戴 俊，贠菲菲，王苑樸，薛貴堂，楊 凡

(西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著社會經濟與科學技術的發(fā)展，石油鉆井和礦山開采等地下開挖工程均離不開巖石鉆孔、破碎等工作[1-3]。目前，最普遍的破巖方法主要有爆破法和機械破巖法，但這兩種方法均存在缺陷。因此，許多學者對一些新型輔助破巖方法進行了探索，如微波法、水射流法、等離子體法、電子束法以及內熱核法等[4-7]。其中，微波法的研究應用較為深入，且發(fā)展較快。文獻[8]采用高功率微波照射后，發(fā)現(xiàn)混凝土在不發(fā)生拉拔劈裂的情況下能直接將鋼筋拔出，微波照射可回收混凝土中的鋼筋。文獻[9]對含層理礦石微波加熱后的沖擊破碎特性進行了研究，經微波加熱后的礦石與未經微波加熱的礦石相比,其強度顯著降低。文獻[10-12]對微波輔助機械破巖技術進行了探索，研究結果表明：微波照射后巖石內部會產生損傷，形成微裂隙，裂隙會隨著微波持續(xù)照射而擴展、延伸、貫通，最終導致巖石強度降低。文獻[13]將微波照射后的巖石浸水冷卻，發(fā)現(xiàn)浸水能夠對巖石產生更大的破壞效果。文獻[14]對北山花崗巖進行了干燥和浸水巖石的微波加熱試驗，研究結果表明：水分對升溫速率和波速的影響較大，對強度的影響較小。

目前，關于微波照射后巖石力學性質的變化及巖石損傷方面的研究還不夠深入。因此，本文選取地下開挖工程中常見的花崗巖進行試驗，基于巖石熱效應分布、縱波波速、抗拉強度、相對動彈性模量以及損傷變量等指標，研究微波照射后巖石損傷的變化規(guī)律。

1 試驗概況

1.1 試驗設備

試驗所用加熱設備為額定工作電壓380 V、微波輸出頻率2 450 MHz的大型工業(yè)微波爐，其輸出功率在0～10 kW無級可調；縱波波速檢測設備為北京康科瑞工程檢測技術有限公司生產的NM-4B型非金屬超聲檢測分析儀；抗拉試驗中所采用的設備是MTS C43.504型落地式電子萬能試驗機，試驗時位移加載速率為0.200 mm/min；試件表面溫度檢測設備為美國FLIR T420型手持式紅外熱成像儀。

1.2 試件

選取河北花崗巖為研究對象，通過鉆芯、切割、打磨等方式，將巖石制成尺寸為Φ50 mm×25 mm的標準試件，共 57個，試件均取自同一批巖塊，為減小試驗誤差，以3個為 1 組，共19組。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巖樣。試樣制作完成并在試驗室烘干后，進行縱波波速、密度和巴西圓盤劈裂試驗?；◢弾r試件基本參數(shù)見表1。

表1 花崗巖試件基本參數(shù)

1.3 試驗方案

為避免水分對試驗結果的影響，試驗前分批對花崗巖試件進行烘干處理，見圖1。設置烘干箱內溫度為105 ℃，連續(xù)烘干24 h，待冷卻至室溫后進行后續(xù)試驗。

在試驗之前首先進行預試驗，以便于選擇試驗參數(shù)。通過預試驗發(fā)現(xiàn)：花崗巖試件在功率6 kW、時間6 min的微波照射后發(fā)生熔融崩解，如圖2所示。從圖2中可看出：花崗巖中心由于過度熔融已經形成了巨大空腔，大量黑色巖漿向外流出，此時花崗巖試件結構幾乎被完全破壞，導致其強度喪失，無法進行后續(xù)力學性能試驗。

隨機選取1組試件作為對照組，直接測定其抗拉強度，其余試件分組進行微波照射試驗，根據(jù)預試驗結果，設定微波照射功率分別為2 kW、4 kW、6 kW，微波照射時間分別為1 min、2 min、3 min、4 min、5 min、6 min。其中，6 min為功率6 kW時的時間上限，故本次試驗功率為6 kW時，時間最長為5 min。

