微波加熱在巖土工程中的應(yīng)用

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(jī)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(cè)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(jī)土有機(jī)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(dòng)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(zhǎng)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(guò)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(diǎn)，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(diǎn)，在處理巖土工程一些工程問(wèn)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(dòng)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(guò)程中，依據(jù)介質(zhì)的不同，微波會(huì)被介質(zhì)反射、穿透或者吸收，比如微波能穿透硫磺，會(huì)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(shí)，介質(zhì)會(huì)被加熱。在目前為止，對(duì)于微波加熱機(jī)理，主要有偶極極化、離子導(dǎo)電和界面極化這三種機(jī)制(Mingosetal.，1997)：第一種機(jī)制是在高頻振蕩的微波場(chǎng)作用下，被加熱物體內(nèi)的極性分子原本沿電場(chǎng)方向定向排列，電磁場(chǎng)變化速率很快導(dǎo)致這些分子高速擺動(dòng)而發(fā)生分子間相互碰撞，使這些分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能急劇變大，宏觀上即表現(xiàn)為溫度升高；第二種機(jī)制是振蕩電磁場(chǎng)使導(dǎo)體內(nèi)電子或離子移動(dòng)而產(chǎn)生電流，電流通過(guò)內(nèi)電阻而產(chǎn)熱；第三種機(jī)制是界面極化，可以看成是以上兩種機(jī)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(shí)，便成為一種微波吸收材料。在微波場(chǎng)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(duì)這些極性分子產(chǎn)生阻礙，由于振蕩場(chǎng)作用，這些阻礙力導(dǎo)致離子運(yùn)動(dòng)存在相位滯后，使離子雜亂運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生熱量。

從以上微波的加熱機(jī)理可知，微波加熱具有其優(yōu)點(diǎn)，而傳統(tǒng)加熱方式主要是傳導(dǎo)、對(duì)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(diǎn)。而微波加熱技術(shù)是通過(guò)激發(fā)高頻電磁波，瞬間穿透整個(gè)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(shí)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(diǎn)(林群慧，2012)：

(1)瞬時(shí)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(duì)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(shí)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(jìn)行加熱；一般來(lái)說(shuō)，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(kāi)即停，功率可連續(xù)調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

2 微波加熱應(yīng)用于巖土工程

巖土工程是一門(mén)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(jìn)巖土工程技術(shù)與材料等方面的進(jìn)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(diǎn)(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(cè)試、環(huán)境保護(hù)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(wèn)題提供了新的思路或者技術(shù)，提高了解決問(wèn)題的效率。

2.1 微波測(cè)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(duì)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(cè)定含水量必不可少。目前常用測(cè)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(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)且適應(yīng)性差；而酒精燃燒法溫度過(guò)高可能會(huì)使土樣燒焦，且產(chǎn)生的產(chǎn)物水可能會(huì)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(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工和土工室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，土體含水率的快速、精確測(cè)定對(duì)于提高工作效率、加快工程進(jìn)度等具有重要意義(趙壽剛等，2005)。采用微波測(cè)定含水量，因其快速、便攜、精度高的優(yōu)點(diǎn)被關(guān)注。

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

在國(guó)內(nèi)，微波測(cè)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(mǎn)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(chǎng)，對(duì)土體進(jìn)行加熱，同時(shí)采用恒溫烘干法，進(jìn)行對(duì)比，來(lái)探究微波加熱測(cè)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(duì)某土石壩心墻填筑土料的含水量進(jìn)行測(cè)定，并以烘干法為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(duì)粉質(zhì)黏土與砂土分別測(cè)定其含水量，并與標(biāo)準(zhǔn)烘干法測(cè)定含水量進(jìn)行比較,也證實(shí)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(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反映而建立經(jīng)驗(yàn)公式，且微波法測(cè)定土體的含水量滿(mǎn)足規(guī)范相對(duì)誤差，具備準(zhǔn)確性。

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

李宏志(2001)在商丘至開(kāi)封高速公路工程施工質(zhì)量控制過(guò)程中，分別采用81%和100%的火力、不同烘干時(shí)間的微波爐加熱法對(duì)路基、水泥石灰穩(wěn)定土、石灰土進(jìn)行加熱，其測(cè)定的含水量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)烘干法進(jìn)行對(duì)比,每種試樣取四組做平行試驗(yàn)，認(rèn)為微波爐加熱法測(cè)定的含水量與標(biāo)準(zhǔn)烘干法相近，且烘干時(shí)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(cè)試精度與加熱時(shí)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(cè)定含水量的方法列入相關(guān)規(guī)范。

