微波技术在公路养护领域中的应用
文/张兆镗

20世纪80年代后期，美国矿产局曾根据微波快速加热矿物急剧膨胀产生热应力的机理，对矿石进行破碎试验，取得明显效果：一般火药破碎率为(1～5)%，机械破碎率为(15～20)%，微波破碎率为(60～70)%。该方法快速、节能，可选择性加热，便于掌握控制范围和加热速度等。
大部分物料在微波作用下都会吸收微波能，但产生热量的能力有强弱，一般用复介电常数来判断，尤其是要看介质损耗因子tanδ的大小。损耗因子越高，物料吸收微波能产生热量的能力就越强，反之，就越弱。纯沥青的损耗因子为0.001，而沥青混凝土则从0.015至0.036，所以微波加热沥青混凝土的产生热量的能力远远大于纯沥青。纯沥青几乎不吸收微波能，故其是非极性材料。沥青为非极性分子，单独利用微波是无法加热的，因此必须加有辅料才行。通常辅料又分为粗集料和细集料，它们主要是玄武岩和花岗岩等。
沥青混凝土通常由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。沥青混凝土中大量的极性分子在微波作用下产生快速的分子热运动，分子与分子之间的摩擦产生热量。那么，微波是否会破坏纯沥青或沥青混凝土中物质的分子结构呢？首先，纯沥青几乎不吸收微波，所以不存在微波破坏其分子结构的可能性；其次，在微波波段，由于工作频率不高（与X射线、γ射线等相比），因此其量子能量（ E=hγ）较低，式中：h为普朗克常数；γ为微波频率。这就说明，微波不足以破坏任何物质的分子原子结构，只能提供热能形式影响其物理特性，而对其化学性能影响不大。

一、微波在沥青路面修补中的应用
广东美的集团威特公路设备养护有限公司研发了具有自主知识产权的“微波王沥青路面养护车”，其采用频率为2450MHz、输出功率为1KW的连续波磁控管100至200只组成天线阵即加热墙，使我国在这一技术领域中填补了国内空白。
1、微波工作频率的选择
从电磁场理论知道，任何一种物质（本文只谈电介质）在微波电场作用下，物料中每单位体积内的功率耗散（即损耗于物料中的功率密度）为:
p = ωεｏε’’ Eo2
式中: ω 为微波的角频率2πf
f? 为微波工作频率
εo 为真空中的电容率
ε’’为物料的介电常数的虚部，代表物料的损耗
tanδ=ε”/ε‘
Eo2 为微波场強的平方，与作用在该点上的微波功率成正比
由上式可知，在输入一定的微波功率时，材料中的功率耗散密度与频率f及损耗ε’’的乘积成正比，也就是说，对同一物料来说，采用工作频率高的要比频率低的有效得多。
2、微波对桥涵和钢筋无影响
首先需要了解微波对物料的穿透和衰减特性，微波对物质的穿透由下式决定：
P=Poe-2αz
式中: Po 为初始z=0 处的功率
α为衰减常数
对于低耗介质,ε‘’/ε’＜1。如α=πε’’/λo√ε’，这时相应的穿透深度为:
Dp=λo(ε’)1/2/2πε’’
由于纯沥青及各种辅料的介质损耗因子tanδ均较小，因此按上式计算得到的穿透深度Dp都在数十厘米甚至数米之谱。这仅是理论值，实际上由于以下原因使穿透深度小得多。
（1）实际上由于加热天线阵列（即加热墙）中每只喇叭天线的口径都非常之小，因此辐射出来的微波波束不可能达到平面波的要求，即平行的电磁波束的要求，见图1（a）；而是具有一定辐射角（立体角）的非会聚的扩散波束，见图1（b）。由于功率的扩散，最终导至实际渗透深度Dp远远小于理论值。
（2）沥青路面下往往是带有钢筋的混凝土(在桥樑或涵洞中)，或含有水份的沙土及鹅卵石，这些材料对微波的吸收或反射远较沥青料为大，这也导至微波穿透深度的减小。通过实际监测，桥梁（涵洞）下是安全的。
（3）在沥青路面表面及沥青与基础层之交接面等处，都会由于阻抗不匹配引起微波功率的反射,这同样导致了穿透深度的减小。
混合物料的等效介电常数由两种或两种以上物料均匀混合后的等效介电常数εeff可由下式确定：
√εeff= v1√ε1 +（1- v1）√ε2
式中：εeff为混合物料的等效复介电常数
v1 为物料1的体积与总体积的百分比
ε1为物料1的复介电常数
ε2为物料2的复介电常数
三种混合物的等效复介电常数为：
√εeff=v1√ε1+v2√ε2+(1-v1-v2)√ε3
式中:ε1,ε2,ε3分别为物料1、物料2、物料3的复介电常数
v1为物料1体积与总体积的百分比
v2为物料2体积与总体积的百分比
由此可见，可以根据以上公式选择沥青与其它混合集料的适当配比，达到所要求的等效复介电常数εeff，以利于整体均匀加热的目的，这对防止沥青老化无疑是有好处的。
3、复介电常数的温度特性
自然界中有两种性质完全不同的温度特性，即正斜率特性及负斜率特性。前者如尼龙、陶瓷、沥青、滑石、云母、合成橡胶（未化）等，后者如水、牛肉、土豆泥、熟胡萝卜等。其典型特性如图2所示。
从图中可以看出正斜率特性，即容易在加热过程中产生热斑或热失控，但对于像沥青这类弱极性低损耗介质反而有利，只要控制得当，即可达到快速、高效、均匀、整体加热的目的。而像水这类负斜率特性，对于加热过程中的热平衡是十分有利的。

