场微波作用下岩石体破裂特征及其机制探索

高明忠，谢 晶，杨本高，唐瑞烽，邓虎超，刘依婷，叶思琪，周雪敏，王绍兰

(1.深圳大学 广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室， 广东 深圳 518060;2.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065;3.四川大学 分析测试中心，四川 成都 610065)

深部地下空间、资源勘探开发已成为常态，向地球深部进军上升为我国科技创新的国家战略。深部进军的首要任务是深部岩体的高效掘进与安全支护。随着赋存深度的增长，岩体强度也呈现出非线性增长的趋势，而现阶段深部硬岩的安全高效破碎成为世界性难题。目前硬岩掘进中大多采用钻爆法和TBM，然而在硬岩破碎量大、深部超长隧道施工时，由于钻爆法对其周围岩体扰动大、噪音和粉尘污染严重等缺点，其应用和推广受到了严重限制。TBM法对施工环境要求低，在快速破岩方面得到了长足的发展。但当采用TBM和机械法进行硬岩掘进时，势必遇到刀具寿命低下、刀盘磨损严重等问题，直接影响施工效率。例如，秦岭隧洞工程在TBM掘进过程中，遇坚硬石英岩和花岗岩，掘进速度缓慢，累计消耗单刀1 668把，施工成本显著增加。可见，现有常规破岩方式已经不能满足深部硬岩大规模破碎的需要，亟需突破现有破岩技术瓶颈，创新破岩思想，革新破岩手段，形成新型破岩理论与技术体系。为此，已有学者提出机械联合射流、激光以及微波等新型技术手段进行协同破岩构想，并开展了一些有益的研究。

射流破岩主要是联动流体和机械进行协同破岩，利用流体的高速运动对目标岩体进行冲击，从而侵蚀破碎岩体，提高机械开挖岩体的效率，降低岩石破碎比能。目前射流辅助破岩运用较为成功的流体主要为水、高压液氮以及超临界二氧化碳。激光破岩则利用激光高能照射使岩石迅速升温，导致目标岩体产生裂纹、剥落甚至熔化和汽化，降低岩体强度，实现岩体的高效破碎。然而，值得注意的是，射流破岩和激光破岩容易受到破岩工作面范围的限制，大多适用于精准定向破岩，在石油钻井领域运用较为广泛。当面临较大尺度的工作面时，破岩效能则略显不足。因此，亟需引入能够实现大范围大尺度硬岩高效破碎技术，实现深部空间开发时大规模硬岩的高效致裂。而微波由于其升温迅速、整体加热以及无二次污染等优点得到了学者的广泛关注，试图将微波引入岩石破碎领域，其主要思想是利用微波能预先致裂弱化目标岩体，然后再进行机械开挖。事实上，微波破岩的现场试验远远超前于理论和试验研究，早在20世纪70年代，前苏联就尝试应用微波进行辅助和独立破岩，并取得了显著的效果。而之后由于机械开挖法的高速发展，没有得到良好的延续。21世纪以来，由于深部地下工程、隧道工程等硬岩破碎量巨大的工程数量不断增长，对破岩技术提出了新的要求，微波联合机械破岩又重新走入学者的视野，国内外学者针对微波破碎硬岩开展了一系列理论和实验研究，从室内和工程角度论证微波致裂弱化硬岩的可行性。

