土遗址表层加固微波设备的研发

张金风，周 霄，陆继财

(1.中国文化遗产研究院，北京 100029；2.新疆维吾尔自治区博物馆，新疆乌鲁木齐 830000)

0 引 言

目前对于土遗址表层劣化病害的防治，主要采用的是化学材料渗透加固的方法。但这种方法由于材料的挥发对于环境的负面影响大、老化周期短、再处理的可能性低等缺点，使得应用受到很大的限制。微波加固可以克服化学渗透加固的这些缺点，因而为土遗址病害的防治提供了一种新的可能。

与土遗址加固技术有关的微波应用主要是两个领域：一是黏土、泥料的干燥和烧结，这方面的应用可以追溯到20世纪七八十年代[1]。随后，陶瓷行业[2-7]进行了一系列的深入研究，其试验使用的微波设备是大型封闭式的；另一个是石质文物表面微生物病害的处理[8-10]。这方面的研究刚刚起步，研究人员有限，目前仅能查询到意大利几位工作人员的相关文献，使用的微波设备是小型开放式的。这种设备的开放性正是体量巨大的土遗址病害防治所需要的。由于表面微生物处理所需要的温度较低(65 ℃或更低)、穿透深度较浅(毫米级别内)，因此其设备的开放性实现较为简单，但无法实现土遗址劣化病害的有效防治。相比较而言，黏土、泥料的干燥和烧结所需要的高温、较深的微波穿透深度和土遗址表层劣化病害防治所需要解决的技术问题更接近，不同之处在于设备的封闭与开放差异。

微波对于土体的理论作用包括热效应和非热效应。这两种作用可以改变矿物的显微结构，进而影响矿物的化学反应性质[11]，从而提高抵抗环境的能力。由于各种现实条件限制了对其机理研究的深入进行，导致相关理论的缺乏。而在微波应用于土遗址表面劣化的防治研究中，开放式的设备属性更是增加了理论分析的难度。因而设备的研发主要采用试验效果检验而非理论论证来进行不断的优化。从试验中不断发现问题、解决问题，从而研发出一套初步具备加固作用的微波设备。本设备已经获得国家知识产权局颁发的实用新型专利证书，证书号为8873005。

1 微波炉工作原理

在高频电磁振荡的情况下，部分能量以辐射方式向周围空间传播开去所形成的电波与磁波的总称叫做电磁波。微波是指频率为300 MHz～300 GHz，相应波长为1～1 000 mm的电磁波[12]。根据国际无线电公约，工业和科研中可用的微波频率有4个：915 MHz、2 450 MHz、5 800 MHz和22 125 MHz。目前广泛使用的是915 MHz和2 450 MHz。2 450 MHz主要用于家用微波炉，波长为0.122 m；而915 MHz主要用于商业和工业微波炉，波长为0.330 m，这两种频率的微波均属于厘米波。

微波炉通常由4部分组成：动力供给、微波源、波导系统和应用装置，如图1所示。简单来说，工作原理就是动力供给(电源)向微波源(磁控管)提供一定的高压，然后磁控管连续产生微波。微波经过波导系统(约束或引导电磁波的波导管)耦合到应用装置(炉腔)内。炉腔内的加热体接收微波从而加热。由于炉腔是金属制成的，微波不能穿过，只能在炉腔里来回反射激起微波振荡，形成微波场，并反复穿透加热体。

图1 微波炉结构示意图Fig.1 Schematic diagram of microwave oven structure

微波最大的问题是加热不均匀，主要原因是实际中受反射、穿透、折射、吸收等影响，以及尖角集中性等原因，造成能量分布的不均匀。由于影响的复杂性，用电磁理论对热点进行计算几乎是不可能的。因此，微波炉在顶部安装有一个风扇状的金属扰动器，工作时不断旋转从而改变微波功率的反射路径和腔中模式分布，以提高微波分布的均匀性。同时，下部有个转盘电动机使被加热体作匀速旋转，同样用以实现均匀加热。

1.1 微波的效应

当微波在传输过程中遇到不同介质时，会产生反射、吸收和穿透现象(图2)。按照介质和微波的作用类型，可将介质分为三类。1)绝热体。微波全部穿透，物质不能被加热，如玻璃、陶瓷等。2)导体。微波在其表面会产生全反射，如铜、铝等金属。3)吸收体。能量部分至全部被吸收，如水、含脂肪的物料。介质类型主要取决于几个主要的固有特性：相对介电常数(εr)、介质损耗角正切(tanδ，简称介质损耗)、比热容、形状、含水量等。

