土遺址表層加固微波設備的研發

張金風，周 霄，陸繼財

(1.中國文化遺產研究院，北京 100029；2.新疆維吾爾自治區博物館，新疆烏魯木齊 830000)

0 引 言

目前對于土遺址表層劣化病害的防治，主要采用的是化學材料滲透加固的方法。但這種方法由于材料的揮發對于環境的負面影響大、老化周期短、再處理的可能性低等缺點，使得應用受到很大的限制。微波加固可以克服化學滲透加固的這些缺點，因而為土遺址病害的防治提供了一種新的可能。

與土遺址加固技術有關的微波應用主要是兩個領域：一是黏土、泥料的干燥和燒結，這方面的應用可以追溯到20世紀七八十年代[1]。隨后，陶瓷行業[2-7]進行了一系列的深入研究，其試驗使用的微波設備是大型封閉式的；另一個是石質文物表面微生物病害的處理[8-10]。這方面的研究剛剛起步，研究人員有限，目前僅能查詢到意大利幾位工作人員的相關文獻，使用的微波設備是小型開放式的。這種設備的開放性正是體量巨大的土遺址病害防治所需要的。由于表面微生物處理所需要的溫度較低(65 ℃或更低)、穿透深度較淺(毫米級別內)，因此其設備的開放性實現較為簡單，但無法實現土遺址劣化病害的有效防治。相比較而言，黏土、泥料的干燥和燒結所需要的高溫、較深的微波穿透深度和土遺址表層劣化病害防治所需要解決的技術問題更接近，不同之處在于設備的封閉與開放差異。

微波對于土體的理論作用包括熱效應和非熱效應。這兩種作用可以改變礦物的顯微結構，進而影響礦物的化學反應性質[11]，從而提高抵抗環境的能力。由于各種現實條件限制了對其機理研究的深入進行，導致相關理論的缺乏。而在微波應用于土遺址表面劣化的防治研究中，開放式的設備屬性更是增加了理論分析的難度。因而設備的研發主要采用試驗效果檢驗而非理論論證來進行不斷的優化。從試驗中不斷發現問題、解決問題，從而研發出一套初步具備加固作用的微波設備。本設備已經獲得國家知識產權局頒發的實用新型專利證書，證書號為8873005。

1 微波爐工作原理

在高頻電磁振蕩的情況下，部分能量以輻射方式向周圍空間傳播開去所形成的電波與磁波的總稱叫做電磁波。微波是指頻率為300 MHz～300 GHz，相應波長為1～1 000 mm的電磁波[12]。根據國際無線電公約，工業和科研中可用的微波頻率有4個：915 MHz、2 450 MHz、5 800 MHz和22 125 MHz。目前廣泛使用的是915 MHz和2 450 MHz。2 450 MHz主要用于家用微波爐，波長為0.122 m；而915 MHz主要用于商業和工業微波爐，波長為0.330 m，這兩種頻率的微波均屬于厘米波。

微波爐通常由4部分組成：動力供給、微波源、波導系統和應用裝置，如圖1所示。簡單來說，工作原理就是動力供給(電源)向微波源(磁控管)提供一定的高壓，然后磁控管連續產生微波。微波經過波導系統(約束或引導電磁波的波導管)耦合到應用裝置(爐腔)內。爐腔內的加熱體接收微波從而加熱。由于爐腔是金屬制成的，微波不能穿過，只能在爐腔里來回反射激起微波振蕩，形成微波場，并反復穿透加熱體。

圖1 微波爐結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of microwave oven structure

微波最大的問題是加熱不均勻，主要原因是實際中受反射、穿透、折射、吸收等影響，以及尖角集中性等原因，造成能量分布的不均勻。由于影響的復雜性，用電磁理論對熱點進行計算幾乎是不可能的。因此，微波爐在頂部安裝有一個風扇狀的金屬擾動器，工作時不斷旋轉從而改變微波功率的反射路徑和腔中模式分布，以提高微波分布的均勻性。同時，下部有個轉盤電動機使被加熱體作勻速旋轉，同樣用以實現均勻加熱。