室内尺度学者大多基于单模/多模腔体对硬岩进行微波作用，探讨微波场内硬岩致裂弱化特征。李元辉等研究了不同微波作用路径下岩石破裂特征，分析认为微波场内岩石主要呈现为高温熔融破坏和低温崩裂破坏2种形式。HARTLIEB P等联合室内实验和数值模拟，探讨了微波场内花岗岩破裂特征，发现试样的损伤主要由温度梯度导致。ZHENG等利用单模微波系统研究了微波功率和时长对辉长岩的弱化影响，并建议采用高功率脉冲微波进行致裂岩体。为进一步与工程尺度相结合，HARTLIEB P等对微波作用后的花岗岩试样进行线性切削实验，结果表明微波致裂后切削力下降明显，降幅达到10%。HASSANI F等利用自主研发的面微波作用设备，研究了距微波源不同位置处试样升温特性。卢高明等研发了开放式微波诱导硬岩破裂装置，开展了带应力条件下的岩石致裂实验。冯夏庭等研制了真三轴应力下微波致裂硬岩试验系统，探讨了微波作用下真三轴应力环境下岩体破裂损伤行为。在实验室尺度论证微波致裂硬岩工程适用性的同时，部分学者从矿物角度出发联合宏细观测试对微波-岩石相互作用机理进行了深入的探索。田军、LU、ZHAO等分析测试了微波场内矿物的升温特性，并依据升温速率将矿物微波敏感性进行了区分。MENZHULIN M G等认为石英热膨胀的各向异性导致了热应力超过矿物极限强度从而引起花岗岩试样的破坏。LU等利用XRD、SEM-EDS等手段探讨微波场内玄武岩内部裂纹起裂机制，研究认为玄武岩内部破裂的机理是：顽火辉石(微波敏感矿物)提供热量，导致橄榄石(热膨胀矿物)体积膨胀。MEISELS R、ALI A Y等建立了吸波-不吸波二相颗粒模型，研究认为微波的功率密度和矿物的膨胀特性对试样的弱化有重要的影响。HARTLIEB P等探讨了不同种类岩石的热物性特征，认为后续研究的重点主要为关注不同晶粒之间的温度梯度和热膨胀特性。基于上述研究可知微波技术作为一项具有前景的新型辅助破岩技术，学者已经开展了大量的试验研究，选用了多重指标如破裂时长、切削力、升温速率、强度等参数定量表征不同微波作用方式下岩石损伤弱化现象，并同步联动SEM-EDS微细观测试手段和微波场内造岩矿物升温破裂试验等解译微波场内岩石致裂弱化机理，基于一些实验现象取得了一些有益的认知。

然而，深部地下工程岩体赋存环境复杂，岩石类型繁多，如何从现象级描述过渡至内在机制解译仍是当前微波破岩领域研究亟待解决的基础研究问题。普遍认为，微波场内岩石的破裂行为是试样内部升温膨胀差异性而导致的，然而值得注意的是，鲜有学者探讨微波场内试样的内在破岩机理及试样的热膨胀特性。针对微波场内试样破裂机理的描述仍大多停留于定性及宏观现象的简单描述。因此，拟以深部能源开发、地下空间利用等涉及的典型代表岩石砂岩、花岗岩和辉长岩为研究对象，以宏-细-微观等不同尺度研究为切入点，探讨微波作用前后岩石升温膨胀特性及其机理和分析显微损伤结构差异性行为特征，以期揭示微波场内试样致裂弱化机理，为深部硬岩高效破碎理论与技术提供基础和借鉴。

1 试样制备及实验方法设计

1.1 试样制备

本实验采用砂岩、花岗岩和辉长岩3种深部能源、地质典型代表岩石，如图1所示。砂岩主要由石英(65%)、绢云母(15%)以及方解石(10%)组成，并伴随部分钙质成分和少量泥质成分，为砂状结构、块状构造。花岗岩主要由碱性长石(55%)、石英(24%)以及斜长石(20%)，并伴随少量片状黑云母，为花岗结构、块状构造。辉长岩主要由斜长石(60%)和辉石(34%)组成，含有少量黑云母和磁铁矿等矿物，为辉长辉绿结构、块状构造。根据标准岩样的制作要求，将试样加工成50 mm×100 mm规格的圆柱体标准试件。并采用肉眼观测、声波测试等无损监测手段剔除离散性较大的样品，保证样品的一致性。

图1 试样制备Fig.1 Sample preparation

1.2 试验设备和实验方案设计

岩石微波作用主要由课题组自主研发的工业性微波测试系统完成，该系统由1 000 W功率固态微波源、多模腔体、环形器、水负载和冷却水管组成，同时联合三维激光轮廓扫描仪和微细观测试手段进行细观分析。具体试验装备和步骤如图2所示，首先开展试样三维激光扫描，获取试样初始体积；其次进行微波作用，作用结束后迅速采用红外测温枪获取试样表面温度(停止微波作用到测温间隔不超过30 s)；然后对完整试样/破裂试样断口进行激光扫描工作获取微波作用后试样体积及断口形貌特征；最后对试样断口开展岩相薄片测试分析，并切割破断试样破裂面和底部，分别磨粉进行XPS和XRD测试。

为获取微波场内试样不同损伤阶段体膨胀特性及破裂行为，依据试样损伤程度将微波作用试验一共分为3组，分别为完全破裂组、局部损伤组以及直观无损组。完全破裂组是指经微波作用后试样破断失稳，形成明显的新鲜破裂面；局部损伤组则依据完全破裂组试验结果，调整作用时长，使得试样表面能观察到宏观裂纹；直观无损组指试样表观形貌无显著变化，无宏观裂纹。微波作用实施方案见表1(表1中，，，分别为试样完全破裂、局部损伤和直观无损时的微波作用时间)，砂岩、花岗岩以及辉长岩在1 000 W功率作用下分别进行不同时长的微波作用试验，以期获取不同损伤程度试样。

