戴　俊，師百壘，吳　濤

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

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微波照射對(duì)巖石抗沖擊性能的影響

戴俊，師百壘，吳濤

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

摘要：對(duì)花崗巖和黃砂巖做落錘沖擊試驗(yàn)，研究微波照射后巖石抗沖擊性能的下降規(guī)律，分析在一定時(shí)間、不同功率作用下，巖石抗沖擊性能的降低機(jī)理。研究結(jié)果表明：微波照射時(shí)間一定時(shí)，巖石抗沖擊性能隨微波照射功率的增大而逐漸降低，降低速度先變快后變慢；花崗巖和黃砂巖分別在微波照射功率為8 kW和4 kW時(shí)抗沖擊性能下降最快。微波照射引起不同巖石抗沖擊性能降低的原因，在于不同礦物組成的膨脹變形不同，致使微裂紋擴(kuò)展至巖石破碎，抗沖擊性能喪失。

關(guān)鍵詞：微波照射；巖石；落錘沖擊；抗沖擊性能

0引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，巖石工程所涉及的范圍越來越廣，包括橋梁工程和隧道工程、礦井工程和壩基工程等。巖石的開挖破碎成為需要解決的問題之一，其中常用的巖石破碎方法有等離子體破巖法、激光破巖法、機(jī)械破巖法和射彈沖擊破巖法等[1]，以及最新提出的微波輔助機(jī)械破巖方法[2]，每一種方法都會(huì)對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊震動(dòng)作用。因此，需要研究巖石性質(zhì)在受沖擊荷載作用時(shí)的變化規(guī)律。

現(xiàn)階段，隨著微波技術(shù)的發(fā)展[3]，很多學(xué)者在微波輔助機(jī)械破巖方面做了大量的研究[4-5]，驗(yàn)證了該方法的可行性。針對(duì)微波照射下巖石強(qiáng)度的變化規(guī)律，文獻(xiàn)[6]認(rèn)為微波照射能有效地降低巖石強(qiáng)度。文獻(xiàn)[7-9]對(duì)幾種巖石進(jìn)行了不同微波時(shí)間下的功率照射試驗(yàn)，得到了巖石強(qiáng)度降低規(guī)律，即隨著照射時(shí)間和功率的增加，不同巖石強(qiáng)度降低的情況不同，且降低速度逐漸變慢，并作了相關(guān)模擬研究。文獻(xiàn)[10-13]研究了微波照射對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，促進(jìn)了混凝土骨料提選新技術(shù)的發(fā)展。為了分析不同微波功率、微波照射時(shí)間等因素對(duì)微波照射后巖石抗沖擊性能弱化的機(jī)理，本文以花崗巖和黃砂巖作為研究對(duì)象，以巖石裂紋的發(fā)展情況為指標(biāo)，對(duì)微波照射后巖石抗沖擊性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用的專用工業(yè)大功率微波爐發(fā)生器，由南京澳潤微波設(shè)備廠生產(chǎn)，其額定工作電壓為220 V，可調(diào)輸出功率為0～10 kW。試驗(yàn)所用到的巖石試件加工儀器包括取芯機(jī)、切割機(jī)和打磨機(jī)等。巖石抗沖擊性能試驗(yàn)中所采用的儀器為自主改進(jìn)的落錘試驗(yàn)設(shè)備，如圖1所示。

1.2試樣與試驗(yàn)方法

花崗巖和黃砂巖試件的加工按照相關(guān)的巖石試驗(yàn)規(guī)范[14-15]進(jìn)行，巖樣加工成徑高比為2：1的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣，尺寸為Φ50 mm×25 mm。試樣共36個(gè)，分別在一定時(shí)間(4 min)不同功率(1 kW、2 kW、3 kW、4 kW、6 kW、8 kW、10 kW)下，對(duì)巖石試樣進(jìn)行微波照射。將照射后的巖石試樣抗沖擊性能與未照射巖石試樣抗沖擊性能進(jìn)行對(duì)比，判定微波照射后巖石抗沖擊性能降低的效應(yīng)，從而得到微波照射對(duì)巖石抗沖擊性能的影響結(jié)果。

圖1　落錘試驗(yàn)設(shè)備圖

1.3試驗(yàn)過程

將每種巖石分類編號(hào)，在不同功率照射條件下，進(jìn)行每種巖石不同組別的試驗(yàn)。

將落錘沖擊試驗(yàn)裝置用膨脹螺栓固定在水平的剛性地面上，連接好線路，將分類好的巖石試件底面抹上凡士林，將試件中心對(duì)準(zhǔn)落點(diǎn)中心，在試件表面中心放置被沖擊鋼球，并調(diào)整好落錘沖擊高度。

開啟磁性裝置，落錘被電磁鐵吸附在固定高度的自由落體始發(fā)點(diǎn)上。切斷開關(guān)，讓落錘做初速度為0的自由落體運(yùn)動(dòng)，然后沖擊放置在試件頂面的鋼球，每完成一次沖擊即為一個(gè)循環(huán)。

