邵珠山，魏 瑋，陳文文，郜介璞，袁 媛

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 710055；2.西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院，陜西 710055；3.西安建筑科技大學(xué)陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(kāi)挖都成為現(xiàn)在施工的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)于建筑的拆除或者隧道開(kāi)挖過(guò)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(jī)械破碎法。爆破法在大型破碎工程中有明顯的優(yōu)勢(shì)，該方法效率高，靈活性強(qiáng)，且初期投資較低。但該方法對(duì)鄰近建筑物擾動(dòng)大，隧道開(kāi)挖時(shí)會(huì)對(duì)原巖產(chǎn)生擾動(dòng)。機(jī)械破碎法能克服爆破法的很多缺點(diǎn)，目前已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。該方法在隧道開(kāi)挖時(shí)能較好保護(hù)圍巖，且較為安全，但這一方法也有局限性，一次性投資機(jī)械費(fèi)用高，刀具破碎嚴(yán)重。在破碎強(qiáng)度較高巖石時(shí)，效率極低且需要經(jīng)常更換刀具，沒(méi)有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[1－2]。近年來(lái)，一些新技術(shù)被引入到機(jī)械破碎領(lǐng)域中，其中“微波+機(jī)械”破碎方法由于具有高效性、低污染性、低能耗性被廣泛關(guān)注。微波機(jī)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(qiáng)度較低，而后再利用機(jī)械道具進(jìn)行進(jìn)一步破碎分離。對(duì)于拆除的廢舊建筑物，建筑垃圾的處理也是當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。目前混凝土的二次利用已然發(fā)展為主導(dǎo)趨勢(shì)。再生混凝土骨料，主要是粗骨料來(lái)自于廢舊混凝土，通過(guò)對(duì)廢舊混凝土塊進(jìn)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(chǎn)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(jí)法等，但目前的技術(shù)不能將附著在骨料表面的砂漿有效分離且會(huì)對(duì)剔除骨料性能造成較大影響，同時(shí)分離過(guò)程亦對(duì)環(huán)境造成二次污染[3－4]。通過(guò)微波加熱輔助二次骨料回收利用的新型技術(shù)，利用微波加熱的選擇性特點(diǎn)，能在骨料和砂漿界面產(chǎn)生溫度梯度以及應(yīng)力梯度，從而導(dǎo)致沿界面裂紋的產(chǎn)生，加速和促進(jìn)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(zhì)骨料。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)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(kāi)理論和試驗(yàn)研究并取得一定成果。

Jones等[5－8]和 Kingman 等[9－11]對(duì)微波照射下巖石和礦物的影響進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究。微波功率越大，照射時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)材料強(qiáng)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(yīng)用實(shí)際中，將微波破碎巖石和TBM進(jìn)行結(jié)合，探討微波和機(jī)械結(jié)合破碎巖石的應(yīng)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(shí)長(zhǎng)下的材料的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，分析材料破壞的狀態(tài)和影響因素，通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的手段討論了在非均勻巖石中微波加熱的熱力學(xué)特性。Lovás等[21－23]對(duì)微波照射下安山石的響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)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(guò)FLAC2D和PFC的數(shù)值模擬研究了微波加熱對(duì)礦物破壞程度的影響因素以及不同顆粒大小礦物對(duì)微波照射的反應(yīng)，為微波加熱在混凝土骨料回收以及選礦方面的應(yīng)用奠定一定的理論基礎(chǔ)。

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(nèi)在機(jī)制，在實(shí)驗(yàn)研究和理論研究方面都取得了重要的認(rèn)知和突破。隨著試驗(yàn)設(shè)備和數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于微波針對(duì)固體材料加熱的很多研究現(xiàn)在已經(jīng)側(cè)重細(xì)觀方面，包括加熱過(guò)程中的裂紋萌生及擴(kuò)展?fàn)顩r，材料的形態(tài)對(duì)加熱效果的影響，材料在加熱過(guò)程中是否有化學(xué)成分的變化，材料的介電常數(shù)和加熱時(shí)間、功率的關(guān)系等。但針對(duì)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(shù)卻不能量化，無(wú)法獲得最合理最高效的加熱參數(shù)以及加熱效果。總體而言，考慮微波加熱巖石和混凝土的內(nèi)在熱-力耦合理論方面以及如何將微波加熱的新型技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際中的研究任重道遠(yuǎn)。本文在對(duì)微波加熱巖石和混凝土的原理和應(yīng)用的研究現(xiàn)狀和研究成果進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析微波加熱的原理和影響因素以及不同材料對(duì)加熱的不同反應(yīng)，介紹了不同微波加熱設(shè)備以及加熱特點(diǎn)，討論了微波加熱在改變巖石強(qiáng)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(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景，詳細(xì)解析當(dāng)前研究存在的不足和亟需解決的理論與工程應(yīng)用問(wèn)題。

