微波炉法测定遗址土含水率的可靠性研究

张虎元，张秋霞，李 敏

（1. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室,兰州 730000；2. 兰州大学 土木工程与力学学院，兰州 730000）

1 引 言

遗址是遗存的历史上人类文化活动场所，遗存主体为土质者称为土遗址。土遗址具有科学性、历史性、艺术性、不可再生性，一旦破坏，就成为永久性损失[1]。土遗址疏松、脆弱，受自然环境影响很大，保护难度很大。经历千百年的风化、风蚀及雨蚀，土遗址表面出现剥离、开裂、坍塌等病害，这些病害与遗址土含水率密切相关。

土遗址一般位于较为偏远的地区，用传统的烘干法测定含水率，需要将试样搬运至实验室，此过程中会引起水分散发，因此，遗址土含水率最好在现场快速测定。岩土工程中测定土含水率的方法很多，常用的有：烘箱烘干法、酒精燃烧法、砂土炒干法。经典方法为烘箱烘干法，此方法技术成熟，测定结果准确度高。依据国家土工试验标准[2]，烘箱烘干法 105～110 ℃采用恒温烘干土样，要求砂类土烘干时间不得少于 6 h，黏性土烘干时间不得少于8 h。此法适用于粗细土、细粒土、有机质土和冻土，是目前测定土含水率的标准方法，由于烘箱体积和重量都较大，且测定时间较长，不能满足现场测试快速便捷的要求。

微波干燥技术起源于20世纪40年代，随着技术条件的进步，已经广泛应用于轻工业、食品工业、农业和农产品加工等领域中。相对于烘箱，微波炉具有体积小，重量轻，搬运方便的特点。1970年代初，国外开始研究用微波炉法测定土的含水率。微波炉法测定土含水率于 1987年正式列入美国ASTMD试验标准[3]，1988年被应用于现场施工工程[4－5]。我国于 20世纪70～80年代对此方法进行了初步研究，但到目前为止，还未建立标准规范。

本文选取了 15种土样，测定土样界限含水率和易溶盐含量的基础后，分别用烘箱法和微波炉法测定土的含水率，对两种方法所得结果进行对比，分析微波炉法测定遗址土含水率的适用性和可靠性。

2 试验操作

2.1 试验器材

试验设备有 Galanz微波炉(型号 P70D20TLD4)，输出功率为700 W，微波频率为2450 MHz、外形尺寸为262 mm×452 mm×365 mm。GZX－9240数显鼓风干燥箱，试验时将烘箱温度设置为105 ℃。FG－Ⅲ型光电式液塑限联合测定仪，包括带标尺的圆锥仪、电磁装置、显示屏、控制开关和试样杯，圆锥质量为76 g，圆锥角度30°，试样杯内径为40 mm，高度为30 mm。天平量程为420 g，最小分度值为0.001 g，其他包括筛（孔径0.5、2 mm）、瓷碗、铝盒、量筒、玻璃棒等。

2.2 试验材料

试验用土取自15个地点，11个来自不同的土遗址，另外，追加4个试样（兰州黄土和新疆盐渍土）进行对比，土样的具体特征见表1。

表1 土样的基本性质Table1 Basic properties of soils used

2.3 试验步骤

①将15种土样放入烘箱105℃条件下烘干，过0.5 mm及2 mm筛，放入密封袋中备用。

②依据国家土工试验标准[2]，对过 0.5 mm筛的土样，利用光电式液塑限联合测定仪测定土的界限含水率。

③根据步骤②所得的液塑限值，选取含水率5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%计算所需的水量，利用带小型喷嘴的洒壶人工喷洒蒸馏水，人工配置土样，装入密封袋中，在保湿器中放置24 h直至水分分散均匀，备用。

④烘箱法试验：依据国家土工试验标准[2]，取配置土样15～20 g，放入铝盒内，盖上盒盖，称盒加湿土的质量，精确至0.001 g。打开盒盖，将盛样盒置于烘箱内，在105 ℃恒温条件下烘至恒量。将烘干的盛样盒取出，盖上盒盖，放入干燥器中冷却直至恒温，称盒加干土重量，精确至0.001 g。

⑤微波炉法试验：根据美国规范[3]，另取配置土样80～110 g放入瓷碗中，称量瓷碗加湿土样的质量。接通微波炉电源，将装有湿土的瓷碗放入微波炉内，启动微波炉，烘烤3 min后取出瓷碗，立刻称取质量。借助短玻璃棒搅拌烘干土（不损失任何土）；然后放回微波炉继续加热1 min，重复4～6次，直至恒量，停止烘干试验。记录每次烘干后瓷碗加试样的质量，精确至0.001 g。