可見(jiàn)，對(duì)于微波加熱法測(cè)定土體含水量，試驗(yàn)研究主要是基于以標(biāo)準(zhǔn)烘干法測(cè)定的含水量結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)。將微波法測(cè)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(yàn)公式，利用此關(guān)系將結(jié)果修正應(yīng)用于工程實(shí)際中去，具有精度高、快速、操作便捷的優(yōu)點(diǎn)。除此微波設(shè)備易于攜帶，隨時(shí)可運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)。而對(duì)于微波加熱測(cè)定土體含水量設(shè)備的專(zhuān)業(yè)性、以及對(duì)于含有不同礦物成分與結(jié)構(gòu)土含水量的測(cè)定相應(yīng)規(guī)律的歸納與規(guī)范的建立，還需要進(jìn)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(jìn)程加快，我國(guó)建筑垃圾產(chǎn)量急劇增長(zhǎng)，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(fèi)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(hù)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(bào)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(bào)道，美國(guó)的CYCLEAN公司已實(shí)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(fèi)用，減少對(duì)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(wèn)題，如堆肥、焚燒、填埋等，且成本低、節(jié)約占地面積，達(dá)到資源再生化(陳芳艷等，2006)。

而在國(guó)內(nèi)，對(duì)于采用微波技術(shù)處理建筑垃圾的報(bào)道鮮有，更多的研究是放在對(duì)于固體廢棄物中污泥、淤泥的分離處理。近年來(lái)，采用微波技術(shù)處理污泥已成為研究熱點(diǎn)，少量微波工藝已投入工業(yè)生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)外開(kāi)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(guó)、美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家有工業(yè)實(shí)例，在國(guó)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(shí)驗(yàn)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(lái)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(shí)驗(yàn)分別采用微波加熱和傳統(tǒng)電爐加熱，對(duì)比污泥熱解后的含碳?xì)埩粑铮l(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(shí)驗(yàn)還表明相比于傳統(tǒng)裂解過(guò)程，微波裂解污泥過(guò)程將使吸附炭更加有效，吸附更多的有機(jī)物質(zhì)和重金屬，這為微波法熱解污泥提供了新思路。

在國(guó)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(duì)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(shí)現(xiàn)污泥在微波場(chǎng)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(jìn)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)介質(zhì)的快速升溫、高溫，達(dá)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(jìn)行資源的再循環(huán)。

2.3 微波破碎巖石

目前，我國(guó)在礦物采礦和隧道開(kāi)挖中所采用巖石破碎的主要方法是爆破破巖或機(jī)械破巖法(田玉新等，2010)。爆破破巖存在對(duì)原巖的擾動(dòng)大，存在硐室支護(hù)困難，且施工工序多，影響施工效率；機(jī)械破巖遇硬巖無(wú)優(yōu)勢(shì)，一次性投資費(fèi)用高，尋求新的高效經(jīng)濟(jì)的破巖技術(shù)也是相關(guān)技術(shù)人員關(guān)心的問(wèn)題。一方面則是通過(guò)研究新的巖石破碎機(jī)理來(lái)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(guò)程易于控制等特點(diǎn)，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(duì)巖體進(jìn)行加熱，進(jìn)而改變其物理特性(李文成等，2010)。除此，微波加熱技術(shù)對(duì)于加工礦石、處理和回收有價(jià)值的礦物等，亦值得探討，特別是對(duì)于難選礦物，微波能處理法頗具前景(盧軍，1989)。對(duì)于微波技術(shù)是近代剛興起的新技術(shù)，對(duì)于微波破巖技術(shù)，最近幾年國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家開(kāi)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(kāi)展微波照射巖石測(cè)定巖石破裂的試驗(yàn)，采用不同的加熱功率進(jìn)行巖石的破碎，試驗(yàn)研究表明巖石在微波照射破碎試驗(yàn)中，微波照射巖石的功率越大，巖石所達(dá)到的破碎效果越好(張強(qiáng)，1996)

