微波加热在岩土工程中的应用

胡 龙, 陈海军，王斯海

(1.南京水利科学研究院，江苏南京 210029；2.河海大学土木与交通学院，江苏南京 210029)

微波加热在岩土工程中的应用

胡 龙1,2, 陈海军1，王斯海1

(1.南京水利科学研究院，江苏南京 210029；2.河海大学土木与交通学院，江苏南京 210029)

介绍了微波具有的特性以及微波加热原理，包括偶极极化、离子导电和界面极化三种机制。综述了微波加热技术在岩土工程领域的相关应用，例如快速测定土的含水量、处理固体废弃物、破碎岩石等，概述了该技术在融解冻土、淤泥土脱水、公路再生沥青修复技术方面的成果，并且提出微波加热技术可应用于减少有机土有机物含量、加热快速固结软土，以及微波加热研究的具体方向，期望能推动微波加热技术在岩土工程领域的推广。

微波加热 岩土 高效 应用

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

微波是指频率范围在300MHz-300GHz内的电磁波(Pozar，1998),其波长在1mm～1m 间，具有波粒二象性。微波技术起源于20世纪初，最初应用于通讯领域，二战后迅速发展，逐渐从军用需求向生产领域过渡(赵宝亮等，2007)。微波加热，相比于传统加热，具有物体内加热效率高，加热均匀等优点，其应用极其广泛(曲世鸣等，1999)，主要应用于工业、医学、科学、食品业等。而在岩土工程领域的应用鲜有探讨。近十几年的研究表明：微波加热以其快速加热、选择性加热、易于控制、高温等优点，在处理岩土工程一些工程问题上，提供了新的思路和方法，具有广阔的应用前景。

1 微波加热原理

微波是一种电磁波，具有波动特性，包括反射、透射、衍射、干涉及能量传输等，广泛应用于农业、工业、医学等民用领域(Renetal.，1998；Drouzasetal.，1999)。在传输介质过程中，依据介质的不同，微波会被介质反射、穿透或者吸收，比如微波能穿透硫磺，会被铜反射，而能被水吸收，这取决于材料自身特性(Metaxasetal.，1983；Gabrieletal.，1998)，包括介电常数、介质损耗系数、组成性质、含水量和比热等。当微波被介质吸收时，介质会被加热。在目前为止，对于微波加热机理，主要有偶极极化、离子导电和界面极化这三种机制(Mingosetal.，1997)：第一种机制是在高频振荡的微波场作用下，被加热物体内的极性分子原本沿电场方向定向排列，电磁场变化速率很快导致这些分子高速摆动而发生分子间相互碰撞，使这些分子运动平均动能急剧变大，宏观上即表现为温度升高；第二种机制是振荡电磁场使导体内电子或离子移动而产生电流，电流通过内电阻而产热；第三种机制是界面极化，可以看成是以上两种机理的综合作用。当被加热系统是绝缘体内包含导体材料时，便成为一种微波吸收材料。在微波场作用下，导体材料发生偶极极化作用，而绝缘体相当于极性溶剂，对这些极性分子产生阻碍，由于振荡场作用，这些阻碍力导致离子运动存在相位滞后，使离子杂乱运动而产生热量。

从以上微波的加热机理可知，微波加热具有其优点，而传统加热方式主要是传导、对流和辐射，热源一般都是从物体表面加热至物体内部，具有加热不均匀的特点。而微波加热技术是通过激发高频电磁波，瞬间穿透整个被加热物体，把能量传播到被加热物体内部，使能量转化为热能，实现物体的均匀加热。相比于传统加热，微波加热有如下特点(林群慧，2012)：

(1)瞬时加热性：热量瞬间产生于物体内部，热效率高；微波能量集中于被加热物体本身，热惯性小，能量转化率高；

(2)选择加热性：被加热物质因其介电性质不同，对微波的敏感性亦不同，如水分子是极性分子，含水物质都能被微波有效加热；另外，微波产生的温度梯度有助于实现物质分离；

(3)穿透性：微波能穿透相应介质内部，使物体整体进行加热；一般来说，减小微波频率能增大其穿透距离；

(4)可控性：微波设备即开即停，功率可连续调节，可实现自动化控制。

2 微波加热应用于岩土工程

岩土工程是一门应用学科，新技术的产生和多学科的交叉能够促进岩土工程技术与材料等方面的进步(龚晓南，2000)。微波加热因其高效加热、选择性加热、易于控制等优点(夏祖学等，2004)，作为一种新技术在岩土工程领域得到应用，比如在公路修复、室内测试、环境保护等方面，都具有一定的研究成果，为工作者解决相关岩土问题提供了新的思路或者技术，提高了解决问题的效率。

