工业微波照射下混凝土砂浆-...力学性能与多场效应数值分析_周航.pdf

第 卷第期 材料科学与工程学报 总第 期 文章编号：（）工业微波照射下混凝土砂浆骨料界面力学性能与多场效应数值分析周航，邵珠山，乔汝佳，郭银波，席慧慧，（西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 ；西安建筑科技大学 理学院，陕西 西安 ；西安建筑科技大学 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西 西安 ）【摘要】针对微波加热特点，采用 数值软件建立了含界面层的砂浆骨料模型，分析了模型内部电磁场、温度场、应力场的分布情况，得出了砂浆骨料界面处热力学性能的变化规律及多物理场耦合作用下界面过渡区的微波响应。通过与微波照射砂浆骨料模型实验对比，验证了数值分析的可靠性。研究结果表明，微波照射后会在界面过渡区域产生很大的温度梯度和热应力，更高的功率和更长的加热时间能使温度梯度、拉应力和压应力变大，从而更有利于砂浆与骨料的界面剥离，实现粗骨料的回收。分析了同一微波能量层级不同照射模式下，试件的热力响应情况。【关键词】微波照射；骨料分离；温度梯度；热应力；电磁热力耦合中图分类号：文献标志码：收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金面上资助项目（）；陕西省重点研发计划资助项目（）；中国博士后科学基金面上资助项目（）；陕西省自然科学基金资助项目（）作者简介：周航（），硕士研究生，研究方向：主要从事微波辅助混凝土砂浆骨料分离方面的研究。：。通信作者：邵珠山（），教授，博士，研究方向：主要从事微波辅助岩石、混凝土破碎方面的研究。：。，（，；，；，）【】，【】；前言建筑业作为国民经济的重要组成部分，其发展势头迅猛。但产生大量建筑垃圾成为整个社会亟待解决的难 点。目 前，我 国 建 筑 垃 圾 资 源 化 回 收 率 不 足，远低于西方发达国家。建筑垃圾资源化回收的主导方向是对废弃混凝土的回收并二次利用，其关键问题是要将砂浆骨料分离，并对骨料进行回收再利用。工业上目前是先将废弃混凝土破碎为较小块体，再利用高温煅烧法、机械法、酸浸法等使砂浆与骨料分离，最终得到废弃粗骨料并用于新混凝土的配置。但是，这些方法消耗能量高，分离效率低，对骨料性能有损伤，并且分离得到的骨料表面粘附砂浆过多而使用效果不理想。近年来，微波辅助混凝土骨料资源化回收再利用作为一种新型的技术，利用材料吸波和热力学性能的不同使砂浆和骨料从界面过渡区（）处剥离，因具有高效性、低污染性、低能耗性等优点受到广泛关注。已有的研究已证明微波辅助分离混凝土砂浆和骨料是可行的，等 通过将微波机械分离与传统机械分离、电动破碎作对比，显示出微波机械分离具有更好的应用前景。对于微波照射下混凝土中砂浆与骨 料 的 分 离 技 术 大 多 集 中 在 实 验 研 究 上，等 通过微波照射实验发现，微波加热可以显著改善回收混凝土的性能。等 通过微波照射实验发现微波照射能显著减小砂浆骨料的界面粘结强度。目前实验研究对混凝土的力学性能分析手段有限，建立数值模型研究微波辅助混凝土骨料砂浆分离的也较少，大多是针对微波照射下岩石在细观层面的力学性能、裂纹扩展的研究。李杰林等 利用伟晶岩薄片建立数值模型，发现绿泥石和石英在微波照射下损伤最大。秦立科等 通过建立微波照射下方铅矿和方解石组成的岩石颗粒的颗粒流模型，发现微裂纹主要由方铅矿的热膨胀引起，且微裂纹主要以拉伸裂纹为主，剪切裂纹很少。微波照射下混凝土的响应是多个物理场之间高度耦合后的结果，而此前该部分的数值研究模型大多为热力耦合模型，具有一定局限性。因此本研究选择采用多场耦合软件 进行分析。作为砂浆和骨料相互粘结的部位，对该部位在微波照射下性能变化的研究具有重要意义。为了方便研究，通过建立含界面层的砂浆骨料数值模型和试件，研究模型在微波照射下的电场、温度场和应力场以及损伤区域的分布特征，分析得出砂浆骨料界面处力学性能的变化规律及界面处在多个物理场相互耦合作用下的响应，以更好地阐述砂浆骨料界面的脱粘机理。