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

Olubambietal.(2007)分析在微波照射下，對(duì)硫化礦的強(qiáng)度變化、處理和回收硫化礦進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)表明微波加熱對(duì)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(shuō)明硫化礦作為一種電介質(zhì)，對(duì)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(shí)現(xiàn)微波對(duì)礦石進(jìn)行加熱，這對(duì)某些礦石的開(kāi)采、處理和回收提供了新的思路。

美國(guó)Scottetal.(2008)對(duì)微波照射下影響礦石強(qiáng)度的原因進(jìn)行研究，認(rèn)為微波間斷形式照射礦石，礦石強(qiáng)度變化會(huì)更明顯，并且證實(shí)了礦物的性質(zhì)也影響到礦石強(qiáng)度的變化。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還表明微波照射會(huì)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(jià)值的銅礦物的回收。

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

國(guó)內(nèi)對(duì)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(duì)微波照射巖石下其強(qiáng)度的變化進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)改變微波照射強(qiáng)度和時(shí)間，測(cè)得不同情況下巖石強(qiáng)度,最后得出微波照射對(duì)巖石強(qiáng)度的影響規(guī)律：微波對(duì)巖石的照射時(shí)間越長(zhǎng)、微波的強(qiáng)度越大,對(duì)巖石強(qiáng)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(kāi)采地下頁(yè)巖油的新技術(shù)，其中一方面也利用了微波加熱油頁(yè)巖使其裂縫增加，將有利于頁(yè)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(chē)上，此平板式卡車(chē)帶有一組旋轉(zhuǎn)葉片和一臺(tái)為微波加熱系統(tǒng)提供電能的柴油機(jī)，用該微波加熱系統(tǒng)，能用最少的材料對(duì)道路進(jìn)行快速而有效地修補(bǔ)，并且不必從工廠來(lái)回運(yùn)輸材料(馬文珍，1986)。利用微波再生瀝青修補(bǔ)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(kāi)闊的市場(chǎng)前景。

因微波對(duì)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(jì)算方法，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，采用915MHZ、20KW的微波源，利用喇叭天線對(duì)不同土質(zhì)和不同含水量的土壤進(jìn)行不同時(shí)間照射，數(shù)據(jù)分析結(jié)果證實(shí)了實(shí)際解凍深度與計(jì)算深度較好吻合，并且也說(shuō)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(jī)是一個(gè)新應(yīng)用，該碎冰機(jī)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(duì)其它冰凍物件(管道等)進(jìn)行解凍(張?zhí)扃龋?008)，這對(duì)于解決特殊巖土工程問(wèn)題凍土問(wèn)題有一定的價(jià)值，具體應(yīng)用還有待深入研究。

我國(guó)每年由于拓寬挖深河道、興建港口等，都會(huì)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(yàn)表明微波加熱能有效將淤泥中的水分快速脫去，從而達(dá)到淤泥在短時(shí)間內(nèi)的失水固結(jié)，只是因?yàn)槭杩Ｓ倌嗟牧繕O大，用此方法脫水不具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

微波加熱技術(shù)因具有高效加熱、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、選擇性加熱等優(yōu)點(diǎn)，在巖土工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。除微波測(cè)定含水量、再生修復(fù)瀝青修補(bǔ)技術(shù)較成熟外，微波快速脫水、有效破碎巖石、對(duì)于礦石微波加熱后的產(chǎn)物回收、融解凍土、微波對(duì)混凝土的無(wú)損檢測(cè)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(diǎn)，筆者認(rèn)為，在軟土地基的加熱快速固結(jié)、減少有機(jī)土的有機(jī)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(duì)于微波加熱軟土固結(jié)，需要從理論和實(shí)踐兩方面去研究，該方法涉及變形、孔壓、溫度等多個(gè)變量，必須探討固結(jié)、滲流與溫度場(chǎng)的三場(chǎng)耦合機(jī)理，以及相關(guān)的數(shù)值模擬技術(shù)；在實(shí)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(shí)，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(duì)于熱解有機(jī)土，首先應(yīng)從實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始，提取有機(jī)土試樣在微波場(chǎng)中加熱，設(shè)置微波照射時(shí)間與功率為變量，探究有機(jī)土中不同有機(jī)物熱解所需溫度，以及相應(yīng)較合適的微波照射時(shí)間和頻率，再拓展到對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)原位減少有機(jī)土有機(jī)物含量的研究等。如今，在國(guó)內(nèi)只有少數(shù)研究者有意識(shí)將微波技術(shù)去輔助于巖土工程，且對(duì)于微波的研究的起步也比較晚，很多工作局限于實(shí)驗(yàn)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(duì)微波與巖土等材料的相互作用機(jī)理，巖土等材料的介電特性、微波工藝和專(zhuān)用微波發(fā)生器等研究，這都將推進(jìn)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(huì)產(chǎn)生危害。隨著微波基礎(chǔ)理論知識(shí)完善、相關(guān)工作人員的研究和工程實(shí)踐，微波加熱技術(shù)必將在巖土工程領(lǐng)域具有開(kāi)闊的市場(chǎng)前景。

