微波照射后花岗岩动力响应及破碎特征

　　摘要：利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对微波加热后的湖北麻山花岗岩进行动态冲击压缩试验，研究了不同含水状态下花岗岩动态力学性质及破碎特征，对比分析了不同微波加热参数对其力学性能的影响，揭示了微波对花岗岩强度弱化的作用机制。研究结果表明：当微波功率小于2.6kW时，岩石强度降低是由微波生热及岩石内部水分共同作用造成的;当微波功率大于2.6kW时，热的劣化占主导作用。花岗岩试件在达到应变均匀变化状态时所需时间较长，因此可认为是在近似恒应变率下进行的冲击压缩试验;在一定微波照射功率范围内，花岗岩动态峰值应力随着冲击气压的升高呈增大趋势，且冲击气压每增加0.05MPa，岩石强度提高10%～20%;在一定微波照射功率范围内，花岗岩动态抗压强度折减程度远小于其静态抗压强度折减程度;在微波加热和荷载的共同作用下，岩石多为轴向拉伸及压碎破坏，且随着微波加热功率及荷载的增大，花岗岩破坏程度增大，碎块愈加细致且均匀。

　　关键词：微波照射;花岗岩;分离式霍普金森压杆;动力学性能;破碎特征

　　硬质岩石破碎是困扰矿产资源开发、隧道掘进等工程的主要问题之一。在保证围岩稳定性的前提下，高效率、低成本地破碎岩体是当前亟待解决的难题之一。传统的岩体破碎方式主要以爆破法和机械开挖法为主，爆破法存在着原岩扰动大、粉尘多和噪音大等特点，而机械开挖法在岩体破碎过程中具有成本高、机械刀头磨损严重和在多山地丘陵地区移动困难等特点。

　　隧道论文范例： 复理石隧道防排水施工关键技术和质量控制

　　因此，寻求一种高效、经济的破岩方式是各类工程追求的目标[1-4]。相关文献[5-9]表明，温度能使岩石内部矿物成分发生化学变化，从而对岩石强度、变形及稳定性产生一定程度的影响。随着科学技术的更新迭代，微波加热技术因具有整体性加热、选择性加热和节能高效等特点，在选矿业、混凝土粗骨料剔选和微波辅助机械破岩等方面得到广泛研究[10-12]。HARTLIEBP[13-14]等通过测试纵波波速、测量温度等方法分析了微波加热后花岗岩等岩石的损伤变化，得出矿物成分对岩石的热物理学性质有重要影响的结论。

　　HASSANIF[15-16]等采用工业微波炉对不同地区花岗岩和苏长岩进行微波照射试验，并对其进行单轴抗压强度和抗拉强度的测试，测试结果表明：随着微波功率的升高，试件抗压及抗拉强度均降低，高功率下甚至出现崩裂现象;刘志义[17]等将微波加热装置与霍普金森压杆相结合，分析了磁铁矿石宏观力学性质和微观结构特征，研究结果表明：微波加热磁铁矿石主要经历拉伸破坏和拉伸剪切破坏2个阶段;乔兰[18]等分析了岩石围压和加热路径对花岗岩强度影响的优先级顺序，提出了“水压致裂+微波照射”的组合方式来破坏深部岩石的新思路;戴俊[19-22]等对微波照射后的不同种类岩石进行基础力学试验，分析了微波照射对岩石强度的影响因素。

　　研究结果表明：岩石类型、内部矿物成分、粒径尺寸和冷却方式等均会影响微波照射后岩石的损伤程度;卢高明[23]等采用3种方式对不同形状的岩石进行微波加热，得出了低功率长时间照射试件熔融，而高功率短时间照射试件发生崩解但并未熔融的结论;戴俊[24]等通过钢筋拉拔试验，分析了微波加热对钢筋与混凝土界面黏结的影响程度，得出了较高功率下钢筋混凝土由拉拔劈裂转变为拉拔滑移的结论。在实际掘进过程中，岩石所受荷载以动荷载为主，但目前关于微波辅助机械破岩领域的研究多侧重于静载力学方面，而关于微波照射引起岩石动态力学性质变化的研究较少。