图2 微波在介质中的传播Fig.2 Propagation of microwave in medium

对于微波的作用能力大小，一种观点认为，微波可以通过“热效应”和“非热效应”来改变岩土体的显微结构[11]；另一种则认为，在300 MHz～300 GHz范围内，量子能是1.26×10-6～1.24×10-3eV，远低于范德华力(<2 eV)，甚至小于37 ℃引起的布朗运动的能量(2.7×10-3eV)[13]，因此不足以改变物质分子的内部结构或破坏分子间的键[14]。对于这两种观点，尚缺乏实验上更充分的论证。同时，目前尚无技术或设备能实现对非热力效应作用的量化评价。因此，在设备研发过程中主要考虑微波的热效应。

一般而言，任何物质都是由极性分子或非极性分子或二者混合组成的，极性分子在电磁场的作用下会由无序状态变为依电场方向进行定向的有序排列。在微波电磁场作用下，这种定向的排列运动会以每秒数十亿次的频率不断进行，造成分子的剧烈运动与碰撞摩擦而产生热量，使电能直接转化为介质的热能。因此，微波加热的实质是介质材料自身损耗电磁场能量而发热升温的过程。

1.2 穿透深度

虽然微波能可直接进入样品内部进行加热，而不需要借助于某些介质的传导，但进入内部的深度是有限的。这是因为电磁波从样品表面进入样品后，能量不断被吸收并被转化为热能，导致场强和功率呈指数逐渐衰减。衰减状态决定着微波对介质的穿透能力。这种电磁波穿透介质内部的能力可用穿透深度加以描述。在实践中，穿透深度又可分为场强穿透深度(D)、功率穿透深度(Dp)和半功率穿透深度(D1/2)[15]。

式中，λ0为所用电磁波的波长；εr为相对介电常数；tanδ为介质损耗；D为场强穿透深度，表示场强减弱到表面处的1/e(即36.8%)时所对应的距离；Dp为功率穿透深度，表示功率减弱到表面处的1/e(即36.8%)时所对应的距离；D1/2为半功率穿透深度，表示功率减弱到表面处的1/2(即36.8%)时所对应的距离。

2 土体的微波性能

当电磁波穿过土体介质时，会使其产生极化效应。电子位移极化、粒子极化和转向极化等不同的理论有各自的机理，但都与黏性土物质组成和微观结构是分不开的。黏土矿物中含有的离子和离子团、电子以及以水分子为主的极性分子使得极化作用变得十分复杂。随着极化效应的产生，就有极化能力的高低之分。介电常数是表征物质极化能力大小的常数，作为三相混合型介质的土体，各项的介电常数都会对黏性土的等效介电常数产生影响，如黏土矿物的含量、密实程度和含水情况[17]。

总体来说，土体的吸波能力是较差的。因此，在利用微波技术加固土体的过程中，一方面一定要考虑其对微波的吸收能力问题，以提高能量的利用效率。另一方面，对于土体这样的介电材料，由于大量的空间电荷能形成的电偶极子产生取向极化，且相界面堆积的电荷产生界面极化，在交变电场中，其极化响应会明显落后于迅速变化的外电场，导致极化弛豫。此过程中微观粒子之间的能量交换，在宏观上就表现为能量损耗。因此，微波的吸收效率和耗散问题，是利用微波技术对土体进行加固保护研究过程中需要重点考虑的问题。

3 设备目标

在进行设备的设计前，需要确定微波的加热深度及温度高低。

1) 加固深度控制

根据杨强义[18]对大明宫丹凤门遗址的监测结果，室内土遗址表面0～5 cm范围内温湿度随外界温湿度的变化较大，内部则变化较小。室外的温度变化幅度要比室内大很多，因此影响深度也会相应增大。综合考虑，加固深度选择为10 cm。

2) 加固温度控制

土遗址劣化的主要原因之一是水，而耐水性最简单、直观、可靠的评价方法就是崩解试验。同时，土体在高温下有颜色变红的现象。因此，需要在耐水性和色差之间进行一个平衡选择。马弗炉加热的试验结果表明：未加热的土样在水中很快崩解坍塌；当加热温度达到300 ℃时，土样在水中的崩解速度明显减缓；而当达到350 ℃时，土块可以在水中保持一定时间，随后崩解成碎块。400～450 ℃时，土块在水中可以保持24 h以上，颜色稍微有些泛红；500 ℃及以上时，颜色变化较严重。因此，在不考虑微波特殊效率的情况下，确定土样的加热温度达到400～450 ℃。