1 微波加熱的原理

微波是一種波長(zhǎng)介于1 mm~1 m的波，對(duì)應(yīng)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(yīng)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(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)都隨時(shí)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(nèi)部的礦物包含許多正負(fù)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(wú)章的狀態(tài)向電磁場(chǎng)方向排列，克服分子間相互作用。在電磁場(chǎng)下，偶極子反復(fù)極化，相鄰極性分子間相互作用使得加熱介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生了劇烈的“摩擦作用”，從而導(dǎo)致溫度不斷升高，能量由微波的電磁能轉(zhuǎn)化為熱能[27－29]。

圖1 電磁波譜Fig.1 Electromagnetic spectrum

根據(jù)對(duì)微波加熱的反應(yīng)，材料針對(duì)微波加熱可分為以下四個(gè)類型：1)吸收型，微波被材料大量吸收；2)不吸收型，微波穿過(guò)材料時(shí)沒(méi)有任何能量被吸收；3)絕緣型，微波不能穿過(guò)材料并被反射出來(lái)；4)混合型，材料中有的固體能吸收微波能量而有的固體對(duì)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(zhì)，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(gè)特點(diǎn)：

1)整體性加熱

微波具有較強(qiáng)穿透性，且基于微波加熱的原理，微波對(duì)固體內(nèi)的微波吸收介質(zhì)同時(shí)加熱，不存在由外向內(nèi)的熱傳導(dǎo)過(guò)程。

2)選擇性加熱

微波加熱只對(duì)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(dǎo)致溫度升高不同，從而使得兩種不同材料的應(yīng)力狀態(tài)的差異，達(dá)到分離目的。

3)高效性

微波加熱過(guò)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(shí)，選擇加熱環(huán)境為對(duì)微波不吸收物質(zhì)例如干燥空氣，加熱過(guò)程能量損失會(huì)很小，加熱效率較高。

4)即時(shí)性

對(duì)于傳統(tǒng)加熱方法，熱源是通過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)固體的加熱，熱量從固體外向內(nèi)傳導(dǎo)，存在一個(gè)熱傳導(dǎo)的過(guò)程，加熱緩慢。而微波加熱不同，只要將吸收微波的物質(zhì)放到微波場(chǎng)中，加熱過(guò)程就會(huì)立即開(kāi)啟，加熱不具有延時(shí)效應(yīng)。

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(tǒng)加熱方法，微波加熱時(shí)間短，能耗低，且不產(chǎn)生二次廢物，加熱具有無(wú)污染性，對(duì)環(huán)境十分友好。

微波照射條件下，礦物體內(nèi)產(chǎn)生的總熱量取決于外加電場(chǎng)強(qiáng)度、微波頻率以及礦物質(zhì)的介電特性。單位熱能可以估計(jì)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(shù)；ε＇為巖石材料介電損耗因子；E0/(V/m)為電場(chǎng)強(qiáng)度。

微波穿透深度是指電磁波穿透到介質(zhì)內(nèi)部的能力。當(dāng)電磁波從固體表面進(jìn)入固體內(nèi)部時(shí)，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(shù)；λ0為微波波長(zhǎng)。由式(2)可知，微波穿透深度與波長(zhǎng)處于同一數(shù)量級(jí)，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(xué)成分、材料微觀結(jié)構(gòu)能有關(guān)[35]。

根據(jù)電磁理論基礎(chǔ)，電磁波由震蕩電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成相互激發(fā)形成統(tǒng)一的電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)問(wèn)題實(shí)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(duì)恒定電磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)的基本規(guī)律經(jīng)過(guò)修正后適用于變電磁場(chǎng)，得到一切宏觀電磁場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度矢量；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量；J為傳導(dǎo)電流矢量；D是電勢(shì)移矢量；B是磁通量密度矢量；J、D、B、E、H的關(guān)系為：

則

式中：σ是電導(dǎo)率；ε是物質(zhì)的介電常數(shù)；μ是復(fù)磁導(dǎo)率。

由于考慮材料表面及內(nèi)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(zhǔn)確地預(yù)測(cè)溫度場(chǎng)，朗伯比爾定律在合適的應(yīng)用情況范圍下可以簡(jiǎn)化溫度場(chǎng)的求解過(guò)程。朗伯比爾定律更適用于當(dāng)試件厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波的穿透深度的情況，即半無(wú)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(shè)備

微波能量通常由直流電或50 Hz電通過(guò)半導(dǎo)體器件或者電真空器件來(lái)獲得。傳統(tǒng)工業(yè)微波加熱設(shè)備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)一般可分為：微波加熱腔體、微波電源、波導(dǎo)管、抑制器、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)功能為：

1)微波腔體：加熱空間，物料在微波腔體內(nèi)進(jìn)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(zhuǎn)換微波能的元器件等。

3)波導(dǎo)管：波導(dǎo)為空心長(zhǎng)方形的管，當(dāng)微波信號(hào)進(jìn)入其中時(shí)，微波在其中遵循法拉第電磁感應(yīng)定律，通過(guò)電磁感應(yīng)原理，從波導(dǎo)的一端傳到另一端，即波導(dǎo)是將微波電源發(fā)射的微波能從發(fā)生器傳輸?shù)轿⒉訜崆惑w內(nèi)。

