戴　俊，潘艷賓，孟　振

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054;2.煙臺市萊山區(qū)水利局,山東 煙臺 264000)

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微波照射下巖石強(qiáng)度弱化影響因素的試驗研究*

戴俊1，潘艷賓1，孟振2

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054;2.煙臺市萊山區(qū)水利局,山東 煙臺 264000)

傳統(tǒng)的破巖方式在機(jī)具的消耗、效率的提高、環(huán)境的保護(hù)等方面都存在一定的制約，微波輔助機(jī)械破巖作為一種新型技術(shù)得到了快速發(fā)展。為了得出巖石在微波照射下的強(qiáng)度弱化規(guī)律，以砂巖和石灰?guī)r為研究對象，以點荷載強(qiáng)度為研究指標(biāo)，分別對不同微波照射條件及冷卻方式下砂巖和石灰?guī)r的強(qiáng)度進(jìn)行了試驗研究。結(jié)果表明：微波照射下巖石強(qiáng)度弱化的影響因素主要有微波照射功率、微波照射時間、冷卻方式、巖石顆粒粒徑大小及巖石礦物組成等；并且微波照射功率越大、照射時間越長對巖石弱化程度越大；噴水冷卻方式相對自然冷卻方式能大大提高微波照射后巖石強(qiáng)度的弱化程度；相同種類的巖石，顆粒粒徑越小，巖石越不易產(chǎn)生弱化，巖石強(qiáng)度弱化所需吸收微波能量越高；巖石所含吸波礦物越多，微波加熱后巖石強(qiáng)度弱化越明顯。為更有效地提高“微波+機(jī)械”破巖效率，應(yīng)結(jié)合巖石強(qiáng)度弱化影響因素，選擇最佳的微波照射組合方式。

微波照射；砂巖；石灰?guī)r；強(qiáng)度弱化

2.LaishanDistrictWaterResourcesBureau,Yantai264000,China)

0　引　言

伴隨著研究的不斷深入，微波這一新興技術(shù)由于具備改善反應(yīng)條件、加快反應(yīng)速度、均勻與選擇性加熱等特性[1-2]，使得微波技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于干燥物料、提取礦物、治療疾病等領(lǐng)域中[3-4]，同時微波技術(shù)在巖石破碎方面也發(fā)揮其強(qiáng)大優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在微波輔助機(jī)械破巖[5]上，即在機(jī)械破碎巖石之前,先用微波對巖石進(jìn)行照射加熱使其產(chǎn)生微裂隙進(jìn)而受到一定程度的弱化，而后采用機(jī)械對其進(jìn)行破碎，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)破巖方法存在的不足[6]。F.Hassani[7]對不同地區(qū)的玄武巖進(jìn)行了微波照射試驗，結(jié)果表明微波功率越大、微波照射時間越長，巖石的抗壓、抗拉強(qiáng)度弱化程度越大。國內(nèi)對于微波照射下巖石弱化演化的研究還處于起步階段，戴俊等[8-9]對微波照射作用下花崗巖的強(qiáng)度變化進(jìn)行了試驗研究，并提出了微波照射后巖石的抗拉強(qiáng)度計算準(zhǔn)則，并采用有限差分法對微波照射下巖石顆粒的屈服分布及演化進(jìn)行計算分析，得出微波照射下巖石顆粒既存在拉伸屈服也存在剪切屈服等結(jié)論；孟振[10]通過對微波照射下巖石的試驗研究，得出不同巖石對微波照射因素敏感性不同；吳濤[11]通過巖石沖擊斷口電鏡掃描試驗分析了微波照射后巖石抗沖擊性能弱化的原因、沖擊裂紋的破壞特征及斷裂過程；楊凡[12]通過CT掃描和抗剪切試驗探究了微波照射下巖石弱化演化規(guī)律。微波照射下巖石強(qiáng)度弱化主要因素的研究是至關(guān)重要的一步，因此，文中對不同巖石、不同照射參數(shù)進(jìn)行對比試驗研究，得到微波照射下巖石弱化演化的基本規(guī)律，以期得到微波照射下巖石強(qiáng)度弱化的主要影響因素及影響規(guī)律。

