微波照射后玄武岩损伤机理试验研究

2020-04-22贠菲菲徐水林薛贵堂

科学技术与工程 2020年7期

戴俊，贠菲菲，徐水林，杨凡，薛贵堂

(西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054)

在采矿、隧道掘进、地下工程开挖等一些实际开挖建设工程中，最常用的办法是爆破法和机械破岩法[1]。无论是爆破法还是机械破岩法都有其无可避免的缺陷。爆破法对围岩产生较大的扰动，机械破岩法在岩石强度较高的情况下对机械的磨损较大。因此，为了更好地解决以上问题，微波辅助机械破岩技术应运而生[2]。目前，对微波辅助机械破岩这一新兴技术进行了研究，如国外的Hassani等[3-4]、Meisels等[5]、Hartlieb等[6]和中国的文献[7-12]都进行探索并取得了研究成果，研究表明：微波加热岩石时，增加微波功率、照射时间均能提高作用效果。岩石内部的吸热介质会吸收微波能并将其转化为热能，引起热效应，从而产生应力，当试样内产生的热应力超过强度极限时，试样就会破坏。戴俊等[13]对微波照射后的岩石采用三种冷却方式：自然冷却、洒水冷却和水流冲击冷却，结果表明：当采用水流冲击法冷却时，岩石表面温度降低最快，抗压强度降低最多。戴俊等[14]对比分析了5种加热方式对玄武岩试件损伤特性的影响。结果表明：在能量消耗相同的情况下，采用“间断照射+间断区间喷水冷却”的方式时玄武岩试件损伤程度最严重。关于微波非连续加热研究较少,为了更深入地认识微波辅助破岩，实现安全高效的机械破岩，首先从试验出发，探究微波循环照射下岩石力学性能变化规律。

现在已有研究基础上，对比连续加热与循环加热方式对试件强度影响程度，以内蒙古赤峰地区的玄武岩为研究对象，采用不同微波照射参数，水流冲击冷却方式并结合超声波检测、巴西圆盘劈裂试验，研究不同微波照射方式对岩石强度弱化程度。

1 试验概况

1.1 试验设备

试验采用专用的工业微波炉作为发生器，工业微波炉由南京澳润微波科技有限公司自行设计生产的，其额定工作电压为380 V，微波输出频率2 450 MHz，输出功率范围在0～10 kW无级可调；纵波波速检测设备为北京康科瑞工程检测技术有限公司生产的NM-4B非金属超声检测分析仪；抗拉试验中使用的设备是DDL600型落地式电子万能试验机，实验时按0.6 mm/min的速率恒定加载。

1.2 试验试样

试样所用的玄武岩产地为中国内蒙古赤峰地区，其质地均匀，颗粒致密，对微波响应显著。对采购的玄武岩石板加工成Φ50 mm×25 mm的标准试件，先剔除外观有缺陷或存在明显差异的试件，通过声波检测仪测定试件的纵波波速，筛选波速相近的试件作为试验岩样。试样制作好在试验室风干后，进行纵波波速、密度、巴西圆盘劈裂试验，测试结果见表1。

表1 玄武岩试样基本参数

1.3 试验方法

设置2种加热方式对玄武岩试样进行微波辐射：①连续照射：设定功率分别为900、1 300、2 000 W，连续照射时间分别为2、3 min，照射后将试件置于流动的自来水中进行冷却处理；②循环照射：设定功率分别为900、1 300、2 000 W，循环照射总时间有2 min(循环次数为2次和4次)和3 min(循环次数为2次和3次)，每次照射时间为总时间按循环次数均分。其中，在循环照射间歇内，将试件置于流动的自来水中进行冷却处理，待试件温度恢复至室温、外观恢复至干燥时颜色(由黑色至深灰色)后，再进行下一次的循环照射。

试样共57个，分为19组，随机选1组作为对照组，不进行微波照射处理，直接测定其波速和抗拉强度值。其中循环照射12组，连续照射6组。试样加热后采用冲水冷却至室温，进行纵波波速测试和巴西圆盘劈裂试验，每个试验参数进行3次重复试验，以避免试验的离散性，取3次试验强度的平均值作为该组试件经微波照射后的平均抗拉强度。

