微波除冰作为一种新的除冰方法，与传统方法相比具有许多优点。微波除冰具有比机械除冰更好的除冰效果，比电加热除冰具有更高的能量利用率，并且比化学除冰更环保^[1-5]。但传统的水泥砂浆的微波吸收能力较弱，这降低了其微波加热特性。因此，需要选取具有良好微波吸收效果的吸波材料应用于水泥砂浆中去提高其微波加热特性。常用的微波吸收材料主要分为介电损耗和磁损耗两种，同时微波吸收材料还以集料、粉末和纤维等不同尺寸和形状存在^[6-7]。刘俊良等^[8]采用铁黑、硅碳和石墨作为吸波材料制备混凝土，发现石墨具有最好的微波吸收能力去提高微波除冰效率。王子仪等^[9-10]利用烧结磁分离粉煤灰制备了一种新型微波加热骨料用于混凝土路面铺装，可有效提高路面的加热除冰效率。王志航等^[11]利用磁铁矿制备磁铁矿混凝土。研究发现，磁铁矿混凝土的热效率远高于含碳纤维和钢纤维混凝土的热效率。此外，波导端口高度对磁铁矿混凝土的加热和除冰效率有明显影响。

吸波材料的微波加热效率及其对水泥砂浆力学强度及长期微波加热后水泥砂浆力学耐久特性的影响是选取其工程应用所考虑的主要因素，这可能受到吸波材料微波吸收特性和其自身的尺寸效应影响^[12-14]。目前，针对于微波吸收材料的优选并没有明确的指导和理论支持。因此，本研究基于吸波材料的微波吸收类型和吸波材料的尺寸，分别选择使用介电损耗作为主要微波加热类型的粉末状材料石墨和纤维状材料碳纤维，使用磁损耗作为主要微波加热类型的粉末状材料铁粉、磁铁矿粉和纤维状材料钢纤维作为主要研究的吸波材料。通过配置不同种类的吸波材料和掺量的水泥砂浆，并通过测试水泥砂浆试件抗压和抗折强度，确定其力学性能。同时，测定了水泥砂浆的微波加热特性去表征其升温能力。同时，研究了水泥砂浆在不同微波加热循环后的力学特性，去评价其长期微波加热后的工程性能。本研究可以为吸波材料在水泥混凝土中的应用提供应用示范和指标参考。

试验所用水泥是标号为42.5的普通硅酸盐水泥，符合通用硅酸盐水泥(GB175—2020)和公路路面基层施工技术细则(JTG/T F20—2015)的相关指标要求。其相关物理指标和化学组成如表 1和表 2所示。河砂的物理指标如表 3所示。

本研究所采用的吸波材料分别是磁铁矿粉、碳纤维、普通铁粉、钢纤维和石墨。本试验所用的石墨是某化工所生产的含碳值超过95%的石墨；本试验所用的短切碳纤维性能如表 4所示。本试验所用的铁粉纯度为98%左右，钢纤维为剪切波浪型钢纤维，长度为35~50 mm，直径为0.18~0.23 mm，其抗拉强度≥380 MPa，是一种性能优良，应用广泛的建筑材料，具有抗拉强度高，易分散，与混凝土黏结性能良好；本试验所用的磁铁矿粉是材料大块磁铁矿经过破碎和球磨后形成的粉末。

研究吸波材料和掺量对水泥砂浆的升温特性、力学性能和在微波循环加热下的耐久性能的影响时，选用5种不同吸波材料：石墨、碳纤维、钢纤维、铁粉、磁铁矿粉去制备吸波水泥砂浆，其中，没有添加吸波材料的控制组水泥砂浆。砂浆的尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，每组吸波砂浆的配合比如表 5所示。

将吸波材料、集料与水泥干拌一段时间，使他们充分混合，再与水拌和一段时间混合制成水泥砂浆。拌和后，将新拌水泥砂浆倒入模具中。在浇注24 h后脱模，置于相对温度为(20±2)℃，相对湿度为(95±5)%的养护室内28 d。

吸波水泥砂浆的力学强度，包括抗压强度和抗折强度，按照标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》 (JTG 3420—2020)进行测试。对尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的砂浆进行抗折强度试验。砂浆经过弯曲试验后破碎，测试其抗压强度。其中抗折强度的加载速率为50 N/s，抗压强度的加载速率为2 400 N/s。砂浆压力机如图 1所示。每组样品在相同条件下测试3次，取平均结果。

图 1 不同种类吸波材料在相同掺量条件下对水泥砂浆微波加热能力的影响 Fig. 1 Influence of different microwave-absorbing materials on microwave heating ability of cement mortar with same content

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选取频率为2.45 GHz，功率为700 W的微波炉作为主要微波加热装置。并用红外线热成像每隔10 s的加热时间记录一次砂浆表面的温度变化，测试所选取的温度为表面温度最大值。总加热时间为120 s。测试所用的砂浆尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。

