微波輻射下硬巖損傷規(guī)律研究

戴 俊，王羽亮

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

在隧道掘進(jìn)的過(guò)程中，巖石破碎問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前需要解決的主要難題之一。目前，鉆爆法與機(jī)械破巖法在所有的破巖方法中占據(jù)了90%以上的使用率[1]。但是，鉆爆法會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生較大的擾動(dòng)并且可能會(huì)造成圍巖支護(hù)困難的問(wèn)題。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，機(jī)械維修量大，花費(fèi)較高。因此，為了更好地解決以上問(wèn)題，微波輔助機(jī)械破巖的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]。

許多國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)微波輔助破巖技術(shù)進(jìn)行了研究，確認(rèn)了該理論的可行性[2，3]。戴俊等[4-8]通過(guò)研究微波輻射后巖石強(qiáng)度變化條件，得到巖石的強(qiáng)度受諸如微波輻射強(qiáng)度、輻射時(shí)間、巖石粒徑大小、塊體大小、冷卻方式、礦物組成等多方面影響；徐忠印等[9-11]對(duì)巖石試件破壞規(guī)律與溫度的關(guān)系進(jìn)行了研究，得出了巖石快速受熱至高溫更能降低巖石強(qiáng)度的結(jié)論。研究微波輻射下巖石的損傷規(guī)律能夠很好的為微波輔助破巖技術(shù)提供理論依據(jù)，因此，本文以花崗巖作為研究對(duì)象，以孔隙率、巖石抗拉強(qiáng)度和巖石超聲波波速作為損傷變量指標(biāo)，對(duì)巖石試件進(jìn)行微波輻射試驗(yàn)研究[12-15]。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

1)本試驗(yàn)所采用的工業(yè)大功率微波爐，為南京澳潤(rùn)微波設(shè)備廠所生產(chǎn)，其可調(diào)輸出功率0～10kW，額定工作電壓220V。

2)雙面打磨機(jī)、切割機(jī)、自動(dòng)取芯機(jī)。

3)巖石干燥箱、玻璃干燥器、測(cè)溫槍、電子秤、RFP-09型智能測(cè)力儀、超聲波測(cè)速儀。

1.2 試驗(yàn)試樣與試驗(yàn)過(guò)程

所需花崗巖依據(jù)規(guī)范《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》(GB/T 23561.10—2010)，通過(guò)鉆取芯、切割、打磨，制成尺寸為Φ50mm×25mm的劈裂法測(cè)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件共51個(gè)，以3個(gè)為1組，共17組。試件加工尺寸誤差為：直徑±2mm，磨平度±0.05mm。花崗巖試件如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)花崗巖試件

1)步驟一：隨機(jī)選取一組試件作為對(duì)照組，另外16組按試驗(yàn)所需的含水率條件平均分為完全干燥類(lèi)Ⅰ與飽和類(lèi)Ⅱ。對(duì)所有試件量取厚度、直徑(不同方向各量取三次，取平均值，保證準(zhǔn)確率)得到每一個(gè)試件的體積。對(duì)所有試件進(jìn)行飽和處理48h，稱得試件飽和重量，通過(guò)超聲波測(cè)速儀測(cè)得飽和組試件超聲波波速。之后將試件放置于烘箱中24h，保證巖石試件處于完全干燥狀態(tài)，并用電子秤測(cè)出干重。由所得試件中水的體積除以試件體積測(cè)得試件孔隙率。通過(guò)超聲波測(cè)速儀測(cè)得完全干燥組試件超聲波波速。

2)步驟二：將試飽和組件進(jìn)行飽和處理，取對(duì)照組試件不進(jìn)行微波輻射，剩下飽和試件、干燥試件分別按微波輻射功率0.5kW、2kW、3kW、4kW，輻射時(shí)間120s、240s進(jìn)行微波輻射。輻射完成后自然冷卻，測(cè)量所有試件孔隙率、超聲波波速，測(cè)量方法同上。之后采用巴西劈裂試驗(yàn)法測(cè)得所有花崗巖試件的抗拉強(qiáng)度。巴西劈裂法試驗(yàn)后試件情況如圖2所示。

圖2 巴西劈裂法試驗(yàn)后標(biāo)準(zhǔn)試件破壞情況

3)步驟三：整理和分析不同微波輻射參數(shù)條件下試件孔隙率、超聲波波速與試件抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)，分析微波照射前后巖石損傷變量指標(biāo)變化規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 微波輻射前后花崗巖孔隙率差值變化規(guī)律