當試驗終止時，立即使用熱成像儀對花崗巖試件表面溫度進行無損測量。微波照射完經浸水冷卻至室溫后，對試件進行縱波波速檢測，之后進行巴西圓盤劈裂試驗，測試試件的抗拉強度。為了避免試驗的離散性，每個參數(shù)進行3次重復試驗，取3次試驗結果的平均值作為經微波照射后該組試件的最終結果。整理試驗數(shù)據(jù)，并進行對比分析。

圖1 花崗巖試件烘干處理

2 試驗結果

2.1 微波照射后試件外觀形態(tài)變化

微波照射后花崗巖試件外觀如圖3所示，不同功率和時間微波照射過后，花崗巖表面現(xiàn)象不同，破壞程度也不相同。

由圖3可見：經過微波照射后的巖石表面產生了不同程度的裂紋，說明花崗巖試件具有吸波礦物。在2 kW功率下照射6 min后，試件外表面僅產生了一條微小裂縫，照射后的試件外觀變化較小,見圖3a。說明此微波參數(shù)條件下，微波照射能對花崗巖的損傷裂化作用較小。在4 kW功率下連續(xù)照射3 min后，試件表面裂隙已貫通為一條清晰可見的縱深裂縫，且外觀變化較大，見圖3b。在6 kW功率下照射3 min后，巖石上表面出現(xiàn)熔融狀態(tài)，并沿熔融處產生細微長裂紋，說明該微波參數(shù)條件下微波照射效果明顯，見圖3c。

(a) 2 kW，6 min

在低功率長時間照射下，巖石表面破壞程度較輕，有細小的宏觀裂紋，在此微波照射強度下巖石損傷效應不明顯；在高功率短時間下，形成較寬的貫穿裂紋，表面出現(xiàn)熔融狀態(tài)，由此可見提高微波照射功率可增強對試件的損傷破壞。

2.2 微波照射前后試件縱波波速變化分析

圖4 微波照射后花崗巖縱波波速

試驗前對每個試件進行了波速測試，初始聲速相差較小，說明此次選取的花崗巖石材質地較為均勻。縱波波速變化可以較為直觀地體現(xiàn)出試件的內部缺陷變化程度，用超聲檢測分析儀測得微波照射后縱波波速，結果如圖4所示。

由圖4可知：微波照射后試件縱波波速都有所下降，但下降程度不同，總體上隨微波照射時間或照射功率的增大而降低。雖然有些試件的表面未見宏觀裂隙，但是根據(jù)波速的變化，可以肯定的是照射過的每件試件內部都受到了不同程度的影響，巖石內部缺陷已經加劇。在功率相同的情況下，隨著照射時間的增加，試件的波速逐漸降低且幅度越來越大。以功率2 kW為例，照射時間為1～6 min時，縱波波速比0 min時分別下降了19.2%、24.7%、26.8%、27.9%、35.9%和43.2%。

在照射時間相同的情況下，隨著功率的增長，試件的縱波波速降低幅度越來越大。照射時間為1 min時，2 kW、4 kW和6 kW功率下的縱波波速依次是2.51 km/s、2.33 km/s和2.23 km/s，隨著微波照射功率的增加，縱波波速逐漸減小。2 min時，3個功率下的縱波波速依次是2.34 km/s、2.22 km/s和1.94 km/s，比0 min時分別減小了24.7%、28.4%和37.3%。4 min時，3個功率下的縱波波速依次是2.24 km/s、1.76 km/s和1.43 km/s，比0 min時分別減小了27.9%、43.2%和53.8%。由此可見，微波照射功率越高，照射時間越長，縱波波速下降程度越明顯。同時，對比功率與時間變化對縱波波速下降幅度的影響程度，發(fā)現(xiàn)功率對縱波波速變化影響相對較大。