1　微波照射巖石強(qiáng)度弱化原理

微波通常是指波長為1mm～1m，頻率為0.3～300GHz的超高頻電磁波，中國工業(yè)上應(yīng)用的微波頻率主要為915和2 450MHz2種，微波的吸收、穿透和反射3種基本性質(zhì)決定了微波的加熱特性，微波照射下巖石強(qiáng)度弱化主要是由于微波作用下巖石內(nèi)部吸波礦物吸收微波能量，進(jìn)而加熱巖體改變其物理特性。電磁場以波的形式給巖石以能量，能量又通過巖石的吸熱而轉(zhuǎn)換，在交流電磁場作用下，巖石內(nèi)部由于極化現(xiàn)象產(chǎn)生了類似摩擦的劇烈作用，微波能量轉(zhuǎn)化為巖石介質(zhì)的熱量而溫度升高不同，巖石礦物物理性質(zhì)的差異性導(dǎo)致熱膨脹作用的各向異性，從而產(chǎn)生了非均勻的熱應(yīng)力，在溫度場和應(yīng)力場耦合作用下，當(dāng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過了巖石內(nèi)部某種強(qiáng)度，就會導(dǎo)致巖石礦物顆粒間或顆粒本身產(chǎn)生微裂紋，再加上巖體在水分蒸發(fā)、內(nèi)部分解等共同作用下，巖石內(nèi)部出現(xiàn)新裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展、貫通從而誘發(fā)巖石破裂導(dǎo)致巖石弱化。

2　微波加熱試驗

2.1試驗設(shè)備、巖石試樣選取及試件加工

試驗采用工業(yè)微波作為高功率微波爐發(fā)生設(shè)備，額定工作電壓為380V，裝置由微波發(fā)射器(發(fā)射微波頻率為2 450MHz)和腔體2部分組成，輸出功率可調(diào)范圍為0～10kW；巖石試樣加工設(shè)備主要包括自動取芯機(jī)、箱式切割機(jī)及打磨機(jī)。

針對研究內(nèi)容選取3種巖石：①四川成都地區(qū)砂巖；②陜北黃陵地區(qū)某煤礦礦區(qū)砂巖；③陜西咸陽市涇陽地區(qū)石灰?guī)r。根據(jù)《公路工程巖石試驗規(guī)程》，試件加工具體樣式見表1.

表1　照射試驗巖石試件加工數(shù)量

2.2試驗方案

試驗以研究微波照射下對巖石造成強(qiáng)度弱化的主要因素為本質(zhì)目的，采用對比試驗方法，試驗對3種巖石試件進(jìn)行微波照射，照射功率分配為1，3，5，8 kW，照射時間分配為0，2，4，6 min.成都砂巖冷卻方式為自然冷卻和噴水冷卻2種，其余巖樣皆采用自然冷卻，然后對各巖樣進(jìn)行點荷載試驗，得出巖樣強(qiáng)度結(jié)果，進(jìn)行對比分析，得出微波照射巖石強(qiáng)度弱化影響因素及影響規(guī)律。

3　試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1微波照射參數(shù)對巖石強(qiáng)度弱化的影響

成都砂巖試件在不同照射功率和照射時間下，得到巖石試件的殘余強(qiáng)度規(guī)律，如圖1所示。

圖1　成都砂巖在不同照射參數(shù)下 巖石殘余強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.1　Chengdu sandstone rock residual strength variation at different irradiation parameters

由圖1可知，在一定照射時間范圍內(nèi)，隨著照射時間的增長，巖石試件中強(qiáng)度弱化越來越明顯，如功率1 kW，成都砂巖隨著照射時間的增長其點荷載強(qiáng)度分別下降了13%，24%，28%，照射時長為4 min時，試件強(qiáng)度弱化幅度最明顯，6 min與4 min試件強(qiáng)度弱化相差不大，說明低功率照射下巖石弱化程度是有限的，因此，采取最佳照射時間為4 min.