4 设备研发

4.1 工作频率的选定

研究表明，每一种物质都对应一个特征频率，在此频率下，此物质吸收微波能最有效。但从实用的观点来看，可不必细究。因为在工业和科研界，可应用的微波频率只有915 MHz和2 450 MHz。相比较而言，915 MHz的微波源具有较多的优点，比如：1)较大的穿透深度，因此工作深度较大；2)915 MHz频率时，从电能转变成微波能量的能量转化效率为85%。而2 450 MHz频率的能量转化效率为50%[20]；3)频率为915 MHz的磁控管单管可以获得30 kW或60 kW的功率，而2 450 MHz的磁控管单管只能得到5 kW左右的功率[15]，而且915 MHz磁控管的工作效率一般比2 450 MHz磁控管的工作效率高10%～20%。虽然915 MHz具有上述几个比较明显的优点，但是915 MHz的设备体量巨大，基本相当于一个卡车的大小，而且经济成本增长了几倍。在可行性研发阶段，选择使用了性价比更高，运输和使用更为方便的2 450 MHz的微波源。

4.2 功率确定

微波源在工作时会产生大量的热，就其制冷来说，有风冷和水冷两种。由于风冷设备尺寸适宜且设备操作简便，首先决定使用风冷式制冷。而单个1 kW的微波源是风冷可以支持的最高功率。考虑到土体对微波的吸收特性，设计采用3个频率为2 450 MHz的1 kW微波源。

4.3 设备输出端渐扩口形状的确定

对于波导管和土体之间的接触部分，经过多达30次实体测试后(表1)，根据表面升温速度，最终选定了直接在微波输出端加装渐扩口的模式。渐扩口和土体接触部分为25 cm×25 cm的圆角正方形，高度为13 cm，渐扩口的扩角为10°。

表1 渐扩口形状升温速度测试Table 1 Heating rates of different gradual expansion mouths

4.4 辅热材料的选择

土体一般是由矿物质颗粒、有机质、水、空气等构成的多孔体系，对微波的吸收能力主要取决于其中少量吸波的矿物质、大部分有机质和水分。对于比较干燥的土遗址而言，其吸波能力很差。为了能够确保土体表面以下10 cm内土体的温度，选择采用吸波材料作为辅热材料，将微波能转换为热能，再经热传导传递至土体内部。常用的吸波材料包括碳粉、刚玉莫奈石板、重结晶碳化硅板、铁氧体板材、炭毡、铁氧体圆环等。在对比了实施的方便性、对土体外观影响大小、效率等多方面因素后，选择铁氧体环作为辅热材料。将铁氧体环用耐高温线固定在设备口处(图3)。

图3 铁氧体环作为辅热材料固定在设备口处Fig.3 Ferrite ring fixed at the mouth of the device as an auxiliary material

4.5 安全问题

微波同其他频率的电磁波一样，大能量或长时间的辐射会给人体健康带来不利的影响。

根据《家用和类似用途电器的安全 微波炉的特殊要求：GB 4706.21—2002》：距微波炉外表面50 mm或以上的任一点处，微波泄漏应不超过50 W/m2(即，5 mW/cm2)。而微波的能量衰减与离微波发生源距离的平方约成反比。也即，当炉门处的微波泄漏量为5 mW/cm2时，离开1 m距离的地方，其能量即降低为0.000 5 mW/cm2了。由于土体表面的局部不平整，可能在渐扩口和土体的接触处有微波的泄漏。这种情况下，可以通过在设备的渐扩口处外设铁丝网屏蔽微波的方式，或者将设备的电源设备放置在距离较远的地方，由程序控制开关来确保操作者的安全。

4.6 测温

由于微波非热效应的复杂性，目前的研究多基于热效应。因此，温度是微波处理过程中最需要了解和控制的参数。在微波照射过程中，连续测量温度是一个很大的难题。这是因为：

1) 常规温度传感器(如热电偶、热电阻等)的金属探头容易引起微波短路、驻波、电磁损耗、间隙放电，甚至烧毁测温元件和测温电路等现象。

2) 强微波场中的高频电压和电流对测温元件引线中传输的小幅度低频缓变温度电信号的干扰十分严重。而采用电磁屏蔽则又极易造成微波短路。

3) 金属物料制作的测温元件及其引线在强微波场中会产生感应电流。由于趋肤效应、涡流效应和欧姆热效应，致使测温元件和引线自身发热，从而影响其测温的准确性。

4) 由于测温探头从微波炉顶部伸入微波加热腔内，势必破坏了微波加热腔的完整性，使电磁波从探头入口处泄漏出来，对仪器和人员造成损伤。

5) 其他的测温方式，如红外测温，虽不受强微波场的影响，但只能检测物体表面温度，且成本较高，效果也不太理想。

6) 如果采用间隔一定时间关闭设备，然后测温的方式，会产生一定的延时，影响了测温的准确性。

7) 将光纤器用于微波场中的温度测量是最新的技术手段。与金属屏蔽的热敏电阻和热电偶不同，光纤器件并不与微波能相互作用，它在微波场中是“透明”的。光纤测温技术[21]虽然有其独特优点，但目前尚处于研发阶段，其稳定性仍较差，且结构复杂、造价高，也难以进入实用阶段。