4)抑制器：防止微波泄漏，控制微波泄漏達(dá)到安全使用標(biāo)準(zhǔn)的微波抑制系統(tǒng)。

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

6)控制系統(tǒng)：包括操作人員控制微波設(shè)備運(yùn)行、人員設(shè)備安全的報(bào)警保護(hù)和生產(chǎn)工藝參數(shù)設(shè)置等整個(gè)微波設(shè)備安全運(yùn)行的系統(tǒng)，目前大部分微波控制系統(tǒng)都是智能控制系統(tǒng)，帶有可編程序邏輯控制器和觸控屏幕。

7)輔助監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：反饋微波加熱過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，如物料溫度、微波功率和傳輸速度等與生產(chǎn)相關(guān)的一系列數(shù)據(jù)。

微波燒結(jié)設(shè)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(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)集中，材料的介質(zhì)損耗不太大可以在單模諧振腔中進(jìn)行燒結(jié)。多模與單模都可以通過(guò)微波加熱物體，諧振腔內(nèi)的模式越多，電磁場(chǎng)的分布結(jié)構(gòu)就越多，諧振腔內(nèi)的微波能分布也就越均勻。多模諧振腔的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用各種加熱負(fù)載，但由于腔內(nèi)存在多種諧振模式，很難精確分析，對(duì)不同的材料進(jìn)行微波燒結(jié)需要不斷通過(guò)試驗(yàn)調(diào)節(jié)燒結(jié)爐的參數(shù)。對(duì)一般的單模諧振腔(如圖2所示)加熱設(shè)備，駐波器一般都在波導(dǎo)管頂部。微波產(chǎn)生后直接由波導(dǎo)管傳輸。圖3為一種典型的工業(yè)微波加熱設(shè)備——工業(yè)微波爐。圖4給出了 Lu等[44]設(shè)想的一種新型微波輔助硬巖壓裂設(shè)備示意圖，包括微波源、磁控管、隔離器、耦合器、阻抗調(diào)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(shè)備Fig.3 Microwave heating equipment

目前實(shí)驗(yàn)室中使用的微波加熱設(shè)備主要以上述的由單模諧振腔或多模諧振腔構(gòu)成的燒結(jié)設(shè)備為主。而滿足特定工程需要，囿于對(duì)應(yīng)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(yù)測(cè)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(shè)備尚處于研制開(kāi)發(fā)階段，但是其基本組成部分與實(shí)驗(yàn)室用微波加熱設(shè)備并無(wú)太大區(qū)別。

圖4 微波輔助硬巖地下壓裂系統(tǒng)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(kuò)展機(jī)制

Omran等[45]通過(guò)電鏡掃描分析對(duì)比了含鐵礦物在微波照射和傳統(tǒng)加熱方式下的斷裂情況。研究發(fā)現(xiàn)，在微波功率為900 W照射時(shí)長(zhǎng)為50 s時(shí)，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(shí)后，試件并未發(fā)生破壞，在溫度為500 ℃下加熱一小時(shí)后，顆粒間幾乎沒(méi)有發(fā)生破壞，少量裂紋僅僅產(chǎn)生在鮞粒巖表面。研究還發(fā)現(xiàn)，在微波加熱下，試件內(nèi)產(chǎn)生寬且深的裂紋，在傳統(tǒng)加熱爐里試件產(chǎn)生的裂紋很細(xì)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(xiàn)的形式不同于傳統(tǒng)加熱的首要原因即微波的選擇性加熱特點(diǎn)，對(duì)于不同材料，材料對(duì)于微波的吸收能力不同，微波的加熱效應(yīng)不同，微波加熱在不同材料內(nèi)產(chǎn)生的不同溫度也會(huì)反過(guò)來(lái)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(jié)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(xué)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(jī)制，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)隨著照射時(shí)間增長(zhǎng)，一部分拉伸破壞也在兩種礦物邊界產(chǎn)生。圖6給出了不同照射時(shí)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(shù)不同，產(chǎn)生的體積應(yīng)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(shí)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(xiàn)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(nèi)部產(chǎn)生的溫度場(chǎng)誘發(fā)的熱應(yīng)力有關(guān)，當(dāng)內(nèi)部熱應(yīng)力大于試件抗拉強(qiáng)度時(shí)玄武巖試樣開(kāi)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(jīng)表明，礦物在微波照射下強(qiáng)度明顯降低，裂紋擴(kuò)展明顯。雖然脈石不能被微波直接加熱，但由于熱傳導(dǎo)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(jié)果就是結(jié)合部位，也就是礦物邊界硬度都降低了。結(jié)合部分的硬度降低，預(yù)示著解離可能優(yōu)先沿著結(jié)合部分進(jìn)行。唐陽(yáng)等[48]基于離散元模型對(duì)石英和斜長(zhǎng)石兩相物質(zhì)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(kuò)展至斜長(zhǎng)石晶體，最終呈現(xiàn)放射狀的網(wǎng)絡(luò)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(zhì)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(chǎn)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(yīng)變不同，則在易吸收和不易吸收礦物內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)不同，熱應(yīng)力的增加導(dǎo)致在礦物邊界形成放射狀微裂紋，迫使晶體周邊產(chǎn)生沿晶破壞。加熱過(guò)程中當(dāng)不同材料內(nèi)部升溫不同時(shí)，反過(guò)來(lái)會(huì)對(duì)材料的介電性能產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致加熱結(jié)果的差異性。同時(shí)，材料內(nèi)水分在微波加熱下的轉(zhuǎn)化會(huì)對(duì)材料的介電性能產(chǎn)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(duì)加熱結(jié)果的影響

