在沥青路面养护中应用微波加热的安全性

张天琦，焦生杰

（1.江苏威拓公路养护设备有限公司，江苏 宿迁 223600；2.长安大学 公路养护装备国家工程实验室，陕西 西安 710064）

0 引 言

近几年关于微波加热技术在沥青路面养护中的应用的研究日益增加，其中98%以上的研究结果表明该技术具有以下显著优势［1－4］：选择性、无惰性加热，对沥青损伤小；穿透性加热，温度均匀、梯度小，加热效率高，达到施工温度的加热时间短；填补料就地加热，即用即取，不依赖搅拌站；旧料利用率高，可节约不可再生的沥青和矿料资源，节能、环保，施工成本低；只要路面无流淌水就可施工，施工条件受气候条件影响小。

由于一些学者对微波加热的认知不同，他们对这一技术提出质疑，担心存在安全性问题。涉及安全从无小事，尤其电磁辐射对环境和人的影响是隐形的。笔者以亲历的试验研究和对该技术的认知为基础，对微波养护设备施工中可能遇到的安全性问题，使用理论分析和试验验证相结合的方法加以论证，力求用标准法规解读，以期共同解惑，使该技术和设备能得到正确的运用和推广。

1 微波泄露辐射对人体的影响

1.1 相关法规和标准

人类生活的空间密布着各种电磁波，任何电磁波辐射对环境（包括人体）都会产生一些影响，但是只有在达到一定的强度和接受剂量的情况下才会产生不良影响。目前关于微波泄露限值的国家标准有以下几个。

（1）《电热装置的安全 第6部分 工业微波加热设备的安全规范》（GB 5959.6—2008），等同于IEC 60519-6：2002，其中规定：处于“正常状态下”的微波加热设备，在距其0.05m内微波泄露的功率密度应不大于50W·m－2，处于“非正常状态下”的设备，则不应超过100W·m－2。

（2）《家用和类似用途电器的安全微波炉，包括组合型微波炉的特殊要求》（GB 4706.21—2008），等同于IEC 60335-2-25：2006，适用于家用微波炉。目前，用于沥青路面养护的微波源基本上采用家用微波炉的连续波磁控管，将其工业化改造后按照需要阵列起来，所以该标准有参考价值。其对微波泄露的限值为：在微波炉外表50mm或以上任何一处微波泄露的功率密度应不超过50W·m－2，与GB 5959.6—2008的要求一致。

（3）《作业场所微波辐射卫生标准》（GB 10436—1989）针对的是接触微波设备的各类作业，虽然已于2017年3月废止，但其中涉及到人体接受微波的累积作用（即剂量）更为直观，值得借鉴。对连续微波源，该标准规定作业人员操作位容许微波辐射的平均功率密度应符合：每天8h暴露的平均功率密度为50μW·cm－2，小于或大于8h暴露的平均功率密度应按下式计算（即日剂量不超过400 μW·h·cm－2）。

式中：Pd为容许辐射平均功率密度（μW·cm－2）；t为受辐射时间（h）。

1.2 微波养护设备屏蔽措施及自动检测

微波养护设备微波泄露的主要位置是内部阵列磁控管的路面加热器四周，如图1所示。在微波养护设备上，有多重措施抑制微波泄露。

1.2.1 路面加热器离地保护装置

图1 微波养护设备

将路面加热器放置在路面后，若路面不平，4个支脚就会有一个翘起，屏蔽装置若与地面接触不充分，磁控管供电电源就无法启动，同时给出警示，需要检查屏蔽装置与地面的接触情况，必要时调整加热器位置或用金属丝网辅助屏蔽。在加热过程中因路面软化造成某一支脚离地时，会立即自动断掉磁控管电源，停止加热。只要加热器离开地面，就会自动断电停止加热或无法启动加热。