因此，对微波加热对象的温度检测是一个尚未解决的技术难题。由于目前尚不能解决微波场中的测温问题，而且对于土遗址的加固最终关心的是在一定深度处温度能否达到设定值，因此，最终设计放弃遗址表面的温度测定，而在距离微波场一定的距离沿深度布设温度传感器，测量温度的变化。同时，间隔一段时间关闭设备用红外设备测量表面温度，以便逐步建立起表面和内部的温度关系，从而为根据内部温度推测表面温度提供依据，最终实现有效控制表面温度。

测温采用直接引线型的热电偶传感器，这种传感器小巧，可以有效减小对遗址的破坏，同时又可以获得所测位置精准的温度数值。配合R7100型数显测温记录仪，可实时测量记录深度范围内多个布设点的温度。显示屏实时的温度显示有助于操控微波设备运行方式(图4)。

4.7 设备的定型

一般来说，微波反应器将由微波功率源经微波传输系统传输而来的微波功率以最佳的匹配或最小的反射耦合至该装置，并在其中形成特定的电场分布，使之能产生最佳的互作用效果。包括最佳的互作用效率和互作用均匀性。因此，微波反应器的主要功能归结起来有两条：一是最佳的功率传输和耦合，二是最佳的互作用效果。微波反应器的主要作用是充分利用有限的微波功率，实现所希望的反应或加热结果。从国外发展趋势看，这部分无论是实验研究还是生产加工都是获得专利最多的领域。

通过多次的试验室加固土体试验(图5)，最终的设备结构如图6所示，波导管分为可互换的直立和弯曲向下的两种，以满足直立墙面和地面两种遗址形态的加固。同时设备安设3个1 kW的微波源，各以一个波导管传输，在渐扩口处混合。每个微波源可以单独开关按键控制，并设定超温报警装置。

图5 试验室试验Fig.5 Equipment test during development

图6 设备结构图Fig.6 Structure diagram of equipment

5 现场试验

2017年10月，在新疆奇台县进行了3个现场试验(图7)。由于土体表面凹凸不平，用保温棉填充渐扩口与土体之间的空隙。典型的试验温度记录如图8所示，表面温度为停止设备后用红外测温仪测得。在试验开始时，3个微波源全部打开，可以看到各处的温度都在上升，离微波源越远，上升的速度越慢。在16∶11∶00时，表面温度达到了447 ℃，已经满足设计的温度要求。因此关掉所有微波源，以便观察热传导效果。从这个时间到16∶29∶00的18 min时间内，土体内温度持续上升，但增长缓慢。5 cm深度的温度仅仅提高了5 ℃(从136 ℃到141 ℃)，而表面温度却降了240 ℃(从447 ℃到207 ℃)。这表明关闭微波源的热传导是无法达到预期目的的。随后开启3个微波源，表面温度迅速上升，在16∶45∶00达到577 ℃。在17∶28∶00试验结束时，表面温度为410 ℃。经检查，这一异常数据为微波设备口的保温棉掉落所致。

图7 现场试验Fig.7 Field test

图8 土体温度沿深度分布图Fig.8 Distribution of temperature along depth

微波加固结束后，沿土体深度取表面、5 cm、12 cm和18 cm处的土样，浸水崩解试验表明，深度12 cm处的土样强度得到了明显增强，在水中可以保持其原有状态(图9)。但由于无法实时测量表面温度，因而在实际的操作中仅能根据5 cm处的温度显示大致推测表面温度，导致表面温度较高，颜色呈砖红色。

图9 样块崩解试验Fig.9 Slaking test

另外，实验室确定控制温度时所使用的样块并没有出现开裂现象，但现场试验时出现了局部的细纹现象。这应该是由于实验室样块较小，升温迅速而导致失水收缩叠加不明显，而现场样块较大，收缩叠加也相应较大。同时由于边界约束，不可避免会出现开裂现象。因此合理控制升温速度或者采取其他措施防止加固过程中的开裂是今后设备或工艺改进时需要注意的问题。

6 结 语

目前的课题研究成果表明，微波设备用于土遗址表层加固可以实现一定深度范围内的土体耐水性增强，而水是土遗址病害的主要原因之一，因而为土遗址病害的防治提供了一种新的可能。与化学加固相比较，微波加固保护具有对环境及操作人员无负面影响、无附加老化问题、不改变土体的孔隙结构等优点。但是就目前的设备而言，还存在一定的缺点：深度上温度衰减过快、设备庞大不利于现场操作、表面容易出现裂缝、加固过程耗时较长等等。因此，微波设备要实际应用于土遗址加固还需要进一步完善设备，优化辅热材料，调整工艺，尤其是实现表面温度实时监测或者建立表面和一定深度内温度的关系，从而随时调控微波源开启个数，保持400～450 ℃表面温度下土体内的热传导，这将是一个长期实践积累的过程。