微波照射后玄武巖損傷機(jī)理試驗(yàn)研究

戴 俊， 贠菲菲， 徐水林， 楊 凡， 薛貴堂

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054)

在采礦、隧道掘進(jìn)、地下工程開挖等一些實(shí)際開挖建設(shè)工程中，最常用的辦法是爆破法和機(jī)械破巖法[1]。無論是爆破法還是機(jī)械破巖法都有其無可避免的缺陷。爆破法對(duì)圍巖產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，機(jī)械破巖法在巖石強(qiáng)度較高的情況下對(duì)機(jī)械的磨損較大。因此，為了更好地解決以上問題，微波輔助機(jī)械破巖技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]。目前，對(duì)微波輔助機(jī)械破巖這一新興技術(shù)進(jìn)行了研究，如國外的Hassani等[3-4]、Meisels等[5]、Hartlieb等[6]和中國的文獻(xiàn)[7-12]都進(jìn)行探索并取得了研究成果，研究表明：微波加熱巖石時(shí)，增加微波功率、照射時(shí)間均能提高作用效果。巖石內(nèi)部的吸熱介質(zhì)會(huì)吸收微波能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，引起熱效應(yīng)，從而產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)試樣內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過強(qiáng)度極限時(shí)，試樣就會(huì)破壞。戴俊等[13]對(duì)微波照射后的巖石采用三種冷卻方式：自然冷卻、灑水冷卻和水流沖擊冷卻，結(jié)果表明：當(dāng)采用水流沖擊法冷卻時(shí)，巖石表面溫度降低最快，抗壓強(qiáng)度降低最多。戴俊等[14]對(duì)比分析了5種加熱方式對(duì)玄武巖試件損傷特性的影響。結(jié)果表明：在能量消耗相同的情況下，采用“間斷照射+間斷區(qū)間噴水冷卻”的方式時(shí)玄武巖試件損傷程度最嚴(yán)重。關(guān)于微波非連續(xù)加熱研究較少,為了更深入地認(rèn)識(shí)微波輔助破巖，實(shí)現(xiàn)安全高效的機(jī)械破巖，首先從試驗(yàn)出發(fā)，探究微波循環(huán)照射下巖石力學(xué)性能變化規(guī)律。

現(xiàn)在已有研究基礎(chǔ)上，對(duì)比連續(xù)加熱與循環(huán)加熱方式對(duì)試件強(qiáng)度影響程度，以內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)的玄武巖為研究對(duì)象，采用不同微波照射參數(shù)，水流沖擊冷卻方式并結(jié)合超聲波檢測、巴西圓盤劈裂試驗(yàn)，研究不同微波照射方式對(duì)巖石強(qiáng)度弱化程度。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用專用的工業(yè)微波爐作為發(fā)生器，工業(yè)微波爐由南京澳潤微波科技有限公司自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，其額定工作電壓為380 V，微波輸出頻率2 450 MHz，輸出功率范圍在0～10 kW無級(jí)可調(diào)；縱波波速檢測設(shè)備為北京康科瑞工程檢測技術(shù)有限公司生產(chǎn)的NM-4B非金屬超聲檢測分析儀；抗拉試驗(yàn)中使用的設(shè)備是DDL600型落地式電子萬能試驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)時(shí)按0.6 mm/min的速率恒定加載。

1.2 試驗(yàn)試樣

試樣所用的玄武巖產(chǎn)地為中國內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)，其質(zhì)地均勻，顆粒致密，對(duì)微波響應(yīng)顯著。對(duì)采購的玄武巖石板加工成Φ50 mm×25 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，先剔除外觀有缺陷或存在明顯差異的試件，通過聲波檢測儀測定試件的縱波波速，篩選波速相近的試件作為試驗(yàn)巖樣。試樣制作好在試驗(yàn)室風(fēng)干后，進(jìn)行縱波波速、密度、巴西圓盤劈裂試驗(yàn)，測試結(jié)果見表1。

表1 玄武巖試樣基本參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

設(shè)置2種加熱方式對(duì)玄武巖試樣進(jìn)行微波輻射：①連續(xù)照射：設(shè)定功率分別為900、1 300、2 000 W，連續(xù)照射時(shí)間分別為2、3 min，照射后將試件置于流動(dòng)的自來水中進(jìn)行冷卻處理；②循環(huán)照射：設(shè)定功率分別為900、1 300、2 000 W，循環(huán)照射總時(shí)間有2 min(循環(huán)次數(shù)為2次和4次)和3 min(循環(huán)次數(shù)為2次和3次)，每次照射時(shí)間為總時(shí)間按循環(huán)次數(shù)均分。其中，在循環(huán)照射間歇內(nèi)，將試件置于流動(dòng)的自來水中進(jìn)行冷卻處理，待試件溫度恢復(fù)至室溫、外觀恢復(fù)至干燥時(shí)顏色(由黑色至深灰色)后，再進(jìn)行下一次的循環(huán)照射。