由圖1可以看出，巖石試件的弱化程度隨著微波照射功率的增大而增加，高功率(5 kW)條件下，點荷載強(qiáng)度分別下降了22%，25%，35%，試件強(qiáng)度弱化幅度和速度比低功率(1 kW)條件下要大且快的多，在前2 min弱化幅度最大。功率為5 kW時，最佳照射時間是2 min.

由巖石強(qiáng)度變化規(guī)律可知，為高效利用微波能量宜選用高功率與短時間的組合方式。

3.2冷卻方式對巖石強(qiáng)度弱化的影響

由圖2對比成都砂巖在不同冷卻方式下微波照射巖石弱化的規(guī)律：自然冷卻條件下，巖石的強(qiáng)度弱化程度分別為22%，25%，35%，而在噴水冷卻條件下，巖石強(qiáng)度弱化程度達(dá)到35%，56%，65%，兩者對比，差異明顯。

圖2　不同冷卻方式下巖石強(qiáng)度弱化對比Fig.2　Comparison of rock strength weakening under different cooling ways

推斷微波照射后，巖石處于高溫狀態(tài)，直接進(jìn)行噴水冷卻，由熱脹冷縮原理，巖石表面急劇收縮，而內(nèi)部溫度變化較小，會使巖石內(nèi)外發(fā)生不均勻變形，這種不均勻變形造成巖石內(nèi)部裂紋的大量形成和貫通，大大降低了巖石的強(qiáng)度，因此，可以看出不同的冷卻方式對巖石弱化程度影響很大，噴水冷卻能有效降低微波照射后巖石的強(qiáng)度。在微波輔助機(jī)械破巖技術(shù)中采用噴水冷卻的方法是很有利的。

3.3巖石顆粒粒徑大小、礦物分布對巖石強(qiáng)度弱化的影響

圖3　2種砂巖巖樣對比Fig.3　Comparison of two kinds of sandstone samples 左側(cè)黃陵砂巖；右側(cè)為成都砂巖

從圖3可以看出，黃陵砂巖有明顯的層理結(jié)構(gòu)，黑白相間，層理間礦物組成不同，即礦物分布不均勻，而成都砂巖質(zhì)地均勻，顆粒細(xì)膩，顏色統(tǒng)一，完整性強(qiáng)。

圖4　2種砂巖強(qiáng)度弱化對比Fig.4　Comparison of two kinds of sandstone strength weakening

微波功率為5 kW條件下2種砂巖的殘余強(qiáng)度隨照射時長的變化規(guī)律如圖4，可以看出，成都砂巖在不同的照射時長下，其強(qiáng)度弱化分別為22%，25%，35%，而黃陵砂巖強(qiáng)度弱化分別達(dá)到56%，66%，75%，黃陵砂巖弱化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于成都砂巖。

成都砂巖較黃陵砂巖質(zhì)地細(xì)膩，結(jié)構(gòu)致密，顆粒粒徑較小，因為顆粒粒徑的大小直接影響著巖石的強(qiáng)度，顆粒粒徑越小，克服巖石抗拉強(qiáng)度所需熱應(yīng)力越大，即所需吸收微波能量越高，相同照射條件下，成都砂巖強(qiáng)度弱化程度要比黃陵砂巖強(qiáng)度弱化程度小。另外，黃陵砂巖層理結(jié)構(gòu)明顯，礦物分布不均勻，在微波照射下更容易形成較大的溫度梯度，引起巖石內(nèi)部熱應(yīng)力分布不均勻，從而加大巖石的弱化程度。

3.4巖石礦物成分對巖石強(qiáng)度弱化的影響

圖5　砂巖和石灰?guī)r強(qiáng)度弱化對比圖Fig.5　Comparison of sandstone and limestone strength weakening

石灰?guī)r主要由方解石和石英組成，其中方解石80%～90%，石英1%～8%，白云石2%～5%，黑云母<1%；砂巖主要由石英和巖屑組成，其中石英50%～60%，巖屑30%～40%，長石10%，黑云母3%～5%；不同礦物具有不同的介電常數(shù)，其中方解石的介電常數(shù)為1.8～2.0，石英4.2～5，黑云母9.28.