2.1 微波测定土的含水率

土具有三相性，包括固体、液体和气体，其中，土中水的含量对土的物理力学性质具有很大影响，所以研究土的工程特性，测定含水量必不可少。目前常用测定土的含水量的方法有烘干法、酒精燃烧法、比重法、碳化钙气压法等。烘干法最为常用，但实验时间长且适应性差；而酒精燃烧法温度过高可能会使土样烧焦，且产生的产物水可能会被土重新吸收而使数据不够精确；比重法只适用于砂土，且碳化钙气压法所用仪器设备具有局限性等。而对于现场施工和土工室内试验来说，土体含水率的快速、精确测定对于提高工作效率、加快工程进度等具有重要意义(赵寿刚等，2005)。采用微波测定含水量，因其快速、便携、精度高的优点被关注。

在国外，微波测定土中含水量的试验研究在上世纪七十年代初就开始，并且技术发展比较成熟，已于1987年正式列入美国ASTMD4643-87试验标准(王军保，2009)。

在国内，微波测定土含水量的发展比较缓慢，但也有相关学者取得了满意的成果。因微波炉设备的成熟性、功率可调性等，学者们大多利用微波炉设备提供微波场，对土体进行加热，同时采用恒温烘干法，进行对比，来探究微波加热测定土含水量的可行准确性与规律性。李祯祥等(2000)用微波法和烘干法对某土石坝心墙填筑土料的含水量进行测定，并以烘干法为标准进行比较，利用465组数据，拟合微波法含水量和烘干法含水量的关系，两者呈较好线性。杨凯等(2011)等采用微波法对粉质黏土与砂土分别测定其含水量，并与标准烘干法测定含水量进行比较,也证实了微波法和烘干法数据之间存在相关关系，可通过大量的实验数据反映而建立经验公式，且微波法测定土体的含水量满足规范相对误差，具备准确性。

赵寿刚等(2005)近年在系统深入的试验基础上、结合工程实际，提出了使用微波炉测定土体含水率的具体方法，并得出采用微波炉法土体达恒重时所需时间以及土样用量的数据，也确定了微波炉法测定所试用的含水量范围；试验还对微波炉法测定的土体含水率与烘干法进行对比修正，使其测定的含水量结果与烘干法保持一致。试验与工程实践表明微波炉法测定土体含水率切实可行,具有推广利用价值。

李宏志(2001)在商丘至开封高速公路工程施工质量控制过程中，分别采用81%和100%的火力、不同烘干时间的微波炉加热法对路基、水泥石灰稳定土、石灰土进行加热，其测定的含水量结果与标准烘干法进行对比,每种试样取四组做平行试验，认为微波炉加热法测定的含水量与标准烘干法相近，且烘干时间更快，可应用于公路施工质量控制中。并认为微波炉加热法的测试精度与加热时间和火力有关，建议将加热 7 min、采用100%火力的微波炉加热法测定含水量的方法列入相关规范。

可见，对于微波加热法测定土体含水量，试验研究主要是基于以标准烘干法测定的含水量结果作为标准。将微波法测定的含水量数据与之建立相关关系，或建立经验公式，利用此关系将结果修正应用于工程实际中去，具有精度高、快速、操作便捷的优点。除此微波设备易于携带，随时可运用于现场。而对于微波加热测定土体含水量设备的专业性、以及对于含有不同矿物成分与结构土含水量的测定相应规律的归纳与规范的建立，还需要进一步去研发和探讨。

2.2 微波处理固体废弃物再利用

在岩土工程中，固体废弃物主要是建筑垃圾。随着城市化进程加快，我国建筑垃圾产量急剧增长，已占城市垃圾总量的30%～40%，但绝大部分建筑垃圾直接堆放或者填埋，既造成资源浪费又产生环境污染。然而，建筑垃圾中的许多废弃物经处理回收后，大多是可再生资源，再利用建筑垃圾符合节约资源、保护环境的可持续发展理念(陆凯安，1999)。微波加热的高温、可控制性、选择加热性使分离某些建筑垃圾成为可能。有报道，微波技术已被利用辅助建筑垃圾的回收再利用(孙萍等，2002)。

据报道，美国的CYCLEAN公司已实现利用微波技术完全地回收利用再生旧沥青路面料，其质量与新拌沥青路面料相同，成本降低1/3，该技术可节约垃圾清理费用，减少对城市的环境污染。利用微波技术回收建筑垃圾，解决了常规处理方法易造成的二次污染问题，如堆肥、焚烧、填埋等，且成本低、节约占地面积，达到资源再生化(陈芳艳等，2006)。

