微波养护对水泥砂浆性能与微观结构的影响

Effect of Microwave Curing on Properties and Microstructure of Cement Mortar

摘要

混凝土微波养护技术可以显著提高混凝土早期强度，但微波养护制度没有统一的设计标准，导致养护后材料性能呈现较大差异。为探究微波养护制度的影响，采用响应面法系统分析微波养护参数对水泥砂浆抗压强度的影响规律。建立关键微波养护参数与材料性能之间的关系模型，确定加热温度控制在40℃以下、加热功率为1 000 W、加热时间为30min为最佳微波养护制度。通过运用X射线衍射（XRD）、压汞法（MIP）以及扫描电子显微镜（SEM）等测试方法，分析微波养护对水泥材料化学成分及微观结构的影响，揭示合理的微波养护制度能够促进砂浆的水化程度并形成更加致密的结构。通过计算机模拟对微波养护过程中的温度变化进行分析，发现微波养护温度具有热点效应。进一步得出微波养护温度是影响砂浆强度最关键的影响因素。

关键词

响应面法 / 微波养护 / 砂浆 / 抗压强度 / 微观结构

Key words

Response surface methodology / microwave curing / mortar / compressive strength / microstructure

0 引言

《2023年排放差距报告》显示，2022年温室气体排放量和大气中二氧化碳浓度创历史新高，建筑行业作为主要来源，排放占比达33%，预计2050年将超50%^[1-2]。混凝土行业因此成为“碳减排”策略研究的重点领域。在建筑行业碳排放问题日益严峻的背景下，快速养护技术凭借其在提升混凝土早期强度和施工效率方面的显著优势，成为研究重点之一。混凝土快速养护技术能够显著促进混凝土的水化反应，有效提升混凝土的早期强度，进而实现施工效率的大幅提高^[3]。微波养护技术作为一种新兴的混凝土快速养护技术，相较于蒸汽养护技术能够在更短的养护周期内显著提升混凝土的早期强度，并且具有更低的能耗^[4]。此技术不仅与当前可持续建筑实践的核心理念相契合，而且在减少碳排放方面也展现出了显著成效，因此该技术被视为一种极具潜力且拥有广阔应用前景的混凝土快速养护技术。

微波是一种频率在300 MHz~300 GHz的电磁波，当微波作用于材料时，吸波材料吸收电磁能并将其转化为热能，从而实现对材料的加热^[5]。与从外部热源向内传导的常规加热方式不同，微波加热不受外部热源对被加热材料的热传导、辐射或对流的限制，加热效果更加快速均匀^[6]，并能有效降低加热过程中的能耗。有研究表明，微波加热1 min就可达到常规加热 120 min的效果^[7]。当微波作用于混凝土时，水泥、水和骨料等混凝土的主要成分均属于能够吸收电磁波的介电材料，同时微波辐照会引发分子间的振动。因此，微波辐照为胶凝材料水化反应的进行创造了有利条件^[8]。

研究发现，微波养护对水泥水化具有显著的加速作用^[9]，能提高混凝土的早期强度，并且几乎不会对长期性能造成损害^[10]。然而，微波养护对混凝土性能的影响是存在争议的。Wang等^[11]研究显示，微波养护通过使浆体脱水来降低水灰比，快速提高混凝土早期强度。但含水量的减少可能在后期抑制水化反应，对混凝土的长期强度形成潜在威胁。Kong等^[12]研究指出，微波养护生成的早期水化产物结构过于致密，这阻碍了进一步水化反应的发生及裂缝的自我修复，从而导致微观结构最终变得更加疏松多孔。但Zhou等^[6]研究则发现，微波能促进网状水化硅酸钙凝胶（C-S-H）和新型水化产物的形成，这不仅增强了骨料与水泥界面过渡区（ITZ）之间的黏结，还使得ITZ的微观结构更加密实。此外，Makul等^[13]研究结果表明，微波养护能在水泥基材料硬化前迅速去除混凝土中的游离水分子，引发毛细结构的坍塌，从而提高内部结构的致密程度。这些相互矛盾的研究结果显示了微波养护过程的复杂性以及探索一种合理的混凝土微波养护体系的挑战性及必要性。

