微波照射下鋼筋混凝土升溫特性

戴 俊， 李 慧， 李棟爍

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054)

在城市地下建筑和房屋改造等實際工程中，混凝土結(jié)構(gòu)拆除技術(shù)已經(jīng)成為一項不可缺少的技術(shù)。目前最常見的混凝土破碎工藝為機械破碎和爆破法[1]，其中機械破碎噪音大、生產(chǎn)效率低，爆破法噪音大、粉塵大，受到很多外在條件的限制。因此具有明顯高效、低噪、綠色環(huán)保的微波輔助機械法逐漸得到應(yīng)用。

目前有關(guān)高溫下鋼筋混凝土粘結(jié)特性以及微波輔助破巖方面的研究結(jié)果表明：高溫會削弱鋼筋混凝土的黏結(jié)強度[2-3]，且微波在混凝土破碎技術(shù)中具有即時性和利用率高等優(yōu)點[4-7]。Dai等[8]和戴俊等[9]通過對微波照射后混凝土強度劣化規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微波照射可使混凝土強度發(fā)生減弱，并受照射功率和照射時間的影響，為混凝土破碎開辟了一種新的思路；杜文平等[10]通過微波照射廢棄混凝土熱成像試驗得出微波加熱為體加熱，比常規(guī)加熱裝置所需時間短，為研究微波輔助機械剔選廢棄混凝土工藝提供指導(dǎo)意義。以上研究成果雖然將微波加熱應(yīng)用到混凝土破碎中，但對于鋼筋混凝土在微波照射過程中的具體行為表現(xiàn)未作詳細(xì)解釋，而鋼筋混凝土溫度變化關(guān)系是造成鋼筋混凝土黏結(jié)力發(fā)生變化的根本原因，因此對于微波照射下鋼筋混凝土升溫特性的研究是非常有必要的。

為此，在已有研究的基礎(chǔ)上，以普通鋼筋混凝土試件為對象，通過試驗的方法對微波加熱過程中鋼筋和混凝土的升溫行為表現(xiàn)進(jìn)行研究，分析在不同微波功率下鋼筋和混凝土溫度變化差異，并且對造成的差異做出解釋，為微波輔助機械破碎工藝提供一定的試驗基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。

1 微波加熱原理

微波加熱物質(zhì)的過程實際上是微波通過加熱物質(zhì)內(nèi)部介電性能良好的介質(zhì)使其升溫。混凝土介質(zhì)中含有大量的極性分子，在迅速變化的電磁場中，介質(zhì)內(nèi)部的極性分子受到的電場力作用而發(fā)生劇烈摩擦，發(fā)生了由電磁能到熱能的轉(zhuǎn)化，從而使混凝土升溫。

一般情況下，若忽略混凝土內(nèi)部電子、離子導(dǎo)電率對微波損耗的影響，單位體積混凝土損耗的微波功率(也稱微波功率的耗散密度)pd可表示為

Pd=2πfγ0γ″M2

(1)

式(1)中：f為微波的頻率；γ0為真空介電常數(shù)(等于8.85×10-12F/m)；γ″為介質(zhì)的相對介電常數(shù)；M為混凝土內(nèi)部的有效電場強度。

由于在混凝土結(jié)構(gòu)中，不同組分材料的相對介電常數(shù)不同，微波功率的耗散密度不同，這就導(dǎo)致被照射的混凝土內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的溫度變化；另一方面，鋼筋屬于金屬，不吸收微波，不會受到微波功率的影響。因此，需要通過試驗驗證微波照射下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的升溫特性。

2 試驗安排

2.1 試驗設(shè)備及試件

(1)試驗設(shè)備：微波加熱設(shè)備(南京奧潤公司生產(chǎn)的ORW10SY-3T高功率大型工業(yè)微波爐，額定電壓380 V，輸出功率范圍為0～10 kV)、熱成像試驗圖像采集設(shè)備(美國菲利爾T420熱成像儀)、實時測溫裝置、混凝土攪拌機。