而在国内，对于采用微波技术处理建筑垃圾的报道鲜有，更多的研究是放在对于固体废弃物中污泥、淤泥的分离处理。近年来，采用微波技术处理污泥已成为研究热点，少量微波工艺已投入工业生产。国内外开展了许多相关研究，比如微波辅助干化污泥、微波热解污泥、碱性条件下微波热水解污泥、微波处理含油污泥、微波辅助连续从污泥中提取重金属等(Bridleetal.，2004)。有关微波热解污泥技术的研究还不成熟，仅在德国、美国和日本等发达国家有工业实例，在国内还处于研究阶段。

Bohlmannetal.(1999)较早研究污泥的微波辅助热解，实验采用微波加热作为湿污泥热解的能源，在8Mpa～20Mpa压力环境、温度为250℃～300℃的微波容器中来热解污泥，并成功将污泥转化为气体、水汽、油和固体残留物。

Menéndezetal.(2002,2005)在研究微波辅助热解污泥方面，取得较多成果，提出采用微波炉热解污泥的新方法。实验分别采用微波加热和传统电炉加热，对比污泥热解后的含碳残留物，发现在微波作用下，将污泥直接作用于微波作用，仅仅表现为脱水；而在污泥中添加少量合适的吸波物质后，温度能快速加至900℃以上，裂解生成炭基吸附物、生物油和合成气。实验还表明相比于传统裂解过程，微波裂解污泥过程将使吸附炭更加有效，吸附更多的有机物质和重金属，这为微波法热解污泥提供了新思路。

在国内，方琳等(2008)以哈尔滨某城市污水处理厂的脱水污泥为研究对象，分别添加SiC 及污泥本身的高温热解固体残留物到污泥中，以实现污泥在微波场中的快速升温及高温热解，采用相应化学分析设备分析其热解液态、气态和固态产物的基本特性，为促进污泥微波热解产物的资源化奠定基础，为其再生用作吸附剂和燃料提供依据。

微波技术回收建筑垃圾以及热解污泥、淤泥等，利用了微波场作用下，在垃圾、污泥等介质中添加良好的吸波物质和吸附剂，以实现介质的快速升温、高温，达到热解效果；微波作用后的温度梯度，有助于分解液态物质、气态物质和固体残留物，并回收有用资源，进行资源的再循环。

2.3 微波破碎岩石

目前，我国在矿物采矿和隧道开挖中所采用岩石破碎的主要方法是爆破破岩或机械破岩法(田玉新等，2010)。爆破破岩存在对原岩的扰动大，存在硐室支护困难，且施工工序多，影响施工效率；机械破岩遇硬岩无优势，一次性投资费用高，寻求新的高效经济的破岩技术也是相关技术人员关心的问题。一方面则是通过研究新的岩石破碎机理来提高破岩效率(谭耀麟，1979)。微波加热，具有升温快、加热均匀、选择性加热、过程易于控制等特点，已成为一种重要的辅助破岩手段。微波破岩的作业原理是微波作用下对岩体进行加热，进而改变其物理特性(李文成等，2010)。除此，微波加热技术对于加工矿石、处理和回收有价值的矿物等，亦值得探讨，特别是对于难选矿物，微波能处理法颇具前景(卢军，1989)。对于微波技术是近代刚兴起的新技术，对于微波破岩技术，最近几年国内外专家开始研究并取得了一定的成果(Viktorovetal.，1998；Nekoovaght，2009 )。

日本铁道研究所利用微波加热的方式，开展微波照射岩石测定岩石破裂的试验，采用不同的加热功率进行岩石的破碎，试验研究表明岩石在微波照射破碎试验中，微波照射岩石的功率越大，岩石所达到的破碎效果越好(张强，1996)

英国Kingmanetal.(2000；2004)、Kingman S W(2006)、Whittlesetal.(2003)通过微波照射铅锌矿石进行破碎试验，发现不同类型的岩石对微波的响应特性不同，并且各自存在达到最好破碎状态的最佳照射条件。研究表明，微波照射时间和照射强度对矿石强度影响极大。

Olubambietal.(2007)分析在微波照射下，对硫化矿的强度变化、处理和回收硫化矿进行研究，实验表明微波加热对于硫化矿的加热特性、破碎响应、硫酸盐酸的溶出都具积极影响。说明硫化矿作为一种电介质，对微波具有一定敏感性，能够被矿石本身吸收，并将能量转化为热能，实现微波对矿石进行加热，这对某些矿石的开采、处理和回收提供了新的思路。

美国Scottetal.(2008)对微波照射下影响矿石强度的原因进行研究，认为微波间断形式照射矿石，矿石强度变化会更明显，并且证实了矿物的性质也影响到矿石强度的变化。同时，实验还表明微波照射会改变碳酸盐岩矿的破裂形态以及矿物解离，这将有利于矿石中有价值的铜矿物的回收。