混凝土的微波养护过程受养护条件、水泥类型、水灰比、骨料质量与级配和外加剂等多种因素的共同影响。在早期的研究中，Leung等^[14]利用家用微波炉，探究了微波功率、微波养护时间和微波养护龄期等参数的组合效应，提出可以通过调整离散功率来满足不同强度需求。Mangat等^[15]则研究了在现浇混凝土修复过程中功率、养护时间、养护温度和养护体积之间的相互作用关系，发现微波养护温度随时间和功率输入的增加而呈线性增长。Shen等^[16]则专注于超高性能聚合物混凝土的最佳养护龄期和微波养护功率的研究。然而，在这些研究中，均未直接将微波养护温度作为微波加热条件下的养护参数，而是通过研究加热功率和持续时间等参数间接研究养护温度的影响。

本研究采用了响应面回归模型进行分析，这是一种广受认可的分析模型，能够有效探究多变量对各类系统的影响，并进行优化处理^[17-18]。基于响应曲面设计中的Box-Behnken试验设计方法，在参数的变化范围内，选取有代表性的参数组合进行试验，利用响应面模型最大程度增加试验参数变化的连续性，最终构建以二次多项式预测模型，并结合方差分析和响应曲面考察来确定各个试验参数对响应目标的影响显著性及影响规律。

本研究利用响应面回归模型深入评估了微波加热功率、养护时间和微波加热温度3个核心变量对微波养护水泥砂浆性能的具体影响规律，建立微波参数与水泥砂浆性能变化的关系模型。采用了扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）以及压汞法（MIP）等手段进一步分析微波养护条件下砂浆的微观结构和化学成分的变化。根据试验结果试图厘清微波养护工艺参数与砂浆强度、微观结构和水化产物组成之间的关系，从而为微波养护技术的工程应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 原材料与砂浆制备

砂浆采用由河南珀润铸造材料有限公司生产的SiO₂质量分数高于98%的硅灰、诸城市杨春水泥有限公司生产的P.O.52.5水泥和厦门ISO标准砂配制而成，样品不含粗骨料。表1详细列出了水泥与硅灰的具体化学成分。

采用JJ-5型水泥砂浆搅拌机，依据800 g水泥、200 g硅灰、880 g标准砂及400 g水为一组的配比，将干料与水混合均匀，制备成砂浆。随后，将该组砂浆浇铸至3个尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的硅胶模具中。选用硅胶模具，因其具有良好的微波穿透性，便于微波直接作用于试件，同时有利于脱模操作。为降低水分蒸发量，在模具表面覆盖聚偏二氯乙烯（PVDC）保鲜膜以实施保水措施（预试验表明，此措施可有效控制水分散失量在总水量的0.5%以内）。依据设计的不同养护方案，将试样置于特制的微波养护设备中进行处理。该微波设备配备有精密测温装置，用于实时监控温度变化并调节微波发射器的工作状态。在使用过程中，微波发生器首先以预设功率运行；一旦测温装置检测到试样表面温度达到预设阈值，微波发射器即自动停止工作；而当温度回落至预设值以下时，微波发射器则重新启动。此循环过程持续进行，直至达到预定的养护时长。微波养护结束后，进行脱模处理，并分别对试样进行1 d、7 d、28 d的标准养护。随后，按照规范测定其抗压强度。