1.1 微波的效應

當微波在傳輸過程中遇到不同介質時，會產生反射、吸收和穿透現象(圖2)。按照介質和微波的作用類型，可將介質分為三類。1)絕熱體。微波全部穿透，物質不能被加熱，如玻璃、陶瓷等。2)導體。微波在其表面會產生全反射，如銅、鋁等金屬。3)吸收體。能量部分至全部被吸收，如水、含脂肪的物料。介質類型主要取決于幾個主要的固有特性：相對介電常數(εr)、介質損耗角正切(tanδ，簡稱介質損耗)、比熱容、形狀、含水量等。

圖2 微波在介質中的傳播Fig.2 Propagation of microwave in medium

對于微波的作用能力大小，一種觀點認為，微波可以通過“熱效應”和“非熱效應”來改變巖土體的顯微結構[11]；另一種則認為，在300 MHz～300 GHz范圍內，量子能是1.26×10-6～1.24×10-3eV，遠低于范德華力(<2 eV)，甚至小于37 ℃引起的布朗運動的能量(2.7×10-3eV)[13]，因此不足以改變物質分子的內部結構或破壞分子間的鍵[14]。對于這兩種觀點，尚缺乏實驗上更充分的論證。同時，目前尚無技術或設備能實現對非熱力效應作用的量化評價。因此，在設備研發過程中主要考慮微波的熱效應。

一般而言，任何物質都是由極性分子或非極性分子或二者混合組成的，極性分子在電磁場的作用下會由無序狀態變為依電場方向進行定向的有序排列。在微波電磁場作用下，這種定向的排列運動會以每秒數十億次的頻率不斷進行，造成分子的劇烈運動與碰撞摩擦而產生熱量，使電能直接轉化為介質的熱能。因此，微波加熱的實質是介質材料自身損耗電磁場能量而發熱升溫的過程。

1.2 穿透深度

雖然微波能可直接進入樣品內部進行加熱，而不需要借助于某些介質的傳導，但進入內部的深度是有限的。這是因為電磁波從樣品表面進入樣品后，能量不斷被吸收并被轉化為熱能，導致場強和功率呈指數逐漸衰減。衰減狀態決定著微波對介質的穿透能力。這種電磁波穿透介質內部的能力可用穿透深度加以描述。在實踐中，穿透深度又可分為場強穿透深度(D)、功率穿透深度(Dp)和半功率穿透深度(D1/2)[15]。

式中，λ0為所用電磁波的波長；εr為相對介電常數；tanδ為介質損耗；D為場強穿透深度，表示場強減弱到表面處的1/e(即36.8%)時所對應的距離；Dp為功率穿透深度，表示功率減弱到表面處的1/e(即36.8%)時所對應的距離；D1/2為半功率穿透深度，表示功率減弱到表面處的1/2(即36.8%)時所對應的距離。

2 土體的微波性能

當電磁波穿過土體介質時，會使其產生極化效應。電子位移極化、粒子極化和轉向極化等不同的理論有各自的機理，但都與黏性土物質組成和微觀結構是分不開的。黏土礦物中含有的離子和離子團、電子以及以水分子為主的極性分子使得極化作用變得十分復雜。隨著極化效應的產生，就有極化能力的高低之分。介電常數是表征物質極化能力大小的常數，作為三相混合型介質的土體，各項的介電常數都會對黏性土的等效介電常數產生影響，如黏土礦物的含量、密實程度和含水情況[17]。

總體來說，土體的吸波能力是較差的。因此，在利用微波技術加固土體的過程中，一方面一定要考慮其對微波的吸收能力問題，以提高能量的利用效率。另一方面，對于土體這樣的介電材料，由于大量的空間電荷能形成的電偶極子產生取向極化，且相界面堆積的電荷產生界面極化，在交變電場中，其極化響應會明顯落后于迅速變化的外電場，導致極化弛豫。此過程中微觀粒子之間的能量交換，在宏觀上就表現為能量損耗。因此，微波的吸收效率和耗散問題，是利用微波技術對土體進行加固保護研究過程中需要重點考慮的問題。