在混凝土和巖石孔隙中，水有結(jié)合水和自由水兩種形式，可細(xì)分為顆粒內(nèi)部吸收水、顆粒表面吸收水、毛細(xì)水、顆粒表面附著水以及不同顆粒間的水分，如圖9所示。當(dāng)溫度達(dá)到水的沸點(diǎn)時(shí)，自由水蒸發(fā)，在微波照射強(qiáng)度足夠大時(shí)，結(jié)合水釋放并轉(zhuǎn)化為水蒸氣在材料內(nèi)部擴(kuò)散。

研究表明，溫度、水的存在狀態(tài)和含量都會(huì)對(duì)微波加熱過(guò)程產(chǎn)生影響。不同介質(zhì)的介電常數(shù)不同，水的介電常數(shù)比一般的介質(zhì)大，因此在一般情況下，加工物料含水量越大其介質(zhì)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(shù)。某些物料溫度上升時(shí)，其介質(zhì)損耗反而下降，這時(shí)就出現(xiàn)了加熱時(shí)所謂的自動(dòng)平衡。微波的這種自動(dòng)平衡使得物料加熱更為均勻，同時(shí)也避免了出現(xiàn)過(guò)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(shù)[50]Fig.10 The attenuation factors of coarse aggregate and cementitious mortar[50]

Itaya等[51]通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(jié)果表明，在微波加熱下，當(dāng)水的溫度達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)，在內(nèi)部蒸汽壓力的作用下，裂紋產(chǎn)生。在加熱的初始階段，由于試件內(nèi)水分含量高，微波能量都被試件所吸收，隨著加熱時(shí)間增長(zhǎng)，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(yán)重，且其抗剪強(qiáng)度也顯著降低。Akbarnezhad等[53]的研究也表明，當(dāng)砂漿內(nèi)水含量增大時(shí)，砂漿吸收微波的能力隨之增強(qiáng)。

Abdelghani-Idrissi等[54]將微波加熱水泥的過(guò)程更為詳細(xì)地劃分為三個(gè)階段，如圖11所示。第一階段內(nèi)，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(dāng)溫度達(dá)到水的蒸發(fā)溫度，即 100℃時(shí)，吸收的微波能量都用來(lái)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(zhì)在微波場(chǎng)中的升溫階段分為兩個(gè)階段，初始階段快速升溫，此過(guò)程也是物料吸熱升溫最主要的階段，物料溫度在短時(shí)間內(nèi)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(duì)于不同材料來(lái)說(shuō)，即使材料都處于飽和狀態(tài)下，由于介電常數(shù)的不同，微波加熱效率也不同，所以水分的影響對(duì)于同種材料可以進(jìn)行量化研究，對(duì)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(zhì)傳熱過(guò)程，該軟件可對(duì)材料在微波加熱下的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及水分遷移進(jìn)行全面系統(tǒng)地模擬，可研究不同時(shí)間、功率、頻率下的材料內(nèi)部水分變化過(guò)程，目前在研究水分對(duì)于材料加熱結(jié)果方面該軟件得到廣泛應(yīng)用。

4.2 功率輸入和密度對(duì)加熱結(jié)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(guò)實(shí)驗(yàn)，將未處理過(guò)的試件在置于三種不同的功率下進(jìn)行照射10 s研究其強(qiáng)度的變化，結(jié)果表明，在15 kW微波照射1 s之后，材料的殘余強(qiáng)度低于未處理前強(qiáng)度的55%，而在5 kW微波照射1 s后材料的強(qiáng)度下降并不明顯。然而隨著照射時(shí)間的增長(zhǎng)，15 kW微波照射下材料的強(qiáng)度降低趨勢(shì)并不明顯，如圖12所示。要產(chǎn)生大的強(qiáng)度折減，高功率短時(shí)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(duì)在微波照射下的方鉛礦-方解石二相模型進(jìn)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(nèi)隨機(jī)分布，兩種礦物的交界處則為顆粒邊界。在微波加熱下，當(dāng)材料內(nèi)部拉力大于材料抗拉強(qiáng)度時(shí)，視為材料被破壞。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，微波功率密度為1×1010W/m3照射時(shí)長(zhǎng)為0.001 s時(shí)，顆粒邊界發(fā)生的破壞程度為74.3%，當(dāng)密度為1×109W/m3照射時(shí)長(zhǎng)為0.01 s時(shí)，破壞率還不到50%。這是由于，在照射功率密度低且照射時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，微波產(chǎn)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(zhǎng)巖試樣即出現(xiàn)裂紋，而在3 kW功率下，需照射120 s才能產(chǎn)生裂紋。當(dāng)在5 kW功率下照射65 s以后，試樣中心變紅，預(yù)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(dá)到熔點(diǎn)。Hassani等[13]通過(guò)微波和 TBM(全斷面隧道掘進(jìn)機(jī))的結(jié)合，證明微波破碎巖石運(yùn)用到實(shí)際工程中的可能性。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)未被微波處理過(guò)的蘇長(zhǎng)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(shí)，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(zhǎng)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(shù)和TBM相結(jié)合，在滾刀切割之前選擇合理微波照射功率和時(shí)間進(jìn)行巖石輻射，最大程度將巖石強(qiáng)度折減且不使巖石融化，將明顯提高 TBM 的掘進(jìn)速率，將微波合理、高效利用到巖石破碎甚至隧道掘進(jìn)中。

