微波爐法測定遺址土含水率的可靠性研究

張虎元，張秋霞，李 敏

（1. 蘭州大學 西部災害與環境力學教育部重點實驗室,蘭州 730000；2. 蘭州大學 土木工程與力學學院，蘭州 730000）

1 引 言

遺址是遺存的歷史上人類文化活動場所，遺存主體為土質者稱為土遺址。土遺址具有科學性、歷史性、藝術性、不可再生性，一旦破壞，就成為永久性損失[1]。土遺址疏松、脆弱，受自然環境影響很大，保護難度很大。經歷千百年的風化、風蝕及雨蝕，土遺址表面出現剝離、開裂、坍塌等病害，這些病害與遺址土含水率密切相關。

土遺址一般位于較為偏遠的地區，用傳統的烘干法測定含水率，需要將試樣搬運至實驗室，此過程中會引起水分散發，因此，遺址土含水率最好在現場快速測定。巖土工程中測定土含水率的方法很多，常用的有：烘箱烘干法、酒精燃燒法、砂土炒干法。經典方法為烘箱烘干法，此方法技術成熟，測定結果準確度高。依據國家土工試驗標準[2]，烘箱烘干法 105～110 ℃采用恒溫烘干土樣，要求砂類土烘干時間不得少于 6 h，黏性土烘干時間不得少于8 h。此法適用于粗細土、細粒土、有機質土和凍土，是目前測定土含水率的標準方法，由于烘箱體積和重量都較大，且測定時間較長，不能滿足現場測試快速便捷的要求。

微波干燥技術起源于20世紀40年代，隨著技術條件的進步，已經廣泛應用于輕工業、食品工業、農業和農產品加工等領域中。相對于烘箱，微波爐具有體積小，重量輕，搬運方便的特點。1970年代初，國外開始研究用微波爐法測定土的含水率。微波爐法測定土含水率于 1987年正式列入美國ASTMD試驗標準[3]，1988年被應用于現場施工工程[4－5]。我國于 20世紀70～80年代對此方法進行了初步研究，但到目前為止，還未建立標準規范。

本文選取了 15種土樣，測定土樣界限含水率和易溶鹽含量的基礎后，分別用烘箱法和微波爐法測定土的含水率，對兩種方法所得結果進行對比，分析微波爐法測定遺址土含水率的適用性和可靠性。

2 試驗操作

2.1 試驗器材

試驗設備有 Galanz微波爐(型號 P70D20TLD4)，輸出功率為700 W，微波頻率為2450 MHz、外形尺寸為262 mm×452 mm×365 mm。GZX－9240數顯鼓風干燥箱，試驗時將烘箱溫度設置為105 ℃。FG－Ⅲ型光電式液塑限聯合測定儀，包括帶標尺的圓錐儀、電磁裝置、顯示屏、控制開關和試樣杯，圓錐質量為76 g，圓錐角度30°，試樣杯內徑為40 mm，高度為30 mm。天平量程為420 g，最小分度值為0.001 g，其他包括篩（孔徑0.5、2 mm）、瓷碗、鋁盒、量筒、玻璃棒等。

2.2 試驗材料

試驗用土取自15個地點，11個來自不同的土遺址，另外，追加4個試樣（蘭州黃土和新疆鹽漬土）進行對比，土樣的具體特征見表1。

表1 土樣的基本性質Table1 Basic properties of soils used

2.3 試驗步驟

①將15種土樣放入烘箱105℃條件下烘干，過0.5 mm及2 mm篩，放入密封袋中備用。

②依據國家土工試驗標準[2]，對過 0.5 mm篩的土樣，利用光電式液塑限聯合測定儀測定土的界限含水率。

③根據步驟②所得的液塑限值，選取含水率5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%計算所需的水量，利用帶小型噴嘴的灑壺人工噴灑蒸餾水，人工配置土樣，裝入密封袋中，在保濕器中放置24 h直至水分分散均勻，備用。

④烘箱法試驗：依據國家土工試驗標準[2]，取配置土樣15～20 g，放入鋁盒內，蓋上盒蓋，稱盒加濕土的質量，精確至0.001 g。打開盒蓋，將盛樣盒置于烘箱內，在105 ℃恒溫條件下烘至恒量。將烘干的盛樣盒取出，蓋上盒蓋，放入干燥器中冷卻直至恒溫，稱盒加干土重量，精確至0.001 g。

⑤微波爐法試驗：根據美國規范[3]，另取配置土樣80～110 g放入瓷碗中，稱量瓷碗加濕土樣的質量。接通微波爐電源，將裝有濕土的瓷碗放入微波爐內，啟動微波爐，烘烤3 min后取出瓷碗，立刻稱取質量。借助短玻璃棒攪拌烘干土（不損失任何土）；然后放回微波爐繼續加熱1 min，重復4～6次，直至恒量，停止烘干試驗。記錄每次烘干后瓷碗加試樣的質量，精確至0.001 g。