1.2 响应面模型构建

本研究采用试验设计（Design-Expert）软件，设计了一个三因素三水平的响应曲面设计类型Box-Behnken Deign（BBD）试验，旨在优化砂浆的微波即时养护制度。试验中，共规划了17组不同的养护参数组合，包含加热功率（A）、养护温度（B）和养护时间（C） 3个变量。将这些养护制度下测得的1 d抗压强度（R ₁）、7 d抗压强度（R ₂）和28 d抗压强度（R ₃）设定为响应值，以进行深入分析。

响应面法（RSM）作为一种科学且合理的试验设计方法，其核心在于通过试验获取具体数据，并结合多元回归方程来拟合因素与响应值之间的复杂关系。与传统单因素研究方法相比，RSM在探究单因素对于响应值关系的同时兼顾分析了单因素间的交互作用^[19]。RSM模型的构建过程具体分为以下3个步骤。

1）借助BBD方法，进行试验因子设计和水平编码，见表2。低、中和高水平的单因素分别被编码为-1、0、1。基于这些单因素的范围，设计17组三因素三

水平的养护制度组合，以确保试验的全面性和准 确性。

2）根据不同养护参数组合进行试验并测量抗压强度，据此建立响应面回归模型所建立的响应面可视化，如图1所示，直观地展示了各因素与响应值之间的关系。

3）利用RSM的优化结果，得到砂浆微波即时养护的最优工艺参数组合。

1.3 试验方法

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420—2020）进行强度试验，以评估微波即时养护砂浆试件的力学性能。

采用YAW-300型自动强度测试仪对砂浆试件进行1、7、28 d的抗折、抗压强度测试。该仪器抗压强度试验的最大压缩力为300 kN，最大弯曲力为10 kN，加载速率为2.4 kN/s。在抗折试验中，每组包含3个 40 mm×40 mm×160 mm的矩形试件。断裂后，取3个试件左右两部分进行抗压测试，并将抗压强度的平均值作为该组的最终结果。对所有试验数据进行响应面分析，得到最佳微波养护制度。在强度试验后选取具有代表性的试件并保留，以便深入分析研究微波养护后试件的水化产物特性。

将试样粉碎后，取试样的中心碎片，在异丙醇中浸泡48 h以终止水化，然后取出等待24 h使试样干燥。从同一组标本的中心碎片样本中随机抽取3块样本，磨成细粉。采用日本Shimadzu XRD-6100 x射线衍射仪对样品进行XRD分析，扫描范围为5°~80°，步长为0.02°，每步扫描时间为0.15 s。用JADE 9软件对所得衍射峰进行分析，并与物质标准衍射卡片进行对比，考察样品中存在的物质，进行半定量分析。利用日立SU-70扫描电子显微镜对选取的样品碎块进行微观结构观察。采用MicroActive AutoPore V 9600型压汞仪，从同一组试样中随机选取3个边长小于10 mm的样本，以探究其总孔隙率及孔径分布的特性。

1.4 有限元模拟

尽管微波加热可以快速加热混凝土，但是不同成分的不同介电性能导致了微波加热不均匀。热量在样品和周围环境之间形成对流。温度的升高是由微波加热和水泥水化释放的热量共同引起的。这些都是探索微波养护混凝土加热机理不可避免的潜在干扰因素。因此，选择COMSOL Multiphysics软件进行微波加热模拟。

通过耦合电磁学，使用COMSOL Multiphysics软件中的热传递和固体力学模拟微波加热机制，研究在微波辐射条件下混凝土中温度变化。模拟基于以下假设进行：材料的介电性能在微波养护过程中被认为是固定不变的；假定样品中的各种成分的物理性质是各具相同性的。考虑混凝土中不同大小的集料域，选择物理控制网格对整个模型进行网格划分，如图2所示，完整的网格包含“386 047”域单元、33 102边界单元和3 031边缘单元。后续的模型是基于这个网格划分进行的。