采用红外线热成像对不同微波加热时间后砂浆表面的热响应，并将数据提取绘制砂浆表面的温度场分布，从而分析微波加热对砂浆表面温度场分布特性的影响。测试所用的砂浆尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。选取的砂浆测试面为40 mm×160 mm，选取测试面有代表性的温度点，绘制出不同微波时间后的温度场变化。测定频率为30 s/次，微波加热总时间为120 s。

对吸波水泥砂浆进行微波加热循环试验时，以30 s为一个循环周期，并分别测定各类吸波材料在不同掺量下的吸波水泥砂浆力学强度，包括0次，1次，2次，3次，4次微波加热循环后的抗折强度和抗压强度。前后的水泥砂浆力学强度比值定义为残留强度，用以评价吸波水泥砂浆的耐久性能。测试所用的砂浆尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。

为了探明吸波材料对水泥砂浆微波加热速率的影响，对比了不同材料在相同掺量下制备的水泥砂浆在微波加热后的升温情况，如图 1所示。在微波加热120 s后，普通水泥砂浆的表面平均温度为95 ℃。当吸波材料掺量为0.5%时，掺有铁粉、石墨、钢纤维、碳纤维、磁铁矿粉的吸波水泥砂浆的表面平均温度分别上升为97.5，99.4，98，128.9 ℃和116.6 ℃。在这种条件下，铁粉、石墨、钢纤维、碳纤维和磁铁矿粉的升温速率分别是0.66, 0.67，0.68，0.92 ℃/s和0.81 ℃/s。

当吸波材料掺量增加到1.0%时，掺有铁粉、石墨、钢纤维、碳纤维、磁铁矿粉的吸波水泥砂浆的表面平均温度分别上升为100.7，104.7，102.1，134.9 ℃和106.3 ℃。在这种条件下，铁粉、石墨、钢纤维、碳纤维和磁铁矿粉的升温速率分别是0.69，0.72，0.69，0.96 ℃/s和0.73 ℃/s。

当吸波材料掺量继续增加到1.5%时，掺有铁粉、石墨、钢纤维、碳纤维、磁铁矿粉的吸波水泥砂浆的表面平均温度分别上升为112.6，108.2，106.2，139 ℃和122 ℃。在这种条件下，铁粉、石墨、钢纤维、碳纤维和磁铁矿粉的升温速率分别是0.79，0.75，0.73，1.00 ℃/s和0.86 ℃/s。

可以看出，在相同吸波材料的掺量下，铁粉、石墨和钢纤维对水泥砂浆微波加热效率的影响差异性较小，而碳纤维和磁铁矿粉对砂浆升温速率的改善效果较大。这可能与这两种材料良好的电磁特性和微波吸收效率有关。当吸波材料掺量为0.5%时，相比于其他吸波材料，碳纤维和磁铁矿的升温速率分别是其他吸波材料的1.37和1.21倍。当吸波材料掺量为1.5%时，碳纤维和磁铁矿的升温速率分别是其他吸波材料的1.32和1.14倍。随着吸波材料含量的增加，相比于其他吸波材料，碳纤维和磁铁矿对水泥砂浆升温速率的影响逐渐变得不显著。这也从侧面可以得出结论。随着吸波材料含量的增加，吸波水泥砂浆的升温特性得到明显的改善^[15-16]。这同时也证明了这些吸波材料的微波吸波能力良好，对水泥砂浆微波加热时的升温速率都有相应程度上的改善。

研究吸波材料在微波加热过程中对砂浆表面温度场温度的影响。以石墨为例去研究。在每个掺量的条件下，分别记录4次，其中每次记录时间间隔为30 s，加热后及时、准确测得试件上标记点温度。以砂浆试件表面宽为x轴，单位尺寸为0~16 cm，试件表面的长为y轴，单位尺寸为0~4 cm，表面的温度变化情况为z轴，建立三维坐标系。制得的温度场如图 2所示。

图 2 不同石墨掺量对水泥砂浆表面温度场的影响 Fig. 2 Influence of different graphite contents on surface temperature field of cement mortar

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由以上温度场可以明显看出，随着加热时间增加，试件整体温度逐渐上升，这是微波被吸波材料吸收后转化为热能的结果。且试件两段温度明显高于中间温度，右侧高于左侧，通过对比分析，出现由此现象的原因可能是微波辐射具有不均匀性，右侧微波辐射强度更大或者辐射深度更大造成。同时，吸波材料在砂浆内部的不均匀分布使试件两端微波吸收率产生差别，产生的热能也就不同。因此，这对砂浆表面的温度场分布有一定的劣化影响。

