胡 龍, 陳海軍，王斯海

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210029)

微波加熱在巖土工程中的應(yīng)用

胡 龍1,2, 陳海軍1，王斯海1

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210029)

介紹了微波具有的特性以及微波加熱原理，包括偶極極化、離子導(dǎo)電和界面極化三種機制。綜述了微波加熱技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用，例如快速測定土的含水量、處理固體廢棄物、破碎巖石等，概述了該技術(shù)在融解凍土、淤泥土脫水、公路再生瀝青修復(fù)技術(shù)方面的成果，并且提出微波加熱技術(shù)可應(yīng)用于減少有機土有機物含量、加熱快速固結(jié)軟土，以及微波加熱研究的具體方向，期望能推動微波加熱技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域的推廣。

微波加熱 巖土 高效 應(yīng)用

Hu Long, Chen Hai-jun, Wang Si-hai. Application of microwave heating in geotechnical engineering[J].Geology and Exploration, 2016,52(3):0570-0575.

0 前言

微波是指頻率范圍在300MHz-300GHz內(nèi)的電磁波(Pozar，1998),其波長在1mm～1m 間，具有波粒二象性。微波技術(shù)起源于20世紀(jì)初，最初應(yīng)用于通訊領(lǐng)域，二戰(zhàn)后迅速發(fā)展，逐漸從軍用需求向生產(chǎn)領(lǐng)域過渡(趙寶亮等，2007)。微波加熱，相比于傳統(tǒng)加熱，具有物體內(nèi)加熱效率高，加熱均勻等優(yōu)點，其應(yīng)用極其廣泛(曲世鳴等，1999)，主要應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、科學(xué)、食品業(yè)等。而在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有探討。近十幾年的研究表明：微波加熱以其快速加熱、選擇性加熱、易于控制、高溫等優(yōu)點，在處理巖土工程一些工程問題上，提供了新的思路和方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 微波加熱原理

微波是一種電磁波，具有波動特性，包括反射、透射、衍射、干涉及能量傳輸?shù)?，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等民用領(lǐng)域(Renetal.，1998；Drouzasetal.，1999)。在傳輸介質(zhì)過程中，依據(jù)介質(zhì)的不同，微波會被介質(zhì)反射、穿透或者吸收，比如微波能穿透硫磺，會被銅反射，而能被水吸收，這取決于材料自身特性(Metaxasetal.，1983；Gabrieletal.，1998)，包括介電常數(shù)、介質(zhì)損耗系數(shù)、組成性質(zhì)、含水量和比熱等。當(dāng)微波被介質(zhì)吸收時，介質(zhì)會被加熱。在目前為止，對于微波加熱機理，主要有偶極極化、離子導(dǎo)電和界面極化這三種機制(Mingosetal.，1997)：第一種機制是在高頻振蕩的微波場作用下，被加熱物體內(nèi)的極性分子原本沿電場方向定向排列，電磁場變化速率很快導(dǎo)致這些分子高速擺動而發(fā)生分子間相互碰撞，使這些分子運動平均動能急劇變大，宏觀上即表現(xiàn)為溫度升高；第二種機制是振蕩電磁場使導(dǎo)體內(nèi)電子或離子移動而產(chǎn)生電流，電流通過內(nèi)電阻而產(chǎn)熱；第三種機制是界面極化，可以看成是以上兩種機理的綜合作用。當(dāng)被加熱系統(tǒng)是絕緣體內(nèi)包含導(dǎo)體材料時，便成為一種微波吸收材料。在微波場作用下，導(dǎo)體材料發(fā)生偶極極化作用，而絕緣體相當(dāng)于極性溶劑，對這些極性分子產(chǎn)生阻礙，由于振蕩場作用，這些阻礙力導(dǎo)致離子運動存在相位滯后，使離子雜亂運動而產(chǎn)生熱量。