　　已有研究[25]表明，在动荷载冲击作用下，由于其作用时间较短，致使能量和强度变化与静载情况下有较大区别。因此，采用静载代替动载研究载荷作用下岩石强度变化规律是不准确的。基于此，笔者以花岗岩为研究对象，采用霍普金森压杆(SHPB)与微波照射相结合的方法，并辅以高速摄影，探究不同含水状态下花岗岩动态力学性质及破碎特征，揭示微波对花岗岩强度弱化的作用机制，为后续研究提供参考。

　　1试验概况

　　1.1试件制备

　　参考现有研究成果[26]，试验选取具有较好吸波性质的湖北麻山花岗岩为主要研究对象。其外观颜色黑白相间，晶簇形态明显，质地坚硬致密，具有较高强度，主要矿物成分为石英、角闪石、黑云母等。通过取芯机钻取岩芯后利用双端面磨石机对其打磨平整，制得高径比为1∶1的ϕ50mm50mm试件，共计150个。采用真空加压饱水装置和干燥装置分别对试件进行饱水、干燥处理。

　　1.2试验设备

　　微波试验装置选用型号为ORW10SY-3T大功率工业微波炉，输出频率为2.45GHz，最大输出功率为10kW;微波照射前后试件纵波波速变化均采用1.3试验方案在前人[23-24]试验的基础上，通过对若干花岗岩试件进行预试验发现，试件在微波照射功率为6kW、照射时间为6min时熔融崩解，并导致其强度丧失无法进行后续力学性能试验。

　　因此，将微波照射功率设定为0(未照射)，1.3，2.6，4.0，5.3kW，照射时间为3min，饱水试件和干燥试件均为25组，每组3个。 静态单轴压缩试验采用YES-2000电液伺服试验机，加载速率为0.3kN/s，分别对10组不同含水状态的花岗岩试件进行单轴压缩试验。根据试冲结果并结合不同微波照射参数将岩石动态冲击试验的冲击气压设为0.10，0.15，0.20，0.25MPa进行加载，通过激光测速仪测得相应弹速约为6.5，8.8，11.5，13.8m/s，利用二波法得到相应花岗岩试件的NM-4B非金属超声波分析仪进行测试。

　　采用YES2000电液伺服试验机测试单轴抗压强度，根据预压试验结果，将加载速率控制在0.3kN/s;岩石动态冲击力学试验采用西安科技大学岩土力学试验室ϕ50mm分离式霍普金森压杆。试验中采用Photron公司的FASTCAMMiniUX100型高速摄影机(最大分辨率为1280×1240，摄像频率为4000帧/s)对岩石全破坏过程进行采集。

　　应变率。为了获得可靠稳定的动态应力-应变曲线，动态冲击压缩试验采用波形整形技术改善波形，通过凡士林将紫铜片滤波器与入射杆端部耦合，以消除波形间的高频震荡，减少弥散效应的发生，从而使花岗岩试件破坏前的应力波得以在试件内部反射3个来回，以达到试件内部应力均匀的要求。

　　为保证试验数据的准确性，对数据进行分析，验证其是否满足应力平衡所必须具备的2个条件：①试件左右两端接触面的质点速度、位移连续;②试件左右两端的入射杆内力等于透射杆。由于应变片分别粘贴在入射杆和透射杆上，子弹冲击过程中两处应变片接收信号时存在时差，因此需要对齐入射波、反射波和透射波的波头;可以发现对齐波头后入射波与反射波之和与透射波几近重合，试件左右两侧受力相等，满足应力平衡条件。

　　2试验结果及分析

　　2.1岩石纵波波速变化

　　参考文献[27]，将未经微波加热处理的花岗岩纵波波速作为初始波速V0，将任意微波功率照射后的花岗岩纵波波速Vw与其作比值进行归一化处理。

　　经微波照射后的干燥和饱水花岗岩试件纵波波速均随微波照射功率增大而降低，且干燥和饱水花岗岩平均纵波波速归一值随微波照射功率的增大呈相同的趋势。当微波照射功率不同时，干燥试件和饱水试件的纵波波速相较于未照射时的纵波波速均有衰减，干燥试件衰减了10.4%，15.8%，32.2%，41.4%，饱水试件衰减了21.3%，25.4%，41.8%，50.8%。因此，说明微波辐射使得花岗岩强度降低，且花岗岩内部的结构水分加剧了岩石的损伤劣化。