不同种类的吸波材料对水泥砂浆力学强度的影响如图 3所示。

图 3 不同种类吸波材料对砂浆力学强度的影响 Fig. 3 Influence of difference microwave-absorbing materials on mechanical strength of mortar

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对试件养护7 d后分别测其抗折强度和抗压强度，研究分析掺量对力学性能的影响规律，如图 3所示。可以看到，普通水泥砂浆的平均抗折强度为6.1 MPa，平均抗压强度为25.1 MPa。当吸波材料掺量为0.5%时，铁粉吸波砂浆的抗压和抗折强度分别为19.0 MPa和5.8 MPa；石墨吸波砂浆的抗压和抗折强度分别为26.2 MPa和7.1 MPa；钢纤维吸波砂浆的抗压和抗折强度分别为22.1 MPa和6.0 MPa；碳纤维吸波砂浆的抗压和抗折强度分别为19.5 MPa和6.3 MPa；磁铁矿粉吸波砂浆的抗压和抗折强度分别为34.8 MPa和8.1 MPa。随着吸波材料掺量增加到1.5%时，相比于0.5%掺量下的吸波砂浆，铁粉吸波砂浆的抗压强度增加了2.4 MPa，其抗折强度下降了0.9 MPa。这可能是由于铁粉的掺入会分别降低和增加砂浆的抗折和抗压强度。铁粉在水泥砂浆的内部主要起到一个填充作用，因此，其加入可能改善砂浆内部的孔隙结构，使其变得密实，增加了砂浆的抗压强度。但铁粉会吸收参与水泥水化反应的部分水，因此，这可能降低了水泥的硬化速率，从而降低抗折强度。

对于石墨吸波砂浆来说，其抗压和抗折强度分别下降了为0.7 MPa和0.4 MPa。可以看到，其强度随石墨掺量的增加而严重下降，产生这样的原因可能是石墨结构是各向异性的，造成了其层间范德华力微弱、易滑移，使石墨具有良好的润滑性。当石墨掺量高时，石墨间的接触面积变大。当力作用于砂浆时，颗粒间发生滑动，导致强度急剧下降。同时，由于石墨与水泥的亲水性不同，水泥与石墨混合过程中产生的界面黏结力较小，降低了复合材料的强度。

钢纤维吸波砂浆的抗压和抗折强度分别下降了2.8 MPa和0.3 MPa。在钢纤维吸波砂浆中，受到弯拉作用影响时拉伸方向的钢纤维可以桥接裂纹，有效抑制裂纹扩展。当裂纹发生时，钢纤维通过钢纤维与基体的界面黏结力将荷载传递到两侧未开裂的基体上。最后将钢纤维抽出或折断，再将试样折断^[17]。钢纤维含量在一定范围内的增加，砂浆的抗折强度得到改善。但钢纤维掺量过大会严重影响砂浆的力学强度。

而碳纤维掺量的增加使其吸波砂浆的抗压和抗折强度分别增加了0.6 MPa。在碳纤维吸波砂浆中，碳纤维在水泥基材料中的作用始终贯穿在其加载前后。它既可以有效地抑制早期收缩裂纹的产生和萌生, 减少了材料的固有缺点，它还可以有效地抑制基体在加载过程中裂纹的发生和扩展。在低碳纤维含量的条件下, 碳纤维抗裂能力大，这就是导致复合材料强度大幅提高的一个根本原因。随着纤维体积含量的增大, 纤维之间的间隙逐渐变小，而且单位体积的纤维个数也逐渐增加。按照纤维间距理论, 复合材料的强度将大大增加^[18]。另外, 碳纤维还具有较好的吸水能力，当掺入水量大大增加, 则使其吸水能力大大增加, 砂浆中所包括的含水量大大降低，水灰比降低, 强度增加。

但对于磁铁矿粉吸波砂浆来说，大产量的磁铁矿粉使其抗压和抗折强度分别下降了6 MPa和1 MPa。在一定范围内，磁铁矿粉对砂浆的抗折强度和抗压强度都有大幅提升作用。但随着磁铁矿粉掺量增加，强度都呈现先升高后降低的趋势。磁铁矿的硬度是改善砂浆力学强度的主要原因。但是磁铁矿由于较大的吸水率会吸收参与水泥水化反应的部分水，因此，这可能降低了水泥的水化速率。随着磁铁矿含量的增加，这种效果会越加明显，这将降低磁铁矿粉砂浆的力学强度。同时，大尺寸粒径的磁铁矿对砂浆的孔结构改善效果更微弱。

普通砂浆和不同掺量的铁粉、石墨、钢纤维、碳纤维、磁铁矿粉吸波水泥砂浆在微波加热不同循环次数后的抗折强度如图 4所示。

图 4 不同种类吸波砂浆微波循环后的抗折强度变化 Fig. 4 Flexural strength changes of different microwave- absorbing mortar after microwave cycles