此外，本研究还将比较在同一微波能量层级照射下，不同微波加热路径时混凝土中各组分的温度梯度和应力大小。砂浆骨料试件多场耦合模型微波照射混凝土砂浆骨料试件是一个电磁热力多个物理场之间高度耦合的过程，利用多物理场软件 对这一过程进行数值模拟求解，有良好的适用性。砂浆骨料试件在电磁场的作用下，不同物质由于吸收电磁能的能力不同，产生不同的热量，进而产生不同大小的温度梯度；由于温度梯度的存在，砂浆和骨料会产生不同大小的热应力，从而使得砂浆骨料分离。数值模拟软件通过求解 方程、固体传热方程和固体力学方程，将微波照射砂浆骨料试件的电场、磁场、传热场、力场全耦合过程和结果进行仿真。电磁热力模型砂浆和岩石由于配合成分和内部化学成分的组成不同，其结构较为复杂，具有较强的各向异性。鉴于计算机对电磁热力多物理场控制方程的求解难度，为节省计算时间并降低 的使用率，同时为了获得较好地贴近实际实验现象的数据和结果，在一定合理范围之内将全耦合数值模型进行简化，因此，做出以下基本假设：（）微波的频率设置为 ，且不考虑频率的波动性；（）微波腔壁为铜，且设置了阻抗边界条件；（）不考虑整个过程中产生的相变和化学反应；（）不考虑水分的影响；（）所有材料都是非磁性材料，即忽略磁场的交互耦合；（）固体传热只发生在砂浆骨料试件内部，其不与腔体内部空气产生热交换；（）腔体内部砂浆骨料试件定义为线弹性材料；（）由于加热得到的最终温度不高，所以假设试件的各项参数不随温度的变化而变化。在电磁场作用下，腔体内部物质的电场和磁场的分布由软件求解麦克斯韦方程组得出，其由高斯定律、高斯磁定律、法拉第感应定律和麦克斯韦安培定律组成。（）（）（）（）第 卷第期周航，等 工业微波照射下混凝土砂浆骨料界面力学性能与多场效应数值分析式中：表示电场强度，；为磁通量密度，；表示磁场强度，；为电通量密度，；是电流密度，；则是电荷密度，。在 软件中，使用频域法求解时域谐波电磁场问题，该方法可以将麦克斯韦方程简化为亥姆霍兹矢量方程，即：（）（）（）式中：为相对磁导率；为自由空间波数；为电导率，；为虚数单位；为相对介电常数；为角频率；为真空介电常数，取为 。由谐波电场表达式 （）定义，可从下式得出，（）当物体在腔体内部的电磁场中照射后，会产生电磁功率损耗，物体吸收电磁能并将其转化为热能，其产生的热量为：（）（）（）式中：为电流密度；为磁通量密度；为磁场强度。在微波加热过程中，物体由于电磁损耗在物体内部产生热能，还会在物理内部传递热量，固体传热的热传导方程为：（）（）（）式中：是材料的密度；是恒定压力下的比热容；是绝对温度；是传导过程中的速度向量；是通过传导产生的热通量；是辐射产生的热通量；是热弹性阻尼，表明固体中的热弹性效应；是其他热源。物体产生热量后会发生热膨胀并产生热应力，其固体力学的耦合方程为：（）式中：是材料的密度；是第二 应力张量；是相较于未变形体积的力的张量。边界条件对于电磁场，腔体和波导的侧壁设置为铜，并定义了阻抗边界条件，即：（）（）式中：为折射率，单位为。微波由矩形端口处馈入，端口边界由横向电波激发，当信号频率高于截止频率时波导管是导通的，微波频率为 ，在 模式下运行，计算方程如下：（）（）（）（）式中：为微波的传播系数；为光速，；为微波的频率；为截止频率；和是模式编号；和表示矩形横截面的长度，。腔体内部的初始温度设置为，并设置了热绝缘的边界条件，即：（）模型参数及网格划分模型设置的介电和热力学性能的参数来自于相关文献，列于表、。表材料介电性能 （）表材料热学性能 （）（）（）表材料力学性能 （）腔体的尺寸大小为 ，矩形波导位于腔体的下部，采用国际标准 型号，宽度为 ，腔体内部填满空气，砂浆骨料试件均位于腔体中心，大小为 ，厚度为 。对建立的几何有限元模型进行网格划分，并对网格质量进行检查。如图所示，砂浆骨料试件被划分为 个域单元，个边界单元和 个顶点单元。模型的平均网格质量为 ，划分得到的网格元素 以上均满足质量大于 的要求。微波照射试件进行模拟的过程如图所示。