同时，在控制程序上保证：若没有断开磁控管电源，加热器在任何方向的移动动作都无法执行。

1.2.2 微波泄露屏蔽装置

如图2所示，抑制微波泄露有3层屏蔽、1道自动检测装置。

（1）扼流槽弹片：安装在路面加热器有效加热面积外的四周，作为第1层防护，可以使向外泄漏的微波能量产生严重的失配，并使大部分微波束返回加热装置内，只有极少部分微波能向外耗散［5］。

图2 路面加热器微波屏蔽及检测

（2）双层屏蔽链网：安装扼流槽弹片外侧，作为第2层防护。用不锈钢环编织成网帘状，垂悬在路面加热器四周，特殊的专利结构设计可以很好地适应路面各种凸凹不平的复杂状况。当圆形孔或矩形孔的宽边长缩短（即孔的面积减小）到一定值时，金属网孔会对微波产生吸收损耗、反射损耗和多次反射损耗，屏蔽微波外泄。

（3）反射板：安装在路面加热器外侧的四周，是针对穿过路面不同介质表面的反射微波束设置的。反射进入金属屏蔽壳体内的微波束在其中传播时，由于衰减而产生吸收损耗。

（4）线形检测天线：4条线形检测天线分别安装在四周反射板边缘的内侧，专利电路设计和程序可以保证沿路面加热器和路面接触的四周在任何点处微波泄露量接近限值时会报警提示，超过限值时自动切断磁控管电源。

1.3 权威机构检测

广东省环境辐射研究监测中心按照《辐射环境保护管理导则-电磁辐射监测仪器和方法》（HJ／T 10.2—1996）对样机进行了全面检测。检测点在水平方向离加热墙分别为0.2、0.5、1.0、3.0、5.0m，离地面高度分别为0.5、1.5m，测得功率密度最大值为26.12μW·cm－2，最小值为0.06μW·cm－2；在桥下离桥底0.5m处的5个不同位置上测得最大值为6.15μW·cm－2；操作位最大值为1.6μW·cm－2；在距反射板边缘50mm处的功率密度最大值为37.6μW·cm－2，只有 GB 5959.6—2008和 GB 4706.21—2008规定限值的0.75%。

当时的屏蔽措施还没有前文所述的反射板和线形检测天线，后期增加反射板后，相应点处的泄露微波功率密度可减小50%。

1.4 操作人员接受微波剂量计算

养护作业以每天10h计算，每个作业循环从加热、翻匀、平整到压实，累计时间平均约30min，其中加热的时间平均为15min，则每天启动加热20次，有微波辐射的时间为5h。操作面板处的人员距加热器最近，假设人员在整个加热过程始终处于该位置，此处的微波功率密度的最大值为1.6 μW·cm－2，最小值为1.0μW·cm－2，按最大值计算，其每天可能接受的辐射剂量为8.0μW·h·cm－2，是GB 10436—1989中限值400μW·h·cm－2的2%。

实际作业中，加热前只需要设定加热时间，启动加热后若无异常，操作人员就可以离开操作位（处于交通安全考虑），加热完成后设备会自动停止加热，每次启动后滞留最多1min，操作人员实际受辐射的时间每天只有20min，剂量为0.138W·h·cm－2，是标准限值的0.12%，所以不用担心微波剂量超标的安全问题。

2 对沥青混合料的损伤

有文献提出：利用微波加热沥青混合料，因沥青和骨料的温升速率不同，所以存在着“5%沥青煮热95%骨料的现象”，不但使沥青快速老化，还会延长加热时间；巨大的微波电磁振荡会导致沥青分子长链断裂，分子量发生变化，最终会使沥青性能发生根本改变；温控系统是根据表面温度来执行的，因此混合料里面的沥青膜温就会瞬间超过240℃，致使沥青膜老化。

这种观点没有理论依据，也没有试验数据的证明，且事实恰恰与上述观点相反。

2.1 微波加热机理

在微波加热沥青混合料技术中最关键的核心优势就是“选择性”和“穿透性”。

严格意义上讲，“微波加热”应该是“微波使热”。微波是一种无热感的能量形式，当物料处在高频的微波场中，物料中极性分子随高频变化的微波场极性从原来的随机分布状态取向按照电场的极性重新排列，这种高速的轮摆运动致使分子与分子相互摩擦，从而产生热量，将微波能转换为物料自身的热能，使自身温度升高。物料将微波能转换为自身热能的能力就是其吸收微波的能力。