圖12 多模腔裝置下點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)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(yīng)力和巖石的熔點(diǎn)，當(dāng)試樣內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過(guò)巖石的強(qiáng)度極限時(shí)，試樣就會(huì)先崩開(kāi)破碎，如果破碎后選擇繼續(xù)加熱，碎塊將發(fā)生熔化；當(dāng)試樣的溫度先達(dá)到巖石熔點(diǎn)時(shí)，試樣就會(huì)先發(fā)生熔化[59]。一方面會(huì)造成能量的浪費(fèi)，不能最大化利用資源；另一方面，當(dāng)微波功率越大且不合理控制加熱時(shí)間使得被加熱材料溫度過(guò)高時(shí)，材料發(fā)生熔融，對(duì)于材料的破壞產(chǎn)生不利影響。

圖13 三種微波功率照射后TBM對(duì)蘇長(zhǎng)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(duì)加熱結(jié)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(shí)間下，通過(guò)增加微波照射頻率，試件內(nèi)溫度越高。Lagos等[60]通過(guò)數(shù)值模擬研究在微波加熱頻率小于2.45 GHz時(shí)，頻率越小，微波穿透深度越大，微波會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象，最大溫度分布隨著微波傳播方向起伏，距離波源越遠(yuǎn)，最大溫度越低。當(dāng)微波加熱頻率大于10.6 GHz時(shí)，溫度分布狀態(tài)發(fā)生改變。頻率大時(shí)，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(nèi)不會(huì)形成駐波，只有一個(gè)最大溫度出現(xiàn)，并隨距離增加溫度快速降低。照射時(shí)長(zhǎng)是 60 s時(shí)，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(shí)，最大溫度增加到71.6 ℃。而達(dá)到同樣的溫度，當(dāng)頻率為10.6 GHz時(shí)，加熱時(shí)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(shí)微波照射下混凝土表面剝落的情況，結(jié)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(dòng)。這是因?yàn)槲⒉l率愈大，其能量損耗愈多。當(dāng)微波頻率為18.0 GHz，照射時(shí)間10 s時(shí)，加熱區(qū)域更多集中在混凝土表面附近。

微波加熱本質(zhì)上是電介質(zhì)被微波特高頻電場(chǎng)反復(fù)極化時(shí)對(duì)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(shí)間內(nèi)分子克服摩擦力翻轉(zhuǎn)的次數(shù)越多，能量耗散越快，且隨著頻率的升高，波長(zhǎng)變短，高頻微波穿透能力減弱，加熱效率降低。應(yīng)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(jìn)行加熱，提高利用效率。

4.4 材料特性對(duì)加熱結(jié)果的影響

研究表明，試件的尺寸，內(nèi)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(huì)對(duì)材料在微波下的加熱效應(yīng)產(chǎn)生影響。

試件尺寸對(duì)微波加熱結(jié)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(duì)加熱結(jié)果的影響都是基于微波的選擇性加熱特點(diǎn)，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(duì) 11種常見(jiàn)的造巖礦物進(jìn)行了微波輻射實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明不同造巖礦物表現(xiàn)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(yù)測(cè)巖石的吸波能力，含強(qiáng)吸波礦物較多的巖石，其吸波能力更強(qiáng)，升溫也越高。