試驗(yàn)過程中每次沖擊完仔細(xì)查看試件表面，當(dāng)試件發(fā)生初裂時(shí)的沖擊次數(shù)記為初裂沖擊次數(shù)N1，并記錄裂縫條數(shù)。

繼續(xù)反復(fù)進(jìn)行沖擊循環(huán)，當(dāng)試件與底座4個(gè)擋板中任意的3個(gè)接觸時(shí)，就認(rèn)為試件破壞；否則不認(rèn)為破壞。讀取試件破壞時(shí)的總次數(shù)記為終裂沖擊次數(shù)N2，并記錄裂縫條數(shù)。

2試驗(yàn)結(jié)果與機(jī)理分析

2.1試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1花崗巖抗沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過不同功率微波照射的花崗巖試件，在沖擊作用下發(fā)生不同程度的破壞，總體趨勢(shì)為微波照射功率越高，花崗巖的抗沖擊性能越差，花崗巖質(zhì)地變得越酥脆，顏色越暗灰。經(jīng)落錘沖擊試驗(yàn)后，試件產(chǎn)生初裂直至最終破壞。微波照射后花崗巖抗沖擊初裂能變化規(guī)律如圖2所示，抗沖擊終裂能變化規(guī)律如圖3所示。

圖2 花崗巖抗沖擊初裂能與微波功率變化關(guān)系圖圖3 花崗巖抗沖擊終裂能與微波功率變化關(guān)系圖

分析圖2和圖3可得：花崗巖在微波照射條件下，其抗沖擊初裂能和抗沖擊終裂能不斷降低，微波功率越大，抗沖擊初裂能和抗沖擊終裂能越小?；◢弾r在低功率(0 kW和2 kW)照射下，其抗沖擊功變化不明顯；在中等功率(4 kW和6 kW)照射下，花崗巖的抗沖擊功變化較大；在高功率(8 kW和10 kW)照射下，花崗巖的抗沖擊功下降幅度很小。試驗(yàn)結(jié)果表明：照射時(shí)間4 min，微波功率8 kW是花崗巖抗沖擊性能變化明顯的一個(gè)閾值，在此參數(shù)下微波照射對(duì)降低花崗巖抗沖擊性能最為明顯。

2.1.2黃砂巖抗沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

不同功率微波照射的黃砂巖試件，經(jīng)沖擊作用后的結(jié)果和花崗巖類似，黃砂巖抗沖擊性能變化規(guī)律如圖4和圖5所示。

圖4 黃砂巖抗沖擊初裂能與微波功率變化關(guān)系圖圖5 黃砂巖抗沖擊終裂能與微波功率變化關(guān)系圖

分析圖4和圖5可得：黃砂巖在微波照射條件下，其抗沖擊初裂能和抗沖擊終裂能不斷降低，微波功率越大，抗沖擊初裂能和抗沖擊終裂能越小。黃砂巖在低功率(0 kW和1 kW)照射下，其抗沖擊功變化較不明顯；在中等功率(2 kW和3 kW)照射下，黃砂巖的抗沖擊功變化較大；在功率4 kW附近，黃砂巖的抗沖擊功變化最大。說明照射時(shí)間4 min，微波功率4 kW是黃砂巖抗沖擊性能變化明顯的一個(gè)閾值，在此參數(shù)下微波照射對(duì)降低黃砂巖抗沖擊性能最為明顯。

由以上對(duì)比可知：未經(jīng)受微波照射的巖石比照射后的巖石抗沖擊性能要高，使其產(chǎn)生裂紋所需的能量要大；不同巖石經(jīng)受微波照射后自身的變化不一樣，黃砂巖在4 kW微波照射之后基本喪失了抗沖擊性能，而花崗巖需要微波功率達(dá)到8 kW才能喪失抗沖擊性能；不同巖石隨微波照射功率的增大，其產(chǎn)生裂紋所需能量曲線變化情況不同，黃砂巖要比花崗巖下降快些；微波照射10 kW，4 min后花崗巖抗沖擊性能減少約78%；微波照射4 kW，4 min后黃砂巖抗沖擊性能減少約60%。

2.2機(jī)理分析

在一定時(shí)間，不同功率微波照射下，花崗巖和黃砂巖抗沖擊性能均降低，其巖石抗沖擊初裂能W1和抗沖擊終裂能W2的相關(guān)公式計(jì)算如下：

W1= N1mgh ，W2= N2mgh，

式中：W1為抗沖擊初裂能，J；W2為抗沖擊終裂能，J；N1為試件初裂時(shí)的沖擊次數(shù)；N2為試件破壞時(shí)的沖擊次數(shù)；m為沖擊錘的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；h為沖擊錘下落高度，mm,h為0～1 000 mm。