3 实验结果与分析

3.1 土样的界限含水率

塑限和液限是决定土的含水状态的重要参数，对含水率测定的方法选择及测试精度有一定影响。本文对土样的液塑限进行测定，测定结果列于表1。

根据土样在塑性图中的位置（见图1)及土样的塑性指数，参照土的分类标准[6－7]，将试验土样分为3组（见表1)：低塑性土（包括L1～L7），属于低液限粉土ML；中塑性土（包括M1～M6），属于低液限黏土CL及低液限粉土ML；高塑性土（包

图1 所选土样在塑性图中的位置Fig.1 Position of soils in plasticity chart

3.2 液限对含水率测定结果的影响

根据土含水率的计算式（1）进行处理，得出两种方法测定的含水率：

式中：w为土含水率(%)；mw为土中水的质量(g)；ms为干土质量(g)。

定义w1为烘箱法测定含水率，w2为微波炉法测定含水率，w1与w2的关系按 w2=aw1+b进行线性回归分析（见表2）。图2～5中，拟合直线表示烘箱法与微波炉法测定结果的关系，45°理想直线表示两种方法所得结果完全一致，即w2=w1。图2为低塑性土样 L1～L7的试验结果，可见两条直线相距极小且基本平行，拟合直线的相关系数为0.996，线性关系为w2= 0.999w1+0.774，可见微波炉法测定结果与烘箱法测定结果相差小，且两种方法间绝对差值最大值为 0.774%，满足土工试验标准[2]误差小于2%的要求。

表2 两种方法测定的含水率相关关系Table2 Correlation of moisture contents measured by two test methods

图2 两种方法测定ML土样含水率关系图Fig.2 Relationships of moisture content of ML soils measured by two methods

图3为中塑性土样M1～M6的试验结果。与图2相似，图3中两条直线相接近，微波炉法与烘箱法的测定结果线性相关；w2= 0.977w1+1.318，相关系数为0.996，可见对于中塑性土，微波炉法的测定结果接近于烘箱法所得结果。两种方法间绝对差值最大值为 1.318%，满足土工试验标准[2]误差小于2%的要求。图 4为高塑性土样 H1、H2的试验结果。由图可见，两种方法测定结果线性相关：w2=0.993w1+1.817，相关系数为0.992。两种方法间绝对差值最大值为1.817%，满足土工试验标准[2]误差小于2%的要求。比较图2～4发现，随着土的塑性指数增大，即从低塑性向中、高塑性变化，微波炉法与烘箱法测定含水率的最大差值从+0.774%增大到+1.817%。

图3 两种方法测定ML-CL土样含水率关系图Fig.3 Relationships of moisture contents of ML-CL soils measured by two methods

图4 两种方法测定MH土样含水率关系图Fig.4 Relationships of moisture contents of MH soils measured by two methods

表2列出两种测定含水率的拟合参数，参数a表示拟合直线的斜率，反映拟合直线与理想直线之间的平行关系；参数b表示两种方法测定结果偏差最大值。由表可见，拟合直线与理想直线均接近平行，即a值均接近理想直线的斜率1.0，但随着土的塑性的增大，两条直线间的距离逐渐变大，相对应的b值变大，即两种方法之间的绝对差值变大。其原因是，随着塑性的增强，土样中所含黏粒及亲水性矿物的含量增多，土样结合水膜厚度增大，相应的薄膜水（强结合水和弱结合水）就增加[11]。土中的强结合水只有加热到120～230 ℃时才能脱去[12]。在烘箱法试验中，强结合水不能被蒸发，而微波炉法测定中，2450 MHz的微波会使土样中的水分子与微波同时以每秒24.5亿次的频率振荡，造成分子之间相互摩擦，产生大量的热[13]，随着温度的不断升高，强结合水被气化蒸发。由此可见，随着土样塑性的增强，土颗粒水膜持有的水量增加，当使用微波炉法加热时，土样中被蒸发的水量相应增加，即微波炉法较烘箱法测得的含水率的绝对偏差也随之增大。

将微波炉法与烘箱法平行测定的103个数据结果进行统计分析发现，两种方法获得的103个数据样本绝对差值服从正态分布N(0.96，0.64)，与理想情况（烘箱法）相比，微波炉法试验结果的偏差是0.96%。因此，尽管随着土样塑性的增强，微波炉法与烘箱法之间的绝对差值变大，但绝对差值为1.92%，小于规范规定的最大试验误差2%。

3.3 含盐量对含水率测定结果的影响

试验使用的 15种土样中包含了 4种含盐土（L1、L2、L5、M5），它们属于干旱区盐渍土，每种土的具体含盐量见表3。

表3 盐渍土的天然含盐量Table3 Natural salt contents of saline soils

图5 两种方法测定不同盐渍土含水率关系图Fig.5 Relationships of moisture contents of saline soils measured by two methods