在微波照射下，巖石的多相性會(huì)使得巖石內(nèi)部材料對(duì)于微波的吸收性以及加熱效果產(chǎn)生差異，從而導(dǎo)致溫度梯度和應(yīng)力梯度的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致材料的破壞[16]。Toifl等[17]通過(guò) FDTD模擬的從微觀層面上研究了材料的形態(tài)對(duì)微波加熱結(jié)果的影響。模型由微波吸收介質(zhì) A和微波不吸收介質(zhì) T兩種組成。為了比較材料形態(tài)對(duì)加熱效果的影響建立了三個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比，三個(gè)模型 A、B、C采用相同填充率都固定為f但微波吸收項(xiàng)A的分布形態(tài)不同。研究結(jié)果表明，三種模型產(chǎn)生的應(yīng)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(chǎn)生的最大主應(yīng)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(lái)看吸收介質(zhì)A的填充率一樣，但是模型表面吸收介質(zhì) A的沿著高斯光束的填充率的不同導(dǎo)致所產(chǎn)生的應(yīng)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(huì)對(duì)微波能量吸收、熱傳導(dǎo)以及溫度梯度產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致加熱過(guò)程和結(jié)果的不同[63－64]。Bradshaw 等[26]的研究表明，要使細(xì)顆粒(顆粒尺寸為 0.125 mm~0.25 mm)達(dá)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(xì)顆粒在相同微波能量輸入的情況下產(chǎn)生的溫度梯度小。他們通過(guò)FLAC2D4.0進(jìn)行進(jìn)一步研究，對(duì)于方鉛礦、方解石以及磁鐵礦、白云石二項(xiàng)模型，分別對(duì)細(xì)顆粒和粗顆粒在相同微波密度輸入下的加熱破壞結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，對(duì)于兩種模型來(lái)說(shuō)，顆粒尺寸越小，到達(dá)和粗顆粒相同的破壞效果需要的時(shí)間越長(zhǎng)，也就是說(shuō)，如果細(xì)顆粒和粗顆粒礦物產(chǎn)生的破壞情況相同時(shí)，需要的能量輸入越多[24]。

圖14 沿高斯軸y方向最大主應(yīng)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(chǎng)[17]Fig.15 Temperature profile along the y-direction of the Gaussian beam[17]

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

微波加熱時(shí)物料的升溫特性受物料性質(zhì)的控制。如果礦物的產(chǎn)地不同，其性質(zhì)也有差異性，這就導(dǎo)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(zhì)既有普遍的規(guī)律性，也有特殊性。在研究中，具體問(wèn)題應(yīng)該具體分析。

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

5 實(shí)際應(yīng)用研究

基于微波加熱固體材料的特性，現(xiàn)有一系列理論和試驗(yàn)研究已經(jīng)為微波應(yīng)用到工程實(shí)際中提供可靠參考和依據(jù)。

5.1 微波加熱輔助巖石破碎

傳統(tǒng)機(jī)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(wú)法得到有效利用[65]，且施工精度較低，破碎硬巖時(shí)刀具磨損大，侵入率低，施工時(shí)間長(zhǎng)。微波加熱的體積性和快速加熱特點(diǎn)使得產(chǎn)生的巖石裂縫密度高，巖石的可磨性顯著改善。建造長(zhǎng)大隧道和深井工程中，對(duì)硬巖等傳統(tǒng)方法難以破碎的巖石進(jìn)行微波預(yù)處理后再機(jī)械破碎已經(jīng)被認(rèn)為是具有廣闊前景的一項(xiàng)技術(shù)[66－69]。

目前的研究表明，通過(guò)“微波+機(jī)械”的破碎方法可高效、低污染、低能耗破碎巖石。微波機(jī)械破碎方法，即先利用微波照射巖石，使其受到損傷，強(qiáng)度降低，而后再利用機(jī)械道具進(jìn)行進(jìn)一步破碎分離，該方法可運(yùn)用于隧道開(kāi)挖過(guò)程中。使用微波預(yù)處理巖石，能有效降低巖石的斷裂韌性、點(diǎn)荷載強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，削弱巖石的力學(xué)特性[70－75]。研究表明，對(duì)硬巖進(jìn)行微波輻射后，其機(jī)械切割率(m3/h)可實(shí)現(xiàn)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(cè)試表明將微波加熱與TBM技術(shù)相結(jié)合的可行性和合理性可用于項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)適當(dāng)?shù)奈⒉訜釁?shù)預(yù)先削弱巖石可以提高侵入率，并且還可以防止刀片過(guò)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(huì)促使巖石在其內(nèi)部形成更大的溫差，有效在巖石內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，且照射時(shí)間更短，耗能更少。針對(duì)不同種類巖石，選取合適的加熱時(shí)長(zhǎng)、功率將明顯提高破碎效率。將微波加熱和機(jī)械破碎方式(圖16)相結(jié)合，例如在隧道掘進(jìn)時(shí)先用一定的微波照射巖石使其強(qiáng)度衰減，再利用TBM進(jìn)行進(jìn)一步破碎，有利于提高盤(pán)型刀具的使用壽命和TBM的掘進(jìn)速率。針對(duì)這一想法目前已有微波隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)刀頭的設(shè)想的設(shè)計(jì)方案，但是有效地工程實(shí)際應(yīng)用還需要進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證和試驗(yàn)[78]。

需要注意的是，當(dāng)前針對(duì)微波輔助巖石破碎的一系列實(shí)驗(yàn)僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，鑒于不同工程環(huán)境的復(fù)雜性，不同的材料在微波電磁場(chǎng)下的吸收反射性能不同，導(dǎo)致了微波加熱與破碎設(shè)備的專用性，不能簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)一種通用型的設(shè)備。對(duì)于工程實(shí)際而言，其需要解決的是一系列復(fù)雜問(wèn)題。例如面對(duì)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(shí)長(zhǎng)以達(dá)到工程建設(shè)的需求，如何在微波施加過(guò)程中控制微波的泄漏等都是設(shè)備研發(fā)人員需要考慮的實(shí)際問(wèn)題。