從以上微波的加熱機理可知，微波加熱具有其優(yōu)點，而傳統(tǒng)加熱方式主要是傳導(dǎo)、對流和輻射，熱源一般都是從物體表面加熱至物體內(nèi)部，具有加熱不均勻的特點。而微波加熱技術(shù)是通過激發(fā)高頻電磁波，瞬間穿透整個被加熱物體，把能量傳播到被加熱物體內(nèi)部，使能量轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)物體的均勻加熱。相比于傳統(tǒng)加熱，微波加熱有如下特點(林群慧，2012)：

(1)瞬時加熱性：熱量瞬間產(chǎn)生于物體內(nèi)部，熱效率高；微波能量集中于被加熱物體本身，熱慣性小，能量轉(zhuǎn)化率高；

(2)選擇加熱性：被加熱物質(zhì)因其介電性質(zhì)不同，對微波的敏感性亦不同，如水分子是極性分子，含水物質(zhì)都能被微波有效加熱；另外，微波產(chǎn)生的溫度梯度有助于實現(xiàn)物質(zhì)分離；

(3)穿透性：微波能穿透相應(yīng)介質(zhì)內(nèi)部，使物體整體進行加熱；一般來說，減小微波頻率能增大其穿透距離；

(4)可控性：微波設(shè)備即開即停，功率可連續(xù)調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)自動化控制。

2 微波加熱應(yīng)用于巖土工程

巖土工程是一門應(yīng)用學(xué)科，新技術(shù)的產(chǎn)生和多學(xué)科的交叉能夠促進巖土工程技術(shù)與材料等方面的進步(龔曉南，2000)。微波加熱因其高效加熱、選擇性加熱、易于控制等優(yōu)點(夏祖學(xué)等，2004)，作為一種新技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域得到應(yīng)用，比如在公路修復(fù)、室內(nèi)測試、環(huán)境保護等方面，都具有一定的研究成果，為工作者解決相關(guān)巖土問題提供了新的思路或者技術(shù)，提高了解決問題的效率。

2.1 微波測定土的含水率

土具有三相性，包括固體、液體和氣體，其中，土中水的含量對土的物理力學(xué)性質(zhì)具有很大影響，所以研究土的工程特性，測定含水量必不可少。目前常用測定土的含水量的方法有烘干法、酒精燃燒法、比重法、碳化鈣氣壓法等。烘干法最為常用，但實驗時間長且適應(yīng)性差；而酒精燃燒法溫度過高可能會使土樣燒焦，且產(chǎn)生的產(chǎn)物水可能會被土重新吸收而使數(shù)據(jù)不夠精確；比重法只適用于砂土，且碳化鈣氣壓法所用儀器設(shè)備具有局限性等。而對于現(xiàn)場施工和土工室內(nèi)試驗來說，土體含水率的快速、精確測定對于提高工作效率、加快工程進度等具有重要意義(趙壽剛等，2005)。采用微波測定含水量，因其快速、便攜、精度高的優(yōu)點被關(guān)注。

在國外，微波測定土中含水量的試驗研究在上世紀(jì)七十年代初就開始，并且技術(shù)發(fā)展比較成熟，已于1987年正式列入美國ASTMD4643-87試驗標(biāo)準(zhǔn)(王軍保，2009)。

在國內(nèi)，微波測定土含水量的發(fā)展比較緩慢，但也有相關(guān)學(xué)者取得了滿意的成果。因微波爐設(shè)備的成熟性、功率可調(diào)性等，學(xué)者們大多利用微波爐設(shè)備提供微波場，對土體進行加熱，同時采用恒溫烘干法，進行對比，來探究微波加熱測定土含水量的可行準(zhǔn)確性與規(guī)律性。李禎祥等(2000)用微波法和烘干法對某土石壩心墻填筑土料的含水量進行測定，并以烘干法為標(biāo)準(zhǔn)進行比較，利用465組數(shù)據(jù)，擬合微波法含水量和烘干法含水量的關(guān)系，兩者呈較好線性。楊凱等(2011)等采用微波法對粉質(zhì)黏土與砂土分別測定其含水量，并與標(biāo)準(zhǔn)烘干法測定含水量進行比較,也證實了微波法和烘干法數(shù)據(jù)之間存在相關(guān)關(guān)系，可通過大量的實驗數(shù)據(jù)反映而建立經(jīng)驗公式，且微波法測定土體的含水量滿足規(guī)范相對誤差，具備準(zhǔn)確性。