2 试验结果

2.1 微波照射后玄武岩外观形态变化

微波照射后试件外观形态如图1所示，限于篇幅，这里只给出部分试验后试件外观图。

图1 不同微波参数照射后试件外观形态变化Fig.1 Changes of specimens appearance and morphology after irradiation with different microwave parameters

从图1中可见，微波照射后，试件表面均产生了不同程度的裂纹，说明玄武岩试件具有相对敏感的吸波矿物，不同参数条件下，经微波处理后，玄武岩试件颜色变白，大多在垂直于试件端面沿轴线处有一条比较明显的主裂纹，在该裂纹两侧和两头会继续衍生出其他较小的微裂隙。

在900 W功率下连续照射2 min[图1(a)]后，试件外表面仅产生了一条微小的主裂缝和少许分叉裂隙，照射后的试件外观变化较小，说明此微波参数条件下，微波辐射能对玄武岩的损伤裂化作用较小；而在2 000 W功率下连续照射3 min[图1(b)]后，试件表面各裂隙已汇合贯通为一条清晰可见的纵深裂缝，且外观变化较大，说明提高微波功率和照射时间可增强对试件的损伤破坏。

再比较观察2 000 W功率下连续照射3 min[图1(b)]以及同样在2 000 W功率下等分2次循环累计照射3 min[图1(c)]后的试件外观图进行对比，图1(b)较图1(c)试件颜色更加灰白，说明循环照射与连续照射方式对试件损伤程度不同。根据文献[14]分析可知，在循环照射试验中，因为冷却过程中对试件喷水，使得二次加热阶段开始时仍有部分水分残留在试件中，水分蒸发吸热使得温度增加稍慢。与连续加热相比循环加热在温度控制上更加合理。连续照射后试件表面的巨大温差使得试件表面更为灰白。在该两种参数条件下，照射后的试件外表面上均产生了显著的纵深主裂纹，说明该参数条件下微波照射效果明显。

2.2 微波照射后玄武岩的波速变化

微波辐射前后的波速变化情况如图2所示，纵波波速在微波辐射后都有所下降，但下降程度不同。

图2 微波照射前后玄武岩超声波波速差值变化规律Fig.2 The variation of ultrasonic wave velocity difference of basalt before and after microwave irradiation

在照射总时间为2 min[图2(a)]中，照射功率为900 W，循环次数0次、2次和4次时，波速分别下降了29.3%、24.3%和10.5%；功率为1 300 W，波速分别下降了33.5%、27.0%和19.3%；照射功率为2 000 W，波速分别下降了41.1%、59.2%和64.9%。可见，微波功率越高，波速下降程度越明显。在低功率微波照射时，随着循环次数的增加，波速下降的程度降低；在高功率微波照射时，随着循环次数的增加，波速下降程度增大。

在照射总时间为3 min[图2(b)]中，照射功率为900 W，循环次数0次、2次和3次时，波速分别下降了42.1%、37.2%和36.8%；功率为1 300 W，波速分别下降了52.2%、40.2%和56.7%；照射功率为2 000 W，波速分别下降了54.7%、59.0%和62.5%。可见，随着辐射时间的增加，波速下降程度明显，试样内部产生的损伤随时间增加而增加。在功率为900、2 000 W时，波速的变化情况与前面一致，而在功率为1 300 W时，循环4次的波速低于循环2次的波速，说明此时循环照射模式已经初显效果。

2.3 微波照射后玄武岩的抗拉强度变化

由图3可知，经微波照射后的玄武岩，其抗拉强度较之未经微波照射过的玄武岩，都有较大幅度的降低。当微波功率为900 W，且照射累计时间相同时，分多次循环照射后的强度弱化效果反而不如连续照射的效果来得明显，循环的次数越多，试件抗拉强度下降得越少。这和波速变化情况一致。

图3 玄武岩不同照射参数下的强度变化Fig.3 Intensity variation of basalt specimens under different microwave irradiation parameters