2.3 微波照射后試件溫度變化分析

在微波作用后，對花崗巖試件進行熱成像試驗，測得表面最高溫度，限于篇幅，這里僅給出兩組參數(shù)照射后花崗巖熱成像圖，如圖5所示。

從圖5可見：在2 kW功率下照射6 min后，花崗巖試件中心(Sp1)和試件邊緣(Sp3)的溫度分別為246.8 ℃和201.6 ℃，從中心到邊緣溫度變化梯度大約為1.808 ℃/mm，如圖5a所示；而在6 kW功率下照射3 min后，試件中心(Sp1)及試件邊緣(Sp3)的溫度分別為345.1 ℃和279.3 ℃，溫度變化梯度大約為2.632 ℃/mm，如圖5b所示。對比圖5a和圖5b可知：高功率下，巖石的溫度變化梯度更加明顯，更容易產生破壞。無論是在高功率還是低功率的微波照射作用下，試件表面溫度幾乎都呈環(huán)狀分布，在巖石中心部位溫度較高，成像顏色呈現(xiàn)亮白色并向四周延伸，形成較為規(guī)則的圓狀顏色帶，呈環(huán)狀逐漸向外，溫度逐漸降低。

微波照射后，各組試件的表面溫度及表面升溫速率分別如圖6和圖7所示。

由圖6可知：在照射時間相同時，試件表面溫度隨微波照射功率增加也不斷升高。在功率為2 kW的微波照射下，表面溫度僅達到289 ℃，不足以引起明顯的熱損傷，試驗過程中巖樣發(fā)生變化較小。照射時間為1～6 min時，功率為2 kW的微波照射前后，巖石表面溫差分別為85 ℃、128 ℃、171 ℃、194 ℃、226 ℃和261 ℃；功率4 kW時，巖石表面溫差分別為141 ℃、210 ℃、284 ℃、328 ℃、395 ℃和400 ℃；照射功率為6 kW時，巖石表面溫差分別為286 ℃、328 ℃、344 ℃、494 ℃和552 ℃。由此可以看出：低功率長時間與高功率短時間照射相比，巖石表面溫度相差較小，但結合微波照射后試件外觀形態(tài)變化，從破壞程度來看，高功率短時間照射后，巖石明顯破壞更嚴重，因此，不能僅從表面溫度的高低來判斷巖石損傷程度。

由圖7可以看出：當照射時間相同時，功率增加將提高巖石升溫速率。例如，在照射時間4 min時，試件升溫速率從2 kW功率時的0.80 ℃/s增加到6 kW功率時的2.05 ℃/s。而當照射功率相同時，時間增加將降低巖石的升溫速率，例如，在照射功率4 kW時，試件升溫速率從1 min時的2.35 ℃/s降低到6 min時的1.11 ℃/s，即短時間照射下，巖石升溫效率更高，高功率短時間照射將提高巖石升溫效率。整體來看，試件表面溫度隨微波照射功率及照射時間的增大而升高。升溫速率隨微波照射時間的增大由快轉慢，但功率的增加使升溫速率由慢變快。

圖6 微波照射后花崗巖表面溫度

2.4 微波照射后試件抗拉強度變化分析

巴西劈裂試驗是一種較為常見的靜力學試驗，適用于脆性材料的強度測試，通過間接拉伸試驗法得到巖石的抗拉強度。對微波照射后花崗巖試件進行抗拉強度測試，結果見圖8。

由圖8可得：微波照射參數(shù)為2 kW、1 min時，抗拉強度降低幅度最小，降低值為0.39 MPa;微波照射參數(shù)為6 kW、5 min，抗拉強度降低幅度最大，降低值為8.07 MPa，抗拉強度折減了72.8%。在微波照射功率為2 kW，照射時間分別為1 min、2 min、3 min、4 min、5 min和6 min的條件下，抗拉強度分別折減了3.5%、8.3%、19.7%、23.5%、27.8%和34.4%。在其他功率下，抗拉強度折減規(guī)律相似。在功率相同的情況下，隨著照射時間的增長，試件的抗拉強度先小幅度下降，再快速下降。這里出現(xiàn)

