微波輻照剔選高品質再生粗骨料技術

屠冰冰 孫雪花

摘?要：微波輻照剔選高品質再生粗骨料技術，是改善建筑垃圾“圍城局面”，實現建筑垃圾資源化再利用的有效途徑，但目前對于該項新技術的認識還不夠清楚，相關工藝尚不成熟。對比介紹了傳統再生粗骨料剔選技術和微波輻照技術所剔選出的再生粗骨料品質，分析了微波輻照技術的特點、應用前景和經濟效益。研究表明，采用微波輻照技術剔選出的再生粗骨料砂漿包裹率低、品質較好;微波輻照技術具有較好的應用前景，能夠帶來明顯的經濟效益。因此，政府相關部門應給予鼓勵政策，推動微波輻照技術在建筑垃圾資源化再利用中的應用，進而推動了再生混凝土在實際工程中的應用。

關鍵詞：微波輻照技術;再生粗骨料;建筑垃圾

中圖分類號：TU 502

文獻標識碼：A?文章編號：1672-7312（2020）05-0443-05

Microwave Irradiation Technology for Selecting High

Quality Recycled Coarse Aggregate

TU Bing-bing1，SUN Xue-hua2

（1.College ofSciences，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;2.College of Electrical and Control Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：Microwave irradiation technology of high quality recycled coarse aggregate is an effective way to improve the “siege situation” of construction waste and realize the recycling of construction waste.However，the current understanding of this new technology is not clear enough，and the related

technology is stillimmature.The characteristics，application prospect and economic benefit of microwave irradiation technology are analyzed.The results show that the recycled coarse aggregate mortar selected by microwave irradiation has low encapsulation rate and good quality.Microwave irradiation technology has a good application prospect and can bring obvious economic benefits.Therefore，relevant government departments should give encouragement policies to promote the application of microwave irradiation technology in the recycling of construction waste，thus promoting the application of recycled concrete in practical projects.

Key words：microwave irradiation technique;recycled coarse aggregate;construction waste

0?引言

隨著我國土木工程事業的快速發展，我國城市每年產生建筑垃圾約16億t，已占到城市垃圾總量的30%～40%。目前，各大城市正處于大發展、大建設時期，隨著城中村改造的加速和廢舊建筑的不斷拆除，建筑垃圾逐年增加。除一小部分建筑垃圾用作道路和建筑物的基礎墊層外，絕大部分未經任何處理，便被運往郊外露天堆放或填埋，既浪費資源，又污染環境。相關專家以西安市為例，聲稱如果將西安市產生的建筑垃圾集中堆放到約13 km2的明城墻內，今后五年產生的建筑垃圾總量將填平整個西安古城。建筑垃圾加劇了土地、資源的緊張局面，已經嚴重影響到社會經濟和生態環境的協調發展。建筑垃圾資源化再利用是最終出路，是發展循環經濟、建設環境友好型和資源節約型社會的重要舉措，也是貫徹落實科學發展觀、實現可持續發展、保護環境的必然要求。

建筑垃圾的主要成分是混凝土，將廢棄混凝土塊再利用重新澆筑成再生混凝土是處理建筑垃圾的主要思路。目前，關于建筑垃圾回收利用及剔選方法已取得較好的成果，一定程度上實現了凈化和循環利用的目的。石建光[1]分析了骨料級配和化學成分對再生混凝土強度的影響，提出顆粒級配對再生混凝土強度影響顯著。李秋義[2]等提出了一種再生粗骨料顆粒整形剔選工藝，利用此工藝從廢棄混凝土塊中剔選出的再生粗骨料品質較高。吳祖達[3]研究了不同再生粗骨料剔選工藝所對應的基本物理參數，為再生粗骨料在工程中的應用提供了依據。孫增昌[4]等對比分析了現有的4種再生粗骨料強化方法：加熱磨損法、改進機械研磨法、化學強化方法和再生粗骨料濕處理方法，指出各種方法的優缺點。Pandurangan[5]等分析了不同改性工藝對再生粗骨料混凝土粘結性能的影響規律。Saravanakumar[6]等對比分析了經過4種化學溶液浸泡、改性后的再生粗骨料基本物理性能，發現經過HCl溶液處理后的再生粗骨料某些特性得到顯著提高。