二、微波加热与其他加热方式相比
1、沥青老化问题
通常沥青的老化的原因可归结为：由于挥发和集料吸收使沥青油分减小；沥青分子结构产生触变位导致硬化；与空气中的氧反应使沥青组成发生变化。而评介沥青混凝土老化的方法可分两大类：老化后沥青混凝土的力学性能试验；老化后沥青混凝土的回收沥青性能试验。据了解，长安大学公路学院专门作了对比试验，表明用微波方法比其它加热方法（火焰、热风、电热、蒸汽、红外线等）有较好的结果，老化轻微。原因是微波加热时间短(15分钟)、速度快、效率高。试验结果为：
对沥青混凝土用微波加热至160°C两次,前后马歇尔稳定度、流值无明显变化；
加热后动稳定度比不加热的高50/mm；
冻融劈裂抗拉强度比不加热的低0.02MPa；
劈裂抗拉强度比低2.8%；
回收沥青的针入度比加热前降低1(0.1mm)；
延度在测量范围无变化；
软化点降低0.5°C。
2、微波泄漏的标准和检测方法以及微波泄漏的主要途径
主要途径有：微波源及电源线；加热天线阵列四周，即作业场所；沥青路面及基础路基中微波的反射、散射、透射（桥樑或涵洞）。见图3。
目前已有的微波泄漏国家标准有：GB4706.21-2002《…….微波炉特殊要求》，针对家用微波炉的；GB5959.6-87《……对工业微波加热设备的特殊要求》，等同于IEC 519-6。微波泄漏功率密度应小于5mW/cm2,这也是与国际电工委员会IEC335-2-25：1993及IEC335-2-90的标准相一致的，是产品标准。GB10436-89《作业场所微波辐射卫生标准》等同于UDC 614.876:628.518，这是针对操作位的标准。
虽然上述几个国标是针对固定的微波设备而言的，但在目前尚无移动微波设备国家标准的情况下，参照执行应该是可行的。而且移动设备要做到达标的难度更大！
3、操作位的人身安全
关于操作位工人的人身安全问题，应完全按照GB10436-89国家标准执行。但要指出的是，许多人（包括职能部门）对这一标准中关于时间长短没有加以考虑，都以一天8小时平均不超过50μW/cm2这一数据为依据。实际上在上述标准内却明确写着：小于或大于8h暴露的平均功率密度应按下式计算：Pd = 400/t（μW/cm2）。 其中，t 以小时计。所以，判定操作位是否超标，必须考虑两个因素：接受微波照射的时间t（h），操作位的平均功率密度Pd（μW/cm2）。
广东省环境辐射研究监测中心报告：按照《环境电磁波卫生标准》对微波沥青路面养护车进行了全面检测，测量点分布如图4所示。这些检测点在水平方向分别离加热墙为:0.2m、0.5m、1.0m、3.0m、5.0m，离地面高度分别为0.5m、1.5m。测得最大值为26.12μW/cm2，最小值为0.06μW/cm2。最后一组数据是在桥下离桥底0.5m处5个不同位置上测得的，最大值为6.15μW/cm2。
4、微波在公路养护领域中的其它应用
包括：微波厂拌热再生，公路路面无损检测，微波除冰雪。