微波加熱法增強(qiáng)再生粗骨料性能的試驗(yàn)研究

王 建，于 瑤，李 豪，王德志，2，3，4*，張曉華，2，3，王鵬剛

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川 750021；3.寧夏土木工程防震減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川 750021；4.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021；5.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033）

隨著新建筑的開建和舊建筑破拆，帶來的是大量建筑廢棄物處理難和天然砂石短缺等問題。建筑廢棄物存在存量大、利用率低的問題，多數(shù)選擇堆放或就地掩埋，造成了大量土地資源的浪費(fèi)，同時伴隨著環(huán)境污染問題。針對上述問題，相關(guān)學(xué)者基于“廢棄物—再生產(chǎn)品資源—廢棄物—再生產(chǎn)品資源”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式提出了建筑固廢再生骨料的制備方法，廢棄混凝土經(jīng)破碎、篩分、洗滌后粒徑大于5 mm 的即為再生粗骨料。研究表明[1—5]，再生粗骨料較天然骨料表觀密度小、吸水率大、堅(jiān)固性較差，因此由再生骨料制備的混凝土的力學(xué)性能及耐久性會有一定程度的降低。主要原因是再生粗骨料表面存在粘附的舊砂漿，舊砂漿吸水率大且與骨料之間存在界面過渡區(qū)[6]，導(dǎo)致再生骨料品質(zhì)較差。因此，去除再生骨料表面老舊砂漿，降低老舊砂漿含量，是提升再生粗骨料及再生混凝土性能的根本方法。為解決再生骨料老舊砂漿引起的骨料物理性能降低問題，相關(guān)學(xué)者提出了再生骨料改性方法，并作了針對性研究。已有再生骨料改性方法可分為兩大類，物理改性方法及化學(xué)改性方法。化學(xué)方法一般是將再生集料浸入聚合物、水泥砂漿、酸、堿等液體中[7]，再生骨料表面的老舊砂漿與化學(xué)液體反應(yīng)生成晶體或者膠凝體，通過該物質(zhì)的填充性修補(bǔ)老舊砂漿中的裂縫和孔隙，從而降低了再生骨料的孔隙率，提高了物理力學(xué)性能[7—10]。然而化學(xué)方法存在一定的操作復(fù)雜及污染環(huán)境的缺點(diǎn)。物理方法則操作簡便且環(huán)境污染較小，分為機(jī)械研磨和熱處理法兩類。其中機(jī)械研磨和傳統(tǒng)加熱法都存在能耗高的問題，且機(jī)械研磨、傳統(tǒng)加熱方法分別會對骨料造成機(jī)械損傷和高溫?fù)p傷[11]，導(dǎo)致骨料性能降低。微波加熱法的提出則在降低能耗的同時減少了骨料損傷，使得再生骨料品質(zhì)有了一定的提升[11—14]。

微波加熱法的原理是通過微波加熱使石料與舊砂漿間產(chǎn)生溫度應(yīng)力，從而去除表面老舊砂漿。再生骨料所含舊砂漿和石料均為電介質(zhì)，不同的電介質(zhì)因其介電常數(shù)不同而對微波能量的吸收不同。砂漿較石料有著更小的介電常數(shù)，對于微波加熱的敏感度更高，更易吸收微波能量[12—13，15]。相同微波加熱時間下砂漿更易達(dá)到其分解溫度（300 ℃），使其強(qiáng)度下降，而石料仍處于較低溫度，使得舊砂漿與石料的界面區(qū)產(chǎn)生較高的溫度應(yīng)力，從而導(dǎo)致外部舊砂漿的脫落，以此達(dá)到去除再生粗骨料表面老舊砂漿的目的。肖建莊等[11]使用家用微波爐處理再生骨料，以較低功率加熱-水洗冷卻循環(huán)去除再生骨料舊砂漿，但是存在加熱-水洗冷卻循環(huán)次數(shù)過多的問題。趙海鑫等[14]提出以低功率（400 W、800 W）及高功率（1 600 W）對不同狀態(tài)的再生骨料進(jìn)行微波處理，再生骨料增強(qiáng)效果明顯，但未研究中等微波處理對再生粗骨料性能的影響及處理后再生骨料對混凝土強(qiáng)度的影響。

針對上述研究中不同功率、加熱-水冷循環(huán)次數(shù)及冷卻方式對砂漿去除效果的影響研究較少的問題，為獲取更優(yōu)的老舊砂漿去除方法，本文研究微波加熱功率、冷卻方式、加熱-水冷循環(huán)次數(shù)等因素對老舊砂漿的去除效果和對再生骨料物理力學(xué)性能的影響，分析對比試驗(yàn)結(jié)果，對再生骨料表面老舊砂漿的去除方法進(jìn)行優(yōu)化，并以此基礎(chǔ)研究再生骨料對混凝土力學(xué)性能的影響。