湖北花崗巖試件在不同微波輻射參數(shù)下，孔隙率的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 微波輻射前后花崗巖孔隙率差值變化規(guī)律圖

由圖3可知，在輻射功率為0.5kW，輻射時(shí)間為120s時(shí)，飽和花崗巖試件的孔隙率幾乎沒(méi)有變化。在一定的輻射功率范圍內(nèi)，隨著輻射功率的增大，飽和花崗巖孔隙率基本呈線性趨勢(shì)增加。在一定輻射功率范圍內(nèi)，干燥花崗巖試件的孔隙率呈先下降，后上升的趨勢(shì)。輻射功率0.5kW，輻射時(shí)間為240s時(shí)，試件的孔隙率到達(dá)最低值，巖石致密情況最好。之后隨著輻射功率的增大，輻射時(shí)間的增強(qiáng)，試件孔隙率逐漸增大。

分析不同含水率花崗巖試件出現(xiàn)差異的原因?yàn)椋猴柡驮嚰?nèi)部自然裂隙被水所填充，由于微波輻射，試件內(nèi)部礦物質(zhì)受熱膨脹填補(bǔ)裂隙的同時(shí)，水分也受熱膨脹擠壓裂隙，兩者耦合導(dǎo)致飽和試件的孔隙率并不會(huì)像干燥試件一樣在微波輻射下內(nèi)部礦物質(zhì)產(chǎn)生熱膨脹，填補(bǔ)了部分自然存在的微裂隙而出現(xiàn)降低現(xiàn)象。

2.2 微波輻射前后花崗巖超聲波波速的變化規(guī)律

測(cè)得花崗巖試件在不同輻射參數(shù)下的超聲波波速變化如圖4所示。

圖4 微波輻射前后花崗巖超聲波波速差值變化規(guī)律圖

由圖4可知，在0.5kW的輻射功率下，干燥花崗巖試件的波速出現(xiàn)略微上升，而飽和花崗巖試件的則呈下降趨勢(shì)。當(dāng)輻射功率大于0.5kW時(shí)，飽和與干燥試件的波速發(fā)展趨勢(shì)近乎一致。超聲波波速隨微波的輻射時(shí)間增大、輻射強(qiáng)度增強(qiáng)而降低。超聲波波速的降低是因?yàn)殡S著輻射時(shí)間增大，輻射功率增強(qiáng)，巖石內(nèi)部裂隙不斷發(fā)育引起試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。和飽和試件相比，干燥花崗巖試件波速降低并不明顯。這說(shuō)明微波輻射對(duì)飽和試件的超聲波波速影響更加明顯。

2.3 微波輻射前后花崗巖抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律

測(cè)得花崗巖試件的抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律如圖5—7所示。據(jù)圖5，干燥花崗巖試件在0.5kW的輻射功率下，巖石的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)象。在輻射功率為0.5kW，輻射時(shí)間為240s時(shí)，花崗巖試件抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值，較對(duì)照組試件上升了8%。在輻射功率為2kW，輻射功率3kW、輻射時(shí)間120s時(shí)，巖石試件的抗拉強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化。之后當(dāng)輻射功率達(dá)到4kW，在輻射時(shí)間為240s時(shí)，試件抗拉強(qiáng)度顯著降低，其值為15.3%。

圖5 干燥花崗巖抗拉強(qiáng)度與不同微波輻射功率的關(guān)系

飽和花崗巖試件抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律較干燥花崗巖試件略有不同，其結(jié)果如圖6所示。飽和花崗巖試件并未出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)的現(xiàn)象，反而在輻射功率為2kW、3kW范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度的降低維持一個(gè)穩(wěn)定的趨勢(shì)，大致為10%左右，之后在輻射功率達(dá)到4kW，輻射時(shí)間為240s時(shí)，試件抗拉強(qiáng)度才有一個(gè)明顯的降低，大致為19.6%。