但傳統的再生粗骨料剔選或改性工藝仍存在以下問題。一是無法將再生粗骨料表面所包裹的舊砂漿體剔除完全，導致再生粗骨料存在弱化分界面，強度較低。二是傳統的機械破碎工藝將在再生粗骨料內部引起二次裂紋，導致再生骨料與天然骨料相比，吸水率大、孔隙率大、品質差，只能用于路基路面或基礎墊層等非承重結構;同時，破碎現場揚塵，將造成環境的二次污染。為此，近年來相關學者試圖結合微波輻照技術[7-8]，提出了一種新的再生粗骨料剔選技術，即微波輔照剔選技術[9]。但該項技術剛剛提出，相關機理及工藝尚不成熟。

在對比分析現有再生粗骨料剔選工藝基礎上，介紹微波輻照剔選技術的特點、剔選效果、應用前景和經濟效益，以期為微波輻照剔選技術的應用、推廣提供參考，促進我國建筑垃圾資源化再利用進程。

1?再生粗骨料剔選技術

針對建筑垃圾中廢棄混凝土塊中的粗骨料，傳統的剔選方法主要有[10-13]：物理剔選法（高溫處理法、研磨法、顆粒整形法和濕處理法）和化學剔選法（碳化法和溶液浸泡法）兩大類。近年來提出的微波輔照剔選技術較好地解決了現有建筑垃圾處理技術成本高、剔選率低、骨料品質差、環境二次污染嚴重等問題，有效緩解了建筑垃圾的圍城局面，真正實現了建筑垃圾的資源化再利用。

圖1對比了不同剔選工藝所剔選出的再生粗骨料與天然骨料的差異?？梢?，微波輻照技術所剔選出的粗骨料砂漿包裹率低、品質好，與天然骨料特性最接近。

表1對比了不同來源建筑垃圾通過微波輔照剔選技術剔選出的再生粗骨料顆粒級配與天然粗骨料的區別?？梢?，不同來源建筑垃圾所對應的大顆粒粗骨料（>30 mm）篩余量差異較大，但小顆粒粗骨料（<30 mm）篩余量差異較小。

2?微波輻照技術特點

2.1?微波加熱特點

微波[14]是指頻率范圍在300 MHz～ 300 GHz之間，波長范圍為1～1 000 mm，能夠應用波導和諧振腔技術進行發射和接收的電磁波。不同類型電磁波頻率和波長范圍如圖2所示。

微波加熱具有如下特點：

1）加熱速度快。微波穿透距離與電磁波波長同數量級，且不需要熱傳導過程，可實現短時間內整體式加熱。

2）加熱均勻。微波加熱時，物體各部分無論形狀如何，都能均勻滲透微波產生熱量。均勻性加熱可避免外焦內生、外干內濕的現象。

3）微波膨化。微波的內部加熱特性，使物料內部迅速受熱升溫產生大量蒸汽。隨著蒸汽的不斷排出，物料內部形成無數的微小孔道，使物料組織膨脹，疏松。

4）選擇性加熱。微波對不同性質物料加熱效果不同。水分子對微波的吸收最好，含水率高的物料或部位，吸收微波功率較多。

5）工藝先進、易控制。微波加熱只需有水、電的基本條件，只要控制微波功率即可實現立即加熱或終止，應用微波設備可進行加熱過程和加熱工藝規范的自動化控制。

6）占地面積少，安全無害。由于微波能是控制在金屬制成的加熱室內和波導管中工作，所以微波泄漏極少，沒有放射線危害及有害氣體排放，不產生余熱和粉塵污染;既不污染食物，也不污染環境。