3 設備目標

在進行設備的設計前，需要確定微波的加熱深度及溫度高低。

1) 加固深度控制

根據楊強義[18]對大明宮丹鳳門遺址的監測結果，室內土遺址表面0～5 cm范圍內溫濕度隨外界溫濕度的變化較大，內部則變化較小。室外的溫度變化幅度要比室內大很多，因此影響深度也會相應增大。綜合考慮，加固深度選擇為10 cm。

2) 加固溫度控制

土遺址劣化的主要原因之一是水，而耐水性最簡單、直觀、可靠的評價方法就是崩解試驗。同時，土體在高溫下有顏色變紅的現象。因此，需要在耐水性和色差之間進行一個平衡選擇。馬弗爐加熱的試驗結果表明：未加熱的土樣在水中很快崩解坍塌；當加熱溫度達到300 ℃時，土樣在水中的崩解速度明顯減緩；而當達到350 ℃時，土塊可以在水中保持一定時間，隨后崩解成碎塊。400～450 ℃時，土塊在水中可以保持24 h以上，顏色稍微有些泛紅；500 ℃及以上時，顏色變化較嚴重。因此，在不考慮微波特殊效率的情況下，確定土樣的加熱溫度達到400～450 ℃。

4 設備研發

4.1 工作頻率的選定

研究表明，每一種物質都對應一個特征頻率，在此頻率下，此物質吸收微波能最有效。但從實用的觀點來看，可不必細究。因為在工業和科研界，可應用的微波頻率只有915 MHz和2 450 MHz。相比較而言，915 MHz的微波源具有較多的優點，比如：1)較大的穿透深度，因此工作深度較大；2)915 MHz頻率時，從電能轉變成微波能量的能量轉化效率為85%。而2 450 MHz頻率的能量轉化效率為50%[20]；3)頻率為915 MHz的磁控管單管可以獲得30 kW或60 kW的功率，而2 450 MHz的磁控管單管只能得到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%。雖然915 MHz具有上述幾個比較明顯的優點，但是915 MHz的設備體量巨大，基本相當于一個卡車的大小，而且經濟成本增長了幾倍。在可行性研發階段，選擇使用了性價比更高，運輸和使用更為方便的2 450 MHz的微波源。

4.2 功率確定

微波源在工作時會產生大量的熱，就其制冷來說，有風冷和水冷兩種。由于風冷設備尺寸適宜且設備操作簡便，首先決定使用風冷式制冷。而單個1 kW的微波源是風冷可以支持的最高功率。考慮到土體對微波的吸收特性，設計采用3個頻率為2 450 MHz的1 kW微波源。

4.3 設備輸出端漸擴口形狀的確定

對于波導管和土體之間的接觸部分，經過多達30次實體測試后(表1)，根據表面升溫速度，最終選定了直接在微波輸出端加裝漸擴口的模式。漸擴口和土體接觸部分為25 cm×25 cm的圓角正方形，高度為13 cm，漸擴口的擴角為10°。

表1 漸擴口形狀升溫速度測試Table 1 Heating rates of different gradual expansion mouths

4.4 輔熱材料的選擇

土體一般是由礦物質顆粒、有機質、水、空氣等構成的多孔體系，對微波的吸收能力主要取決于其中少量吸波的礦物質、大部分有機質和水分。對于比較干燥的土遺址而言，其吸波能力很差。為了能夠確保土體表面以下10 cm內土體的溫度，選擇采用吸波材料作為輔熱材料，將微波能轉換為熱能，再經熱傳導傳遞至土體內部。常用的吸波材料包括碳粉、剛玉莫奈石板、重結晶碳化硅板、鐵氧體板材、炭氈、鐵氧體圓環等。在對比了實施的方便性、對土體外觀影響大小、效率等多方面因素后，選擇鐵氧體環作為輔熱材料。將鐵氧體環用耐高溫線固定在設備口處(圖3)。