1 材料與方法

1.1 再生粗骨料粘附砂漿去除試驗(yàn)

再生骨料由廢棄舊樓板破碎而成，粒徑為5～16 mm。微波爐為功率0～1 200 W，連續(xù)可調(diào)。試驗(yàn)過程如下：稱取洗凈烘干后的再生粗骨料（5 kg）；將再生骨料放入耐高溫的托盤中，置于微波爐內(nèi)按設(shè)定功率進(jìn)行加熱；加熱結(jié)束后將骨料放于空氣中冷卻5 min 或倒入水中（18 ℃）冷卻2 min；重復(fù)至設(shè)定循環(huán)次數(shù)。

1.2 再生粗骨料表面老舊砂漿去除率測量試驗(yàn)

選用熱處理方法[16—18]測量再生粗骨料表面的老舊砂漿去除率，該方法較酸溶解法、觀察測量法等方法適用范圍廣、操作簡便且誤差較小，具體步驟如下:

（1）將質(zhì)量M1的再生粗骨料樣品浸入水中直至達(dá)到吸水飽和狀態(tài)。

（2）吸水飽和的樣品放入高溫烘箱中，加熱至600 ℃并保溫2 h，取出樣品后立即浸入冷水中。

（3）經(jīng)以上操作后，大部分老舊砂漿可自動脫落，通過橡膠錘錘擊使殘余砂漿脫落。將處理完畢的骨料用孔徑為4 mm 的篩子進(jìn)行篩分，得到粒徑小于4 mm 的粗骨料，質(zhì)量M2。老舊砂漿去除率（η）按下式進(jìn)行計算：

1.3 微波加熱方案

試驗(yàn)采用4 個不同的加熱功率840，960，1 080，1 200 W 進(jìn)行加熱，每次加熱5 min；冷卻方式為自然冷卻（室溫冷卻5 min）及水冷（18 ℃水中冷卻2 min）；加熱-冷卻循環(huán)次數(shù)設(shè)定為10，15，20 次。按1.1 節(jié)所示試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)后，測定吸水率、表觀密度及壓碎指標(biāo)，老舊砂漿去除率以1.2 節(jié)所示方法測定并計算。微波加熱試驗(yàn)方案如表1 所示。

表1 微波加熱試驗(yàn)方案表

1.4 再生混凝土力學(xué)試驗(yàn)

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，選取最優(yōu)老舊砂漿去除方案，制備試驗(yàn)所需粗骨料。以0%，25%，50%的再生粗骨料摻量澆筑3 組再生混凝土試件，測定規(guī)定養(yǎng)護(hù)齡期（35 d）再生混凝土抗壓強(qiáng)度，具體配合比如表2 所示。

表2 再生混凝土配合比

2 結(jié)果與分析

2.1 微波功率對老舊砂漿去除率的影響

再生粗骨料表面的老舊砂漿去除率隨著微波功率的增大呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，如圖1 所示。840 W 加熱處理后骨料的老舊砂漿去除率較未處理骨料增加13.3%，960 W 的功率下再生骨料的老舊砂漿去除率較未處理骨料增加17.7%，而1 080 W、1 200 W 的加熱功率較960 W 的功率下老舊砂漿的去除效果提升不大?？梢娢⒉訜崛コ偕止橇媳砻娴睦吓f砂漿是可行的，且微波功率與老舊砂漿去除效果存在一定的關(guān)系?？紤]能耗以及經(jīng)濟(jì)效益的因素，可優(yōu)先選取中等微波功率（960 W）對再生粗骨料進(jìn)行微波加熱處理。

圖1 不同功率對老舊砂漿去除率的影響

2.2 微波加熱-水冷循環(huán)次數(shù)對老舊砂漿去除率的影響

循環(huán)次數(shù)對再生粗骨料表面的老舊砂漿去除率的影響如圖2 所示。在加熱功率為960 W 時隨著微波加熱-水冷循環(huán)次數(shù)增加，再生粗骨料表面的老舊砂漿去除率增大。相較未處理再生粗骨料，循環(huán)10 次的老舊砂漿去除率為67.5%，循環(huán)15 次的老舊砂漿去除率為68.6%，循環(huán)20 次的老舊砂漿去除率提高至69.4%。可見加熱-水冷循環(huán)次數(shù)超過10次后，老舊砂漿對循環(huán)次數(shù)不再敏感。

