微波加热在岩土工程中的应用

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。

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)。

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