微波照射后花岗岩裂纹扩展规律试验研究

戴 俊，王羽亮，李 涛

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)

随着深部采矿技术的发展，微波辅助破岩技术受到广泛关注。该技术利用微波照射岩石，使岩体内部产生热应力差，降低岩石强度，能够减少机械开挖硬岩时刀盘上刀头的磨损，延长机械使用寿命，极大降低成本，具有良好的发展前景。

目前，国内外许多学者已经对此进行了研究。王湘云等[1]报道了197块岩石标本的相对介电常数的测量结果，揭示了相对介电常数随微波频率的变化规律，讨论了相对介电常数与岩石类型、密度、结构和化学成分的关系。戴俊等[2-5]在微波照射对岩石强度的影响方面进行研究，结果表明，通过改变微波的强度和时间，能够有效地对岩石进行破碎，有助于微波辅助机械破碎岩石方法的实现。秦立科等[6，7]对岩石的细观损伤进行了数值模拟分析，表明了在微波照射下，岩石颗粒既有拉伸屈服也有剪切屈服，对岩石在微波照射后的微观形态有了初步认识；Thomas Peinsitt等[8，9]研究了微波照射下水对岩石的影响，得出了玄武岩受水分影响较小，而砂岩中含水率不同，获得的结果差异最大的结论；Hassani F等[10-12]于综合试验室初步研究了岩石试件表面温度与微波发射源距离的关系，得到结论表明试件表面的升温速率均随试件与微波发射源距离的增大而线性减小。李勇等[13]讨论了微波功率和时间对温度场的影响，表明了岩石颗粒最高温度相同时，

微波加热功率与时间成反比。众多学者在该领域已取得了多方面的成果，但对裂隙形成等方面的细观研究提及较少，而硬岩裂隙的形成和扩展规律是研究岩石损伤机理的重要内容。因此，本文以花岗岩作为研究对象，利用扫描电镜(SEM)设备对微波照射及单轴抗压强度测试后的试件的断口形貌及裂纹类型进行扫描观测，并分析其成因，为后续研究提供参考。

1 试验安排

1.1 试验设备

1) 工业大功率微波系统。负责进行微波照射的大功率微波系统为本次试验的核心设备之一，此系统产自南京澳润微波制备厂，额定功率为220V，其可调微波照射功率为0～10kW。微波系统主要分为4个部分，分别为微波腔体、控制系统、微波发生器以及监控系统，其中微波腔体为多模谐振腔体，能够较好地反射微波，保证照射的全面性。控制系统和监控系统两者结合，确保试验的安全性，当发生试验意外时，监控系统会读取异常信息反应至控制系统，使操作人员能够及时解决问题。微波发生器的形状酷似金字塔型，此结构能够使微波较为均匀地向下发射。工业大功率微波系统如图1所示。

图1 工业大功率微波炉

2)新型数字化扫描电镜设备(SEM试验机)。通过电镜扫描设备观察到断口的形状以及裂隙的类型，并由此研究微波照射下硬岩裂隙的形成和扩展规律。

3)双面打磨机、切割机、自动取芯机、玻璃干燥器、电子秤、RFP-09型智能测力仪、超声波测速仪等辅助进行试验。

1.2 试样

图2 50mm×100mm标准花岗岩试件

1.3 试验步骤

将所有试件放入玻璃干燥器中放置48h，保证试件的初始状态为实验室自然含水状态。通过超声波测速仪进行基础探伤，将波速相近的归为一组，随机选取一组试件作为对照组，将剩余3组试件依据所设计的微波照射条件分为功率2kW、 4kW、6kW共3种，并分别进行微波照射。微波照射完成后使试件自然冷却，之后进行单轴抗压强度测试。选择断口微裂隙明显的试件，将其表面杂质清理干净，并从其上部、中部和下部分别取一块大小合适形状合理的断口表面，同时对其进行编号。之后利用镀金抽空设备对断口表面进行镀金属Pt，最后通过SEM试验机进行电镜扫描，观察细观图像。

2 试验结果分析

2.1 微波照射及单轴压缩试验后花岗岩宏观裂纹结果

在3种不同功率的微波照射及抗压试验后，试件均有裂纹产生。从外表面观测，由于花岗岩质地坚硬且力学强度较高，较低功率的微波照射并未产生足够的热应力致使试件表面出现肉眼可见的明显裂纹，在单轴抗压试验后，试件的强度较对照组出现降低现象，但裂纹的形式仍以竖向出现的劈裂破坏及斜向的剪切破坏为主，且破坏岩体较为完整，与对照组相类似，说明此次岩石破坏主要受单轴抗压试验的影响，低功率微波照射并不能对岩石表面宏观裂隙的产生起到决定性的作用。高功率微波照射下，试件表面颜色变浅，并出现闪亮物质，出现径向张裂纹，且部分试件出现熔融现象，冷却后为纯黑色物质。分析现象出现的原因为花岗岩试件主要由石英、斜长石、微斜长石、黑云母以及部分角闪石和磁铁矿组成，长石类矿物熔点较低，在微波照射下晶体颗粒熔化并向外流出。与此同时，试件内部矿物颗粒受热胀冷缩原理影响不断受热膨胀，从而产生的膨胀压力造成了裂缝的扩展，反映在试件表面则出现张性裂纹。高功率照射下花岗岩试件裂纹形状如图3所示。