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由图可知，普通砂浆在没有进行微波循环时的抗折强度达到6.1 MPa，随着循环次数的增加，砂浆的抗折强度逐渐下降，经过不同次数的微波加热循环后，普通砂浆的抗折强度分别下降了15.57%，19.67%，27.87%和32.79%。

以吸波材料掺量0.5%为例，钢纤维吸波水泥砂浆在没有进行微波循环时的抗折强度达到6.0 MPa，经过微波加热循环后，其抗折强度分别下降了19.17%，31.67%，35.00%和36.67%。而石墨吸波水泥砂浆在没有进行微波加热循环时的抗折强度很高，但经过微波加热循环后，其强度分别下降了9.93%，22.83%，35.46%和40.85%。对于碳纤维吸波水泥砂浆，其经过一次微波加热循环后的抗折强度较未经过微波加热的强度只下降了6.56%，但是随着微波升降温循环次数的增加强度下降的速率也越来越快，经过4次循环后，强度下降了43.08%。而铁粉吸波水泥砂浆在经过1次，2次，3次和4次微波加热循环后，其抗折强度分别下降了18.10%，31.90%，39.66%和45.69%。对于磁铁矿粉砂浆来说，微波循环后，其抗折强度分别下降了11.11%，20.98%，27.16%和34.56%。

总的来看，普通砂浆和各掺量的吸波水泥砂浆的抗折强度随着微波升降温循环次数的增多都呈现出下降趋势，这是由于吸波材料和水泥砂浆界面处的温度应力随着微波加热升降温循环次数的增加而累积，温度应力形成的裂缝也逐渐扩大，因此砂浆的强度随着微波加热升降温循环次数的增多而降低。

通过分析吸波材料对砂浆微波加热，力学及加热后力学强度衰减等分析可知，在水泥砂浆中掺入升温特性良好的吸波材料可以改善水泥砂浆的升温特性，部分吸波水泥砂浆的力学性能也得到了提高，但是掺入吸波材料的吸波水泥砂浆在经过微波升降温循环后，强度下降的速率都较普通砂浆的快，这是由于掺入吸波材料后，砂浆和吸波材料吸收微波的能力不同，吸波材料吸收微波后很快转化为热能，与周围的水泥砂浆形成温度差异，在两者的界面处会产生温度应力，随着微波加热升降温循环次数的增加，界面处的温度应力会逐渐累积，形成裂缝，进而导致吸波砂浆的强度降低。

为了保证加入吸波材料后，砂浆在微波加热的作用下，在保证其力学强度的前提下，其能良好的吸收微波，应确定不同吸波材料对砂浆影响的最佳掺量。由图 4可知，在微波循环4次后，当吸波材料掺量为1.0%时，铁粉和石墨对吸波砂浆抗折强度衰减的影响最小，其强度只分别下降了22.0%和29.4%，因此，对于这两种吸波材料来说，1.0%的吸波材料掺量是最优掺量；当吸波材料掺量为1.5%时，钢纤维和碳纤维对吸波砂浆抗折强度衰减的影响最小，其强度只分别下降了26.3%和36.7%，因此，对于这两种吸波材料来说，1.5%的吸波材料掺量是最优掺量；对于磁铁矿粉来说，当其掺量为0.5%时，其对吸波砂浆抗折强度衰减的影响最小，强度只分别下降了34.5%。

本研究从吸波材料对水泥砂浆的力学特性和微波加热能力进行分析，通过设置不同吸波材料种类和掺量的对比研究。主要测试了不同掺量比例下吸波砂浆的抗压强度和抗折强度，加热速率和微波加热后的力学演变特性。得到如下结论：

(1) 在微波吸收水泥砂浆中，掺入良好导热能力的碳纤维和石墨的水泥砂浆有良好的导热能力，从而提高其微波加热能力，当碳纤维和石墨的掺量为1.5%时，水泥砂浆的微波升温分别提高了1.59和1.19倍。当钢纤维含量适中时，其可以在砂浆内部建立良好的传热路径，这也会有效地改善砂浆的微波加热能力。

(2) 对比不同种类吸波材料对砂浆的力学性能影响，在微波吸收水泥砂浆中，由于碳纤维其良好的物理性能，用其制备的水泥砂浆有良好的力学强度。当碳纤维的含量适中时，水泥砂浆的抗压和抗折强度可以提高0.6 MPa。

(3) 受到微波持续加热的影响，吸波水泥砂浆的抗折强度随着微波循环次数的增多呈现出下降的趋势。综合来看，在微波加热过程中，碳纤维不仅可以有效提高水泥砂浆的微波加热能力，同时，受到微波加热的影响，强度劣化程度较弱。这是一种良好的微波吸收材料，可应用在水泥砂浆中。