图2 微波试验装置以及试验流程Fig.2 Microwave test device and test flow chart

表1 微波测试方案

2 微波场内岩石体破裂行为特征

微波场内不同岩石的体破裂响应存在一定的差异性，探索微波连续作用下岩石破裂响应特征有助于揭示微波场内不同岩石破裂模式，并可为岩石不同损伤阶段升温膨胀行为研究奠定试验基础。为此本节观测了微波实时作用下岩石宏观响应破裂特征，分析了不同破裂模式下试样破裂面几何特征。

2.1 微波场内岩石宏观体破裂响应特征

微波持续作用下岩石破裂特征如图3，4所示，S-1试样部分区域崩裂为碎片，呈现出崩裂破坏特征。G-1和L-1试样破裂后保持一定的完整性，在破裂面附近伴随着少部分熔浆涌出，呈现熔融破坏特征。在1 000 W微波连续作用过程中，S-1试样在破坏之前表面未观测到任何明显变化，直至连续作用114 s时才出现突发性的崩裂破坏。G-1试样在持续作用180 s时有烟雾逸出，565 s时试样熔融破裂，试样在熔融破裂之前观测到明显的岩石熔断声响和红热现象。L-1试样在1 000 W微波连续作用下不断受热膨胀直至566 s时破裂，并伴随部分熔融物的出现。

G-1和L-1试样破裂区主要位于试样中下部，并且以一条宏观斜裂纹为主，从内向外贯通，其中花岗岩主破裂面与轴线呈大角度相交，夹角估测为116°，辉长岩夹角为64°与94°。

图3 微波场内试样破裂现象Fig.3 Sample rupture in microwave field

基于试样完全破裂组试验数据，确定局部损伤组以及直观无损组试样作用时长。局部损伤组试样致裂如图4所示，S-2试样由1 000 W微波连续作用96 s，在试样中下部区域出现显著的宏观裂纹，G-2试样由1 000 W微波连续作用9 min时出现持续性的声响，作用结束时伴随着气体的逸出和裂纹的出现。L-2试样由1 000 W微波连续作用7 min，在试样中部靠下出现一条水平裂纹。最后，为获取直观无损组试样，且保证试样经受一定程度的微波作用，S-3，G-3以及L-3在1 000 W微波场内分别作用1，8和4 min，微波作用过程中试样无显著变化特征。

基于上述微波实验现象，捕捉了场微波作用下岩石2种体破裂模式：崩裂破坏和熔融破坏，这与岩石的矿物组成密不可分。在1 000 W微波作用下，砂岩呈现为崩裂破坏，破坏时试样丧失整体性，崩裂为碎块。花岗岩和辉长岩体现为熔融破坏，由熔融破裂面将试样分割成两部分。

图4 微波作用后试样Fig.4 Sample after microwave irradiation

2.2 微波作用后岩石破裂面形貌特征

微波作用后岩石破裂面的形貌特征与岩石的破坏模式密切相关，定量刻画微波场内不同岩石破裂面的粗糙结构有助于加强对微波场内岩石破裂特征的认知。笔者引入分形维数对试样破裂面形貌特征进行定量刻画。破裂面表面粗糙形貌特征获取步骤如图5所示，在提取破裂面三维点云数据后对破裂面分形维数进行计算。

XIE等于1998年提出采用投影覆盖法(PCM)估计岩石破裂面的分形维数，此后学者进一步发展立方体覆盖法(CCM)，张亚衡等在立方体覆盖法的基础上又提出了改进的立方体覆盖法(ICCM)，AI等认为由于岩石粗糙表面的复杂性，CCM和ICCM都不能对分形集进行很好的覆盖，从而提出微分三次覆盖法(DCCM)和相对微分三次覆盖法(RDCCM)用于直接计算岩石破裂面的分形维数，对4种计算方法的适用性开展研究，认为对于表面粗糙度较大，存在明显起伏的断面建议采用CCM和ICCM法，反之则采用DCCM和RDCCM法。由于试样破裂面并未出现显著的起伏断面，故采用课题组自主编写的分形维数DCCM计算程序对破裂面粗糙度进行定量描述。破裂面整体分形维数(图6)，介于2.00～2.12，表明总体上试样破裂面粗糙度特征相对较低，其中花岗岩分形维数最高，达到2.109 2，辉长岩次之为2.070 4，砂岩最低为2.066 0，虽然砂岩部分区域由于样品剥落使得起伏度跨度较辉长岩大，然而总体上砂岩破裂面的粗糙程度仍略低于辉长岩。根据微波场内不同试样破裂面分形特征可以发现，熔融破坏所造成的破裂面粗糙程度较崩裂破坏所造成的破裂面粗糙程度高。映射于实际工程，微波致裂硬岩所产生的破裂面分形维数较低，已有研究表明裂隙面粗糙分维较低时更有利于减少流态资源传输中的压力损耗，提升储层渗透特性，微波致裂增透硬岩技术应用于油气资源和干热岩型地热资源等深部能源高效开采实践是值得探索的方向，同时微波增透储层开采技术也能在一定程度上避免当前非常规油气开采中水力压裂等传统增透手段存在污染严重、耗水量大的缺点。