Bohlmann J T，Lorth C M，Drews A,Buchholz，R.1999.Microwave High-Pressure Thermochemical Conversion of Sewage Sludge as an Alternative to Incineration[J].Chemical engineering & technology，22(5)：404-409Bridle T R，Pritchard D.2004.Energy and nutrient recovery from sewage sludge via pyrolysis[J].Water Science & Technology，50(9)：169-175Chen Fang-yan，F(xiàn)u Xue-hong，Tang Yu-bin.2006.The Application of Microwave Technology in the Solid Waste Treatment[J].Industrial Safety and Environmental Protection:7 (in Chinese with English abstract)Dai Jun，Meng Zhen，Wu Bing-quan.2014.Study on impact of rock strength by microwave irradiation[J].Nonferrous Metals(Mineral Processing Section)，(3)：54-57 (in Chinese with English abstract)Drouzas A E，Tsami E，Saravacos G D.1999.Microwave/vacuum drying of model fruit gels[J].Journal of Food Engineering，39(2)：117-122

Fang Lin，Tian Yu.2008.Characteristic study of the solid,liquid and gas produced by microwave pyrolysis of sewage sludge[J].Journal of Safety and Environment，(5)：47-47 (in Chinese with English abstract)

Gabriel C，Gabriel S，Grant E H,Halstead，B.S.1998.Dielectric parameters relevant to microwave dielectric heating[J].Chemical Society Reviews，27(3)：213-224

Gong Xiao-nan.2000.Prospects for the development of geotechnical engineering in the 21th century[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，22(2):238-242 (in Chinese with English abstract)

Guo Yong-shan，Zhou Cheng-zhu.1995.Research on theory and test on defrosting soil using microwave power[J].Journal of Dalian University of Technology，35(1)：104-107 (in Chinese with English abstract)

Kingman S W，Jackson K，Cumbane A,Bradshaw，S.M.，Rowson，N.A.，& Greenwood，R.2004.Recent developments in microwave-assisted comminution[J].International Journal of Mineral Processing，74(1)：71-83

Kingman S W，Vorster W，Rowson N A.2000.The influence of mineralogy on microwave assisted grinding[J].Minerals Engineering，13(3)：313-327

Kingman S W.2006.Ecent developments in microwave processing of minerals[J].International materials reviews，51(1)：1-12

Li Hong-zhi.2001.Fast determination method of microwave heating with water content[J].Journal of Foreign Highway，21(6)：62-64 (in Chinese with English abstract)

Li Wen-cheng，Du Xue-peng.2010.Application of microwave-assisted rock breaking in metal mines[J].Copper Engineering，(4)：1-4 (in Chinese with English abstract)

Li Zhen-xiang，Zhao Shou-gang.2000.parison test of soil moisture content by microwave oven[J].Technique of Seepage Control，6(3): 5-10 (in Chinese with English abstract)

Lin Qun-hui.2012.Mechanism and experimental study on sewage sludge pyrolysis using microwave heating[D].Tianjin：Tianjin University：17-18 (in Chinese with English abstract)

Lin Y E，Anantheswaran R C，Puri V M.1995 .Finite element analysis of microwave heating of solid foods[J].Journal of food engineering，25(1)：85-112

Liu Honglin，Liu De-xun，F(xiàn)ang Chao-he，Xue Hua-qing,Wang Hong-yan.2010.Microwave heating technology of in-situ oil shale developing[J].Acta Petrolei Sinica，31(4)：623-625 (in Chinese with English abstract)