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知：微波照射后花崗巖和黃砂巖抗沖擊性能降低。不同種類巖石的礦物成分介電常數(shù)不同，對(duì)微波敏感程度各有差異，從而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也不相同。巖石的類別不同，微波弱化巖石的最佳照射參數(shù)也各不相同。微波照射后巖石形成損傷，產(chǎn)生許多微裂紋，在沖擊荷載作用下，裂紋開始擴(kuò)展，延伸，最終貫通，表現(xiàn)為宏觀裂紋。影響微波照射后巖石抗沖擊性能變化的因素主要包括以下幾點(diǎn)：

(1)巖石礦物組成的影響

巖石是由多種礦物晶體組成的復(fù)雜體，各種礦物在物理力學(xué)等方面的性質(zhì)具有非常大的差異，不同種類礦物晶體的熱膨脹系數(shù)不同，且任意一種礦物晶體的熱膨脹存在各向異性。另外，礦物成分在高溫條件下發(fā)生化學(xué)變化，改變和破壞了原有的礦物內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從高強(qiáng)度礦物轉(zhuǎn)化為低強(qiáng)度礦物?；◢弾r主要由石英、云母和長石組成；黃砂巖主要由長石和石英組成，成分含量的不同直接反映在微波照射下巖石變化的不同。由于膨脹及化學(xué)變化的作用使巖石內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使巖石內(nèi)部細(xì)觀裂紋產(chǎn)生，從而影響微波照射后巖石的抗沖擊性能變化。

(2)巖石種類的影響

巖石的種類按地質(zhì)成因主要分為3類：巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。不同種類的巖石，其物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，如巖漿巖主要為巖漿噴發(fā)經(jīng)過漫長的地質(zhì)演變而來，強(qiáng)度往往較高；砂巖為較常見沉積巖，它的強(qiáng)度主要是根據(jù)石英的相對(duì)含量而決定；變質(zhì)巖內(nèi)部往往含有許多片狀晶體，例如硅酸鹽類礦物，排列整齊。文中采用的花崗巖和黃沙巖為不同種類的巖石，兩者特性有較大的差別。由試驗(yàn)結(jié)果可知：巖石種類特征對(duì)微波照射后巖石抗沖擊性能影響較大。

(3)巖石結(jié)構(gòu)類型的影響

巖石內(nèi)部包含許多節(jié)理、微裂隙、層理及密閉氣孔等缺陷，這就形成了巖石組成結(jié)構(gòu)的多樣性。常見巖石結(jié)構(gòu)連結(jié)主要類型分為結(jié)晶連結(jié)和膠結(jié)連結(jié)，且?guī)r石中存在微小結(jié)構(gòu)面，很大程度上影響了巖石的力學(xué)性質(zhì)。因?yàn)閹r石中這些缺陷的存在，在微波加熱和沖擊荷載作用下，微裂隙尖端容易發(fā)生應(yīng)力集中，促使裂隙繼續(xù)發(fā)育、擴(kuò)展并延伸，直至最終裂紋貫通破壞。所以，巖石的結(jié)構(gòu)類型對(duì)微波照射后其抗沖擊性能變化有著舉足輕重的作用。

(4)微波照射參數(shù)的影響

從試驗(yàn)結(jié)果中可知：不同種巖石在相同微波照射參數(shù)下，抗沖擊性能下降情況不同；相同巖石在不同微波照射參數(shù)下，抗沖擊性能下降情況也不相同。微波照射參數(shù)的選擇是影響微波照射后巖石抗沖擊性能變化的重要因素。

3結(jié)論

(1)花崗巖和黃砂巖在微波照射時(shí)間一定的情況下，隨著照射功率的增大，巖石抗沖擊性能逐漸下降，其中，在微波照射功率為8 kW時(shí)，花崗巖抗沖擊性能下降迅速；照射功率為4 kW時(shí)，黃砂巖抗沖擊性能下降迅速。當(dāng)照射功率達(dá)到一定值后，下降趨勢(shì)趨于穩(wěn)定，巖石幾乎喪失了抗沖擊性能。

(2)微波照射巖石引起抗沖擊性能降低，原因在于不同巖石內(nèi)部礦物顆粒溫度變化不均勻而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。礦物介質(zhì)膨脹不均勻產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，是導(dǎo)致巖石破碎、抗沖擊性能下降的主要原因。其次，巖石內(nèi)部空氣及水分汽化膨脹，劣化了礦物顆粒之間的黏聚力，使內(nèi)部微裂紋擴(kuò)張，也導(dǎo)致抗沖擊性能下降。

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DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.01.014

文章編號(hào)：1672-6871(2016)01-0068-05

收稿日期：2015-05-22

作者簡介：劉旭(1990-),男,河南周口人,碩士生；陳永輝(1972-)，男，浙江金華人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檐浲恋鼗幚砼c地基基礎(chǔ)工程.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué) (51178160)；浙江省交通廳科技計(jì)劃 (2013W02，2012H29);水利部公益性行業(yè)科研 (201501043)；上海奉賢建設(shè)發(fā)展(集團(tuán))有限公司科研 (2013001)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TU528