路面沥青混合料通常由4%～6% 的沥青、50%～70% 的粗集料、20%～40% 的细集料和10% 以下的矿粉组成。也就是4%～5%的沥青以薄膜的状态裹附在94%～96%的集料和矿粉表面，使它们胶结在一起，形成具有良好路用性能的沥青混凝土。它们在微波场作用下自身产生的热量是不同的，取决于各种组分的复介电常数，尤其是介质损耗因子tanδ的大小。

单位体积物料吸收微波的能力（功率）

式中：f为微波频率（Hz）；E为电场强度（W·cm）；tanδ为介质损耗系数；εr为物料的相对介电常数；P为单位体积沥青混合料所吸收的功率（W·cm－3）。

由式（2）可知，介电常数和损耗因子越高，该组分吸收微波能产生热量的能力就越强，反之就越弱。美的集团与电子科技大学联合实验室测得，纯沥青的介质损耗因子为0.001，而集料为0.015～0.036，所以微波加热集料产生热量的能力远远大于纯沥青。在微波场中，微波束穿过沥青膜使集料和矿粉自身发热，然后再将热量传递给裹附其上的沥青薄膜，使其软化，让整个沥青混合料达到符合施工条件的流动性，这时沥青混合料的温度即为可施工温度。因此，不是“5%沥青煮热95%骨料”，而是“95%骨料和粉料温度升高暖热沥青，使其软化”。而且，这种加热是穿透性的，是对微波能有效加热深度范围内（80mm）的整体加热，所以温升是均匀的，不会存在表“焦”里“生”的现象，这正是微波能加热沥青混合料的最大优势，这一点和传统沥青混合料加热生产过程的工艺是一致的。

同时，也正因为纯沥青是非极性材料，不吸收微波能，在微波场下分子不会产生高速轮摆运动，不存在其分子长链断裂、分子量发生变化的可能性。

再者，在微波波段，与χ射线和γ射线相比其频率不高，所以其量子能量不足以破坏任何物质的分子和原子结构，只能提供热能形式影响其物理特性，而对其化学结构及性能不会造成影响。

反观采用红外线辐射加热沥青混合料，恰恰吻合了“5%沥青煮热95%骨料”观点。红外线对物料的穿透深度只有十几微米至几毫米，再向深处加热主要靠热传导。《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016）中查得沥青的导热系数为0.17～0.27W·m－1·K－1，属于热的不良导体，建筑工程中常用作隔热保温材料。混合料中主要成分骨料（石灰岩或是玄武岩）的导热系数也不高，一般为1.16～3.49W·m－1·K－1。如前所述，在沥青混合料中沥青以薄膜的形式裹附在骨料和粉料的表面，热能必须先通过这一保温薄膜传入骨料，使骨料产生温升，这样一层一层传递的过程遵循傅立叶定律：要想热量传递快，就要增大温度梯度，所以经常会存在外“焦”里“生”的不均匀的状况。

2.2 微波加热的温度控制

研究中发现，在微波场中要即时准确测量温度是个难题，温度的显示会失真，所以微波养护设备不用即时测温，温度的控制是靠选择不同的加热模式来实现的。以常用的沥青混合料分类为基础，再按沥青牌号、改性成分、骨料粒径、骨料种类进行组合，建立加热至理想施工温度所需时间的数据库，使用时只用选择相应的模式即可，加热完毕自动停机。

在不能明确沥青混合料种类的情况下，可以现场加热，按实际最佳效果定制特定的加热模式。在路面加热器内也设有自动测温系统，只是需要在测温时断开微波电源。虽然测得的温度是路表面的，但如前所述，微波加热的沥青路面在60～80mm深度范围内温度是均匀的（温差不会大于20℃），具有代表性。