图3 6kW照射下花岗岩熔融及裂纹示意图

将部分整体形态保持完好的试件进行抗压强度试验，发现试件上部出现粉末状破碎，且外表面剥落现象严重，说明在高功率照射下，试件外表面结构完全破坏，岩石已经失去了本身的强度。这也说明了在微波照射下，试件外围产生的温度梯度要高于内部，破坏效果也略强于内部。岩石微波照射及单轴压缩试验后宏观裂纹如图4所示。

图4 微波照射及单轴压缩试验后试件宏观裂纹示意图

2.2 微波照射及单轴压缩试验后花岗岩微观断口形貌特征

通过SEM电镜扫描可观测得到花岗岩断口处微裂隙主要为晶体间断裂与晶体内部断裂。分析其产生的原因为：所生成的微裂隙中，除了岩石自身存在的节理面外，还受微波照射以及单轴压缩试验等的影响，总体可归纳为3类，分别为微波照射参数大小；岩石矿物的矿物组成；单轴试验的加载方式及加载速度。在高功率的微波照射下，试件内部吸波矿物质吸收大量的微波，进而将这种微波以热能的形式散发出去，这种热所导致的高温将会与不吸波物质之间产生一个较大的温度梯度，从而产生较强的热应力导致了试件内部矿物晶体结晶面产生张拉应力，致使晶体内部出现条纹状断裂[15]，与此同时，单轴压缩试验的竖向压力会使晶体受到压应力的作用，导致了压裂纹的出现，这种压裂纹表现为晶体内部面状断裂；除此之外，过高的温度使试件中长石类矿物出现熔解现象，导致部分空隙的产生，而另一部分矿物未到达其熔点，因此受热胀冷缩效应的影响出现膨胀现象，这种晶体间的膨胀不均匀加之水分蒸发与空气膨胀以及单轴压缩试验造成的晶体间的剪切滑移错动共同导致了晶体间条状断裂。在SEM电镜扫描下对花岗岩裂隙放大5000倍观测，可得花岗岩的裂纹断口形貌主要为较为平坦的面状裂纹及条纹状裂纹。岩石微波照射及单轴压缩试验后断口微观形貌如图5所示。

图5 微波照射及单轴压缩试验后 花岗岩试件断口微观形貌示意图

2.3 微波照射及单轴压缩试验后花岗岩微观裂隙类型和断裂模型

利用SEM扫描电镜可以全面地观察花岗岩裂隙形貌特征，并由此分析其裂隙类型和断裂模型，研究其产生原因。通过观察花岗岩在2000倍、5000倍放大下的裂纹形状，可得出花岗岩在微波照射及单轴压缩试验后的裂纹类型多为张性裂纹及压剪性裂纹，裂纹断裂模型的建立是在裂隙发展的基础上逐渐形成的，通过分析总结，花岗岩断裂的模型可大致归纳为以下三类，包括穿晶断裂、沿晶断裂以及二者叠加，具体情况如图6所示。分析其产生的原因为花岗岩在微波照射下，各矿物之间由于吸波能力具有差异进而出现受热膨胀不均匀的现象，因此不同张拉应力的产生导致了晶体内部张性裂纹的出现，造成了穿晶断裂；此外，由于相邻两种矿物热膨胀不均匀，产生了不同的热应力，因此矿物与矿物之间也受到了力的作用，当这种力达到一定程度后，两种不同的晶体就会发生错动，造成沿晶断裂。

图6 微波照射及单轴压缩试验后花岗岩试件 微观裂纹形态和断裂模型示意图

3 结 论

1)高功率微波照射下，花岗岩试件表面颜色发生变化，外侧出现肉眼可见张拉裂纹，部分试件出现熔融现象。压缩试验后，试件表面出现竖向裂纹，上部外侧结构完全破坏，失去本身强度。

2)通过SEM电镜扫描观测花岗岩裂纹断口形貌特征，得出花岗岩主要为受到压力产生的平坦面状破裂及受到张拉应力产生的条纹状破裂。

3)通过SEM电镜扫描观测到花岗岩在微波照射及压缩试验后岩石裂纹类型主要为张拉裂纹和压裂纹及少量剪切裂纹，断裂模型主要为沿晶断裂、穿晶断裂以及两者叠加。