Lu Jun.1989.New technologies for the treatment of refractory gold ores[J].Geology And Exploration，05：66(in Chinese)

Lu Kai-an.1999.tatus quo and comprehensive utilization of refuse produced from construction and Removal of buildings in China[J].Construction Technology，28(5)：44-45 (in Chinese with English abstract)

Ma Wen-zheng.1986.Microwave heating and its application[J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，1：009 (in Chinese with English abstract)

Menéndez J A，Dominguez A，Inguanzo M， Pis J J.2005.Microwave-induced drying，pyrolysis and gasification (MWDPG) of sewage sludge：Vitrification of the solid residue[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，74(1)：406-412

Menéndez J A，Inguanzo M，Pis J J.2002.Microwave-induced pyrolysis of sewage sludge[J].Water research，36(13)：3261-3264

Metaxas A C，Meredith R J.1983.Industrial microwave heating(1st edition)[M].London，UK：Peter Peregrinus Ltd：38-47

Mingos D M P，Baghurst D R.1991.Applications of Microwave Dielectric Heating Effects to Synthetic Problems in chemis2 try[J].Chemical Society Reviews，20(1):1-47

Nekoovaght Motlagh P.2009.An investigation on the influence of microwave energy on basic mechanical properties of hard rocks[D].Quebec，Canada:Concordia University:7-13Olubambi P A，Potgieter J H，Hwang J Y，Ndlovu，S..2007.Influence of microwave heating on the processing and dissolution behaviour of low-grade complex sulphide ores[J].Hydrometallurgy，89(1)：127-135

Pozar D M.1998.Microwave Engineering(2nd edition) [M].New Jersey，US：John Wiley & Sons，Inc:1-5

Qu Shi-ming，Zhang Ming.1999.Microwave hybrid heating technology[J].PHYSICS，28(2)：57-59(in Chinese with English abstract)

Ren G，Chen F.1998.Drying of American ginseng (Panax quinquefolium roots by microwave-hot air combination[J].Journal of Food Engineering，35(4)：433-443

Scott G，Bradshaw S M，Eksteen J J.2008.The effect of microwave pretreatment on the liberation of a copper carbonatite ore after milling[J].International Journal of Mineral Processing，85(4)：121-128

Sun Ping，Xiao Bo,Yang Jia-kuan，Wang Xiu-ping.2002.Application of microwave technology in environmental Protection[J].Environmental Protection of Chemical Industry，22(2)：71-75 (in Chinese with English abstract)

Tan Yao-lin.1979.The development trends of core drilling technology abroad(Part 1) [J].Geology and Exploration，(3):96-98 (in Chinese)

Tian Yu-xin，Liu Xing.2010.Mechanism of rock breaking[J].Guide of Sci-tech Magazine，(3)：21-22 (in Chinese with English abstract)

Viktorov S D，Kuznetsov A P.1998.Explosive breaking of rock：A retrospective and a possible alternative[J].Journal of Mining Science，34(1)：43-49

Wang Jun-bao.2009.Study on the method of rapid determination of soil water content by microwave oven method [D].Guiyang：Guizhou university：3-4 (in Chinese with English abstract)

Whittles D N，Kingman S W，Reddish D J.2003.Application of numerical modelling for prediction of the influence of power density on microwave-assisted breakage[J].International Journal of Mineral Processing，68(1)：71-91

Xia Zu-xue，Liu Chang-jun，Yan Li-ping，Yang Xiao-qing.2004.Progress in microwave chemistry research and applications[J].Chemical Research and Application，16(4)：441-444.(in Chinese with English abstract)

Yang Kai，Xin Zhi-yu，Ma Chi，Xiong Yi，Yang Yi-jun.2011.Determination of water content in soil by microwave oven testing technique[J].Engineering and Construction，25(6)：794-797 (in Chinese with English abstract)

Zhang Bao-liang，Zhang Feng.2007.A survey on microwave technology and its applications[J].China Science And Technology Information，(20)：272-273 (in Chinese with English abstract)Zhang Qiang.1996 .Development trend of rock breaking technology[J].Nonferrous Mines，(6)：20-22 (in Chinese with English abstract)Zhang Tian-qi，Cui Xian-kui，Zhang Zhao-tang.2008.Principle，characteristics and technical superiority of microwave heating[J].Road Machinery & Construction Mechanization，25(7)：9-14 (in Chinese with English abstract)