趙壽剛等(2005)近年在系統(tǒng)深入的試驗基礎(chǔ)上、結(jié)合工程實際，提出了使用微波爐測定土體含水率的具體方法，并得出采用微波爐法土體達恒重時所需時間以及土樣用量的數(shù)據(jù)，也確定了微波爐法測定所試用的含水量范圍；試驗還對微波爐法測定的土體含水率與烘干法進行對比修正，使其測定的含水量結(jié)果與烘干法保持一致。試驗與工程實踐表明微波爐法測定土體含水率切實可行,具有推廣利用價值。

李宏志(2001)在商丘至開封高速公路工程施工質(zhì)量控制過程中，分別采用81%和100%的火力、不同烘干時間的微波爐加熱法對路基、水泥石灰穩(wěn)定土、石灰土進行加熱，其測定的含水量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)烘干法進行對比,每種試樣取四組做平行試驗，認(rèn)為微波爐加熱法測定的含水量與標(biāo)準(zhǔn)烘干法相近，且烘干時間更快，可應(yīng)用于公路施工質(zhì)量控制中。并認(rèn)為微波爐加熱法的測試精度與加熱時間和火力有關(guān)，建議將加熱 7 min、采用100%火力的微波爐加熱法測定含水量的方法列入相關(guān)規(guī)范。

可見，對于微波加熱法測定土體含水量，試驗研究主要是基于以標(biāo)準(zhǔn)烘干法測定的含水量結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)。將微波法測定的含水量數(shù)據(jù)與之建立相關(guān)關(guān)系，或建立經(jīng)驗公式，利用此關(guān)系將結(jié)果修正應(yīng)用于工程實際中去，具有精度高、快速、操作便捷的優(yōu)點。除此微波設(shè)備易于攜帶，隨時可運用于現(xiàn)場。而對于微波加熱測定土體含水量設(shè)備的專業(yè)性、以及對于含有不同礦物成分與結(jié)構(gòu)土含水量的測定相應(yīng)規(guī)律的歸納與規(guī)范的建立，還需要進一步去研發(fā)和探討。

2.2 微波處理固體廢棄物再利用

在巖土工程中，固體廢棄物主要是建筑垃圾。隨著城市化進程加快，我國建筑垃圾產(chǎn)量急劇增長，已占城市垃圾總量的30%～40%，但絕大部分建筑垃圾直接堆放或者填埋，既造成資源浪費又產(chǎn)生環(huán)境污染。然而，建筑垃圾中的許多廢棄物經(jīng)處理回收后，大多是可再生資源，再利用建筑垃圾符合節(jié)約資源、保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展理念(陸凱安，1999)。微波加熱的高溫、可控制性、選擇加熱性使分離某些建筑垃圾成為可能。有報道，微波技術(shù)已被利用輔助建筑垃圾的回收再利用(孫萍等，2002)。

據(jù)報道，美國的CYCLEAN公司已實現(xiàn)利用微波技術(shù)完全地回收利用再生舊瀝青路面料，其質(zhì)量與新拌瀝青路面料相同，成本降低1/3，該技術(shù)可節(jié)約垃圾清理費用，減少對城市的環(huán)境污染。利用微波技術(shù)回收建筑垃圾，解決了常規(guī)處理方法易造成的二次污染問題，如堆肥、焚燒、填埋等，且成本低、節(jié)約占地面積，達到資源再生化(陳芳艷等，2006)。

而在國內(nèi)，對于采用微波技術(shù)處理建筑垃圾的報道鮮有，更多的研究是放在對于固體廢棄物中污泥、淤泥的分離處理。近年來，采用微波技術(shù)處理污泥已成為研究熱點，少量微波工藝已投入工業(yè)生產(chǎn)。國內(nèi)外開展了許多相關(guān)研究，比如微波輔助干化污泥、微波熱解污泥、堿性條件下微波熱水解污泥、微波處理含油污泥、微波輔助連續(xù)從污泥中提取重金屬等(Bridleetal.，2004)。有關(guān)微波熱解污泥技術(shù)的研究還不成熟，僅在德國、美國和日本等發(fā)達國家有工業(yè)實例，在國內(nèi)還處于研究階段。

