戴 俊，李傳凈，楊 凡，師百壘

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

0 引 言

近年來，微波技術(shù)所具有的快速加熱、內(nèi)部加熱及選擇性加熱等優(yōu)點受到國內(nèi)外許多專家的青睞，相繼開展了利用微波輔助以破碎巖石的一系列研究工作，并取得了不錯的成果。S.W. Kingman[1]研究了巖石礦物成分對微波輔助研磨礦物的影響；戴俊等[2]分析了在微波照射輔助下，巖石強度變化現(xiàn)象的影響規(guī)律；秦立科[3]從理論上推導(dǎo)出了微波照射對巖石強度的影響；李文成[4]提出了微波誘導(dǎo)崩落法這一新的采礦方法。以上研究均未考慮水的影響，而巖石往往處于地下水環(huán)境中，在水巖相互作用下[5]，不同含水率對巖石的性質(zhì)必然存在影響。O. Ojo和N. Brook[6]提出了巖石抗拉和抗壓強度會

隨著含水率的增加而變小，呈負(fù)相關(guān)規(guī)律；R. Ulusay[7]提出了巖樣單軸抗壓強度與含水率呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律；黃彥森[8]等分析了不同含水率條件下白云巖的變形特性和強度變化規(guī)律；文圣勇[9]等將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到巖石破碎上，對砂巖展開常規(guī)單軸壓縮試驗，分析巖石在不同含水率作用下的聲發(fā)射特點；唐鷗玲[10]等通過對砂巖進(jìn)行不同含水率以及不同圍壓條件作用下的三軸試驗，探討含水率對巖樣漸進(jìn)破裂過程的影響規(guī)律。

以上研究分別闡述了微波照射和含水率對巖樣損傷的影響規(guī)律，然而考慮微波照射下含水率對巖石強度弱化影響的研究鮮有報道。為此，本文對玄武巖進(jìn)行微波照射，通過CT掃描試驗和抗剪強度試驗，得到巖樣內(nèi)部損傷分布情況，以探討經(jīng)微波輻射的不同含水率的巖樣的強度弱化規(guī)律。

1 試驗方法

1.1 試樣制作

本試驗選用的巖石試件為內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市的玄武巖，經(jīng)過取芯、切割、打磨作業(yè)，將巖樣加工成高50 mm、直徑50 mm的圓柱體。然后將巖樣放入104～110 ℃的烘箱中干燥24 h后，再置于干燥器內(nèi)進(jìn)行冷卻直至室內(nèi)常溫。通過控制巖樣的浸泡時間來改變巖石的含水率。根據(jù)浸泡時間，將巖石試件分為4組(分別浸泡0、6、12、24 h)，每6個試件為1組。設(shè)備包括：微波加熱裝置即工業(yè)微波爐、型號Brilliance16的PHLIPS16層螺旋CT機、自動取芯機、自動切石機和雙端面磨平機。

圖1 巖樣120 mm掃描層CT圖像

圖2 巖樣250 mm掃描層CT圖像

1.2 試驗步驟

①選取巖石試樣，根據(jù)要求對試樣完成分組加工操作；②對選定巖石試件進(jìn)行微波照射試驗，微波設(shè)備參數(shù)設(shè)定為8 kW、3 min；③對經(jīng)過微波輻射后的巖樣進(jìn)行CT掃描操作，獲得巖樣內(nèi)部受損及表面裂縫狀況；④測取巖樣的力學(xué)強度，對經(jīng)過微波處理后的巖樣進(jìn)行抗剪切試驗；⑤對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)，觀察經(jīng)過微波輻射前后，隨著含水率的改變，巖石強度的弱化、裂痕延伸和相關(guān)破壞特征。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 CT掃描試驗結(jié)果

本次試驗對經(jīng)過微波輻射后的玄武巖巖樣進(jìn)行了CT掃描，并分別分析巖樣120 mm和250 mm掃描層的CT圖像。掃描層數(shù)據(jù)見表1、2。掃描層CT圖像見圖1、2。

表1 120 mm掃描層CT數(shù)據(jù)

表2 250 mm掃描層CT數(shù)據(jù)