2 结果与分析

2.1 抗压强度及其响应面预测模型

抗压强度是混凝土设计和评估中的关键参数，直接关系到结构的安全性和稳定性。且在混凝土养护初期，抗折强度过小，不易测得稳定可靠的试验数据，抗压强度相对于抗折强度更加准确稳定，因此本研究将抗压强度作为砂浆力学性能分析的指标。表3为依据响应面模型构建获得微波养护后砂浆抗压强度的试验结果（R ₁、R ₂、R ₃代表不同养护制度下1、2、28 d抗压强度的响应值）。

基于最小二乘法原理，利用Design-Expert软件对上述各影响因素及其响应值之间的关系进行多项式拟合分析，获得了响应值与诸因素间的相关性，相关性系数作为衡量各自变量对响应值影响程度与方向的指标，详细数据参见表4。线性项系数的绝对值大小反映了自变量对响应值的影响强度；绝对值越高，意味着影响越显著。系数的符号，无论正负，均指示了影响的方向：正系数表明自变量与响应值呈正相关，即自变量增大时，响应值亦随之增大；负系数则表明二者呈负相关。具体而言，线性项系数表示了自变量对响应值的直接比例影响，假定其他所有变量均保持不变。相互作用项系数则揭示了多个自变量对响应值的综合效应。最后，二次项系数展示了自变量对响应值的非线性影响，系数为正时表现为上凸的抛物线关系，系数为负时则呈现为下凹关系^[20]。

通过方差分析来评估回归模型精度与显著性。回归模型的显著性判断需结合F与P的共同分析，当模型展现出显著的F且伴随极小的P时，该模型被视为具有统计显著性。P越小，意味着模型的显著性水平越高^[21-22]。模型的拟合缺失统计量（LOF）用于量化模型预测值与观测数据之间的差异程度。LOF数值越小，表明模型与经验数据吻合度越高^[23]。表5展示了R ₁、R ₂和R ₃这3个模型的方差分析结果。其中，R ₂回归模型的F为92.71，且P均小于0.000 1，这证明了R ₂模型响应相对于目标变量具有高度显著性。尽管R ₁和R ₃回归模型的F统计量稍低，分别为20.63与33.29，且P较高，但仍足以表明R ₁、R ₃模型对目标变量的响应具有显著性。因此，R ₁、R ₂和R ₃模型均具有统计学显著性，可有效地表达自变量与响应目标值之间的函数关系。同时，这些模型LOF值的不显著性也进一步体现了模型在统计上的可接受性，表明模型能够准确表征和预测数据。综上所述，这些模型被认为适合于对试验数据进行恰当的拟合与分析。

P是通过t检验计算得出的，用来评估自变量统计显著性的度量。其量化了回归系数与零的偏离程度。通常，采用0.05作为显著性水平的阈值^[24]。如果P低于这个阈值，说明自变量的系数对因变量的影响显著，则将该系数视为非零。相反，如果P超过0.05，则自变量对因变量的影响在统计上不显著，将其系数视为零。F数值越大，表明变量在模型中的重要性越高，对响应面影响越明显。由表5可以看出，在R ₁模型中，B、A² 和B ²具有显著性。同样，在R ₂模型中，B、AC、A²、B ²和C ²也具有显著性。在R ₃模型中，AB、A ²和B ²都表现出显著性。参考试验结果，结合表4和表5，可以分别建立3个响应值的回归模型

R ₁=-8.58+0.003 1A+0.560 6B+0.017 1C+2.94×10^-6 AB-7.84×10^-7 AC-0.000 4BC-1.71×10^-6 A ²-0.004 5 B ²-0.000 1C ²。（1）

R ₂=-31.28+0.018 8A+1.376 2B+0.188 5C-0.000 1 AB-0.000 1AC-0.000 1BC-5.49×10^-7 A ²-0.011 2B ²-0.000 5C ²。（2）

R ³=49.49+0.007 8A-0.014 8B+0.005 2C+0.000 1 AB-0.000 1AC+0.000 1BC-5.49×10^-6 A ²-0.003 8B ²-0.000 1C ²。（3）

本研究构建了三维响应面模型来阐述因子间相互作用对响应值的具体影响，如图3所示。响应面形状代表了因子间相互作用的强度。若响应面较为陡峭，且其平面投影趋近于椭圆形，则表明因子间的相互作用较为强烈；相反，若投影更为圆润，且响应面呈现出较为光滑的形态，则意味着各因子之间的相互作用较弱。因此，结合图3的分析结果，可以推断出因子B对R ₁模型的影响最为显著。