圖16 微波輔助TBM圓盤(pán)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(tǒng)鉆孔和切割方式雖然能夠滿足大部分的工業(yè)建設(shè)要求，但傳統(tǒng)鉆孔和切割過(guò)程中噪音及振動(dòng)影響均較大，會(huì)產(chǎn)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(jià)昂貴且不利于現(xiàn)場(chǎng)使用。微波鉆孔和切割主要是通過(guò)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(wú)粉塵無(wú)噪音，是一種低污染低費(fèi)用可控性高的鉆孔技術(shù)[79]。

研究表明，微波在混凝土鉆一個(gè)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(jī)械輔助微波鉆孔設(shè)備，該設(shè)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(dá)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(yīng)用[81]。對(duì)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(shù)，以此來(lái)確定微波合適的穿透深度和需要達(dá)到的最高溫度，避免過(guò)度能量輸入造成浪費(fèi)。

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(dǎo)趨勢(shì)。剝殼法是當(dāng)前混凝土骨料回收的主要方法，先將混凝土進(jìn)行大塊的破碎，通過(guò)剝殼機(jī)進(jìn)行磨削，將硬化水泥砂漿從骨料表面進(jìn)行剝離[82]，該方法過(guò)程繁瑣，需要對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行多次切割，剝殼過(guò)程中噪音大、揚(yáng)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(huì)影響骨料的二次回收利用。微波加熱選擇性加熱的特點(diǎn)能有效使骨料分離，Tsujino等[83]首先提出將微波加熱技術(shù)引入混凝土骨料資源化回收領(lǐng)域。

研究表明，相比于傳統(tǒng)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(guò)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(xué)性質(zhì)[84－87]。微波加熱產(chǎn)生的骨料和砂漿間的溫度梯度和砂漿內(nèi)更高的熱應(yīng)力可以有效分離骨料和附著砂漿。由于微波加熱時(shí)間較短，可控性強(qiáng)，骨料內(nèi)部溫度不至于過(guò)高，對(duì)骨料性能不造成損傷或損傷較低。傳統(tǒng)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(shí)驗(yàn)研究表明，500 ℃常規(guī)加熱僅使砂漿含量降低約 12%，而通過(guò)微波加熱和研磨方式的結(jié)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(xiàng)污染少、能耗低的高效綠色技術(shù)，需確定合適的微波設(shè)備和程序以獲得高質(zhì)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(duì)微波輔助廢棄混凝土骨料回收的工業(yè)化生產(chǎn)仍處于研發(fā)準(zhǔn)備階段，完整的工藝流程尚不明確。Everaert等[88]通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)機(jī)械分離，電動(dòng)破碎和微波-機(jī)械分離對(duì)骨料的提取效果(圖18)，指出微波-機(jī)械分離具有更好的應(yīng)用前景。筆者設(shè)想的一種工藝流程(圖19)為先對(duì)廢棄混凝土塊進(jìn)行微波加熱，再將加熱后的塊體進(jìn)行機(jī)械研磨，將分離后的骨料浸水沖洗，通過(guò)篩分處理后即可得到高品質(zhì)的再生混凝土骨料，或可將廢棄混凝土塊先進(jìn)行機(jī)械處理后再進(jìn)行微波加熱，不同處理步驟得到的骨料品質(zhì)必然不同，具體的技術(shù)開(kāi)發(fā)和設(shè)備研制仍是未來(lái)研究的重點(diǎn)和目標(biāo)。

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(duì)微波的吸收能力不同，這一特性有利于微波對(duì)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(zhǎng)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(duì)含微波吸收體的難處理礦物進(jìn)行預(yù)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(diǎn)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(guò)程，結(jié)果表明鈦鐵礦經(jīng)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(yù)處理磨礦物料能促進(jìn)不同礦物組分間的分離，磨礦的邦德功指數(shù)可降低70%左右[93]。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)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(yīng)的時(shí)間和溫度，減少選礦成本[94]。微波和紅外熱像儀結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方式有利于可以斑巖銅礦石的分選。微波分選礦物時(shí)可根據(jù)含銅量的高低進(jìn)行有效篩選，將某種礦物從廢棄礦石中快速提取出來(lái)[95]。與傳統(tǒng)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(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)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(lǐng)域有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但目前的研究大多處于實(shí)驗(yàn)室研究或中試規(guī)模階段[100－104]，技術(shù)的復(fù)雜性和缺乏堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)限制了微波輔助選礦的工業(yè)化及商業(yè)化應(yīng)用。加大微波輔助技術(shù)在礦物分選方面的產(chǎn)業(yè)化力度，研發(fā)高效穩(wěn)定的微波加熱選礦設(shè)備對(duì)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(jìn)展，但當(dāng)前的工程應(yīng)用設(shè)想缺少實(shí)際工程的支撐與驗(yàn)證，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究也僅僅是在實(shí)驗(yàn)室階段達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)室復(fù)雜微波加熱設(shè)備顯然是無(wú)法滿足復(fù)雜工程環(huán)境應(yīng)用的要求，如何具體地定量地針對(duì)不同實(shí)際應(yīng)用研發(fā)適用的設(shè)備是微波技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸所在。例如對(duì)于微波輔助巖石破碎和鉆孔、切割的工程應(yīng)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(nèi)，而是需要設(shè)計(jì)一種開(kāi)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(shè)計(jì)合理與否直接關(guān)系到破碎效率的高低，且開(kāi)放式微波器施加過(guò)程中的微波泄漏控制也是目前需要解決的實(shí)際問(wèn)題之一，過(guò)量的微波泄漏會(huì)嚴(yán)重威脅操作人員的生命安全。不能簡(jiǎn)單地利用實(shí)驗(yàn)室加熱設(shè)備應(yīng)用于工程實(shí)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(jù)這些參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)才能制造出與實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)合的大型專用微波設(shè)備。