從表1、2中可以看出，巖樣在經(jīng)過微波輻射處理后，由于巖樣含水率的不斷增高，CT數(shù)總體上呈下降趨勢，而CT數(shù)方差逐漸變大。這表明經(jīng)過微波處理后的巖樣，隨著其含水率的不斷增高，巖樣的損傷破壞也在逐步加深，且其離散性也隨之增強。經(jīng)過輻射處理之后，對比分析巖樣的CT數(shù)不難發(fā)現(xiàn)，250 mm處的CT數(shù)要相對小一點，這也就說明了在巖石含水率特定時，該掃描層的巖石整體損傷破壞程度相對于120 mm掃描層的損傷程度大。由此可見，當(dāng)含水率特定時，經(jīng)過輻射處理后，相同巖樣的不同層面會發(fā)生不一樣的損傷變化，并呈現(xiàn)某種擴展特性，也就是巖樣損傷演化過程的不均勻性。

表3 抗剪試驗結(jié)果

從圖1、2可以看出，隨著巖石含水率的不斷提高，巖石同一層面的損傷破壞也在逐步加??；巖石的含水率特定時，經(jīng)過微波照射處理后的巖樣在相同面處的不同區(qū)域，其損傷演變過程會呈現(xiàn)出局部化特性。經(jīng)過微波輻射之后，巖樣率先在其內(nèi)部和邊緣部分受損，從圖像明顯看出，其顏色逐漸暗淡，且邊緣部分出現(xiàn)了裂痕。這是因為微波輻射有一定的選擇性，會優(yōu)先選擇加熱吸波礦物，這些礦物對微波更為敏感，更容易吸收微波能量。經(jīng)過微波處理之后，由于接受了微波的能量，吸波礦物的溫度也隨之逐漸增加，這就造成吸波礦物與其相鄰的透波礦物產(chǎn)生了一定的溫度差，從而產(chǎn)生了熱應(yīng)力。在該熱應(yīng)力的影響下，透波區(qū)域產(chǎn)生了損傷，導(dǎo)致了巖樣的損傷呈現(xiàn)局部化的特點。在相同含水率狀況下，250 mm掃描層裂痕比120 mm的要少，這是因為巖樣在經(jīng)過微波照射處理后，緊接著進(jìn)行水中冷卻操作，在巖樣和水的接觸部分，熱應(yīng)力差更大，加之巖樣邊緣變形沒有任何限制，導(dǎo)致巖樣外部裂痕比內(nèi)部多。

2.2 抗剪強度試驗

為進(jìn)一步研究微波照射后不同含水率對巖石強度的損傷規(guī)律，對不同含水率內(nèi)蒙古赤峰玄武巖經(jīng)微波照射后(8 kW、3 min)進(jìn)行剪切試驗，試驗數(shù)據(jù)見表3。從表3可知，浸泡之后再經(jīng)過微波輻射的巖樣，其抗剪切強度普遍下降。與原巖樣對比，照射組的巖樣抗剪強度也呈下降趨勢。浸泡12 h的巖樣在經(jīng)過輻射處理之后，將其55°、65°、75°抗剪試驗切應(yīng)力與0 h組對比發(fā)現(xiàn)，切應(yīng)力分別降低了20.12%、-35.13%、13.83%；而浸泡24 h與浸泡12 h的巖石試件相比，切應(yīng)力分別降低了1.85%、64.4%、-19.62%。因此，經(jīng)過輻射處理后的巖樣的抗剪切強度與巖樣含水率表現(xiàn)出某種相關(guān)性，即隨著巖樣含水率的不斷增高，在經(jīng)過微波處理之后，巖樣抗剪切強度也逐漸下降。表3中個別數(shù)據(jù)不符合該規(guī)律，如浸泡12 h與6 h的巖樣，75°抗剪試驗切應(yīng)力并未下降反而有所增加，這是因試驗結(jié)果的誤差所導(dǎo)致的。綜上，巖樣在浸泡12 h后，再對其進(jìn)行微波處理操作，巖樣的損傷破壞程度更加明顯。此結(jié)論與前述CT掃描所得結(jié)論一致。

表4 抗剪試驗破壞形態(tài)

