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微波加熱在巖土工程中的應用.pdf

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第 52卷 第 3期 2016年 5月 地 質 與 勘 探 GE0L0GY AND EXPL0RAT10N Vo1.52 NO.3 M ay.2016 微 波加 熱 在 巖 土 工 程 中的應 用 胡 龍 ,陳海軍 ,王斯海 (1.南京水利科 學研 究院,江蘇南京 210029;2.河海大學土木與交通學院 ,江 蘇南京 210029) [摘 要]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 電和界 面極化 三種機 制 。 綜述 了微 波加 熱技 術在 巖 土 工程 領 域 的相 關應 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 了該技術在融解 凍土 、淤泥土脫 水、公路再生 瀝青修復技術方面的成果 ,并且提 出微 波加 熱技 術可應用于減少有機 土有機 物含 量、加熱快速 固結軟土 ,以及微 波加熱研 究的具體 方向 ,期望能推 動微 波加 熱技 術在 巖 土 工程 領 域 的推 廣 。 [關鍵詞] 微 波加 熱 巖 土 高效 應 用 [中圖分類號 ]P633;P642 [文獻標識碼 ]A [文章編號 ]0495— 5331(2016)03— 0570— 06 Hu Long,Chen Hai-jun。W ang Si-hai.Application of microwave heating in geotechnical engineer- ing[J].Geology and Exploration,2016,52(3):0570— 0575. 0 前 言 微波是指頻率范圍在 300MHz一300GHz內的電 磁波 (Pozar,1998),其 波 長 在 1mm ~1m 間 ,具 有 波 粒二 象性 。微 波技 術起 源于 20世 紀初 ,最 初應 用 于 通訊 領域 ,二 戰后迅 速發 展 ,逐 漸從 軍用 需求 向生產 領域 過 渡 (趙 寶 亮 等 ,2007)。微 波 加 熱 ,相 比于 傳 統加 熱 ,具有 物體 內加 熱 效率 高 ,加熱 均 勻 等 優 點 , 其應 用極 其 廣 泛 (曲世 鳴 等 ,1999),主 要 應 用 于 工 業 、醫學 、科 學 、食 品業 等 。而 在 巖土 工 程 領域 的應 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 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 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 等 ,廣 泛應 用于 農業 、工 業 、醫 學 等 民 用 領 域 (Ren et a1.,1998;Drouzas et a1.,1999)。在 傳 輸介 質過 程 中 ,依 據介 質 的 不 同 , 微波 會被 介質 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 (Metaxas et a1.,1983;Gabriel et a1.,1998), 包括 介 電常數 、介 質損 耗 系 數 、組 成性 質 、含水 量 和 比熱等。當微波被介質吸收時 ,介質會被加熱。在 目前 為止 ,對 于微 波加 熱 機 理 ,主 要有 偶 極 極 化 、離 子導 電 和 界 面 極 化 這 三 種 機 制 (Mingos et a1., 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 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 致 這些 分 子 高 速 擺動 而 發 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 現為 溫度 升高 ;第二種 機 制是振 蕩 電磁場 使導 體 內 電子 或 離子 移 動 而 產 生 電流 ,電 流通 過 內 電阻而產 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 。當被加 熱 系統是 絕緣 體 內包含 導體 材 料 時 ,便 成 為一 種 微 波 吸 收材 料。在微波場作用下,導體材料發生偶極極化作用 , 而 絕緣 體相 當于極 性 溶 劑 ,對 這 些極 性 分 子 產 生 阻 礙 ,由于振蕩 場作用 ,這 些阻礙 力 導致離 子運 動存在 相 位滯 后 ,使 離子 雜亂運 動而 產生 熱量 。 從 以上 微 波 的加 熱 機理 可知 ,微 波 加熱 具 有其 優 點 ,而傳統 加熱 方 式 主要 是 傳 導 、對 流 和 輻射 ,熱 源 一般 都是從 物體 表 面 加 熱 至物 體 內部 ,具 有 加熱 不 均勻 的特 點 。而微波 加熱 技術 是通過 激 發高頻 電 [收稿 日期 ]2015— 12— 29_[修訂 日期 ]2016— 04— 06;[責任編輯 ]陳偉軍 。 [基金項 目]中央級公益性科研院所基本科研業務 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 合 資 助 。 [第一作者]胡 龍 (1991年 一),男 ,在讀碩士生 ,現進行巖 土工程測試技術方面的研究 。E-mail:[email protected].corn。 570
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加熱 微波 工程 應用
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