图5 破裂面三维扫描-重构-数据点云获取Fig.5 Fracture surface 3D scanning-reconstruction-data point cloud acquisition

图6 不同试样破裂面分形特征Fig.6 Fractal characteristics of fracture surfaces of different specimens

联合破裂面粗糙分形特征(图6)和微波场内试样破裂特征(图4)分析可知，破裂面的粗糙度特征与试样微波场内破裂模式密切相关，当试样呈现出高温熔融破坏时试样破裂面粗糙度较高。根据XU等的研究表明，试样破裂时消耗的能量越大，试样破裂面的分形维数也会同步增大，而熔融破裂面较崩裂破裂面分形维数增长幅度最高可达2.0%。因此从破裂面粗糙度特征可以推测试样高温熔融破坏时所消耗的能量较高，而低温崩裂破坏时能量消耗较低。这与李元辉等的研究一致，即当岩石呈现出崩裂破碎时，可显著降低开挖掘进破碎岩石时所需要的能量，有助于深部工程硬岩掘进。

3 微波作用后岩石热膨胀响应特征分析

厘清微波场内岩石异质性体破裂响应特征必须充分考虑岩石不同损伤阶段升温膨胀特性及其机制。因此，基于微波连续作用下岩石完全破裂组研究成果，经过多次试验获取局部损伤组、直观无损组2组不同损伤程度岩石，克服了现阶段试样体积计算粗糙等缺点，联合红外测温和高精度激光扫描仪精准捕捉了岩石升温和热膨胀特性，以期揭示微波场内不同岩石种类不同损伤阶段升温膨胀差异性规律。

3.1 微波作用下岩石异质热响应行为

为定量表征微波场内试样升温特性，针对局部损伤组、直观无损组试样，采用红外测温枪从试样底部到顶部进行全过程连续测温；破裂组试样进行破裂面和非破裂面测温。完全破裂组试样表面测温结果如图7(a)所示，S-1试样温度介于91～194 ℃，平均温度为141 ℃，最高温度出现于试样破裂面。G-1试样所测温度范围125～367 ℃，平均温度298 ℃，L-1试样表面温度较S-1和G-1试样有着显著的提升，温度介于253～492 ℃，平均温度达到418 ℃。需要明确指出的是，目前很难精准捕捉微波作用下岩石内部温度场分布，未来可通过预埋热电偶等手段来捕捉岩石内部的温度分布。精准监测微波作用下岩石内部温度分布是未来微波破岩基础研究领域一项亟待攻关的技术。

图7 不同损伤程度试样表面温度变化规律Fig.7 Variation law of surface temperature of samples with different damage degrees

与S-1温度分布一致，G-1和L-1试样温度最高处位于破裂面附近，且底部温度则相对最低。如图7(b) ，(c)所示，试样表面所能达到的温度与微波作用下试样损伤程度成正相关关系(图7(d))，但对于具体试样而言，试样表面温度分布规律总体上与完全破裂组试样温度变化特征一致，即试样底部温度相对最低，中上部温度较高；辉长岩总体温度最高，花岗岩次之，砂岩最低。测温结果表明微波场内砂岩主要呈现出低温崩裂破坏，花岗岩和辉长岩呈现为高温熔融破坏。同时，从图4中试样破裂面和宏观裂纹所处位置可以看出，不同岩性试样损伤区域主要位于试样中下部，与高温区域分布相对一致，表明试样损伤破裂特征受到自身矿物组分控制外，也与试样在微波场内所处的位置有关。在下一步工作中将深入探索微波场内试样自身矿物组分与所处位置之间对试样损伤破裂影响的博弈机制。