2.3 试验验证

美的集团与长安大学联合实验室按照《公路沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052—2000）的要求，对微波和红外线2种加热方式引起的沥青老化程度及对路用性能指标的影响做了对比试验。粗集料为安山岩，结合料为SBSI-D改性沥青，混合料级配使用AC-13粗型，试验结果如表1所示。

表1 微波与红外线加热沥青混合料试验结果对比

对比2种加热方式对沥青三大指标（延度、化点、针入度）的影响发现，微波加热后沥青性能变化程度小于红外线加热。

残留稳定度与冻融试验是检验沥青混合料抗水损害的指标，微波加热后沥青混合料这2组数据均优于红外线加热后的数据。红外线加热的沥青混合料冻融试验甚至达不到规范要求，可见在沥青混合料抗水损害方面微波加热有优势。文献［6］和［7］也有相同的结论。

从低温劈裂试验结果看，微波加后的数据高于红外线加热后的数据，说明在低温下微波加热的沥青混合料的路用性能优于红外线加热。这与“红外加热的劈裂抗拉强度比经微波加热后小，说明经过红外加热沥青混合料的老化比经过微波加热后严重，影响了混合料的低温抗裂性，使其低温性能变差”的结论一致。

车辙试验微波加热后动稳定度为5 932次·mm－1，红外线加热后为8 029次·mm－1。表面上，红外线加热后，沥青混合料的抗车辙能力提高了。薛亮等也得到“经过红外加热后密级配AC-13沥青混合料的高温稳定性明显优于正常加热和微波加热”的结果。笔者分析认为，车辙试验是检验沥青混合料抗高温变形能力的，沥青老化使得混合料变硬，从而使车辙数据上升，车辙数据上升得越多，老化程度就越大。这不是优势，因为沥青结合料的过度老化会使修复的路面很快产生新的病害。

曾红雄等利用微波对相同级配、不同种类的4组沥青混合料进行多次加热，结论为：沥青混合料的水稳定性对微波加热有一定敏感性，这种敏感性对于沥青混合料二次加热是有益的；沥青混合料的低温稳定性对微波加热的敏感性很微弱，几乎没有什么影响。这两点说明微波加热沥青混合料对其的损伤度非常小。

3 检查井周边修复的安全性

在沥青路面上分布着众多污水井、电力井、通讯井、雨水井、煤气井和有线电视井等检查井，在筑路时检查井周边易存在摊铺和压实不均匀、压实度不够等缺陷，加上周边沥青混凝土与井盖之间弹性模量的突变，致使检查井井圈周边路面破损频繁，是维修沥青路面的一大难题。

目前，用于沥青混合料加热的微波频率为（2 450±50）MHz或（5 800±75）MHz，符合国家工业和信息化部2017年第46号令《中华人民共和国无线电频率划分规定》的要求，所以不会对地下偶遇浅埋处通讯线缆信号产生干扰。

另外，微波的穿透加热深度远远达不到地下通讯电缆的埋深，所以不会因热效应损毁通讯电缆。

对于污水井和雨水井，可能存在浓度较高的沼气（甲烷和一氧化碳），另外还有复合材料的井圈或井盖。这种情况下，微波加热更具优势，因为微波源是冷源，加热完成整个受热的空间内的任何物体的温度不可能超过被加热路面的温度（160℃）；大地是最大的电容，与沥青路面充分接触的任何金属物体在微波场中都不会聚集电荷，所以在加热过程中不存在放电、打火引燃沼气的可能性。

实际上，针对利用微波加热修复检查井盖，已形成了一套成熟、安全、方便的在填补料的同时进行加热的专利方法。如图3所示，因检查井盖周边的沥青混合料时常是松散的，不可避免会造成严重污染，需要开挖废弃并重新填补新料。在利用微波路面加热器加热时，只需将井盖去掉，将井圈周边清理干净（不需要冷开挖周边损坏和被污染的沥青混合料），将按井口形状制作的金属容器放置在井圈上，在其中放入所需要的填补沥青混合料冷料；若是复合材料井圈（可能会吸收微波），用悬挂在金属容器周边的屏蔽链网遮蔽好，井圈就不会受到微波辐射；然后按正常程序加热，达到施工温度后，很容易铲去被污染的沥青混合料，用金属容器中被同时加热的填补料替代，整理井圈（或更换），最后经翻匀、平整、压实等完成修复。