由图3(a)可见，当微波功率为1 300 W，累计照射时间为2 min时，就微波对玄武岩抗拉强度的弱化效果，循环照射仍然不如连续照射，且循环次数越多其效果越差。

由图3(b)可见，当微波功率为1 300 W，累计照射时间3 min时，微波循环次数越多，其对岩石抗拉强度的损伤作用越强，例如，连续照射3 min后的抗拉强度低于分2次循环照射后的抗拉强度却高于分3次循环照射后的抗拉强度，说明此时微波循环照射加载模式已经初显功效。当微波功率达到2 000 W时，玄武岩经循环照射后的抗拉强度已全部低于连续照射后的试件强度，而且分4次循环照射总时间为2 min的试件强度甚至低于分3次循环照射总时间为3 min的试件强度，说明此时微波循环照射加载模式的优势已经完全显现，甚至超越了微波输入总能量不等的差距。

2.4 定义并计算各种微波参数下的损伤变量

现定义经微波照射过的玄武岩试件的抗拉强度与未经微波照射过的玄武岩试件的抗拉强度的比值为连续性因子或连续度，则可得损伤变量或损伤度的表达式如下：

(1)

式(1)中:D为玄武岩试件的损伤变量；σt为经微波照射后玄武岩试件的抗拉强度；σ0为未经微波照射过玄武岩试件的抗拉强度。

由抗拉强度整理计算得到不同微波参数下试样的损伤变量，如图4所示可以定量反映试件的损伤程度。

凡经微波照射过的玄武岩试件内部均有一定损伤，微波辐射时的照射参数不同，对应玄武岩试件产生损伤的大小也不同。在900 W功率、照射总时间2 min、等分循环照射4次时，其损伤变量最小，几乎可视为未产生损伤效应；在2 000 W功率、总照射时间依然2 min、等分循环照射4次时，其损伤变量最大。

可以看到：当低功率短时间照射时，微波辐射对玄武岩的损伤效果甚微，且循环照射效果尚不如连续照射效果来得明显；随着微波功率变大，微波对玄武岩的损伤效应逐渐突显，损伤变量有着明显的增幅，这些与波速、抗拉强度部分所分析的结果也是完全一致的；当微波功率较高时，随着循环次数的增加，损伤变量增幅近乎水平，出现损伤饱和的现象，这可能是岩石本身的各项物理性能所限制的结果。从上述的试验结果可以清晰地知道，提高微波功率、增加循环次数是增强微波损伤岩石的有效手段。

3 试验结果分析

岩石中矿物质在微波加热过程中升温速率不同，吸波矿物吸收能量，使温度不断升高，与周围的透波矿物形成温度差，产生温度应力。随着照射时间的增加，温度应力逐渐增大，超过颗粒之间的黏结力，岩石开始形成裂缝。结合实验结果，微波辐射对岩石损伤的影响可总结如下。

(1)微波照射后，对岩石进行冲水冷却时，水流在试件表面漫流，岩石表面体积迅速收缩，表面出现微裂纹，同时水渗入岩石内部，内部较高的温度导致水分汽化并产生压力作用于周围结构，微裂纹不断扩展贯通，直到岩样温度接近室温，整个过程进行较快。

(2)在微波加热后，岩石内部处于高温环境下，玄武岩试样内部水分迅速被蒸发，转化为气态，导致体积增大，水蒸气压力会使岩石出现微裂隙；其次，在微波照射后对岩石试件进行冲水的处理，一来水在高温下气化形成的蒸汽压力会扩张、贯通微小裂隙，还会使得试件表面的裂纹在水痕的作用下全部显现出来，起到放大试验现象的效果；二来高温岩石试件在水中骤冷，岩石试件更易变形开裂，试件温度也迅速得到冷却，在循环照射试验中，可以有效地节省试验时间、加快试验过程。

(3)功率越高，波速、抗拉强度降低得越快，说明采用高功率微波更有利于岩石破碎。冲水冷却后的试件在下一次的微波照射中，因已产生的裂隙中含有强极性物质——水，这会导致岩石试件大量吸收微波能量并在其内部形成高温环境，继而在水气压力和温度应力的共同作用下致使岩石内产生裂隙，造成强度损伤，如此循环重复，便使得循环照射后的岩石试件内损伤不断加剧累加，促进了微波对岩石的损伤弱化作用。