圖6 飽和花崗巖抗拉強(qiáng)度與不同微波輻射功率的關(guān)系

圖7 不同輻射時(shí)間下花崗巖抗拉強(qiáng)度與不同微波輸入功率的關(guān)系

從能量方面分析，飽和試件在輻射功率4kW，輻射時(shí)間120s時(shí)較輻射功率2kW，輻射時(shí)間240s時(shí)抗拉強(qiáng)度降低3.3%；干燥試件同等情況下抗拉強(qiáng)度降低9.3%。說(shuō)明在消耗相同能量的情況下，高輻射功率、短輻射時(shí)間對(duì)巖石(損傷)的影響要顯著高于低輻射功率、長(zhǎng)輻射時(shí)間。分析原因?yàn)椋翰捎酶吖β瘦椛湓嚰r(shí)，試件內(nèi)部吸波物質(zhì)升溫較快，與透波物質(zhì)間產(chǎn)生溫度梯度，導(dǎo)致巖石內(nèi)部的礦物質(zhì)因不均勻熱膨脹而產(chǎn)生了較高熱應(yīng)力，至使試件內(nèi)部裂隙發(fā)育較快。而采用低功率輻射時(shí)，所產(chǎn)生的熱量有充足的時(shí)間向周?chē)V物質(zhì)傳遞，致使由于熱膨脹所產(chǎn)生的熱應(yīng)力不足，微裂隙發(fā)育緩慢。

對(duì)比干燥花崗巖試件與飽和花崗巖試件，可明顯得出，在相同的輻射功率、輻射時(shí)間下，飽和試件的抗拉強(qiáng)度降低程度要顯著高于干燥試件，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。說(shuō)明巖石試件內(nèi)部存在的水分是引起巖石劣化損傷的主要因素之一。

3 微波輻射造成巖石損傷的原因分析

由于微波的穿透性良好，微波輻射巖石后將產(chǎn)生大量的熱量引起巖石內(nèi)部礦物質(zhì)發(fā)生不同程度的升溫現(xiàn)象導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)而出現(xiàn)礦物質(zhì)的熱脹冷縮現(xiàn)象致使巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化。因此，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)巖石由多種具有不同介電常數(shù)的礦物質(zhì)組成，介電常數(shù)影響著礦物質(zhì)對(duì)微波能量的吸收。因此，巖石在微波輻射下，內(nèi)部不同材料的礦物質(zhì)吸收不同的微波能，釋放不同程度的熱量，出現(xiàn)溫度梯度，產(chǎn)生熱應(yīng)力。這導(dǎo)致了巖石內(nèi)部裂隙的出現(xiàn)、發(fā)展、延伸，孔隙率發(fā)生變化。

2)微波輻射會(huì)使花崗巖內(nèi)部水分蒸發(fā)，由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，一方面體積增大，另一方面水蒸氣壓力會(huì)造成巖石內(nèi)部出現(xiàn)微裂隙，同時(shí)，已存在的微裂隙也因此不斷發(fā)育。

4 結(jié) 論

1)在一定的微波輻射參數(shù)范圍內(nèi)，微波輻射處理對(duì)花崗巖的影響不大，但當(dāng)微波輻射功率與輻射時(shí)間達(dá)到一定值后，隨著輻射功率增大、輻射時(shí)間增長(zhǎng)，輻射處理會(huì)顯著降低花崗巖的抗拉強(qiáng)度與超聲波波速，并明顯增大其孔隙率。

2)在低功率，短時(shí)間微波輻射下，干燥巖石試件的孔隙率降低，超聲波波速增大，抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)。這是由于在微波輻射下巖石內(nèi)部礦物質(zhì)產(chǎn)生熱膨脹，填補(bǔ)了部分巖石內(nèi)部自然存在的微裂隙。

3)巖石內(nèi)部存在的水分是引起巖石損傷的因素之一，微波輻射下巖石的孔隙率變化受巖石內(nèi)部水分受熱蒸發(fā)體積膨脹這一物理效應(yīng)影響顯著，飽和巖石試件在相同微波輻射情況下孔隙率的增長(zhǎng)與抗拉強(qiáng)度的降低比例要遠(yuǎn)高于干燥巖石試件。

4)在消耗相同能量的情況下，高輻射功率、短輻射時(shí)間對(duì)巖石損傷的影響程度要原高于低輻射功率、長(zhǎng)輻射時(shí)間。這是由于采用低輻射功率處理花崗巖時(shí)，所產(chǎn)生的熱量有充足的時(shí)間向周?chē)V物質(zhì)傳遞，致使由于熱膨脹所產(chǎn)生的熱應(yīng)力不足，微裂隙發(fā)育緩慢。