Bohlmannetal.(1999)較早研究污泥的微波輔助熱解，實驗采用微波加熱作為濕污泥熱解的能源，在8Mpa～20Mpa壓力環(huán)境、溫度為250℃～300℃的微波容器中來熱解污泥，并成功將污泥轉(zhuǎn)化為氣體、水汽、油和固體殘留物。

Menéndezetal.(2002,2005)在研究微波輔助熱解污泥方面，取得較多成果，提出采用微波爐熱解污泥的新方法。實驗分別采用微波加熱和傳統(tǒng)電爐加熱，對比污泥熱解后的含碳殘留物，發(fā)現(xiàn)在微波作用下，將污泥直接作用于微波作用，僅僅表現(xiàn)為脫水；而在污泥中添加少量合適的吸波物質(zhì)后，溫度能快速加至900℃以上，裂解生成炭基吸附物、生物油和合成氣。實驗還表明相比于傳統(tǒng)裂解過程，微波裂解污泥過程將使吸附炭更加有效，吸附更多的有機物質(zhì)和重金屬，這為微波法熱解污泥提供了新思路。

在國內(nèi)，方琳等(2008)以哈爾濱某城市污水處理廠的脫水污泥為研究對象，分別添加SiC 及污泥本身的高溫?zé)峤夤腆w殘留物到污泥中，以實現(xiàn)污泥在微波場中的快速升溫及高溫?zé)峤?，采用相?yīng)化學(xué)分析設(shè)備分析其熱解液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)產(chǎn)物的基本特性，為促進污泥微波熱解產(chǎn)物的資源化奠定基礎(chǔ)，為其再生用作吸附劑和燃料提供依據(jù)。

微波技術(shù)回收建筑垃圾以及熱解污泥、淤泥等，利用了微波場作用下，在垃圾、污泥等介質(zhì)中添加良好的吸波物質(zhì)和吸附劑，以實現(xiàn)介質(zhì)的快速升溫、高溫，達到熱解效果；微波作用后的溫度梯度，有助于分解液態(tài)物質(zhì)、氣態(tài)物質(zhì)和固體殘留物，并回收有用資源，進行資源的再循環(huán)。

2.3 微波破碎巖石

目前，我國在礦物采礦和隧道開挖中所采用巖石破碎的主要方法是爆破破巖或機械破巖法(田玉新等，2010)。爆破破巖存在對原巖的擾動大，存在硐室支護困難，且施工工序多，影響施工效率；機械破巖遇硬巖無優(yōu)勢，一次性投資費用高，尋求新的高效經(jīng)濟的破巖技術(shù)也是相關(guān)技術(shù)人員關(guān)心的問題。一方面則是通過研究新的巖石破碎機理來提高破巖效率(譚耀麟，1979)。微波加熱，具有升溫快、加熱均勻、選擇性加熱、過程易于控制等特點，已成為一種重要的輔助破巖手段。微波破巖的作業(yè)原理是微波作用下對巖體進行加熱，進而改變其物理特性(李文成等，2010)。除此，微波加熱技術(shù)對于加工礦石、處理和回收有價值的礦物等，亦值得探討，特別是對于難選礦物，微波能處理法頗具前景(盧軍，1989)。對于微波技術(shù)是近代剛興起的新技術(shù)，對于微波破巖技術(shù)，最近幾年國內(nèi)外專家開始研究并取得了一定的成果(Viktorovetal.，1998；Nekoovaght，2009 )。

日本鐵道研究所利用微波加熱的方式，開展微波照射巖石測定巖石破裂的試驗，采用不同的加熱功率進行巖石的破碎，試驗研究表明巖石在微波照射破碎試驗中，微波照射巖石的功率越大，巖石所達到的破碎效果越好(張強，1996)