3 實驗結果與分析

3.1 土樣的界限含水率

塑限和液限是決定土的含水狀態的重要參數，對含水率測定的方法選擇及測試精度有一定影響。本文對土樣的液塑限進行測定，測定結果列于表1。

根據土樣在塑性圖中的位置（見圖1)及土樣的塑性指數，參照土的分類標準[6－7]，將試驗土樣分為3組（見表1)：低塑性土（包括L1～L7），屬于低液限粉土ML；中塑性土（包括M1～M6），屬于低液限黏土CL及低液限粉土ML；高塑性土（包

圖1 所選土樣在塑性圖中的位置Fig.1 Position of soils in plasticity chart

3.2 液限對含水率測定結果的影響

根據土含水率的計算式（1）進行處理，得出兩種方法測定的含水率：

式中：w為土含水率(%)；mw為土中水的質量(g)；ms為干土質量(g)。

定義w1為烘箱法測定含水率，w2為微波爐法測定含水率，w1與w2的關系按 w2=aw1+b進行線性回歸分析（見表2）。圖2～5中，擬合直線表示烘箱法與微波爐法測定結果的關系，45°理想直線表示兩種方法所得結果完全一致，即w2=w1。圖2為低塑性土樣 L1～L7的試驗結果，可見兩條直線相距極小且基本平行，擬合直線的相關系數為0.996，線性關系為w2= 0.999w1+0.774，可見微波爐法測定結果與烘箱法測定結果相差小，且兩種方法間絕對差值最大值為 0.774%，滿足土工試驗標準[2]誤差小于2%的要求。

表2 兩種方法測定的含水率相關關系Table2 Correlation of moisture contents measured by two test methods

圖2 兩種方法測定ML土樣含水率關系圖Fig.2 Relationships of moisture content of ML soils measured by two methods

圖3為中塑性土樣M1～M6的試驗結果。與圖2相似，圖3中兩條直線相接近，微波爐法與烘箱法的測定結果線性相關；w2= 0.977w1+1.318，相關系數為0.996，可見對于中塑性土，微波爐法的測定結果接近于烘箱法所得結果。兩種方法間絕對差值最大值為 1.318%，滿足土工試驗標準[2]誤差小于2%的要求。圖 4為高塑性土樣 H1、H2的試驗結果。由圖可見，兩種方法測定結果線性相關：w2=0.993w1+1.817，相關系數為0.992。兩種方法間絕對差值最大值為1.817%，滿足土工試驗標準[2]誤差小于2%的要求。比較圖2～4發現，隨著土的塑性指數增大，即從低塑性向中、高塑性變化，微波爐法與烘箱法測定含水率的最大差值從+0.774%增大到+1.817%。

圖3 兩種方法測定ML-CL土樣含水率關系圖Fig.3 Relationships of moisture contents of ML-CL soils measured by two methods

圖4 兩種方法測定MH土樣含水率關系圖Fig.4 Relationships of moisture contents of MH soils measured by two methods

表2列出兩種測定含水率的擬合參數，參數a表示擬合直線的斜率，反映擬合直線與理想直線之間的平行關系；參數b表示兩種方法測定結果偏差最大值。由表可見，擬合直線與理想直線均接近平行，即a值均接近理想直線的斜率1.0，但隨著土的塑性的增大，兩條直線間的距離逐漸變大，相對應的b值變大，即兩種方法之間的絕對差值變大。其原因是，隨著塑性的增強，土樣中所含黏粒及親水性礦物的含量增多，土樣結合水膜厚度增大，相應的薄膜水（強結合水和弱結合水）就增加[11]。土中的強結合水只有加熱到120～230 ℃時才能脫去[12]。在烘箱法試驗中，強結合水不能被蒸發，而微波爐法測定中，2450 MHz的微波會使土樣中的水分子與微波同時以每秒24.5億次的頻率振蕩，造成分子之間相互摩擦，產生大量的熱[13]，隨著溫度的不斷升高，強結合水被氣化蒸發。由此可見，隨著土樣塑性的增強，土顆粒水膜持有的水量增加，當使用微波爐法加熱時，土樣中被蒸發的水量相應增加，即微波爐法較烘箱法測得的含水率的絕對偏差也隨之增大。

將微波爐法與烘箱法平行測定的103個數據結果進行統計分析發現，兩種方法獲得的103個數據樣本絕對差值服從正態分布N(0.96，0.64)，與理想情況（烘箱法）相比，微波爐法試驗結果的偏差是0.96%。因此，盡管隨著土樣塑性的增強，微波爐法與烘箱法之間的絕對差值變大，但絕對差值為1.92%，小于規范規定的最大試驗誤差2%。

3.3 含鹽量對含水率測定結果的影響

試驗使用的 15種土樣中包含了 4種含鹽土（L1、L2、L5、M5），它們屬于干旱區鹽漬土，每種土的具體含鹽量見表3。

表3 鹽漬土的天然含鹽量Table3 Natural salt contents of saline soils

圖5 兩種方法測定不同鹽漬土含水率關系圖Fig.5 Relationships of moisture contents of saline soils measured by two methods