3.2 微波作用下岩石热膨胀特征

微波作用下岩石特征矿物吸收微波能转化为热能，提高试样温度，并在无约束条件下让岩石自由膨胀。而岩石内部矿物膨胀的不协调性会在矿物晶粒边界因挤压而产生热应力，当热应力处于样品强度范围内，岩石自由膨胀变形；当热应力超过样品强度时，导致岩石破裂。因此，探究微波场内不同损伤程度下的热膨胀特性对于认知微波作用下试样体破裂响应特征具有重要意义。体积变化率是定量表征岩石热膨胀特征的重要指标，然而目前对岩石体积的测量大多基于试样的直径和高度进行粗糙计算，无法适用于不规则物体体积的量测。特别是岩石的膨胀变形相对岩石体积而言相对较小，现有的粗糙计算方法无法精准获取微波作用后岩石的体积，更无从分析探讨微波场内试样膨胀特性。因此本文采用高精度三维激光扫描仪重构试样整体模型并导入Geomagic Studio软件中对试样进行封装，填充由于试样表面标记点而导致的孔洞，进而更准确地计算样品体积(图8)。

微波场内相同损伤程度不同岩性试样体积变化特征如图9所示，试样初始体积主要位于19×10～20×10mm，其中初始体积最大值为19.788 10×10mm，最小值为18.823 77×10mm，与传统基于直径和高度所计算的圆柱体积(19.625×10mm)分别相差为0.83%和-4.08%。完全破裂组G-1和L-1试样微波作用前后试样膨胀率达2.1%和1.8%，而S-1由于试样崩裂破碎，无法获得微波作用后的试样体积变化。局部损伤组S-2，G-2以及L-2试样体积膨胀率分别为0.06%，0.60%与0.34%；直观无损组S-3，G-3试样微波作用前后体积未呈现出明显的膨胀特性，L-3试样体积膨胀率达0.15%。总体而言，相同损伤阶段下辉长岩和花岗岩的体积膨胀率相对较高，而砂岩由于其在微波场作用下升温较为缓慢，膨胀率在3种岩性中最低，尤其在直观无损组砂岩的体积变化率几乎为0。然而值得注意的是，升温监测结果表明辉长岩表面升温高于花岗岩表面温度，但辉长岩体积膨胀率低于花岗岩，分析可能的原因为该花岗岩热膨胀特性较好，且2者温度相差幅度较小，从而体现为花岗岩的体积膨胀率相对较大。

图8 试样体积计算过程示意Fig.8 Schematic diagram of sample volume calculation process

图9 不同损伤程度试样体积变化特征Fig.9 Volume change characteristics of specimens with different damage degrees

微波场内试样不同损伤阶段体积膨胀特征如图10所示。砂岩局部损伤组体积变化率较直观无损组有一定增长，幅度为0.056%。花岗岩完全破裂组体积变化率较局部损伤组试样有一定的增长，增幅达1.48%，而局部损伤组试样较直观无损组试样体积变化率仅增长了0.6%。与花岗岩体积变化特征一致，辉长岩完全破裂组试样体积变化幅度也相对最大。从图10中微波作用前后试样表观形貌特征不难发现，局部损伤组试样表观形貌特征并未发生显著的变化，仅较直观无损组试样多一条宏观裂纹，对体积变化率的贡献有限，而完全破裂组试样产生宏观破裂面并伴随着熔浆的出现，大幅增加了试样体积，从而体现为体积变化率急剧增长。总体而言，微波场内试样受热膨胀大致可分为3个阶段，① 约束阶段：该阶段试样体积无明显变化，矿物膨胀受基质约束；② 竞争阶段：该阶段试样体积小幅度膨胀，矿物膨胀与基质约束相互博弈，试样表观有微裂纹产生；③ 自由膨胀阶段：该阶段试样体积增长显著，矿物挣脱基质约束，试样崩裂或熔融，形成新鲜破裂面。但总体试样体积增长率水平较低，试验中所监测的最大体积膨胀率仅为2.1%。

4 微波场内岩石破裂机制探索

砂岩、花岗岩和辉长岩均是由多种矿物和组分构成的集合体，不同组分之间的微波敏感性不尽相同，而岩石的宏观破裂必然是微观尺度显微损伤结构不断聚集、发展的最终结果。在微波作用下，岩石内部的矿物和微观结构势必会发生不同程度的损伤变化。因此，从微细观尺度入手探讨岩石显微损伤破裂特征以及分子结构差异性响应行为，借以解译岩石微波场内的升温膨胀行为。本文联合岩相薄片、XRD以及XPS等多种测试手段，从矿物结构初步探讨了岩石损伤破裂特征，以期为揭示微波场内岩石微观破裂机理提供参考和借鉴。