圖3 鐵氧體環作為輔熱材料固定在設備口處Fig.3 Ferrite ring fixed at the mouth of the device as an auxiliary material

4.5 安全問題

微波同其他頻率的電磁波一樣，大能量或長時間的輻射會給人體健康帶來不利的影響。

根據《家用和類似用途電器的安全 微波爐的特殊要求：GB 4706.21—2002》：距微波爐外表面50 mm或以上的任一點處，微波泄漏應不超過50 W/m2(即，5 mW/cm2)。而微波的能量衰減與離微波發生源距離的平方約成反比。也即，當爐門處的微波泄漏量為5 mW/cm2時，離開1 m距離的地方，其能量即降低為0.000 5 mW/cm2了。由于土體表面的局部不平整，可能在漸擴口和土體的接觸處有微波的泄漏。這種情況下，可以通過在設備的漸擴口處外設鐵絲網屏蔽微波的方式，或者將設備的電源設備放置在距離較遠的地方，由程序控制開關來確保操作者的安全。

4.6 測溫

由于微波非熱效應的復雜性，目前的研究多基于熱效應。因此，溫度是微波處理過程中最需要了解和控制的參數。在微波照射過程中，連續測量溫度是一個很大的難題。這是因為：

1) 常規溫度傳感器(如熱電偶、熱電阻等)的金屬探頭容易引起微波短路、駐波、電磁損耗、間隙放電，甚至燒毀測溫元件和測溫電路等現象。

2) 強微波場中的高頻電壓和電流對測溫元件引線中傳輸的小幅度低頻緩變溫度電信號的干擾十分嚴重。而采用電磁屏蔽則又極易造成微波短路。

3) 金屬物料制作的測溫元件及其引線在強微波場中會產生感應電流。由于趨膚效應、渦流效應和歐姆熱效應，致使測溫元件和引線自身發熱，從而影響其測溫的準確性。

4) 由于測溫探頭從微波爐頂部伸入微波加熱腔內，勢必破壞了微波加熱腔的完整性，使電磁波從探頭入口處泄漏出來，對儀器和人員造成損傷。

5) 其他的測溫方式，如紅外測溫，雖不受強微波場的影響，但只能檢測物體表面溫度，且成本較高，效果也不太理想。

6) 如果采用間隔一定時間關閉設備，然后測溫的方式，會產生一定的延時，影響了測溫的準確性。

7) 將光纖器用于微波場中的溫度測量是最新的技術手段。與金屬屏蔽的熱敏電阻和熱電偶不同，光纖器件并不與微波能相互作用，它在微波場中是“透明”的。光纖測溫技術[21]雖然有其獨特優點，但目前尚處于研發階段，其穩定性仍較差，且結構復雜、造價高，也難以進入實用階段。

因此，對微波加熱對象的溫度檢測是一個尚未解決的技術難題。由于目前尚不能解決微波場中的測溫問題，而且對于土遺址的加固最終關心的是在一定深度處溫度能否達到設定值，因此，最終設計放棄遺址表面的溫度測定，而在距離微波場一定的距離沿深度布設溫度傳感器，測量溫度的變化。同時，間隔一段時間關閉設備用紅外設備測量表面溫度，以便逐步建立起表面和內部的溫度關系，從而為根據內部溫度推測表面溫度提供依據，最終實現有效控制表面溫度。

測溫采用直接引線型的熱電偶傳感器，這種傳感器小巧，可以有效減小對遺址的破壞，同時又可以獲得所測位置精準的溫度數值。配合R7100型數顯測溫記錄儀，可實時測量記錄深度范圍內多個布設點的溫度。顯示屏實時的溫度顯示有助于操控微波設備運行方式(圖4)。