圖5為微波爐法與烘箱法測定的含鹽土的含水率結果。由圖可以看出，對于含鹽土，兩種方法得到的結果十分接近，線性關系為：w2=1.018w1+0.472，相關系數為 0.996。此外，單獨對每種土的試驗結果進行線性擬合，擬合結果見表 4。表中顯示，4種鹽漬土微波爐法與烘箱法之間的試驗結果絕對差值最大值為 0.805%，最小值為 0.046%，不同含鹽量的土，兩種方法所得試驗結果盡管有一定的差值，但均低于1%，滿足土工試驗標準[2]誤差小于2%的要求。

表4 兩種方法測定鹽漬土的含水率相關關系Table4 Correlation of moisture contents of saline soils measured by two test methods

理論上講，含鹽土的含鹽量越大，土樣電導率越大，同等微波爐加熱條件下，相對應的土的溫度越高，水分蒸發速度就越快[14－15]。隨著水分的蒸發，鹽分被析出以固體形式存在于土中。鹽漬土中的鹽分熔點均在700 ℃以上，本試驗中使用中高檔火力，其控制溫度低于300 ℃[16]，被析出的鹽分不會被升華而損失。因此，含鹽量越高，水分的蒸發速度會加快，但不會影響最終的含水率測定結果。

3.4 平行測定誤差

為了評價微波爐法測定含水率試驗的再現性，本文選擇了3種不同液限的土樣（表1中的土樣L1、L7、H1）進行平行試驗，分析平行試驗之間的相對誤差。將土樣放入烘箱中 105℃烘干，然后人工配置成3種不同的含水率，即5%、15%和 30%，將配置成的每種試樣分成平行的2份，每份又分為平行的5組，其中一份用于烘箱法，另一份用于微波爐法。

微波爐法所測9組平行試驗中，其平行差值均值為 0.65%，每組試驗差值最大為1.61%；而烘箱法所得的平行差值均值為 0.44%，每組試驗差值最大為0.84%，見圖6～8。圖中同組平行試驗所測結果，以最大、最小及平均值示出。

從圖 6～8可見，微波爐法測定土含水率的平行度略低于烘箱法，這可能是因為微波爐加熱時無法控制試樣內部的溫度引起的。但從前述的絕對差判斷，微波爐法測定結果能滿足土工試驗標準[2]誤差小于 2%的要求，且具有體積小、重量輕、測定時間快速等特點，在現場測量中更具有優勢。

4 微波爐法在土遺址保護中的應用

圖6 土樣L1平行試驗結果Fig.6 Comparison of parallel test results for soil L1

圖7 土樣L7平行試驗結果Fig.7 Comparison of parallel test results for soil L7

圖8 土樣H1平行試驗結果Fig.8 Comparison of parallel test results for soil H1

南京大報恩寺地宮發現后，出土了很多極其珍貴的文物。由于受雨水和地下水的影響，開挖后地宮內出現積水情況，地宮壁表面局部出現坍塌、開裂、剝離等病害。為了快速確定地宮土樣的含水率，制定應急保護對策，現場使用微波爐法測定了不同層位土樣的含水率，測定結果見圖9。從圖中可見，當埋深小于2 m的范圍內，隨埋深增大，土樣含水率從23.11%降低到20.67%；當埋深超過2 m之后，土樣含水率隨埋深增大持續升高。這說明，埋深2 m范圍之內地層的含水率主要受大氣降水的控制，埋深2 m之下主要受局部地下水毛細上升的控制。該結果為快速制定地宮的保護方案奠定了基礎。

圖9 微波爐法測定地宮土樣含水率Fig.9 Moisture contents of the underground palace soils measured by microwave drying method

本次使用微波爐法測定遺址土含水率，其測定結果均符合規范誤差不大于 2%的要求。我國土遺址大多處于偏遠地帶，若使用烘箱法測定，在土樣搬運回實驗室的過程中，難免會造成土樣水分的散失，且測定時間較長。相反，在遺址保護現場使用微波爐法測定遺址土的含水率，不僅能夠滿足精度要求，而且具有快速、方便的技術優勢。

5 結 論

（1）對于液限在16.21%～38.73%范圍的土樣而言，微波爐法測定的含水率比標準烘箱法測定的結果系統偏高，最大離差值為1.817%，滿足試驗誤差小于2%的國標要求。

（2）土中含鹽量越多，微波爐加熱時土的增溫越快，水分蒸發也越快。對含鹽0.341%～0.579%的土樣，含鹽量變化影響微波爐法測定的最終含水率結果。

（3）對于西北偏遠地區典型土遺址，微波爐測定土的含水率盡管會受到土的界限含水率及含鹽量的干擾，但誤差值都在規范規定的試驗誤差范圍之內。

（4）微波爐體積小、重量輕、使用便捷，測定遺址土的含水率準確、可靠，可以替代烘箱推廣使用。

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