(2)試件：混凝土強度等級為C30。根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，混凝土配合比(重量比)為：水泥∶水∶砂∶石子= 1∶0.46∶1.29∶1.93，鋼筋取直徑為16 mm、長度為250 mm的HRB400型鋼筋。試塊達(dá)到強度要求后拆模，在相同外界環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d。一共制作6塊素混凝土試塊(100 mm×100 mm×100 mm)和12塊鋼筋混凝土試塊(150 mm×150 mm×150 mm)，分為5組，其中4組每組2個，剩下4個為1組。混凝土模具及成型試件如圖1所示，水泥、鋼筋具體參數(shù)見表1、表2。

圖1 試件模具和成型試件

2.2 試驗過程

2.2.1 預(yù)試驗

將照射時間確定為5 min，用不同功率(3 000、4 000、5 000、6 000 W)的微波對4塊素混凝土試塊分別進(jìn)行照射，以確定合適的照射功率范圍。照射過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)功率為6 000 W時，試塊在1 min 16 s有炸裂現(xiàn)象。為避免試驗偶然性，繼續(xù)用6 000 W微波照射剩余2塊素混凝土試塊，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試塊分別在2 min 40 s和4 min 11 s時有炸裂現(xiàn)象。

根據(jù)預(yù)試驗結(jié)果可以判定，5 000 W為照射時間為5 min時的功率上限，由此確定后續(xù)試驗中采用的方案為：照射時間5 min，功率分別為1 000、2 000、3 000、4 000 W。

2.2.2 熱成像試驗

將時間設(shè)定為5 min，分別采用不同功率(1 000、2 000、3 000、4 000 W)的微波照射隨機選取的4塊鋼筋混凝土試塊，時間結(jié)束之后立即對試塊進(jìn)行熱成像的圖像采集，并生成熱成像報告圖。

表1 水泥物理力學(xué)指標(biāo)

表2 鋼筋力學(xué)性能參數(shù)

這里混凝土表面測線布置方式為：在混凝土表面橫向和豎向各取三條等距離直線。鋼筋測點布置方式為：在鋼筋兩端裸露部分取兩點。四次試驗試塊在微波爐中的位置需保持一致：以微波爐艙門為固定視角，鋼筋位于試塊左右兩端，試塊頂面和前面隨機放置。

2.2.3 連續(xù)升溫測定試驗

將8個試件隨機分成4組，每組2個，編號見表3。將時間設(shè)定為5 min，采用不同功率(1 000、2 000、3 000、4 000 W)的微波分別照射表中4組鋼筋混凝土試塊。測溫計的布置方式(圖2)為：將3個探頭用耐高溫鋁箔紙隨機固定在混凝土表面位置，剩下的一個探頭固定在鋼筋端部。測量過程中用攝像機同步計時錄像，每隔10 s進(jìn)行一次讀數(shù)。

表3 升溫測定試件編號表

圖2 測溫布置實物圖

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 熱成像試驗結(jié)果分析

微波照射結(jié)束后，對采集到的熱成像處理生成的報告圖如圖3所示；通過對圖像中各測點溫度的比較分析，可得出不同功率微波照射后混凝土表面和鋼筋測點最高溫度變化曲線(圖4)以及試塊溫度值離散程度變化曲線(圖5)。

通過分析圖4可以確定，鋼筋混凝土試塊升溫情況受到微波照射功率的影響，混凝土表面最高溫度和鋼筋測點最高溫度隨微波功率的升高均增大，但兩者增加的幅度有差異，混凝土表面溫度增幅較鋼筋溫度增幅要大。根據(jù)圖5可知，鋼筋混凝土各測線溫度值的標(biāo)準(zhǔn)差、測線與測點溫度值的極差均隨著微波功率的升高而增大，這表明隨著微波功率的增大，混凝土表面溫度分布越來不均勻，鋼筋與混凝土之間的溫度梯度一直增大。