2.3 破壞特征

未經(jīng)過輻射處理的巖樣，在進(jìn)行抗剪試驗后，其剪切面較為平整。巖樣經(jīng)過微波照射試驗之后，再對其展開抗剪試驗，其剪切面的形態(tài)也呈現(xiàn)出規(guī)律性。抗剪試驗破壞形態(tài)見表4。從表4可知，隨著含水率的增高，經(jīng)過微波輻射后，巖樣剪切面周圍的裂痕增多，剪切破壞后，巖樣整體破碎程度隨之加劇。試驗結(jié)果表明，巖樣含水率越高，經(jīng)過輻射處理后，巖樣的受損破壞愈加劇烈。在對巖樣進(jìn)行抗剪試驗前，因為含水率存在差異，經(jīng)過輻射處理后，巖樣的受損傷破壞的狀況也存在差異，其內(nèi)部生成的微裂痕數(shù)目也不一樣。而后在進(jìn)行剪切試驗的過程中，經(jīng)微波處理產(chǎn)生的微裂縫會延伸、分叉和貫通，最后導(dǎo)致了巖樣的破壞性損傷，此后巖樣整體呈現(xiàn)出不一樣的破壞情況。分析原因，巖樣中的水分使礦物的介電常數(shù)激烈增加，在輻射條件下，巖樣內(nèi)部受熱水分蒸發(fā)；同時，微波照射下水分也開始發(fā)生汽化，在巖樣內(nèi)部產(chǎn)生了較大的蒸汽壓力，使巖石裂痕擴大或者又產(chǎn)生新的裂痕，從而使巖石強度下降。

3 結(jié) 語

本文在巖樣含水率變化的條件下，對巖樣進(jìn)行了微波輻射試驗，并對經(jīng)過微波處理后的巖樣進(jìn)行了CT掃描操作，得出以下結(jié)論：

(1)巖樣的含水率越高，經(jīng)過微波輻射處理之后，其受損破壞水平越嚴(yán)重，損傷的離散性也隨之增強，并呈現(xiàn)出局部化特征。

(2)含水率對經(jīng)過微波照射后的巖樣的抗剪切強度影響比較明顯，抗剪切強度隨著含水率的增加而變小，兩者成負(fù)相關(guān)關(guān)系；其破壞特征亦隨著含水率的改變而發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為試件剪切面附近裂痕增多，經(jīng)過剪切破壞后，巖樣整體破碎加劇。在本文試驗含水率變化區(qū)間之內(nèi)，巖樣的含水率越高，經(jīng)過微波處理之后，其破壞損傷程度越大。

參考文獻(xiàn)：

[1] KINGMAN S W, JACKSON K, CUNBANE A. Recent developments in microwave-assisted comminution[J]. Mineral Processing, 2004, 74(1): 71- 83．

[2] 戴俊, 孟振, 吳丙權(quán)．微波照射對巖石強度的影響研究[J]. 有色金屬： 選礦部分, 2014(3)： 54- 57．

[3] QIN Like, DAI Jun, TENG Pengfei. Study on the effect of microwave irradiation on rock strength[J]. Journal of Engineering Science & Technology Review, 2015, 8(4)： 91- 96．

[4] 李文成, 杜雪鵬．微波輔助破巖新技術(shù)在非煤礦的應(yīng)用[J]. 銅業(yè)工程, 2011(4)： 1- 4．

[5] 劉新榮, 傅晏, 鄭穎人, 等. 水巖相互作用對巖石劣化的影響研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2012, 8(1)： 77- 83．

[6] OJO O, BROOK N. The effect of moisture on some mechanical properties of rock[J]. Mining Science and Technology, 1990, 10(2): 145- 156．

[7] ERGULER Z A, ULUSAY R. Water- induced variations in mechanical properties of clay-bearing rocks[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2009, 46(2): 355- 370．

[8] 黃彥森, 鄧建華, 鐘蜀暉, 等. 含水率對泥質(zhì)白云巖力學(xué)特性影響的試驗研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2014, 10(2)： 276- 284．

[9] 文圣勇, 韓立軍, 宗義江, 等．不同含水率紅砂巖單軸壓縮試驗聲發(fā)射特征研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2013, 41(8)： 46- 48．

[10] 唐鷗玲, 李天斌, 陳國慶. 含水率對砂巖漸進(jìn)破裂過程影響的試驗研究[J]. 實驗力學(xué), 2016, 31(4)： 503- 510．