图3 微波加热修复检查井

该方法有如下优点：保护井圈（特别是复合材料）不被加热变形；不必动用风镐等对井圈进行冷开挖；同时提供填补料，更换井盖周边被污染的沥青混合料；“热坑热料”不会出现“弱接面和弱接缝”；即使井内浅层有电缆等物体，金属容器和屏蔽链网都能有效避免微波的辐射。

相反，用红外线加热修复检查井盖，因红外线发射源本身的温度就很高，有时还会产生明火，沼气的燃点一般为520℃左右，如果井内沼气含量过高则容易引燃爆炸，所以红外线加热污水和天然气检查井盖时，若不采取有效措施就会有巨大的危险；复合材料的井圈或井盖直接受到红外线加热时会烧损、变形、焦化，甚至报废。

特别说明，按有可燃气体检查井施工规范的要求，为防止其他因素引燃可燃气体的意外，施工前要先通风，并检测可燃气体浓度。

4 桥面和白加黑路面的修复安全性

有文献质疑：微波加热致使水泥混凝土结构松散，会导致水泥与钢筋结合力下降而剥落；在升温过程中预应力钢筋会发生应力松弛，致使其抗拉强度减小［8］。

这种质疑虽然有一定的道理的，但没有量化影响程度。

（2）叠前道集资料的精细预处理是提高AVO检测精度的关键。叠前道集资料处理必须进行高保真度、高信噪比和高分辨率的处理，尤其不能破坏地震振幅的相对关系。

微波是穿透性加热，加热深度D的定义为：介质内部功率密度为表面的1／e（e为自然常数，2.718）或36.8%处的深度，其计算公式为：

若微波频率为2.45GHz，λ≈12cm，骨料为闪长岩的沥青路面，则加热深度D≈23.8cm。

《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）要求高速公路和一级公路上的特大桥、大桥宜采用沥青混凝土桥面铺装，其厚度（上面层、下面层）不宜小于7cm，一般在10cm左右，微波是可以穿透沥青混凝土层对水泥混凝土桥板进行加热的，而且在8cm深处的温度基本就是养护施工的温度（160℃），到10cm后温度就会急剧下降（比8cm深处低50℃左右），亦即桥板最高温度有可能达到160℃，经翻松、翻匀、平整、压实等约15min后温度会降至100℃左右。

由于时间短，且维修是局部的，所在车道是封闭的，可不考虑高温下的情况，只需分析高温后的影响。

4.1 对普通钢筋和预应力钢筋屈服强度的影响

高温后热轧钢筋屈服强度的退化折减系数［9］

式中：fy（T）为高温后屈服强度；fy为原状态屈服强度；T为温度。

微波加热至桥板的温度不会超过160℃，所以对热轧钢筋的屈服强度不会有影响。

高温后冷拔低碳钢丝和冷拔高强钢丝屈服强度的退化折减系数［10］

式中：σ02（T）为高温后屈服强度；σ02为原状态时屈服强度。

在160℃后冷拔低碳钢丝和冷拔高强钢丝屈服强度的退化折减系数为0.96，即降低4%。

4.2 对混凝土强度和弹性模量的影响

微波加热只会影响桥板上表面，不用考虑对抗拉强度的影响。

高温自然冷却后混凝土抗压强度的折减系数式中：fc（T）为高温后混凝土抗压强度；fc为原状态下混凝土抗压强度。

在160℃后混凝土抗压强度的折减系为1。

四川消防研究所给出在200℃时喷水冷却后的抗压强度折减系数为0.87，不适应养护加热的工况。

高温后混凝土弹性模量的折减系数

式中：Ec（T）为高温后混凝土弹性模量；Ec为原状态下混凝土弹性模量。

在160℃后混凝土弹性模量的折减系为0.93，即降低7%。

4.3 对钢筋和混凝土黏附力的影响

现有文献中没有发现高温对钢筋和混凝土黏附力的影响，推荐使用以下公式

式中：τu（T）、Su（T）分 别为 高 温时 的 钢 筋 和 混 凝 土 黏接强度和极限滑移量；τc和Sc为原始状态下黏接强度和极限滑移量；A、B、C、D 为系数，在文献［9］中查取。