圖8 花崗巖不同照射參數(shù)下的抗拉強度圖

小幅度下降現(xiàn)象的原因可能是微波照射時間短，試件內部的極性分子隨交變電場不斷重新排列和變向，未產生較大的缺陷，也有可能是巖石內部的包裹體被破壞，填充了礦物之間的晶間裂紋。

照射時間為1 min時，2 kW、4 kW和6 kW功率下花崗巖試件的抗拉強度分別是10.70 MPa、10.55 MPa和9.73 MPa，隨著微波照射功率的增加，強度逐漸減小。照射時間為3 min時，2 kW、4 kW和6 kW功率下的抗拉強度依次是8.91 MPa、7.95 MPa和4.19 MPa，分別折減了19.7%、28.3%和62.2%。照射時間為4 min時，2 kW、4 kW和6 kW功率下的抗拉強度依次是8.40 MPa、7.05 MPa和3.52 MPa，分別折減了24.3%、36.4 %和68.3%。試件經不同強度的微波照射處理后，抗拉強度均出現(xiàn)了不同程度的下降，且隨著微波照射強度的升高，抗拉強度的降幅也逐漸變大。隨著照射時間的增加，在高功率作用下，巖石強度出現(xiàn)大幅度降落，說明高功率作用更明顯，而且在試驗過程中，高功率微波照射下巖石表面更容易出現(xiàn)熔融、直接破裂的現(xiàn)象。

3 損傷分析

3.1 花崗巖相對動彈性模量的變化

動彈性模量從一定程度上可以有效地反映花崗巖內部結構損傷的變化。通過測得的縱波波速值，根據(jù)超聲波速和試件動彈性模量的關系，可通過式(1)計算得到各組試件的相對動彈性模量[15]，表達式為：

(1)

其中：Pl為微波照射后花崗巖試件的相對動彈性模量；E0為微波照射前花崗巖試件的動彈性模量，GPa；Ed為微波照射后花崗巖試件的動彈性模量，GPa；v0為微波照射前花崗巖中的縱波波速，km/s；vd為微波照射后花崗巖中的縱波波速，km/s。

為了研究在不同的微波照射功率和時間下花崗巖相對動彈性模量變化規(guī)律，根據(jù)計算結果進行擬合，如圖9所示。

圖9 微波照射后花崗巖相對動彈性模量

由圖9可知：相對動彈性模量越小，巖石損傷程度就越大。因巖石內部存在原始損傷，可能導致最初巖石之間的相對動彈性模量存在差異。隨著微波照射時間的增加，花崗巖相對動彈性模量經歷了一個初始階段降低較快，中期平穩(wěn)下降，后期加速下降的過程。原因在于微波照射的過程中，初始階段(0～2 min)，短時間的微波照射能夠破壞巖石內部機理，較為快速地影響巖石內部的整體性；中期階段(2～4 min)，巖石內部的損傷正在不斷積累，此時相對動彈性模量的降低較為平穩(wěn)；后期階段(4 min以后)，巖石內部溫度不斷升高，導致巖石礦物產生了熱膨脹，而且礦物之間溫度的差異性導致內部產生了不同的熱應力，在熱膨脹和熱應力的共同作用下，達到某一損傷量時，巖石就會發(fā)生較為劇烈的破壞，導致巖石表面出現(xiàn)宏觀裂隙，使得后期花崗巖的相對動彈性模量加速降低。

3.2 定義微波照射后巖石損傷變量

根據(jù)損傷力學相關理論，以未經微波照射花崗巖標準試件的抗拉強度為損傷基準量，經過微波照射后花崗巖試件抗拉強度損傷變量[16]的計算公式為：

(2)