試樣共57個(gè)，分為19組，隨機(jī)選1組作為對(duì)照組，不進(jìn)行微波照射處理，直接測定其波速和抗拉強(qiáng)度值。其中循環(huán)照射12組，連續(xù)照射6組。試樣加熱后采用沖水冷卻至室溫，進(jìn)行縱波波速測試和巴西圓盤劈裂試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，以避免試驗(yàn)的離散性，取3次試驗(yàn)強(qiáng)度的平均值作為該組試件經(jīng)微波照射后的平均抗拉強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微波照射后玄武巖外觀形態(tài)變化

微波照射后試件外觀形態(tài)如圖1所示，限于篇幅，這里只給出部分試驗(yàn)后試件外觀圖。

圖1 不同微波參數(shù)照射后試件外觀形態(tài)變化Fig.1 Changes of specimens appearance and morphology after irradiation with different microwave parameters

從圖1中可見，微波照射后，試件表面均產(chǎn)生了不同程度的裂紋，說明玄武巖試件具有相對(duì)敏感的吸波礦物，不同參數(shù)條件下，經(jīng)微波處理后，玄武巖試件顏色變白，大多在垂直于試件端面沿軸線處有一條比較明顯的主裂紋，在該裂紋兩側(cè)和兩頭會(huì)繼續(xù)衍生出其他較小的微裂隙。

在900 W功率下連續(xù)照射2 min[圖1(a)]后，試件外表面僅產(chǎn)生了一條微小的主裂縫和少許分叉裂隙，照射后的試件外觀變化較小，說明此微波參數(shù)條件下，微波輻射能對(duì)玄武巖的損傷裂化作用較??；而在2 000 W功率下連續(xù)照射3 min[圖1(b)]后，試件表面各裂隙已匯合貫通為一條清晰可見的縱深裂縫，且外觀變化較大，說明提高微波功率和照射時(shí)間可增強(qiáng)對(duì)試件的損傷破壞。

再比較觀察2 000 W功率下連續(xù)照射3 min[圖1(b)]以及同樣在2 000 W功率下等分2次循環(huán)累計(jì)照射3 min[圖1(c)]后的試件外觀圖進(jìn)行對(duì)比，圖1(b)較圖1(c)試件顏色更加灰白，說明循環(huán)照射與連續(xù)照射方式對(duì)試件損傷程度不同。根據(jù)文獻(xiàn)[14]分析可知，在循環(huán)照射試驗(yàn)中，因?yàn)槔鋮s過程中對(duì)試件噴水，使得二次加熱階段開始時(shí)仍有部分水分殘留在試件中，水分蒸發(fā)吸熱使得溫度增加稍慢。與連續(xù)加熱相比循環(huán)加熱在溫度控制上更加合理。連續(xù)照射后試件表面的巨大溫差使得試件表面更為灰白。在該兩種參數(shù)條件下，照射后的試件外表面上均產(chǎn)生了顯著的縱深主裂紋，說明該參數(shù)條件下微波照射效果明顯。

2.2 微波照射后玄武巖的波速變化

微波輻射前后的波速變化情況如圖2所示，縱波波速在微波輻射后都有所下降，但下降程度不同。

圖2 微波照射前后玄武巖超聲波波速差值變化規(guī)律Fig.2 The variation of ultrasonic wave velocity difference of basalt before and after microwave irradiation

在照射總時(shí)間為2 min[圖2(a)]中，照射功率為900 W，循環(huán)次數(shù)0次、2次和4次時(shí)，波速分別下降了29.3%、24.3%和10.5%；功率為1 300 W，波速分別下降了33.5%、27.0%和19.3%；照射功率為2 000 W，波速分別下降了41.1%、59.2%和64.9%?？梢?，微波功率越高，波速下降程度越明顯。在低功率微波照射時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，波速下降的程度降低；在高功率微波照射時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，波速下降程度增大。