图10 不同岩石微波作用后体积膨胀率Fig.10 Volume expansion rate of different rocks after microwave irradiation

4.1 微波场内岩石破裂面断口特征分析

微波作用后试样破裂面微观断口特征如图11所示，花岗岩内部主要由显微孔洞和显微裂纹组成，显微孔洞大多位于石英、长石内部。显微裂纹主要由晶内裂纹、沿晶裂纹以及穿晶裂纹组成，晶内裂纹主要存在于石英内部，少部分出现于斜长石内部；穿晶裂纹主要贯穿于石英和斜长石矿物之间；沿晶裂纹也主要位于石英和斜长石矿物边界。从显微孔洞和显微裂纹分布特征可以发现，花岗岩内部破坏特征与石英和斜长石密切相关，且显微裂纹和显微孔洞大多位于石英矿物内部。辉长岩内部主要由显微孔洞和显微裂纹组成，其中显微孔洞主要出现于辉石矿物和黑云母矿物之中，以辉石矿物为主；显微裂纹主要位于辉石矿物内部，主要以晶内裂纹的形式呈现，表明微波场内辉长岩破裂与其内部辉石矿物和黑云母矿有一定的联系。而砂岩微观断口仅捕捉到少量的沿晶裂纹，并未出现显著的显微损伤结构。

图11 微波场内试样破裂面岩相薄片Fig.11 Lithofacies thin section of sample fracture surface in microwave field

根据田军、ZHAO等的研究可知，辉石矿物和云母矿物的吸波特性较好，因此微波场内辉长岩的显微破裂损伤主要以辉石和黑云母为主。值得注意的是，石英作为微波典型矿物在微波场内不会产生较大热量，但LI，LU等的研究成果表明，由于石英具有良好的导热性能和热膨胀系数，会在微波场内持续升温。此次试验中花岗岩作用时间长达565 s，内部有充分的时间进行热传导，进而导致了微观尺度上石英矿物损伤破裂严重。

4.2 岩石矿物分子结构微波响应特征分析

图12 微波作用下G-1 XPS能谱Fig.12 G-1 XPS spectra under microwave irradiation

4.3 微波作用下岩石物相特征变化分析

物相分析中常采用X射线衍射分析(XRD)、激光拉曼分析和傅里叶红外分析等测试手段，其中X射线衍射技术应用较为广泛，因此采用X射线衍射技术获取样品物相特征数据。同时为尽可能减少样品差异性的影响，选取微波场内花岗岩辉长岩破断试样破裂面和底部进行制样(图2)。测试结果如图14，15所示，试样内部组分与岩相薄片鉴定一致。

图13 微波作用下L-1 XPS能谱Fig.13 L-1 XPS spectra under microwave irradiation

图14 微波作用下G-1试样X射线衍射谱Fig.14 X-ray diffraction spectrum of G-1 sample under microwave

图15 微波作用下L-1试样X射线衍射谱Fig.15 X-ray diffraction spectrum of L-1 sample under microwave irradiation

其中花岗岩主要组分为长石(Na(AlSiO))和石英(SiO)。辉长岩主要辉石(CaNa(AlSiO))和长石(Na(AlSiO))组成。依据矿物PDF卡片中晶体细胞参数定出分子结构，如图16所示。石英分子结构主要由硅、氧原子组成，结构较为单一，呈现出明显的对称结构，极性极化能力偏弱，对微波响应不足，升温缓慢。Na(AlSiO)分子以Si，Al为中心的四面体结构，空间位置主要被Na占据。辉石则由于类质同象置换现象，部分Si被Al所取代，形成了铝硅酸盐，晶体结构较为复杂。有研究表明，金属离子对微波响应更剧烈，长石和辉石晶体结构中存在的大量金属离子键束缚能力远小于其他分子键，金属离子可以有效增强分子的极性能力，对微波的响应更为剧烈。