表6展示了回归模型的决定系数R ²。R ²反映了因变量中可以从自变量中预测的方差的比例，其范围为0到1。该值越接近1，表明模型预测值与实际观测值的相关性越高，表明模型的可靠性越高^[25]。3个模型的R ²、调整决定系数（R ² _Adj）和预测决定系数（R ² _Pre）都接近于1，表明拟合优度良好。此外，充分精度是一项用来评价模型信噪比的指标，其值越高，说明模型对信号的捕捉能力越强，噪声的干扰越小。通常当充分精度值超过4则被认为模型具有较好的预测能力和可靠性^[26]。建立的回归模型均R ² _Adj和R ² _Pre的差异小于0.2，且充分精度超过4，这意味着回归模型与试验数据之间的一致性很高。这表明预测精度高，可靠性强，模型拟合良好。因此建立的模型适用于微波养护制度的优化，表7展示了试验测得的数据和模型预测数据。

在基于上述参数所构建的响应面模型中，当加热功率为1 000 W、养护温度维持在40 ℃且养护时间达到30 min时，抗压强度展现出最优表现。试验结果有力地支持了响应面法的预测结果，最优表现的微波养护试件通过响应面模型预测的28 d抗压强度为50.3 MPa，通过实际测得的试验强度为49.1 MPa，预测结果与实际结果呈现出良好的一致性，误差范围控制在5%以内，这充分符合预期，并验证了模型预测的准确性。这表明了利用响应面法对微波养护制度进行优化的可行性，为砂浆微波养护技术在工业领域的应用奠定了理论基础和提供了技术支撑。

2.2 微观结构分析

2.2.1 XRD水化产物种类及半定量分析

将代表性试件分为3个养护组分别进行1 d和 28 d的养护。具体分组如下：1）直接进行标准养护的试件，1 d和28 d的编号为S1和S28；2）按响应面法确定的最优微波养护后再进行标准养护的试件，编号为O1和O28；3）经100 ℃微波养护后再进行标准养护的试件，编号为H1和H28。

图4展示了在不同养护条件下，1 d和28 d样品所对应的X射线衍射图谱。XRD衍射分析的结果表明，样品主要由未水化的硅酸三钙（C₃S）、硅酸二钙（C₂S）、石英（SiO₂）、氢氧化钙（CH）、钙矾石（AFt）以及水化硅酸钙凝胶（C-S-H）等组分构成。通过对不同样品中未水化的胶凝物质及其反应产物的种类进行对比分析，可以发现各组样品之间并未出现显著的成分变化。这一观察结果与Zhang等^[27]的研究结论相吻合，即微波养护并不会导致水化反应出现新的产物类型。

然而，为了更深入地理解这一水化过程，仍需对各组分的质量分数进行更为详尽分析。研究通过识别XRD衍射图像中的衍射峰，依据黏土矿物定量分析中常用的Biscaye方法^[28]，利用JADE软件计算不同成分的衍射峰面积来对XRD谱图进行半定量分析，以此评价各样品的水化反应程度。水泥熟料的水化反应主产物C-S-H是一种高度复杂的无定形体系^[29]，难以在XRD衍射图像中出现显著峰值，因此本研究通过C₂S和C₃S的消耗量间接表示C-S-H的生成量。为了更清晰地对比不同样品间物质数量的变化，选择将样品中不发生水化反应的SiO₂的衍射峰面积作为基准，计算CH、C₂S & C₃S和AFt等其他化学相衍射峰面积与SiO₂的峰面积的相对值。图5展示了经过处理后砂浆中各成分与SiO₂的相对值结果。