在完成模型的准备工作后，微波由波导处馈入微波，在腔体材料科学与工程学报 年月图几何模型及网格划分 内形成电磁场；试件在电磁场的作用下发生电磁功率损耗，将微波能转换为热能，并通过传热方程的求解呈现温度场的分布；试件由于热膨胀产生热应力，软件根据材料的本构关系计算出应力的分布。图微波照射混凝土试件多物理场耦合数值模拟示意图 结果分析 模型验证制作了形状为立方体的砂浆骨料试件，尺寸为 ，一半为砂浆，一半为骨料。骨料为产自湖北随州的花岗岩，水泥为 普通硅酸盐水泥，砂为河砂，粉煤灰为高性能优质一级粉煤灰。砂的细度模数为 ，其物理和力学性能满足 普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准。按照文献 的方法并分别用、和 功率的微波进行微波加热试验，如图所示，当试块达到设定加热时长后，打开微波炉的炉门，在内利用手持式红外枪（）测量表面温度，并记录最高温度。对数值模型分别用、和功率的微波进行第 卷第期周航，等 工业微波照射下混凝土砂浆骨料界面力学性能与多场效应数值分析图微波加热实验 全耦合仿真，并将该模型计算得到的结果与实验结果进行对比，如图所示，最高温度均位于砂浆体表面，且升温曲线较为相似，说明数值模型具有较好的效果；曲线部分位置重合性有差异可能是数值模拟假设条件的设置以及数值模型材料参数的选择所致。图模拟和实验的试件表面最高温度随时间的变化曲线 电场与温度梯度变化及分布情况由波导处分别馈入、和 功率的微波，由于试件组分介电性能的不同，造成电磁能的损耗及吸收微波能量的不同，且由于腔体侧壁对微波的反射，使得试件内部电场重新分布，形成高能区和低能区，产生如图所示的涡流状电场。在 大致形成个电场的高能区域。且随着加热功率的增加，试件内部的电场强度增大，输出微波能量更多。当达到与微波耦合的温度图不同功率微波照射下试件内部电场分布 （）；（）；（）；（）后，试件内组分产生电磁损耗，电磁能转换为热能。对所述模型设置 测线，砂浆骨料试件在不同功率微波照射相等时长和在同一功率微波照射不同时长两种情况下沿测线方向的温度梯度分布如图，所示。可以看出，在砂浆骨料的 处，温度梯度有明显突变，达到峰值，数值约为其他区域的倍。且随着微波照射功率和照射时长的增加，及其他位置的温度梯度也增大。当照射时间一定，照射功率增大时，温度梯度的最大值增长速率相似；当微波照射功率一定，温度梯度最大值的增长速率随照射时间的增加而减缓。处温度变化量非常大，但由于砂浆和骨料热膨胀系数的差异性，会造成此处热应力的集中。材料科学与工程学报 年月图不同功率微波照射下试件内部温度梯度分布 图同一功率微波照射不同时长时试件内部温度梯度分布 应力与应变分布情况从图和图 可以看出，在 处，主应力和主应变的大小产生了非常明显的突变。这些现象是由砂浆和骨料的介 电性能 和热力学参数不 同 造 成的。通过对突变量的计算，如图，所示，照射功率和照射时间越大，应力和应变突变量也越大，且其变化趋势近似呈现线性增长的趋势。如图，所示，为试件在 照射下第一主应力和第一主应变的分布图。在靠近 的区域，产生了一小部分应力较大的区域，由于砂浆的热膨胀系数大于骨料，且砂浆骨料试件吸收微波能量具有差异性的特点。微波照射后，砂浆的膨胀速度大于骨料的膨胀速度，但由于一方面砂浆的膨胀会受到骨料的制约，另一方面砂浆的弹性模量小于骨料，所以在砂浆区域产生了受压区域。砂浆的应变量大于骨料。主应力和主应变在 处的方向由砂浆区的垂直于界面变为骨料区的平行于界面。图不同功率微波照射下第一主应力大小及其方向分布 图不同功率微波照射下界面处第一主应力差值 图 不同功率微波照射下第一主应变大小及其方向分布 沿界面方向设置二维截线，如图 所示，由于砂浆区域内部会形成受拉区域和受压区域，而界面区域的力学性质与砂浆区域类似，在界面区域产生了不同大小的拉应力和压应力，随照射功率和照射时间的第 卷第期周航，等 工业微波照射下混凝土砂浆骨料界面力学性能与多场效应数值分析图 不同功率下微波照射下界面处第一主应变差值 增加，界面处的拉应力和压应力也相应增加。在试件 处设置个二维截点，如图 所示，可得 处不同位置