在照射總時(shí)間為3 min[圖2(b)]中，照射功率為900 W，循環(huán)次數(shù)0次、2次和3次時(shí)，波速分別下降了42.1%、37.2%和36.8%；功率為1 300 W，波速分別下降了52.2%、40.2%和56.7%；照射功率為2 000 W，波速分別下降了54.7%、59.0%和62.5%?？梢?，隨著輻射時(shí)間的增加，波速下降程度明顯，試樣內(nèi)部產(chǎn)生的損傷隨時(shí)間增加而增加。在功率為900、2 000 W時(shí)，波速的變化情況與前面一致，而在功率為1 300 W時(shí)，循環(huán)4次的波速低于循環(huán)2次的波速，說明此時(shí)循環(huán)照射模式已經(jīng)初顯效果。

2.3 微波照射后玄武巖的抗拉強(qiáng)度變化

由圖3可知，經(jīng)微波照射后的玄武巖，其抗拉強(qiáng)度較之未經(jīng)微波照射過的玄武巖，都有較大幅度的降低。當(dāng)微波功率為900 W，且照射累計(jì)時(shí)間相同時(shí)，分多次循環(huán)照射后的強(qiáng)度弱化效果反而不如連續(xù)照射的效果來得明顯，循環(huán)的次數(shù)越多，試件抗拉強(qiáng)度下降得越少。這和波速變化情況一致。

圖3 玄武巖不同照射參數(shù)下的強(qiáng)度變化Fig.3 Intensity variation of basalt specimens under different microwave irradiation parameters

由圖3(a)可見，當(dāng)微波功率為1 300 W，累計(jì)照射時(shí)間為2 min時(shí)，就微波對(duì)玄武巖抗拉強(qiáng)度的弱化效果，循環(huán)照射仍然不如連續(xù)照射，且循環(huán)次數(shù)越多其效果越差。

由圖3(b)可見，當(dāng)微波功率為1 300 W，累計(jì)照射時(shí)間3 min時(shí)，微波循環(huán)次數(shù)越多，其對(duì)巖石抗拉強(qiáng)度的損傷作用越強(qiáng)，例如，連續(xù)照射3 min后的抗拉強(qiáng)度低于分2次循環(huán)照射后的抗拉強(qiáng)度卻高于分3次循環(huán)照射后的抗拉強(qiáng)度，說明此時(shí)微波循環(huán)照射加載模式已經(jīng)初顯功效。當(dāng)微波功率達(dá)到2 000 W時(shí)，玄武巖經(jīng)循環(huán)照射后的抗拉強(qiáng)度已全部低于連續(xù)照射后的試件強(qiáng)度，而且分4次循環(huán)照射總時(shí)間為2 min的試件強(qiáng)度甚至低于分3次循環(huán)照射總時(shí)間為3 min的試件強(qiáng)度，說明此時(shí)微波循環(huán)照射加載模式的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)完全顯現(xiàn)，甚至超越了微波輸入總能量不等的差距。

2.4 定義并計(jì)算各種微波參數(shù)下的損傷變量

現(xiàn)定義經(jīng)微波照射過的玄武巖試件的抗拉強(qiáng)度與未經(jīng)微波照射過的玄武巖試件的抗拉強(qiáng)度的比值為連續(xù)性因子或連續(xù)度，則可得損傷變量或損傷度的表達(dá)式如下：

(1)

式(1)中:D為玄武巖試件的損傷變量；σt為經(jīng)微波照射后玄武巖試件的抗拉強(qiáng)度；σ0為未經(jīng)微波照射過玄武巖試件的抗拉強(qiáng)度。

由抗拉強(qiáng)度整理計(jì)算得到不同微波參數(shù)下試樣的損傷變量，如圖4所示可以定量反映試件的損傷程度。

凡經(jīng)微波照射過的玄武巖試件內(nèi)部均有一定損傷，微波輻射時(shí)的照射參數(shù)不同，對(duì)應(yīng)玄武巖試件產(chǎn)生損傷的大小也不同。在900 W功率、照射總時(shí)間2 min、等分循環(huán)照射4次時(shí)，其損傷變量最小，幾乎可視為未產(chǎn)生損傷效應(yīng)；在2 000 W功率、總照射時(shí)間依然2 min、等分循環(huán)照射4次時(shí)，其損傷變量最大。

可以看到：當(dāng)?shù)凸β识虝r(shí)間照射時(shí)，微波輻射對(duì)玄武巖的損傷效果甚微，且循環(huán)照射效果尚不如連續(xù)照射效果來得明顯；隨著微波功率變大，微波對(duì)玄武巖的損傷效應(yīng)逐漸突顯，損傷變量有著明顯的增幅，這些與波速、抗拉強(qiáng)度部分所分析的結(jié)果也是完全一致的；當(dāng)微波功率較高時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，損傷變量增幅近乎水平，出現(xiàn)損傷飽和的現(xiàn)象，這可能是巖石本身的各項(xiàng)物理性能所限制的結(jié)果。從上述的試驗(yàn)結(jié)果可以清晰地知道，提高微波功率、增加循環(huán)次數(shù)是增強(qiáng)微波損傷巖石的有效手段。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