美国矿山局也对微波辅助破岩方式进行探讨，采用的试验方式是水力破岩和微波破岩相结合进行破岩(Lin Y Eetal.，1995)。试验表明在微波的热裂和水力切割共同促进破碎岩石，提高了破岩效率。但综合破岩法对环境温度和湿度有负面影响，还需改进。

国内对微波照射破碎岩石的研究还比较少。西安科技大学戴俊等(2014)对微波照射岩石下其强度的变化进行试验。通过改变微波照射强度和时间，测得不同情况下岩石强度,最后得出微波照射对岩石强度的影响规律：微波对岩石的照射时间越长、微波的强度越大,对岩石强度的影响也就明显；刘洪林等(2010)利用微波加热提出了一种微波开采地下页岩油的新技术，其中一方面也利用了微波加热油页岩使其裂缝增加，将有利于页岩油的排采。

2.4 微波其它方面的应用

采用微波加热修复高速公路、桥梁和道路等是微波加热的新应用，微波加热系统的微波发生器是装在具有平板的卡车上，此平板式卡车带有一组旋转叶片和一台为微波加热系统提供电能的柴油机，用该微波加热系统，能用最少的材料对道路进行快速而有效地修补，并且不必从工厂来回运输材料(马文珍，1986)。利用微波再生沥青修补技术，节能、高效且符合环保要求，能够修复公路沥青路面沟槽和坑洼，具有开阔的市场前景。

因微波对土壤具有较好的穿透能力、加热效率高，微波解冻土也成为了研究课题。郭永山等(1995)从理论上给出微波解冻深度的计算方法，并设计实验，采用915MHZ、20KW的微波源，利用喇叭天线对不同土质和不同含水量的土壤进行不同时间照射，数据分析结果证实了实际解冻深度与计算深度较好吻合，并且也说明了利用微波加热解冻土的可行性。而基于微波加热的碎冰机是一个新应用，该碎冰机具有便携性，能安全有效地应用于室外冻土的解冻，还能对其它冰冻物件(管道等)进行解冻(张天琦等，2008)，这对于解决特殊岩土工程问题冻土问题有一定的价值，具体应用还有待深入研究。

我国每年由于拓宽挖深河道、兴建港口等，都会产生大量的疏浚淤泥。疏浚淤泥的含水量一般很高且不易脱水，有研究者研究微波加热使疏浚土脱水，试验表明微波加热能有效将淤泥中的水分快速脱去，从而达到淤泥在短时间内的失水固结，只是因为疏浚淤泥的量极大，用此方法脱水不具有经济优势。

3 结论

微波加热技术因具有高效加热、环保、经济、选择性加热等优点，在岩土工程领域具有广泛的应用前景。除微波测定含水量、再生修复沥青修补技术较成熟外，微波快速脱水、有效破碎岩石、对于矿石微波加热后的产物回收、融解冻土、微波对混凝土的无损检测等还需多加研究。由于微波加热的快速、选择性加热、环保等优点，笔者认为，在软土地基的加热快速固结、减少有机土的有机物含量等方面，微波加热也可以作为一种辅助手段，将为工程提供新思路。对于微波加热软土固结，需要从理论和实践两方面去研究，该方法涉及变形、孔压、温度等多个变量，必须探讨固结、渗流与温度场的三场耦合机理，以及相关的数值模拟技术；在实践中需要确定微波发生器的合理布局、穿透深度(可借助波导方法以及采用低频提高穿透能力)、排水排气通道的布置等；除此，微波预热、加热作用软土含水量减小、孔隙率增加、土粘度降低的同时，再结合真空抽气或者堆载，能够大大提高固结效率。而对于热解有机土，首先应从实验室开始，提取有机土试样在微波场中加热，设置微波照射时间与功率为变量，探究有机土中不同有机物热解所需温度，以及相应较合适的微波照射时间和频率，再拓展到对于现场原位减少有机土有机物含量的研究等。如今，在国内只有少数研究者有意识将微波技术去辅助于岩土工程，且对于微波的研究的起步也比较晚，很多工作局限于实验室，而正在投入岩土行业的工程应用还比较少；另一方面，要着重对微波与岩土等材料的相互作用机理，岩土等材料的介电特性、微波工艺和专用微波发生器等研究，这都将推进微波在岩土领域的应用。至于微波加热的安全性方面，因其辐射影响范围小，人体置于辐射范围之外，就不会产生危害。随着微波基础理论知识完善、相关工作人员的研究和工程实践，微波加热技术必将在岩土工程领域具有开阔的市场前景。

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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；[责任编辑] 陈伟军。

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金重大项目(Y315009)、宁波市交通运输委员会科技计划项目(201302)联合资助。

胡 龙(1991年-)，男，在读硕士生，现进行岩土工程测试技术方面的研究。E-mail:631016810@qq.com。

P633;P642

A

0495-5331(2016)03-0570-06