随着养护时间的延长，不同养护制度样品中C₂S和C₃S的质量分数均有所下降，表明水化反应仍在继续。此外，不同养护制度样品中不同物质质量分数的变化程度不同，反映了养护条件对水化反应的不同影响。S组样品中，S1和S28样品中C₂S和C₃S的质量分数差异很小，CH和AFt的质量分数几乎没有变化，说明S组发生的主要反应是硅酸钙的水化反应。在O组样品中，O1与O28的C₂S和C₃S残留量均是相同养护龄期中最低的，这证明微波养护提高了砂浆的水化程度。同时，CH和AFt质量分数随龄期的增加而降低。说明除了硅酸钙的水化反应外，硅灰的火山灰反应也消耗了CH。Zhan等^[27]的研究也验证了这一发现。如Sun等^[30]的研究所述，AFt的减少可能是由于其结构不稳定和高温分解所致。通常情况下AFt需要在60 ℃以上才发生分解，在本研究中设定的40 ℃养护条件下，这一现象的发生可能与微波辐照样品的“热点”现象有关，即电磁场强度的不均匀分布会导致样品内出现区域性高温^[31]，这使得O组样品中部分区域达到AFt分解温度。在H组样品中，H1和H28的C₂S和C₃S质量分数差异也很显著。而H28的C₂S和C₃S残留量是 28 d样品中最高的。此外，CH和AFt的质量分数几乎没有变化，这表明H组在28 d时水化反应不充分。Xu等^[32]在研究中也注意到高温会影响微波养护混凝土的水化程度和强度性能。

根据图5中展示的砂浆中各成分与SiO₂的相对值结果，O组样品的C₂S和C₃S质量分数明显少于其他养护制度，这证明了更多的C₂S和C₃S在水化反应中被消耗，适宜的微波养护工艺能够有效提升水泥熟料的水化程度，促进胶凝材料的充分利用，促进CH的二次水化，最终提高C-S-H的生成量。然而，H组样品的C₂S和C₃S质量分数最高，28 d时样品内C₂S和C₃S的剩余质量分数仍和O组样品1 d时的质量分数相似，这意味着过高的微波固化温度并不能持续地促进水化反应，反而会对水化反应的进行起阻碍作用。

2.2.2 MIP孔结构分析

图6展示了3组样品养护1 d时的样品表面形貌，其中O组与S组样品表面较完整、无裂痕，仅有少数孔洞，而H组表面则具有明显的孔洞和细小裂缝。

混凝土的孔隙率一般在20%~30% ^[33]。由图7中的MIP结果显示，养护1 d的3组试件的孔隙率差距不大，都在20%~30%。随着龄期的增加，各组试件的孔隙率均呈下降趋势。但养护28 d后，3组试样间孔隙率的差异增大。在100 °C微波养护的样品孔隙率最高，最佳微波养护制度下的样品孔隙率明显低于标准养护样品。这证明随养护时间的增长，3组样品都继续进行水化反应。然而，在100 ℃条件下微波养护试样的水化程度相对较低，而在最佳养护制度和标准养护下，试样的水化反应更彻底，形成的水化产物有效地填充了孔隙。

图7反映了不同养护条件下试样的孔径分布及变化。通常，混凝土孔隙根据其孔径（d）大小可分为4类：凝胶孔（d<10 nm）、过渡孔（10 nm<d<100 nm）、毛细孔（100 nm<d<1 000n m）和微孔（d>1 000 nm）^[34]。值得注意的是，孔径分布随养护温度的变化有明显的改变。在标准养护和最佳微波养护试验中，随着养护时间的延长，峰值孔径减小。