巖石中礦物質(zhì)在微波加熱過程中升溫速率不同，吸波礦物吸收能量，使溫度不斷升高，與周圍的透波礦物形成溫度差，產(chǎn)生溫度應(yīng)力。隨著照射時(shí)間的增加，溫度應(yīng)力逐漸增大，超過顆粒之間的黏結(jié)力，巖石開始形成裂縫。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，微波輻射對(duì)巖石損傷的影響可總結(jié)如下。

(1)微波照射后，對(duì)巖石進(jìn)行沖水冷卻時(shí)，水流在試件表面漫流，巖石表面體積迅速收縮，表面出現(xiàn)微裂紋，同時(shí)水滲入巖石內(nèi)部，內(nèi)部較高的溫度導(dǎo)致水分汽化并產(chǎn)生壓力作用于周圍結(jié)構(gòu)，微裂紋不斷擴(kuò)展貫通，直到巖樣溫度接近室溫，整個(gè)過程進(jìn)行較快。

(2)在微波加熱后，巖石內(nèi)部處于高溫環(huán)境下，玄武巖試樣內(nèi)部水分迅速被蒸發(fā)，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，導(dǎo)致體積增大，水蒸氣壓力會(huì)使巖石出現(xiàn)微裂隙；其次，在微波照射后對(duì)巖石試件進(jìn)行沖水的處理，一來水在高溫下氣化形成的蒸汽壓力會(huì)擴(kuò)張、貫通微小裂隙，還會(huì)使得試件表面的裂紋在水痕的作用下全部顯現(xiàn)出來，起到放大試驗(yàn)現(xiàn)象的效果；二來高溫巖石試件在水中驟冷，巖石試件更易變形開裂，試件溫度也迅速得到冷卻，在循環(huán)照射試驗(yàn)中，可以有效地節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間、加快試驗(yàn)過程。

(3)功率越高，波速、抗拉強(qiáng)度降低得越快，說明采用高功率微波更有利于巖石破碎。沖水冷卻后的試件在下一次的微波照射中，因已產(chǎn)生的裂隙中含有強(qiáng)極性物質(zhì)——水，這會(huì)導(dǎo)致巖石試件大量吸收微波能量并在其內(nèi)部形成高溫環(huán)境，繼而在水氣壓力和溫度應(yīng)力的共同作用下致使巖石內(nèi)產(chǎn)生裂隙，造成強(qiáng)度損傷，如此循環(huán)重復(fù)，便使得循環(huán)照射后的巖石試件內(nèi)損傷不斷加劇累加，促進(jìn)了微波對(duì)巖石的損傷弱化作用。

4 結(jié)論

通過比較不同微波照射方案下玄武巖試件的損傷特性，再次證明微波處理可以有效地弱化巖石強(qiáng)度，得到結(jié)論如下。

(1)微波功率和輻射時(shí)間是2個(gè)影響巖石加熱效果的重要參數(shù)，微波照射后，試樣內(nèi)產(chǎn)生裂隙，縱波波速和抗拉強(qiáng)度發(fā)生顯著降低。

(2)采用低功率微波加熱時(shí)，連續(xù)照射后試件的強(qiáng)度低于循環(huán)照射后試件強(qiáng)度，因單次微波輸入能過低而不足以達(dá)到裂紋起裂能，使得循環(huán)照射的功效無法顯現(xiàn)，此時(shí)不宜使用循環(huán)照射微波加載模式。

(3)當(dāng)微波輸入能達(dá)到一定時(shí)，微波循環(huán)照射對(duì)巖石的損傷效應(yīng)隨著循環(huán)次數(shù)的增多而增強(qiáng)，且較之于連續(xù)照射，可實(shí)現(xiàn)用較少的能耗達(dá)到更好的損傷弱化效果。

(4)采用高功率短時(shí)間的循環(huán)照射參數(shù)，連續(xù)照射后試件強(qiáng)度高于循環(huán)照射試件強(qiáng)度，循環(huán)照射方式能有效地增強(qiáng)微波對(duì)巖石的損傷弱化作用，因此，高能高頻脈沖微波是微波輔助破巖的發(fā)展方向。