圖5中石灰?guī)r和砂巖的強(qiáng)度弱化規(guī)律驗證了礦物成分對微波作用下巖石弱化程度的影響。介電常數(shù)較大的礦物對微波較敏感，微波作用下升溫較快，形成“熱點”，不同礦物之間形成溫度差，產(chǎn)生熱應(yīng)力，引起巖石弱化。相同微波照射參數(shù)條件下，微波敏感礦物含量越高，巖石弱化程度越大。

4　結(jié)　論

試驗驗證了微波照射會引起巖石強(qiáng)度弱化，得到微波照射下巖石弱化的基本規(guī)律。通過對比分析出微波照射下巖石強(qiáng)度弱化主要影響因素包括：微波照射參數(shù)(微波功率和照射時間)、冷卻方式、巖石粒徑大小、礦物分布情況及巖石礦物成分。

1)不同種類巖石在微波照射后強(qiáng)度弱化不同，但總體趨勢都是隨著微波照射參數(shù)(微波功率和照射時間)的增加，巖石弱化程度增大；

2)相同照射條件下的冷卻方式，對巖石弱化程度影響很大，其中，采用噴水冷卻效果最明顯；

3)雖然相同種類不同產(chǎn)地的巖石，礦物成分相同，但巖石顆粒粒徑不盡相同，在相同的微波照射條件下，顆粒粒徑較小、礦物分布均勻的巖石，強(qiáng)度弱化相對較??；

4)由于不同種類的巖石其礦物成分不同，不同礦物具有不同的介電特性。介電特性越強(qiáng)，吸收微波能力越大，相同微波照射條件下，巖石強(qiáng)度弱化越明顯。

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YANG Fan.Experimental research on mechanism of rock damage caused by microwave irradiation[D].Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2015.

Experimental study on influential factors of rock strength weakening under microwave irradiation

DAI Jun1，PAN Yan-bin1，MENG Zhen2

(1.CollegeofCivilandArchitecturalEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China;

Traditionalmethodsofrockfragmentationhavecertainrestrictionsduetotheconsumptionofmachine，efficiency，environmentalprotectionandotheraspects，Microwave-assistedmechanicalrock-breakingasanewtechnologyhasbeendevelopedrapidly.Inordertodrawthestrengthweakeninglawofrockundermicrowaveirradiation，sandstoneandlimestonerockasthestudyobjects，basedonpointloadstrengthindex，experimentalstudyonthestrengthofsandstoneandlimestonerockarecarriedoutunderthedifferentmicrowaveirradiationconditionsandcoolingways.Theresultsshowthatthemaininfluentialfactorsofrockstrengthweakeningundermicrowaveirradiationaremicrowaveirradiationpower，irradiationtime，coolingways，diametersizeofrockparticlesandrockmineralcompositionetc.；thelargerthemicrowaveirradiationpowerandthelongerirradiationtime，thegreaterthedegreeofrockweakeningis；spraycoolingwaycaneffectivelyimprovetherockstrengthweakeningdegreecomparedwithnaturalcoolingway；underthesamecondition，thesmallerdiametersizeofrockparticles，rockstrengthweakeningrequiredtoabsorbthehighermicrowaveenergy；themoreabsorbingmicrowaveminerals，thestrengthweakeningofrockundermicrowaveheatingwillbeobviouswiththeincreaseofabsorbingmicrowaveminerals.Inordertoimprove“MicrowaveandMechanical”methodofrockcrushingeffectively，theinfluentialfactorsofrockstrengthweakeningshouldbeconsideredforselectingtheoptimalmicrowaveirradiationcombinations.

microwaveirradiation；sandstone；limestone；strengthweakening

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0311

1672-9315(2016)03-0364-05

2016-01-10責(zé)任編輯：劉潔

國家自然科學(xué)基金(51174159)

戴俊(1964-)，男，貴州安順人，博士，教授，E-mail：1060968244@qq.com

TU 528

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