其中：D為花崗巖試件的損傷變量；σt為經微波照射后花崗巖試件的抗拉強度，MPa；σ0為未經微波照射過的花崗巖試件的抗拉強度，MPa。

利用式(2)得出不同微波參數(shù)下花崗巖損傷變量，擬合出損傷變量的變化曲線圖，如圖10所示。

圖10 不同微波照射參數(shù)下花崗巖損傷變量

由圖10可知：在不同的微波照射參數(shù)下，損傷變量的變化趨勢均為先快速增長后趨于平緩。在相同功率條件下，以微波照射功率4 kW為例，花崗巖試件在照射時間為1 min、2 min、3 min、4 min、5 min和6 min條件下，損傷變量分別增加了0.049、0.181、0.283、0.364、0.385和0.407。相鄰兩時間段損傷變量增幅分別為0.132、0.102、0.081、0.021和0.022。表明隨著微波照射時間的增長，巖石強度損傷程度在微波照射的開始階段快速增大，在達到最優(yōu)照射時間后，變化速率開始降低。照射時間相同時，比較功率變化對損傷變量的影響。照射時間為1 min時，2 kW、4 kW和6 kW功率下?lián)p傷變量分別為0.035 2、0.048 7和0.123 0。當時間相同時，隨著功率增加，損傷變量增幅分別為0.013 5和0.074 3。照射時間為2 min時，2 kW、4 kW和6 kW功率下，損傷變量分別為0.083 0、0.181 0和0.371 0，損傷變量增幅分別為0.098 0和0.190 0。照射時間為4 min時，2 kW、4 kW和6 kW功率下，損傷變量分別為0.243 0、0.364 0和0.683 0，損傷變量增幅分別為0.121 0和0.319 0。照射時間為5 min時，2 kW、4 kW和6 kW功率下，損傷變量分別為0.278 0、0.385 0和0.728 0，損傷變量增幅分別為0.107 0和0.343 0。由此可見，當微波照射時間超過1 min時，各個功率下?lián)p傷變量增幅明顯增大，說明當微波照射時間小于1 min時，微波照射功率的變化對巖石強度的弱化不夠。微波照射時間4 min與5 min相比，損傷變量增幅相差不大，甚至出現(xiàn)損傷變量增幅高于照射5 min的情況。同時，相比2 kW功率，在各個照射時間下，4 kW功率照射花崗巖時其損傷變量增幅不明顯。當功率為6 kW時，各個時間下?lián)p傷變量開始大幅提升?？傮w來看，損傷變量隨照射時間的變化幅度有限，遠低于照射功率對其的影響，這與之前的分析一致。

從理論上分析巖石抗拉強度劣化原因：巖石在照射初期并沒有出現(xiàn)宏觀裂紋，而此時損傷變量在快速增長，隨著照射時間的積累，巖石表面開始出現(xiàn)宏觀裂紋，損傷變量的變化趨勢也逐漸變緩。巖石在照射初期，溫度雖未達到某些礦物相變的條件，但不同礦物的吸波和透波能力存在差異性，造成了溫度梯度，從而產生了溫度應力，在礦物之間發(fā)生了破壞。隨著照射時間的積累，吸波礦物的溫度不斷增長，溫度較高的區(qū)域就會向溫度較低的區(qū)域產生熱傳導。雖然微波照射無法使某些不吸波的礦物升溫，但通過熱傳導的方式可以使溫度達到一定的高度，當達到礦物自身相變的溫度時，相變就會產生，從而導致巖石產生宏觀裂紋。而且?guī)r石受熱膨脹，會沿著已產生的裂紋繼續(xù)擴展，最終被破壞。在浸水冷卻后，受熱脹冷縮的影響，會出現(xiàn)部分宏觀裂紋的寬度變窄的現(xiàn)象，低功率短時間照射下巖石表面甚至看起來完好無損。

