理鈦鐵礦的浮選過程，結果表明鈦鐵礦經微波照射后浮選效果明顯提升，回收率增加近20%。微波加熱輔助預處理磨礦物料能促進不同礦物組分間的分離，磨礦的邦德功指數可降低70%左右[93]。實驗表明，通過微波加熱輔助碳熱還原軟錳礦更易得到MnxOy和 FexOy，大幅度降低了碳熱還原反應的時間和溫度，減少選礦成本[94]。微波和紅外熱像儀結合的實驗方式有利于可以斑巖銅礦石的分選。微波分選礦物時可根據含銅量的高低進行有效篩選，將某種礦物從廢棄礦石中快速提取出來[95]。與傳統工藝相比，微波加熱能顯著降低礦物表觀還原溫度和加工時間，提高產品質量、純度和材料特性[96－100]。

微波加熱在輔助礦物分選和分離領域有其獨特的優(yōu)點，但目前的研究大多處于實驗室研究或中試規(guī)模階段[100－104]，技術的復雜性和缺乏堅實理論基礎限制了微波輔助選礦的工業(yè)化及商業(yè)化應用。加大微波輔助技術在礦物分選方面的產業(yè)化力度，研發(fā)高效穩(wěn)定的微波加熱選礦設備對礦物分選分離具有重大意義。

如上所述，利用微波輔助巖石破碎、輔助鉆孔和切割、混凝土骨料回收以及礦物分選等都取得了一定的進展，但當前的工程應用設想缺少實際工程的支撐與驗證，國內外學者的研究也僅僅是在實驗室階段達到了預期目標。實驗室復雜微波加熱設備顯然是無法滿足復雜工程環(huán)境應用的要求，如何具體地定量地針對不同實際應用研發(fā)適用的設備是微波技術大規(guī)模應用的瓶頸所在。例如對于微波輔助巖石破碎和鉆孔、切割的工程應用而言，不同于輔助骨料的回收可將待處理試塊放置在封閉的腔體內，而是需要設計一種開放式的微波施加器直接施加在待處理物體的表面，施加器的設計合理與否直接關系到破碎效率的高低，且開放式微波器施加過程中的微波泄漏控制也是目前需要解決的實際問題之一，過量的微波泄漏會嚴重威脅操作人員的生命安全。不能簡單地利用實驗室加熱設備應用于工程實際，只有完全掌握了特定被加熱材料的微波吸收特性，并根據這些參數進行設計才能制造出與實際工程應用結合的大型專用微波設備。

6 結論與展望

本文對微波加熱在巖石和混凝土方面應用的研究現狀進行了全面的梳理和總結，系統分析了微波加熱的原理、混凝土和巖石對微波的加熱效應、微波加熱的影響因素，結論如下：

(1)微波加熱輔助巖石破碎混凝土破碎的原理即微波對于不同礦物的加熱效果不同，不同礦物對微波的吸收能力也不同，則在微波加熱下，材料內部形成一定的溫度梯度，產生不同的體積應變，導致材料內部各部分的應力狀態(tài)不同，擴展舊裂紋并產生新裂紋，降低材料強度，最終導致材料的破壞。

(2)材料的溫度隨微波照射時間、功率、頻率的增加而增加。在微波照射一段時間后材料會發(fā)生強度折減。巖石種類和混凝土的材料特性的不同都會導致加熱結果不同。

(3)材料水分含量越高，吸收微波能力越強，隨著加熱時間增長，水分含量降低，試件吸收微波能力下降。對于不同材料來說，即使材料含水率都相同，由于介電常數的不同，微波加熱效率也不同。

(4)增加微波輸入功率或功率密度可以顯著提高微波加熱材料的溫度，促進兩種材料的界面破壞，加速裂紋的擴展，對材料強度折減有更好的效果。然而并不是微波功率輸入或功率密度越大破壞效果越好。當微波功率越大且不合理控制加熱時間使得被加熱材料溫度過高時，材料發(fā)生熔融，對于材料的破壞產生不利影響。

盡管學術界在微波加熱巖石和混凝土方面開展了大量的研究，但應該看到相關研究還不夠完善，沒有形成一套完善的理論體系，對如何將微波加熱引入到工程應用中的研究還相對較少，實驗研究目前尚停留在實驗室階段。如何將微波這項新型技術合理高效地進入工程實際中是今后研究的重點，而完善的實驗和理論研究體系是將這一技術運用到實踐中的基礎。相比于傳統加熱，微波加熱的直接性和整體性能提供更為高效有效的加熱過程。微波加熱其實是一個多場耦合的加熱過程，其加熱過程受電磁場、溫度場、應力場、傳質場影響。由于微波加熱的能量在電磁場中進行傳播，電磁場的變化會造成加熱過程的變化從而引起應力分布的變化，且材料在微波加熱過程中會產生物理和結構變化從而影響材料的介電性能。因此，研究微波針對不同材料在不同溫度下的加熱變化過程和規(guī)律顯得尤為重要。確定各類巖石在微波加熱下的穿透深度的差異、微波加熱巖石后的冷卻降溫方式對強度的影響、將TBM和微波加熱結合的合理加熱參數、如何提高微波不敏感巖石的吸波性能以及不同產地礦物針對微波加熱的不同性質等研究，都是將微波加熱破碎巖石運用到隧道開挖、鉆孔等實際工程中的研究基礎。對于混凝土來說，確定不同骨料級配、混凝土強度、水灰比等因素對界面裂紋產生以及擴展的影響都是將微波加熱混凝土分離骨料進行二次應用投入實際生產中的前提。