英國Kingmanetal.(2000；2004)、Kingman S W(2006)、Whittlesetal.(2003)通過微波照射鉛鋅礦石進行破碎試驗，發(fā)現(xiàn)不同類型的巖石對微波的響應(yīng)特性不同，并且各自存在達到最好破碎狀態(tài)的最佳照射條件。研究表明，微波照射時間和照射強度對礦石強度影響極大。

Olubambietal.(2007)分析在微波照射下，對硫化礦的強度變化、處理和回收硫化礦進行研究，實驗表明微波加熱對于硫化礦的加熱特性、破碎響應(yīng)、硫酸鹽酸的溶出都具積極影響。說明硫化礦作為一種電介質(zhì)，對微波具有一定敏感性，能夠被礦石本身吸收，并將能量轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)微波對礦石進行加熱，這對某些礦石的開采、處理和回收提供了新的思路。

美國Scottetal.(2008)對微波照射下影響礦石強度的原因進行研究，認(rèn)為微波間斷形式照射礦石，礦石強度變化會更明顯，并且證實了礦物的性質(zhì)也影響到礦石強度的變化。同時，實驗還表明微波照射會改變碳酸鹽巖礦的破裂形態(tài)以及礦物解離，這將有利于礦石中有價值的銅礦物的回收。

美國礦山局也對微波輔助破巖方式進行探討，采用的試驗方式是水力破巖和微波破巖相結(jié)合進行破巖(Lin Y Eetal.，1995)。試驗表明在微波的熱裂和水力切割共同促進破碎巖石，提高了破巖效率。但綜合破巖法對環(huán)境溫度和濕度有負面影響，還需改進。

國內(nèi)對微波照射破碎巖石的研究還比較少。西安科技大學(xué)戴俊等(2014)對微波照射巖石下其強度的變化進行試驗。通過改變微波照射強度和時間，測得不同情況下巖石強度,最后得出微波照射對巖石強度的影響規(guī)律：微波對巖石的照射時間越長、微波的強度越大,對巖石強度的影響也就明顯；劉洪林等(2010)利用微波加熱提出了一種微波開采地下頁巖油的新技術(shù)，其中一方面也利用了微波加熱油頁巖使其裂縫增加，將有利于頁巖油的排采。

2.4 微波其它方面的應(yīng)用

采用微波加熱修復(fù)高速公路、橋梁和道路等是微波加熱的新應(yīng)用，微波加熱系統(tǒng)的微波發(fā)生器是裝在具有平板的卡車上，此平板式卡車帶有一組旋轉(zhuǎn)葉片和一臺為微波加熱系統(tǒng)提供電能的柴油機，用該微波加熱系統(tǒng)，能用最少的材料對道路進行快速而有效地修補，并且不必從工廠來回運輸材料(馬文珍，1986)。利用微波再生瀝青修補技術(shù)，節(jié)能、高效且符合環(huán)保要求，能夠修復(fù)公路瀝青路面溝槽和坑洼，具有開闊的市場前景。

因微波對土壤具有較好的穿透能力、加熱效率高，微波解凍土也成為了研究課題。郭永山等(1995)從理論上給出微波解凍深度的計算方法，并設(shè)計實驗，采用915MHZ、20KW的微波源，利用喇叭天線對不同土質(zhì)和不同含水量的土壤進行不同時間照射，數(shù)據(jù)分析結(jié)果證實了實際解凍深度與計算深度較好吻合，并且也說明了利用微波加熱解凍土的可行性。而基于微波加熱的碎冰機是一個新應(yīng)用，該碎冰機具有便攜性，能安全有效地應(yīng)用于室外凍土的解凍，還能對其它冰凍物件(管道等)進行解凍(張?zhí)扃龋?008)，這對于解決特殊巖土工程問題凍土問題有一定的價值，具體應(yīng)用還有待深入研究。

我國每年由于拓寬挖深河道、興建港口等，都會產(chǎn)生大量的疏浚淤泥。疏浚淤泥的含水量一般很高且不易脫水，有研究者研究微波加熱使疏浚土脫水，試驗表明微波加熱能有效將淤泥中的水分快速脫去，從而達到淤泥在短時間內(nèi)的失水固結(jié)，只是因為疏浚淤泥的量極大，用此方法脫水不具有經(jīng)濟優(yōu)勢。