　　当微波照射功率小于1.3kW时，饱水试件的纵波波速显著大于干燥试件的纵波波速，这是由于饱水花岗岩试件内部本身含有少量结晶水，超声波纵波在水中的传播速度远大于在空气中传播的速度，从而使得饱水试件的纵波波速远大于干燥试件的纵波波速。

　　当微波照射功率大于1.3kW而小于2.6kW时，试件表面温度最高可达209℃，此时饱水试件的纵波波速略小于干燥试件，推测是由于在较低微波功率作用下，岩石内部部分矿物成分吸波产生膨胀应力而内部结构水受热产生蒸汽压力，导致岩石试件内部部分微孔隙产生闭合的同时水蒸气更难逸出，从而使岩石内部先前部分闭合的微孔隙重新张开，间接表明了饱水试件的纵波波速略小于干燥试件的原因。

　　当微波照射功率大于2.6kW时，饱水花岗岩试件内部矿物成分迅速吸波膨胀，新裂纹产生的同时伴随着新旧裂纹的贯通扩展，此时试件内部的结晶水迅速蒸发逸出，且在试件内部停留的时间极短，使得饱水试件的纵波波速与干燥试件的相差不大。

　　根据试验结果，岩石破坏形态与冲击气压、微波辐射参数有关。与未照射岩石相比，微波照射后的岩石冲击破坏程度明显严重。无微波照射时进行0.25MPa冲击破坏比5.3kW微波照射后进行0.10MPa冲击破坏的岩石破坏程度严重;无微波照射时进行0.25MPa冲击破坏和5.3kW微波照射后进行0.20MPa冲击破坏的岩石破坏程度相同，说明相比微波照射，冲击气压对试样破坏形态的影响较显著。在气压为0.10，0.15MPa时，花岗岩试件碎块尺度较大，呈现显著的轴向劈裂破坏形态;当气压升高至0.20MPa后，岩石破坏时碎块尺寸明显减小，呈现出压碎破坏形式。

　　0.20MPa冲击后收集的碎块数目不够，这是因为当冲击气压增大时，花岗岩破坏程度加大，试件部分被粉碎成粉末，无法收集。综上可知，由于花岗岩属于脆性材料，抗拉强度较小，在冲击气压和微波辐射共同作用下，花岗岩破坏多为轴向拉伸和压碎破坏，且随着微波功率、冲击气压的升高，花岗岩的破坏程度越大，碎屑越细致且均匀。

　　3结论

　　(1)当微波功率小于2.6kW时，岩石强度降低内是由微波加热和岩石内部水分共同造成的;当微波功率大于2.6kW时，岩石内部水分迅速逸出，热的劣化占主导作用，宏观上表现为岩石整体强度降低。

　　(2)0.10MPa冲击气压下，冲击加载时间在0～50μs时，应变变化缓慢;冲击加载时间在50～150μs时，应变快速增大;冲击加载时间在150～180μs时，应变缓慢增加;冲击加载时间超过180μs后应变缓慢降低，因此曲线变化趋势分为4个阶段。加载中期应变快速增加，但曲线斜率变化较小近似呈直线，说明试件处于应变均匀变化的状态，此过程所用时间较长，因此，可以认为是在近似恒应变率下进行的冲击压缩试验。

　　(3)0～5.3kW范围内花岗岩动态峰值应力随冲击气压的增强逐渐增高，冲击气压等级每提高0.05MPa，岩石峰值应力提高10%～20%，提高幅度与岩石受损情况有关。气压从0.10MPa增加至最大值0.25MPa时，不同微波功率照射下花岗岩试件破坏前的峰值应变也不断变大。

　　(4)当微波照射功率小于4.0kW时，花岗岩动态峰值应力变化不明显，此时微波弱化岩石强度的效果较差;而当微波照射功率大于4.0kW时，花岗岩动态峰值应力呈现出明显下降趋势，但其折减程度远小于静态峰值应力的折减程度。 (5)由于花岗岩属于脆性材料，抗拉强度较小，在冲击气压和微波辐射共同作用下，岩石破坏多为轴向拉伸和压碎破坏，且随着微波功率、冲击气压的升高，花岗岩的破坏程度越大，碎屑越细致且均匀。

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　　作者：朱清耀1，戴俊1，贠菲菲1,2，翟惠慧1，张敏1，冯立人3