圖2 循環(huán)次數(shù)對老舊砂漿去除率的影響

微波加熱是由外而內(nèi)進(jìn)行的，循環(huán)次數(shù)越多，天然骨料溫度越高，致使老舊砂漿與骨料溫度應(yīng)力差減小，老舊砂漿去除效果降低[14]。因此為使老舊砂漿去除效果最優(yōu)，選擇微波加熱-水冷循環(huán)次數(shù)為10 次。

2.3 冷卻方式對老舊砂漿去除率的影響

浸水冷卻可使再生粗骨料表面的老舊砂漿層快速降溫，形成一定的溫度應(yīng)力，降低老舊砂漿強(qiáng)度，從而使老舊砂漿脫落，減少再生粗骨料表面的老舊砂漿。由圖3 知，浸水冷卻較自然冷卻使得再生粗骨料表面老舊砂漿去除效果更明顯，浸水冷卻處理的再生粗骨料老舊砂漿去除率為67.5%，較自然冷卻方式提高了7.4%。浸水冷卻可產(chǎn)生更大的溫度應(yīng)力差，使得老舊砂漿去除效果提升。

圖3 冷卻方式對老舊砂漿去除率的影響

2.4 再生混凝土粗骨料性能

經(jīng)上述試驗(yàn)處理后的再生粗骨料性能如表3 所示。由表3 可知，再生粗骨料經(jīng)微波加熱處理后，老舊砂漿減少、吸水率降低、堅(jiān)固性提高、表觀密度增加，骨料性能顯著提升?？梢娫偕止橇系睦吓f砂漿含量是影響再生粗骨料性能的主要因素。需要注意的是微波加熱處理15 次、20 次較10 次的物理指標(biāo)雖有一定的提升，但提升幅度較小。相較自然冷卻，水冷去除老舊砂漿效果更優(yōu)。因此，建議單次加熱處理較多再生骨料時采用中等微波功率（960 W）下微波加熱-水冷循環(huán)10 次的方式處理再生粗骨料。

表3 加熱處理前后再生骨料物理力學(xué)性能

2.5 再生混凝土力學(xué)性能

對3 組試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測定，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，相較未摻再生粗骨料的混凝土（R-0），摻25%微波處理再生粗骨料的混凝土（R-25）抗壓強(qiáng)度提高了7.6%，而50%再生粗骨料取代率下混凝土（R-50）的抗壓強(qiáng)度降低了4.2%。而圖5[19]中，未經(jīng)處理的再生粗骨料在20%，50%的取代率下混凝土的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的降低。由此可見經(jīng)微波處理后的再生粗骨料在一定的摻量范圍內(nèi)可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。主要原因是經(jīng)微波加熱-水冷循環(huán)處理后的再生粗骨料表面粉塵減少、老舊砂漿減少，增強(qiáng)了水泥漿體與再生粗骨料之間的黏結(jié)作用，使得新舊界面過渡區(qū)孔隙率降低，界面強(qiáng)度提高，再生混凝土復(fù)雜的界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)有了一定的改善[6]，混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提高[6]。因此，再生粗骨料摻量為25%時，再生混凝土的力學(xué)性能較優(yōu)。

圖4 再生混凝土抗壓強(qiáng)度

圖5 再生混凝土抗壓強(qiáng)度[19]

3 結(jié)論

（1）合適的微波加熱功率、循環(huán)次數(shù)和冷卻方式可提高再生粗骨料表面老舊砂漿的去除效果，減少再生粗骨料表面的老舊砂漿。

（2）單次微波加熱處理再生粗骨料較多質(zhì)量時，單次加熱功率越大，老舊砂漿去除效果越優(yōu)；加熱-水冷循環(huán)次數(shù)越多，老舊砂漿去除效果并非逐漸增強(qiáng)；水冷較自然冷卻砂漿去除效果更好?；谀芰坷米畲蠡敖?jīng)濟(jì)效果最優(yōu)，應(yīng)選取中等微波功率（960 W）下微波加熱-水冷循環(huán)10 次去除再生粗骨料表面老舊砂漿，以取得較優(yōu)物理性能的再生骨料。

（3）微波加熱處理再生混凝土粗骨料，可降低骨料吸水率、壓碎指標(biāo)，提高表觀密度，整體增強(qiáng)了再生骨料的物理力學(xué)性能。

（4）經(jīng)微波加熱-水冷循環(huán)10 次處理的再生粗骨料，取代率為25%時，再生混凝土強(qiáng)度會有一定的提高。