4.7 設備的定型

一般來說，微波反應器將由微波功率源經微波傳輸系統傳輸而來的微波功率以最佳的匹配或最小的反射耦合至該裝置，并在其中形成特定的電場分布，使之能產生最佳的互作用效果。包括最佳的互作用效率和互作用均勻性。因此，微波反應器的主要功能歸結起來有兩條：一是最佳的功率傳輸和耦合，二是最佳的互作用效果。微波反應器的主要作用是充分利用有限的微波功率，實現所希望的反應或加熱結果。從國外發展趨勢看，這部分無論是實驗研究還是生產加工都是獲得專利最多的領域。

通過多次的試驗室加固土體試驗(圖5)，最終的設備結構如圖6所示，波導管分為可互換的直立和彎曲向下的兩種，以滿足直立墻面和地面兩種遺址形態的加固。同時設備安設3個1 kW的微波源，各以一個波導管傳輸，在漸擴口處混合。每個微波源可以單獨開關按鍵控制，并設定超溫報警裝置。

圖5 試驗室試驗Fig.5 Equipment test during development

圖6 設備結構圖Fig.6 Structure diagram of equipment

5 現場試驗

2017年10月，在新疆奇臺縣進行了3個現場試驗(圖7)。由于土體表面凹凸不平，用保溫棉填充漸擴口與土體之間的空隙。典型的試驗溫度記錄如圖8所示，表面溫度為停止設備后用紅外測溫儀測得。在試驗開始時，3個微波源全部打開，可以看到各處的溫度都在上升，離微波源越遠，上升的速度越慢。在16∶11∶00時，表面溫度達到了447 ℃，已經滿足設計的溫度要求。因此關掉所有微波源，以便觀察熱傳導效果。從這個時間到16∶29∶00的18 min時間內，土體內溫度持續上升，但增長緩慢。5 cm深度的溫度僅僅提高了5 ℃(從136 ℃到141 ℃)，而表面溫度卻降了240 ℃(從447 ℃到207 ℃)。這表明關閉微波源的熱傳導是無法達到預期目的的。隨后開啟3個微波源，表面溫度迅速上升，在16∶45∶00達到577 ℃。在17∶28∶00試驗結束時，表面溫度為410 ℃。經檢查，這一異常數據為微波設備口的保溫棉掉落所致。

圖7 現場試驗Fig.7 Field test

圖8 土體溫度沿深度分布圖Fig.8 Distribution of temperature along depth

微波加固結束后，沿土體深度取表面、5 cm、12 cm和18 cm處的土樣，浸水崩解試驗表明，深度12 cm處的土樣強度得到了明顯增強，在水中可以保持其原有狀態(圖9)。但由于無法實時測量表面溫度，因而在實際的操作中僅能根據5 cm處的溫度顯示大致推測表面溫度，導致表面溫度較高，顏色呈磚紅色。

圖9 樣塊崩解試驗Fig.9 Slaking test

另外，實驗室確定控制溫度時所使用的樣塊并沒有出現開裂現象，但現場試驗時出現了局部的細紋現象。這應該是由于實驗室樣塊較小，升溫迅速而導致失水收縮疊加不明顯，而現場樣塊較大，收縮疊加也相應較大。同時由于邊界約束，不可避免會出現開裂現象。因此合理控制升溫速度或者采取其他措施防止加固過程中的開裂是今后設備或工藝改進時需要注意的問題。

6 結 語

目前的課題研究成果表明，微波設備用于土遺址表層加固可以實現一定深度范圍內的土體耐水性增強，而水是土遺址病害的主要原因之一，因而為土遺址病害的防治提供了一種新的可能。與化學加固相比較，微波加固保護具有對環境及操作人員無負面影響、無附加老化問題、不改變土體的孔隙結構等優點。但是就目前的設備而言，還存在一定的缺點：深度上溫度衰減過快、設備龐大不利于現場操作、表面容易出現裂縫、加固過程耗時較長等等。因此，微波設備要實際應用于土遺址加固還需要進一步完善設備，優化輔熱材料，調整工藝，尤其是實現表面溫度實時監測或者建立表面和一定深度內溫度的關系，從而隨時調控微波源開啟個數，保持400～450 ℃表面溫度下土體內的熱傳導，這將是一個長期實踐積累的過程。