在S组样品中，S1样品的峰值孔径约为100 nm。经过28 d的标准养护后，S28样品显示出两个明显的孔径峰值：一个在10~100 nm，另一个在100~1 000 nm。随着养护时间的增长，标准养护样品表现出从过渡孔为主到过渡孔和毛细孔共同存在的转变。这种转变意味着孔隙结构得到了优化，在受压时试样内的应力分布可以更加均匀，从而提高试样的抗压强度。

在O组样品中，O1试样具有3个不同的峰值孔径，其中，两个明显的峰值分别位于10~100 nm和100~ 1 000 nm，另外在10 000~100 000 nm还有一个相对较小的峰值。标准养护28 d后，O28试样的峰值孔径和相应高度均明显减小。结合O28样品的孔隙率最低，说明在最佳微波养护条件下，微波有利于水化反应进行，有效填充孔隙，降低了孔隙率，增强了孔隙结构。与其他研究结果一致，适当的微波养护可以优化孔隙结构，提高样品的密度^[35]。

在H组样品中，H1样品在100~1 000 nm出现了两个峰值孔径。尽管养护时间增长，H28试样在此范围内仍保持两个峰值孔径，只有峰值高度略有下降。O28样品的孔隙率最高，这表明，在100 °C微波养护条件下，随着时间的推移，孔隙大小的改善并不显著，这可能是最初的快速失水导致大量裂缝和孔隙的形成，加上缺水导致的水化反应不足。在关于高温养护的研究中，已经观察到在85 ℃的养护温度下试件就会出现明显的裂缝^[36]。

综上所述，标准养护和最佳微波养护温度均能有效优化样品的孔隙结构，而高温微波养护反而会破坏样品孔隙结构。

2.2.3 SEM微观结构观察

由图8的SEM图像可知，相较于1 d样品，不同养护制度的28 d样品的孔隙率均有降低。但在H28样品的SEM图像中孔隙依然清晰可见，这表明与S28和O28样品相比，H28样品的微观结构更疏松、水化程度更低。不同样品中C-S-H凝胶的形态以及水化产物的分布也存在显著差异。在S1和S28样品中，C-S-H凝胶主要呈现出网状的分布模式，而S28样品水化产物穿插排布、内部结构更加致密且均匀。O28样品则展现出C-S-H凝胶的簇状分布，这是复合养护条件下凝胶形态的典型特征^[27]。在H1和H28样品中，过高的固化温度导致了大量水分的蒸发，使得C-S-H凝胶呈现出与干热养护相似的纤维形态^[37]，而这些样品中裂纹的显著存在进一步加剧了其多孔和松散的内部结构特征。

2.2.4 微波养护期间样品的温度变化

图9显示了样品温度随时间的变化。微波加热产生不均匀的温度分布，随着时间的推移，温度分布显著变化。由图9可知，表面热点最明显地出现在试样的边角处，中间层的热点首先出现在上部区域，随着时间的推移逐渐向下边角扩展。根据图像还可以观察到，大多数内部区域的温度远高于表面区域。

热交换过程中，热量沿着温度梯度从高温区域向低温区域传递，从中心到边缘，再到角落。混凝土具有较低导热性，这限制其热量的有效传导。热传导的过程相对缓慢，随着时间的推移，不同区域之间的温差逐渐显现。因此，快速微波加热会加剧温度场分布不均匀。

此外，在试验工作中，材料和环境条件并非一成不变。水化反应会释放热量，并且环境温度可能会波动，输入电压也可能不稳定。这些因素会导致模拟结果与实际试验情况产生偏差。

3 讨论

通常将混凝土的养护周期从浇筑至28 d划分为3个不同的阶段：第1阶段为浇筑后至第1天，此阶段浆体逐渐固化，但试样强度尚处于较低水平；第2阶段为第1天至第7天，此期间混凝土强度迅速增长，达到设计强度的60%~70%；第3阶段则从第7天持续至第28天，此阶段强度增长趋于平缓，并最终达到设计强度。