Zhao Shou-gang，Li Xiao-ping，Meng Xian-ying.2005.Testing of soil moisture content by microwave oven method[J].Qinghai Science and Technology，12(3)：40-42 (in Chinese with English abstract)

[附中文參考文獻(xiàn)]

陳芳艷，付薛紅，唐玉斌.2006.微波技術(shù)在固體廢棄物處理中的應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保:7

戴 俊，孟 振，吳丙權(quán).2014.微波照射對(duì)巖石強(qiáng)度的影響研究[J].有色金屬:選礦部分，(3)：54-57

方 琳，田 禹.2008.微波高溫?zé)峤馕鬯勰喔鲬B(tài)產(chǎn)物特性分析[J].水處理信息報(bào)導(dǎo)，(5)：47-47

龔曉南.2000.21世紀(jì)巖土工程發(fā)展展望[J].巖土工程學(xué)報(bào)，22(2)：238-242

郭永山，周成柱.1995.微波解凍土理論和實(shí)驗(yàn)的研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，35(1)：104-107

李宏志.2001.含水量的微波加熱快速測(cè)定方法研究[J].中外公路，21(6)：62-64

李文成，杜雪鵬.2010.微波輔助破巖新技術(shù)在非煤礦的應(yīng)用[J].銅業(yè)工程,(4):1-4

李禎祥，趙壽剛.2000.用微波爐測(cè)定土含水量的比較試驗(yàn)[J].防滲技術(shù)，6(3)：5-10

林群慧.2012.微波輔助熱解污泥機(jī)理與試驗(yàn)研究[D].天津:天津大學(xué):17-18

劉洪林，劉德勛，方朝合，薛華慶，王紅巖.2010.利用微波加熱開(kāi)采地下油頁(yè)巖的技術(shù)[J].石油學(xué)報(bào)，31(4)，623-625

盧 軍.1989.難選金礦石處理新技術(shù)[J].地質(zhì)與勘探,05:66

陸凱安.1999.我國(guó)建筑垃圾的現(xiàn)狀與綜合利用[J].施工技術(shù)，28(5)：44-45

馬文珍.1986.微波加熱及其應(yīng)用[J].電工電能新技術(shù)，1：009

曲世鳴，張 明.1999.微波混合加熱技術(shù)及應(yīng)用前景[J].物理，28(2)：57-59

孫 萍，肖 波，楊家寬，王秀萍.2002.微波技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].化工環(huán)保，22(2)：71-75

談耀麟.1979.國(guó)外巖心鉆探工藝發(fā)展動(dòng)向(上) [J].地質(zhì)與勘探，(3)：96-98

田玉新，劉 星.2010.巖石爆破破巖機(jī)理[J].科技致富向?qū)В?3)：21-22

王軍保.2009.微波爐法快速測(cè)定土的含水量的方法研究[D].貴陽(yáng):貴州大學(xué):3-4

夏祖學(xué)，劉長(zhǎng)軍，閆麗萍，楊曉慶.2004.微波化學(xué)的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化學(xué)研究與應(yīng)用，16(4)：441-444

楊 凱，辛志宇，馬 馳，熊 懿，楊溢軍.2011.微波爐測(cè)試技術(shù)測(cè)定土的含水量[J].工程與建設(shè)，25(6)：794-797

張 強(qiáng).1996.巖石破碎技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].有色礦山，(6)：20-22

張?zhí)扃瞢I(xiàn)奎，張兆鏜.2008.微波加熱原理、特性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，25(7)：9-14

趙寶亮，趙 峰.2007.微波技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用綜述[J].中國(guó)科技信息，(20)：272-273

趙壽剛，楊小平，孟獻(xiàn)穎.2005.微波爐法測(cè)定土體含水率試驗(yàn)[J].青?？萍迹?2(3)：40-42

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(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金重大項(xiàng)目(Y315009)、寧波市交通運(yùn)輸委員會(huì)科技計(jì)劃項(xiàng)目(201302)聯(lián)合資助。

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

P633;P642

A

0495-5331(2016)03-0570-06