在160℃后钢筋和混凝土黏强度和极限滑移率折减系数分别为0.91和1.0。

以上的折减系数都是基于如火灾这种大面积、长时间高温后试验数据的回归结果，对于微波养护局部的影响应该符合与温度的相关性规律。

用微波加热养护桥面和白加黑路面时，由于2.45GHz频率的微波加热深度可以穿透沥青混凝土层，故对水泥混凝土进行加热，160℃温度后对局部的钢筋、混凝土和钢筋与混凝土之间的黏附力等性能指标会有一定影响［11－12］。鉴于此，建议尽量避免在桥面和白加黑路面上连续大面积使用微波加热。

实际上，在桥面和白加黑路面铺装时，水泥混凝土层上面只有薄薄一层防水层，沥青混凝土的摊铺温度在130℃～180℃，且是连续大面积、大厚度摊铺，与水泥混凝土结合层的最高温度也只有160℃。同时，以上计算公式是基于火灾情况的试验数据回归的，在低温（160℃）下未必准确，所以这种影响可以不予考虑。

要彻底消除该疑虑，建议采用5.8GHz频率的微波。由式（3）可知，2.45GHz的加热深度D≈23.8cm，在相同路面材料情况下5.8GHz的加热深度D≈10cm，在6cm左右会与施工温度一致，该深度已经可以满足养护施工的要求，到桥面（10cm）时基本衰减不足以产生太大温升。同时，若5.8GHz和2.45GHz采用相同功率的磁控管，由于5.8GHz的加热深度只是2.45GHz的42%，也就是在加热器面积相同的情况下，加热沥青混合料的体积和重量减少58%就能满足养护要求，可以使加热时间缩短一半以上，不但可以提高加热效率，同时还可以减低能耗。另外，搭载5.8GHz微波源的养护设备用来除冰会有更大优势，只是5.8GHz磁控管市场用量少，成本偏高。

5 结 语

综合以上研究，可得出如下结论。

（1）微波路面加热装置采用适合各种路面平整度的屏蔽措施后，微波泄露功率密度最大值只是相关国家标准规定限值的0.75%；操作人员可能接受微波的最大剂量只是相关国家标准规定限值的2%，实际只有0.12%，所以对处于设备周围的人员是安全的。

（2）微波加热对沥青的老化程度、沥青混合料路用性能指标（除车辙动稳定度）的影响程度是轻微的，均优于红外线加热方式。红外线加热的车辙的动稳定度高于微波加热，这是红外线加热使沥青过度老化所致。

（3）利用微波加热沥青混合料的温度是可控的，在有效加热深度（80mm）内温升是均匀柔和的，是“95%骨料和粉料温度升高暖热沥青使其软化”，不会出现表“焦”里“生”现象。

（4）对检查井盖维修时，不会对路面下通讯电缆等的通讯信号产生干扰；因微波源是“冷”的，加热过程不会引燃沼气，安全性远高于红外线加热。采用文中谈到的专利方法，可以在加热去除井圈被损坏和污染的材料的同时填补新料。

（5）由于微波加热的穿透深度大，使桥面和白加黑的水泥混凝土温度升高，对冷拔钢筋的屈服强度、水泥混凝土的弹性模量、钢筋和混凝土黏附力有一定的影响，但不会大于路面摊铺时的影响程度。要彻底消除这种安全疑虑，建议采用5.8GHz微波源，减小加热深度，还可以将加热时间减少一半以上，节省约58%的燃料消耗。