3 結(jié)論

微波加熱技術(shù)因具有高效加熱、環(huán)保、經(jīng)濟、選擇性加熱等優(yōu)點，在巖土工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。除微波測定含水量、再生修復(fù)瀝青修補技術(shù)較成熟外，微波快速脫水、有效破碎巖石、對于礦石微波加熱后的產(chǎn)物回收、融解凍土、微波對混凝土的無損檢測等還需多加研究。由于微波加熱的快速、選擇性加熱、環(huán)保等優(yōu)點，筆者認(rèn)為，在軟土地基的加熱快速固結(jié)、減少有機土的有機物含量等方面，微波加熱也可以作為一種輔助手段，將為工程提供新思路。對于微波加熱軟土固結(jié)，需要從理論和實踐兩方面去研究，該方法涉及變形、孔壓、溫度等多個變量，必須探討固結(jié)、滲流與溫度場的三場耦合機理，以及相關(guān)的數(shù)值模擬技術(shù)；在實踐中需要確定微波發(fā)生器的合理布局、穿透深度(可借助波導(dǎo)方法以及采用低頻提高穿透能力)、排水排氣通道的布置等；除此，微波預(yù)熱、加熱作用軟土含水量減小、孔隙率增加、土粘度降低的同時，再結(jié)合真空抽氣或者堆載，能夠大大提高固結(jié)效率。而對于熱解有機土，首先應(yīng)從實驗室開始，提取有機土試樣在微波場中加熱，設(shè)置微波照射時間與功率為變量，探究有機土中不同有機物熱解所需溫度，以及相應(yīng)較合適的微波照射時間和頻率，再拓展到對于現(xiàn)場原位減少有機土有機物含量的研究等。如今，在國內(nèi)只有少數(shù)研究者有意識將微波技術(shù)去輔助于巖土工程，且對于微波的研究的起步也比較晚，很多工作局限于實驗室，而正在投入巖土行業(yè)的工程應(yīng)用還比較少；另一方面，要著重對微波與巖土等材料的相互作用機理，巖土等材料的介電特性、微波工藝和專用微波發(fā)生器等研究，這都將推進微波在巖土領(lǐng)域的應(yīng)用。至于微波加熱的安全性方面，因其輻射影響范圍小，人體置于輻射范圍之外，就不會產(chǎn)生危害。隨著微波基礎(chǔ)理論知識完善、相關(guān)工作人員的研究和工程實踐，微波加熱技術(shù)必將在巖土工程領(lǐng)域具有開闊的市場前景。

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Application of Microwave Heating in Geotechnical Engineering

HU Long1,2, CHEN Hai-jun1, WANG Si-hai1

(1.NanjingHydraulicResearchInstitute，Nanjing，Jiangsu210029; 2.CollegeofCivilandTransportationEngineering,HHU，Nanjing，Jiangsu210029)

This paper presents properties of microwaves and the principle of microwave heating，including three mechanisms，i.e. dipolar polarization，ionic conduction，and interfacial polarization. Then，it gives a review on applications of this technology in geotechnical engineering，such as rapid measurement of water content in soil，disposal of construction wastes，and rock breaking. This article also outlines the application results of this method in melting frozen soil，drying the sludge and rapid repairing of asphalt pavement. It also proposes ideas on consolidation of soil and pyrolyzing organic soil using microwave heating，as well as further studies on microwave heating，which would be helpful to advance propagation of this technology in geotechnical engineering.

microwave heating，rock and soil，efficient，application

2015-12-29；

2016-04-06；[責(zé)任編輯] 陳偉軍。

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金重大項目(Y315009)、寧波市交通運輸委員會科技計劃項目(201302)聯(lián)合資助。

胡 龍(1991年-)，男，在讀碩士生，現(xiàn)進行巖土工程測試技術(shù)方面的研究。E-mail:631016810@qq.com。

P633;P642

A

0495-5331(2016)03-0570-06