响应面分析结果表明微波养护温度是影响混凝土强度的主导因素。在初始硬化期，尽管微波养护能加速脱模进程，但在40~100 ℃的研究范围内，抗压强度并未随温度升高而持续增强。相反，微波加热引发的内部急剧升温与环境温度之间的较大差异，导致了图6的表面开裂，反而削弱了整体强度。特别是与标准养护样品相比，尽管在微波养护刚结束时40 °C微波养护的样品更快地达到脱模标准，但是在通过第1天的样品检测中发现40 °C微波养护的样品具有比标准样品更高的孔隙率。当温度升至100 °C时，结合图5的半定量分析与图8的SEM图像，H1样品显示出更低的水化程度和更疏松的微观结构，这主要归因于过度水分蒸发阻碍了水化进程，对强度发展产生了显著的不利影响。进入第2阶段（表3），除100 °C下养护的样品表现出强度增长受到限制外，其余样品均实现了其28 d强度的50%以上的增长。至第3阶段，不同微波养护温度下的样品强度差异进一步扩大。根据表5的P，养护温度与加热功率对该阶段的抗压强度具有显著影响。过高的养护温度会促进水分蒸发，对强度发展构成不利影响；同时，高功率加热导致混凝土温度迅速攀升至大量水分蒸发的水平，增加了内部孔隙，并因快速升温引发的膨胀而加剧裂缝形成，同时内部水分的缺失亦阻碍了养护过程中细裂纹的愈合。

研究发现，养护温度对混凝土强度具有显著影响，图10展示了养护温度对砂浆水化过程的影响。高温环境能够加速分子、离子扩散，有效促进化学反应，从而加速水化进程并缩短水化诱导期。然而，只有适宜的微波养护温度才能避免水分过度蒸发或水灰比发生剧烈变动，进而为形成有利的水化环境提供保障。相反，高温微波养护可能会干扰水化进程与微观结构的正常形成，从而阻碍混凝土强度的发展。其负面影响主要体现在以下几个方面：加剧分子振动，导致微观结构不均匀并生成有害孔隙；形成厚凝胶层，阻碍水泥与水的持续接触，延缓水化反应的进一步进行；加速水分蒸发，引起缺水现象并阻碍水化反应进行，进而影响混凝土的整体性能。

4 结论

本研究通过响应面法研究了微波养护制度对水泥砂浆材料抗压强度与微观结构的影响。研究结果显示，不合理的微波养护会降低砂浆的抗压强度并导致内部结构的不均匀。主要结论如下。

1）确定了微波养护的最佳条件为加热功率1 000 W、加热温度40 ℃和微波养护时间30 min，能够有效提高水泥砂浆的早期强度，同时确保28 d后的抗压性能。这一结果表明，合理的微波参数组合经过优化可实现快速强度发展与长期性能保持的双重目标。

2）合理的微波养护制度有助于促进氢氧化钙的二次水化，降低孔隙率并优化孔径分布，形成密实的水泥石结构，这种致密的微观结构有助于材料的力学性能的提升。

3）加热温度是影响水化过程和材料性能的关键因素，当养护温度过高时，混凝土内部的水分大量蒸发，可能出现孔隙率增大、界面过渡区变弱等现象，进而降低材料的整体密实性。同时过高温度还可能导致未水化颗粒被快速生成的水化产物包裹，抑制水化反应的正常进行，进而影响长期强度发展。

4）受砂浆内不同物质介电性质不同的影响，剧烈微波养护会导致样品内部受热不均匀，出现局部高温的“热点”。局部可能达到AFt等物质的分解温度，影响水化产物的稳定性。

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基金资助

国家自然科学基金青年科学基金项目(52108193)

黑龙江省重点研发计划(JD22A012)

龙建路桥股份有限公司科技项目(230000100004258230003)