不同损伤区域X射线衍射图谱如图14，15所示，基于衍射图谱可以得出微波作用后试样破裂面和破断试样底部主要成分仍保持相对稳定，并未出现显著变化。花岗岩主要由石英和长石组成，辉长岩主要由辉石和长石矿物组成，与岩相薄片鉴定结果一致。然而在微波作用下岩石内部晶体结构发生变化，产生相位差，从而在图谱中体现为衍射强度和最大衍射角的变化。花岗岩破裂面石英、长石矿物最大衍射强度较试样底部最大衍射强度有一定程度的增长，幅度为36.60%，6.21%，破裂面主要矿物最大峰强对应衍射角整体有所增大。根据张卫强的研究可知，花岗岩试样破裂面受到热膨胀应力的作用，导致衍射角发生变化。衍射峰偏移为试样内部晶格缺陷、晶粒细化和微观应力作用而导致的，且由于微观压应力的存在，使得晶面间距减小，晶格畸变发生体现为衍射峰呈现出向高角度偏移的现象。与花岗岩内部矿物变化特征一致，辉长岩内部主要矿物辉石和长石最大衍射强度以及所对应的衍射角整体均有不同幅度的增长，表明微波作用使得花岗岩和辉长岩内部产生微观压应力导致试样内部产生微观损伤，进而导致试样宏观强度弱化发生。

图16 不同矿物晶体结构示意Fig.16 Schematic diagram of crystal structure of different minerals

基于X射线衍射测试结果初步确定试样内部主要矿物组分，为进一步定量判识微波场内试样的热稳定性，分别对花岗岩、辉长岩和砂岩进行热重分析。将3种样品磨成粉末状态，为与微波作用条件一致，在空气氛围内对样品加热至1 000 ℃，获取样品室温-1 000 ℃时的热重变化曲线。3种岩石热重变化如图17所示，不难发现，砂岩和花岗岩质量均随着温度的升高损失，而辉长岩质量增加。依据表面测温结果，砂岩最高温度未超过200 ℃，在0～200 ℃砂岩质量损失1.04%，主要是砂岩内部自由水和弱结合水的蒸发导致，水分蒸发产生蒸汽压力导致微裂隙和微孔洞劈裂，试样崩裂破坏。对于花岗岩而言，其内部含水率低，总体质量损失达1.2%，其中水分的蒸发仅占0.3%。根据彭卓伦等的研究，高温下花岗岩内部黑云母等含水矿物发生热分解，结合XPS检测结果，矿物分解是质量损失的主要原因，由于单质Al的存在，高温状态下与O发生氧化反应生成AlO，两者博弈状态下花岗岩质量曲线整体平缓。辉长岩在升温过程中水分缺失后重量增加1.3%，推测是微波作用后岩石升温，在高温作用下岩石内部微量金属元素结合O元素从而导致热重曲线上升，质量增加，这与XPS中O2含量增加生成AlO的推测相呼应，与文献[64-65]的研究一致。

图17 不同岩石热重变化曲线Fig.17 Thermogravimetric curves of different rocks

4.4 微波场内岩石体破裂机理初探

基于上述研究成果，以损伤特征为切入点，聚焦于1 000 W微波作用下砂岩、花岗岩和辉长岩高温熔融破坏和低温崩裂破坏2种模式下跨尺度差异性行为特征。如图18所示，砂岩内部由于石英矿物和水分含量相对较高，不同组分间介电特性差异较大，破裂的主控因素主要为热应力导致，受到高温的影响较小，从而微观尺度上晶体损伤不明显；细观尺度上主要以沿晶裂纹为主，矿物结晶边缘平滑，微观断口并未出现显著的损伤结构；宏观尺度上由于热应力的迅速增长以及水分汽化冲孔的叠加作用使得样品在短时间低温崩裂，消耗的能量较低，体积膨胀率较小。

花岗岩内部主要由碱性长石、斜长石和石英组成，微波作用下碱性长石和斜长石持续升温，石英由于其良好的导热系数和热膨胀特性不断升温膨胀，破裂主控因素主要为高温和热应力叠加作用。体现为微观尺度上由于其内部少量不稳定碳氧键的存在，被高温氧化致使分子键重组，再叠加热膨胀变形挤压产生的微观压应力对分子结构造成损伤，使得晶面间距减小，发生晶格畸变进而体现为衍射峰呈现出向高角度偏移以及衍射强度波动的现象，并在石英和斜长石矿物内部和交界处产生大量的显微损伤结构；细观尺度上呈现出大量的显微孔洞(大多位于石英、长石内部)和显微裂纹(晶内裂纹主要存在于石英内部，少部分出现于斜长石内部；穿晶裂纹主要贯穿于石英和斜长石矿物之间；沿晶裂纹也主要位于石英和斜长石矿物边界)，随着损伤结构的不断积聚发展以及温度的升高使得宏观尺度上花岗岩呈现出高温熔融破裂特征。