3.3 微波照射參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)損傷變量的擬合函數(shù)圖像，分別從損傷變量和損傷變量增長率角度出發(fā)，當損傷變量的增長率變慢時，說明這個時間點之后微波照射的能量轉化率開始變低。以損傷變量變化率最大的時間點作為巖石優(yōu)化時間的參考點。因此，對巖石擬合的曲線進行一次求導處理。其中，D為巖石的損傷變量，D′為損傷變量增長率，t為微波照射時間。不同微波照射功率作用下花崗巖損傷變量擬合關系如表2所示。

表2 不同微波照射功率作用下花崗巖損傷變量擬合關系

由表2可得：不同微波功率照射條件下，損傷變量增長率變化相似。以微波照射功率2 kW為例，花崗巖試件在照射時間為2 min、4 min和6 min條件下，損傷變量增長率為11.6%、14.8%和10.8%。表明隨著微波照射時間的增長，巖石強度損傷程度在微波照射的開始階段快速增大，在達到最優(yōu)照射時間后，變化速率開始降低。在相同照射時間下，對比各種功率損傷變量增長率。以照射時間3 min為例，花崗巖試件在2 kW、4 kW和6 kW功率下，損傷變量增長率為14.1%、17.5%和29.5%。隨著微波照射功率的增長，巖石強度損傷程度快速增大，尤其是高功率情況下。

微波照射功率為2 kW和4 kW下，花崗巖試件在前4 min呈現(xiàn)快速增長的趨勢，4 min后損傷變量的變化趨勢趨于平緩。微波照射功率為6 kW下，花崗巖試件在前3 min呈現(xiàn)出快速增長的趨勢，3 min后損傷變量的變化趨勢趨于平緩。此時巖石強度雖有所降低，但并沒有達到最大的破壞程度。因此，巖石在最優(yōu)參數(shù)條件下，并沒有達到最大的破壞程度，但是隨著時間的繼續(xù)積累，花崗巖試件損傷變量的變化率出現(xiàn)降低趨勢，也就是說微波能量的轉化率在降低，能量的損耗比較多。從節(jié)約能源的角度考慮，當花崗巖達到最優(yōu)參數(shù)后，繼續(xù)照射是不夠經濟的。

4 結論

(1)微波照射后試件縱波波速都有所下降，但下降程度不同。其中，縱波波速隨微波照射時間或功率的增加而降低，但下降幅度不同。相比增加照射時間，增加功率對其縱波波速下降影響更明顯，因此微波照射功率的增加將在很大程度上提高巖石縱波波速下降幅度。

(2)微波照射后的花崗巖試件表面溫度幾乎都呈環(huán)狀分布，在巖石中心部位溫度較高。低功率微波照射下，巖石升溫幅度慢；高功率下，巖石升溫幅度快，溫度變化梯度更加明顯，更容易產生破壞。整體來看，試件表面溫度隨微波照射功率或時間的增大而升高。升溫速率隨微波照射時間的增加由快轉慢，但功率的增加使升溫速率由慢轉快。

(3)在功率相同的情況下，隨著照射時間的增長，試件的抗拉強度先小幅度下降，再快速下降。隨著微波照射功率的升高，抗拉強度降幅逐漸變大。在照射時間相同時，高功率作用下，巖石強度出現(xiàn)大幅度降落，說明高功率作用破巖效果更好。

(4)將損傷變量與相對動彈性模量作為評定指標，用來判斷巖石的損傷程度?？傮w來看，隨著微波照射時間的增長，巖石強度損傷程度在開始階段快速增大，在達到最優(yōu)照射時間后，變化速率開始降低。其中損傷變量隨照射時間的下降幅度有限，遠低于功率對其的影響。

(5)花崗巖的最優(yōu)照射時間為2～4 min。巖石在最優(yōu)參數(shù)的條件下，并沒有達到最大的破壞程度，但是損傷變量的變化率出現(xiàn)降低趨勢。從節(jié)約能源的角度考慮，當花崗巖達到最優(yōu)參數(shù)后，繼續(xù)照射是不夠經濟的。