對以上試驗結(jié)果的原因分析：混凝土試塊內(nèi)部的粗骨料具有較強吸波性質(zhì)，但其分布并不均勻，因此試塊受到微波加熱后混凝土各部位溫度分布也呈現(xiàn)出不均勻性。隨著微波功率增大，混凝土內(nèi)部吸波較強的組分溫度就越高，但是由于混凝土屬于惰性材料，各個組分之間的熱傳遞不夠迅速，于是造成了試塊各個部位溫度不均勻性增大。對于鋼筋而言，其溫度的改變與微波功率大小無關(guān)，而是由于周邊混凝土的熱傳遞作用，因此鋼筋測點溫度上升幅度相對小的多。另外，混凝土中粗骨料與鋼筋之間存在砂漿以及空隙這些惰性物質(zhì)，導(dǎo)致熱傳遞速率遠(yuǎn)低于吸收微波的速率，因此鋼筋與混凝土之間的溫度梯度隨功率的升高而不斷增大。

由熱成像試驗可進(jìn)行如下推論：當(dāng)微波功率處于1 000～5 000 W，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受到微波照射后會形成一定的溫度梯度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力以及不協(xié)調(diào)變形，從而在鋼筋混凝土粘結(jié)面產(chǎn)生粘結(jié)損傷。

3.2 微波照射下鋼筋混凝土連續(xù)升溫測定試驗結(jié)果及分析

通過對不同微波功率照射下的4組鋼筋混凝土試塊的升溫探測，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到圖6所示的溫度-時間曲線。

通過分析圖6可以發(fā)現(xiàn)，同一微波功率照射下的2個試塊混凝土表面的6個測點溫度-時間曲線明顯不同，而鋼筋末端的2個測點溫度-時間曲線基本重合；不同微波功率照射下，試件升溫的平均速度隨著微波功率的增大而增大，鋼筋與混凝土的溫差也隨著微波功率的增大而增大，此結(jié)論與熱成像試驗保持一致。為了更確切地說明鋼筋混凝土試件針對微波照射功率改變的升溫特性，取各組中溫度最高的測點升溫特性曲線進(jìn)行分析，其中混凝土測點取T-102測點2、T-201測點1、T-301測點1和T-401測點2，對應(yīng)鋼筋測點取T-102、T-201、T-301和T-401。

分析選取的混凝土測點的溫度-時間曲線：T-102測點2，升溫速率在前200 s平均值為0.42 ℃·s-1，200 s之后減小；T-201測點1，升溫速率在前120 s平均值為0.83 ℃/s，120 s之后減小；T-301測點1，升溫速率在前70 s平均值為1.25 ℃/s，70 s之后減小；T-401測點2，升溫速率在前40 s平均值為2.23 ℃/s，40 s之后減小；即在1 000、2 000、3 000、4 000 W微波照射下選取測點的升溫速率分別在200、120、70、40 s最快，之后又變慢。對于鋼筋測點而言，雖然溫度隨著微波功率增大而升高，但其增大的趨勢都比較平緩，升溫速率差別不大，且增加的幅度也較小。

通過對混凝土表面其他測點的溫度變化曲線的比較分析還可以可得出：微波功率分別為1 000、2 000、3 000、4 000 W時，混凝土表面其他測點升溫速率分別在200、120、70、40 s左右達(dá)到最大值，與選中測點基本一致。于是可以確定混凝土在升溫過程中存在速率變化臨界點，在實際應(yīng)用中可以參考此結(jié)論設(shè)置微波最佳照射時間。

4 結(jié)論

通過對鋼筋混凝土試件的熱成像試驗、升溫探測試驗，得到不同功率下鋼筋混凝土試塊的熱成像圖、升溫曲線圖，并得到以下結(jié)論。

(1)在一定的微波照射功率范圍內(nèi)，鋼筋和混凝土在微波場中的溫度變情況化存在很大差異：混凝土由于主動吸收微波，升溫速度快，鋼筋通過熱傳遞被動升溫，速度相對較慢。

(2)微波照射下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生粘結(jié)損傷的主要原因是，鋼筋和混凝土粘結(jié)面以及混凝土內(nèi)部粗骨料和砂漿體之間形成一定的溫度梯度，且溫度梯度隨微波功率的提高而增大，導(dǎo)致鋼筋和混凝土之間形成溫度應(yīng)力和不協(xié)調(diào)變形。

(3)不同功率微波照射鋼筋混凝土均存在最佳照射時間，在最佳照射時間之前混凝土升溫速率較大，之后升溫速率變小。且在一定的功率范圍內(nèi)，最佳照射時間隨微波功率的增大而縮短。