图18 微波场内试样破裂示意Fig.18 Schematic diagram of sample fracture in microwave field

辉长岩则主要由斜长石和辉石矿物组成，其破裂特征主要与花岗岩一致。辉石由于其良好的吸波特性，在微波场内不断升温，进而使得辉长岩微观尺度上以Si—O键含量的变化和辉石矿物的损伤为主，细观层面上损伤结构主要呈现为显微孔洞(主要出现于辉石矿物和黑云母矿物之中)和晶内裂纹(主要位于辉石矿物内部)。宏观层面上体现出高温熔融破坏，熔融破坏断面粗糙度较高，体积膨胀率可达2.1%，破裂时消耗能量较高，但样品总体仍保持一定的完整性。

同时，根据文献调研对比前人研究成果可以发现，研究中所涉及的不同尺度研究成果均能找到一些相似的结论，宏观尺度上砂岩、花岗岩和辉长岩所体现出的高温熔融破坏与低温崩裂破坏2种破裂模式与李元辉和TALBOT P等研究结论一致，即微波场内会因试样内部矿物组分及含水特征影响造成试样出现崩裂破坏和熔融破坏2种。细观尺度上，针对微波场内显微裂纹的研究，卢高明、 GUO S H等研究表明微波场内岩石样品会产生沿晶断裂和穿晶断裂。MENZHULIN M G和LI X等观察到了微波作用后花岗岩内部沿晶微裂纹，上述学者的研究均表明微波场内岩石内部会出现大量的显微裂纹。然而，现阶段学者联动微观-细观-宏观尺度解译微波场内岩石破裂机制研究少有涉及，此次研究串联3种尺度初步探索了微波场内岩石破裂机制。微波场内岩石体破裂响应和内在驱动作用还有很多问题需要进一步探索，在未来的研究工作中有必要联动温度场-应力场共同在机理层面解译微波场内样品的起裂—扩展—破裂过程。因此，本文针对样品的体破裂研究只是一个起点，未来的研究中必然深入探索微波场内样品的起裂—破裂机制。同时，研究发现在实际工程破碎硬岩时应建议调整微波作用路径或作用方式以达到快速崩裂硬岩的目的。而当工程需求为致裂增透岩石而非破碎岩石使其丧失稳定性时，需建议改变微波作用路径或作用模式，以使得硬岩熔融破裂。

5 结论与展望

(1) 微波场内不同岩性试样破裂特征和热膨胀行为存在差异性。当成岩矿物介电特性差异较大或含水率较高时主要为沿晶断裂，呈低温崩裂破坏，破裂面相对光滑，耗能低；当成岩矿物介电特性接近或具有一定含量的微波敏感性矿物时，内部升温明显，温度成为主控因素，呈熔融破裂特征。

(2)砂岩呈现为低温崩裂破坏，微观断口仅有少量的沿晶裂纹，并未出现大量的显微损伤结构。辉长岩和花岗岩则为高温熔融破坏，微观尺度呈现出大量的显微损伤结构。花岗岩和辉长岩体积膨胀率增长幅度较大，分别为2.1%和1.8%。高温熔融所产生的破裂面粗糙度分维高，低温崩裂破坏破裂面分维相对较低，其中花岗岩破裂面分维达到2.109 2，辉长岩次之为2.070 4，砂岩最低为2.066 0，增长幅度最高可达2.0%。

(3)成岩矿物晶体结构层面，矿物膨胀变形的不协调性以及水分汽化产生的微观压应力是晶体损伤的主控因素，直接导致晶面间距减小，发生晶格畸变体现为衍射峰呈现出向高角度偏移的现象；同时，温度的持续增长使得试样内部Si—O键含量波动幅度较大，对石英和硅酸盐矿物造成显著的影响。

(4)在工程实践中，地质条件差异较大，可依据成岩矿物微波敏感特性与介电常数等指标进行微波辅助破岩方法判别。通过优化设计微波作用路径，使得岩体内部热应力迅速增长，在短时间内发生低温崩裂破坏，可有效降低岩石破碎能量损耗，提高破岩效率。

本文所设定的岩石为自由状态，并未考虑实际工程中真实存在的应力环境，应力环境叠加微波热场耦合作用下岩石响应行为处于黑箱状态，考虑原位应力环境下微波破岩响应规律与内在机制也是未来值得探索的前沿方向。以上研究可为解译微波场内不同岩性、不同矿物组分含量试样的体破裂机制研究提供试验和方法借鉴。