6 結(jié)論與展望

本文對(duì)微波加熱在巖石和混凝土方面應(yīng)用的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了全面的梳理和總結(jié)，系統(tǒng)分析了微波加熱的原理、混凝土和巖石對(duì)微波的加熱效應(yīng)、微波加熱的影響因素，結(jié)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(duì)于不同礦物的加熱效果不同，不同礦物對(duì)微波的吸收能力也不同，則在微波加熱下，材料內(nèi)部形成一定的溫度梯度，產(chǎn)生不同的體積應(yīng)變，導(dǎo)致材料內(nèi)部各部分的應(yīng)力狀態(tài)不同，擴(kuò)展舊裂紋并產(chǎn)生新裂紋，降低材料強(qiáng)度，最終導(dǎo)致材料的破壞。

(2)材料的溫度隨微波照射時(shí)間、功率、頻率的增加而增加。在微波照射一段時(shí)間后材料會(huì)發(fā)生強(qiáng)度折減。巖石種類和混凝土的材料特性的不同都會(huì)導(dǎo)致加熱結(jié)果不同。

(3)材料水分含量越高，吸收微波能力越強(qiáng)，隨著加熱時(shí)間增長(zhǎng)，水分含量降低，試件吸收微波能力下降。對(duì)于不同材料來(lái)說(shuō)，即使材料含水率都相同，由于介電常數(shù)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(jìn)兩種材料的界面破壞，加速裂紋的擴(kuò)展，對(duì)材料強(qiáng)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(dāng)微波功率越大且不合理控制加熱時(shí)間使得被加熱材料溫度過(guò)高時(shí)，材料發(fā)生熔融，對(duì)于材料的破壞產(chǎn)生不利影響。

盡管學(xué)術(shù)界在微波加熱巖石和混凝土方面開(kāi)展了大量的研究，但應(yīng)該看到相關(guān)研究還不夠完善，沒(méi)有形成一套完善的理論體系，對(duì)如何將微波加熱引入到工程應(yīng)用中的研究還相對(duì)較少，實(shí)驗(yàn)研究目前尚停留在實(shí)驗(yàn)室階段。如何將微波這項(xiàng)新型技術(shù)合理高效地進(jìn)入工程實(shí)際中是今后研究的重點(diǎn)，而完善的實(shí)驗(yàn)和理論研究體系是將這一技術(shù)運(yùn)用到實(shí)踐中的基礎(chǔ)。相比于傳統(tǒng)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(guò)程。微波加熱其實(shí)是一個(gè)多場(chǎng)耦合的加熱過(guò)程，其加熱過(guò)程受電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、傳質(zhì)場(chǎng)影響。由于微波加熱的能量在電磁場(chǎng)中進(jìn)行傳播，電磁場(chǎng)的變化會(huì)造成加熱過(guò)程的變化從而引起應(yīng)力分布的變化，且材料在微波加熱過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生物理和結(jié)構(gòu)變化從而影響材料的介電性能。因此，研究微波針對(duì)不同材料在不同溫度下的加熱變化過(guò)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(duì)強(qiáng)度的影響、將TBM和微波加熱結(jié)合的合理加熱參數(shù)、如何提高微波不敏感巖石的吸波性能以及不同產(chǎn)地礦物針對(duì)微波加熱的不同性質(zhì)等研究，都是將微波加熱破碎巖石運(yùn)用到隧道開(kāi)挖、鉆孔等實(shí)際工程中的研究基礎(chǔ)。對(duì)于混凝土來(lái)說(shuō)，確定不同骨料級(jí)配、混凝土強(qiáng)度、水灰比等因素對(duì)界面裂紋產(chǎn)生以及擴(kuò)展的影響都是將微波加熱混凝土分離骨料進(jìn)行二次應(yīng)用投入實(shí)際生產(chǎn)中的前提。