图5为微波炉法与烘箱法测定的含盐土的含水率结果。由图可以看出，对于含盐土，两种方法得到的结果十分接近，线性关系为：w2=1.018w1+0.472，相关系数为 0.996。此外，单独对每种土的试验结果进行线性拟合，拟合结果见表 4。表中显示，4种盐渍土微波炉法与烘箱法之间的试验结果绝对差值最大值为 0.805%，最小值为 0.046%，不同含盐量的土，两种方法所得试验结果尽管有一定的差值，但均低于1%，满足土工试验标准[2]误差小于2%的要求。

表4 两种方法测定盐渍土的含水率相关关系Table4 Correlation of moisture contents of saline soils measured by two test methods

理论上讲，含盐土的含盐量越大，土样电导率越大，同等微波炉加热条件下，相对应的土的温度越高，水分蒸发速度就越快[14－15]。随着水分的蒸发，盐分被析出以固体形式存在于土中。盐渍土中的盐分熔点均在700 ℃以上，本试验中使用中高档火力，其控制温度低于300 ℃[16]，被析出的盐分不会被升华而损失。因此，含盐量越高，水分的蒸发速度会加快，但不会影响最终的含水率测定结果。

3.4 平行测定误差

为了评价微波炉法测定含水率试验的再现性，本文选择了3种不同液限的土样（表1中的土样L1、L7、H1）进行平行试验，分析平行试验之间的相对误差。将土样放入烘箱中 105℃烘干，然后人工配置成3种不同的含水率，即5%、15%和 30%，将配置成的每种试样分成平行的2份，每份又分为平行的5组，其中一份用于烘箱法，另一份用于微波炉法。

微波炉法所测9组平行试验中，其平行差值均值为 0.65%，每组试验差值最大为1.61%；而烘箱法所得的平行差值均值为 0.44%，每组试验差值最大为0.84%，见图6～8。图中同组平行试验所测结果，以最大、最小及平均值示出。

从图 6～8可见，微波炉法测定土含水率的平行度略低于烘箱法，这可能是因为微波炉加热时无法控制试样内部的温度引起的。但从前述的绝对差判断，微波炉法测定结果能满足土工试验标准[2]误差小于 2%的要求，且具有体积小、重量轻、测定时间快速等特点，在现场测量中更具有优势。

4 微波炉法在土遗址保护中的应用

图6 土样L1平行试验结果Fig.6 Comparison of parallel test results for soil L1

图7 土样L7平行试验结果Fig.7 Comparison of parallel test results for soil L7

图8 土样H1平行试验结果Fig.8 Comparison of parallel test results for soil H1

南京大报恩寺地宫发现后，出土了很多极其珍贵的文物。由于受雨水和地下水的影响，开挖后地宫内出现积水情况，地宫壁表面局部出现坍塌、开裂、剥离等病害。为了快速确定地宫土样的含水率，制定应急保护对策，现场使用微波炉法测定了不同层位土样的含水率，测定结果见图9。从图中可见，当埋深小于2 m的范围内，随埋深增大，土样含水率从23.11%降低到20.67%；当埋深超过2 m之后，土样含水率随埋深增大持续升高。这说明，埋深2 m范围之内地层的含水率主要受大气降水的控制，埋深2 m之下主要受局部地下水毛细上升的控制。该结果为快速制定地宫的保护方案奠定了基础。

图9 微波炉法测定地宫土样含水率Fig.9 Moisture contents of the underground palace soils measured by microwave drying method

本次使用微波炉法测定遗址土含水率，其测定结果均符合规范误差不大于 2%的要求。我国土遗址大多处于偏远地带，若使用烘箱法测定，在土样搬运回实验室的过程中，难免会造成土样水分的散失，且测定时间较长。相反，在遗址保护现场使用微波炉法测定遗址土的含水率，不仅能够满足精度要求，而且具有快速、方便的技术优势。

5 结 论

（1）对于液限在16.21%～38.73%范围的土样而言，微波炉法测定的含水率比标准烘箱法测定的结果系统偏高，最大离差值为1.817%，满足试验误差小于2%的国标要求。

（2）土中含盐量越多，微波炉加热时土的增温越快，水分蒸发也越快。对含盐0.341%～0.579%的土样，含盐量变化影响微波炉法测定的最终含水率结果。

（3）对于西北偏远地区典型土遗址，微波炉测定土的含水率尽管会受到土的界限含水率及含盐量的干扰，但误差值都在规范规定的试验误差范围之内。

（4）微波炉体积小、重量轻、使用便捷，测定遗址土的含水率准确、可靠，可以替代烘箱推广使用。

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