正是由于微波加熱具有選擇性，而廢棄混凝土塊中的粗骨料和砂漿體相對介電常數不同，在微波照射下同時加熱，但升溫程度不同，使骨料與砂漿體間接觸面因溫度應力而產生裂縫。廢棄混凝土塊經過微波照射后，輔助機械振動，即可將粗骨料表面所包裹的砂漿完全剝離，進而剔選出高品質的再生粗骨料。微波加熱裝置如圖3所示。

2.2?微波加熱原理

劉君[15]等通過試驗得出混凝土的介電常數為

式中：c為光速，m/s;d為試件厚度，mm;θi入射角，℃;

fi為反射極小值頻率，Hz。

張衛強[16]提出單位體積介質損耗微波功率與電場強度和介質特性存在如下關系

（2）

式中：f為

微波頻率，Hz;E為電場強度，V/m;tanδ為介質損耗角正切值;εr為物質相對介電常數，H/m。

可將tanδ定義為

tanδ=ε″r（w）ε′r（w）

（3）

式中：

ε″r（w）為

介質損耗;ε′r（w）為介質存儲電荷能力。

可將εr為定義為

式中：σ為介質電導率，S/m;ω為電磁波角頻率，rad/s;

ε0真空介質常數，F/m。

微波照射后，粗骨料和砂漿作為兩種介電常數不同的材料，溫度升高程度不同（圖4），會在分界面處形成溫度梯度，進而引起溫度裂紋。隨著裂紋的不斷延伸，骨料和包裹砂漿最終分離，使得包裹粗骨料的舊砂漿量幾乎為零。

3?微波輻照技術應用前景及經濟效益

微波輔助機械高品質骨料剔選技術較好地解決了現有建筑垃圾處理技術成本高、剔選率低、骨料品質差、環境二次污染嚴重等問題。

長期以來，建筑垃圾主要以堆填方式簡單處理。按照每填埋1萬t建筑垃圾占用1畝土地計算，每年產生的建筑垃圾需占用1 000畝以上土地。建筑垃圾資源化再利用具有明顯的社會、環境和經濟效益。

為了有效實現建筑垃圾資源化再利用，采用微波輔助機械剔選工藝對建筑垃圾進行源頭處理，推動建筑垃圾再利用的產業化趨勢，大幅減少城市垃圾填埋量，應用前景如下。

3.1?符合國家資源利用政策

該項目擬采用的骨料剔選工藝不會對環境造成二次污染。城市垃圾無害化處理，既可以解決城市建筑垃圾的出路，又避免了環境污染，符合國家有關資源綜合利用的政策，具有環境保護、資源回收再利用等良好的社會效益。

3.2?促進地區經濟發展

該項目擬提出的微波輔助機械骨料剔選工藝的有效實施，可使西安市現有建筑垃圾受納場使用年限延長50 a以上，相當于節約土地資源500多萬m2，同時可使政府節約工程、征地青苗補償等各類投資減少數億元。

3.3?改善市民生活環境

建筑垃圾直接填埋的處理方式，對填埋場地周圍及運輸路線沿途市民的生產和生活造成一定影響，主要體現在以下幾方面：①填埋場地主要大氣污染物H2S濃度比周圍高;②填埋場地滲濾液有機污染較嚴重，對附近地下水和地面水水質有一定影響;③填埋場地被磚石覆蓋，影響景觀，污染農田。該項目的開展，將實現建筑垃圾的循環利用，解決建筑垃圾對西安市市民生活和健康的影響。

4?結論

1）與傳統再生粗骨料剔選技術相比，微波輻照技術能夠剔選出高品質再生粗骨料，制備出性能良好的再生混凝土，符合我國節能高效、可持續發展的環保要求。

2）微波輻照技術能夠有效解決建筑垃圾的資源化再利用問題，改善建筑垃圾“圍城局面”，具有較好的應用前景和經濟效益，應受到國家、政府和相關科研工作者的廣泛重視。

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（責任編輯：張?江）