戴　俊，潘艳宾，孟　振

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054;2.烟台市莱山区水利局,山东 烟台 264000)



微波照射下岩石强度弱化影响因素的试验研究*

戴俊1，潘艳宾1，孟振2

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054;2.烟台市莱山区水利局,山东 烟台 264000)

传统的破岩方式在机具的消耗、效率的提高、环境的保护等方面都存在一定的制约，微波辅助机械破岩作为一种新型技术得到了快速发展。为了得出岩石在微波照射下的强度弱化规律，以砂岩和石灰岩为研究对象，以点荷载强度为研究指标，分别对不同微波照射条件及冷却方式下砂岩和石灰岩的强度进行了试验研究。结果表明：微波照射下岩石强度弱化的影响因素主要有微波照射功率、微波照射时间、冷却方式、岩石颗粒粒径大小及岩石矿物组成等；并且微波照射功率越大、照射时间越长对岩石弱化程度越大；喷水冷却方式相对自然冷却方式能大大提高微波照射后岩石强度的弱化程度；相同种类的岩石，颗粒粒径越小，岩石越不易产生弱化，岩石强度弱化所需吸收微波能量越高；岩石所含吸波矿物越多，微波加热后岩石强度弱化越明显。为更有效地提高“微波+机械”破岩效率，应结合岩石强度弱化影响因素，选择最佳的微波照射组合方式。

微波照射；砂岩；石灰岩；强度弱化

2.LaishanDistrictWaterResourcesBureau,Yantai264000,China)

0　引　言

伴随着研究的不断深入，微波这一新兴技术由于具备改善反应条件、加快反应速度、均匀与选择性加热等特性[1-2]，使得微波技术已经广泛应用于干燥物料、提取矿物、治疗疾病等领域中[3-4]，同时微波技术在岩石破碎方面也发挥其强大优势，主要体现在微波辅助机械破岩[5]上，即在机械破碎岩石之前,先用微波对岩石进行照射加热使其产生微裂隙进而受到一定程度的弱化，而后采用机械对其进行破碎，弥补了传统破岩方法存在的不足[6]。F.Hassani[7]对不同地区的玄武岩进行了微波照射试验，结果表明微波功率越大、微波照射时间越长，岩石的抗压、抗拉强度弱化程度越大。国内对于微波照射下岩石弱化演化的研究还处于起步阶段，戴俊等[8-9]对微波照射作用下花岗岩的强度变化进行了试验研究，并提出了微波照射后岩石的抗拉强度计算准则，并采用有限差分法对微波照射下岩石颗粒的屈服分布及演化进行计算分析，得出微波照射下岩石颗粒既存在拉伸屈服也存在剪切屈服等结论；孟振[10]通过对微波照射下岩石的试验研究，得出不同岩石对微波照射因素敏感性不同；吴涛[11]通过岩石冲击断口电镜扫描试验分析了微波照射后岩石抗冲击性能弱化的原因、冲击裂纹的破坏特征及断裂过程；杨凡[12]通过CT扫描和抗剪切试验探究了微波照射下岩石弱化演化规律。微波照射下岩石强度弱化主要因素的研究是至关重要的一步，因此，文中对不同岩石、不同照射参数进行对比试验研究，得到微波照射下岩石弱化演化的基本规律，以期得到微波照射下岩石强度弱化的主要影响因素及影响规律。

1　微波照射岩石强度弱化原理

微波通常是指波长为1mm～1m，频率为0.3～300GHz的超高频电磁波，中国工业上应用的微波频率主要为915和2 450MHz2种，微波的吸收、穿透和反射3种基本性质决定了微波的加热特性，微波照射下岩石强度弱化主要是由于微波作用下岩石内部吸波矿物吸收微波能量，进而加热岩体改变其物理特性。电磁场以波的形式给岩石以能量，能量又通过岩石的吸热而转换，在交流电磁场作用下，岩石内部由于极化现象产生了类似摩擦的剧烈作用，微波能量转化为岩石介质的热量而温度升高不同，岩石矿物物理性质的差异性导致热膨胀作用的各向异性，从而产生了非均匀的热应力，在温度场和应力场耦合作用下，当产生的热应力超过了岩石内部某种强度，就会导致岩石矿物颗粒间或颗粒本身产生微裂纹，再加上岩体在水分蒸发、内部分解等共同作用下，岩石内部出现新裂纹，裂纹不断扩展、贯通从而诱发岩石破裂导致岩石弱化。

2　微波加热试验

2.1试验设备、岩石试样选取及试件加工

试验采用工业微波作为高功率微波炉发生设备，额定工作电压为380V，装置由微波发射器(发射微波频率为2 450MHz)和腔体2部分组成，输出功率可调范围为0～10kW；岩石试样加工设备主要包括自动取芯机、箱式切割机及打磨机。

针对研究内容选取3种岩石：①四川成都地区砂岩；②陕北黄陵地区某煤矿矿区砂岩；③陕西咸阳市泾阳地区石灰岩。根据《公路工程岩石试验规程》，试件加工具体样式见表1.

表1　照射试验岩石试件加工数量

2.2试验方案

试验以研究微波照射下对岩石造成强度弱化的主要因素为本质目的，采用对比试验方法，试验对3种岩石试件进行微波照射，照射功率分配为1，3，5，8 kW，照射时间分配为0，2，4，6 min.成都砂岩冷却方式为自然冷却和喷水冷却2种，其余岩样皆采用自然冷却，然后对各岩样进行点荷载试验，得出岩样强度结果，进行对比分析，得出微波照射岩石强度弱化影响因素及影响规律。

3　试验结果及数据分析

3.1微波照射参数对岩石强度弱化的影响

成都砂岩试件在不同照射功率和照射时间下，得到岩石试件的残余强度规律，如图1所示。

图1　成都砂岩在不同照射参数下 岩石残余强度变化规律Fig.1　Chengdu sandstone rock residual strength variation at different irradiation parameters

由图1可知，在一定照射时间范围内，随着照射时间的增长，岩石试件中强度弱化越来越明显，如功率1 kW，成都砂岩随着照射时间的增长其点荷载强度分别下降了13%，24%，28%，照射时长为4 min时，试件强度弱化幅度最明显，6 min与4 min试件强度弱化相差不大，说明低功率照射下岩石弱化程度是有限的，因此，采取最佳照射时间为4 min.

由图1可以看出，岩石试件的弱化程度随着微波照射功率的增大而增加，高功率(5 kW)条件下，点荷载强度分别下降了22%，25%，35%，试件强度弱化幅度和速度比低功率(1 kW)条件下要大且快的多，在前2 min弱化幅度最大。功率为5 kW时，最佳照射时间是2 min.

由岩石强度变化规律可知，为高效利用微波能量宜选用高功率与短时间的组合方式。

3.2冷却方式对岩石强度弱化的影响

由图2对比成都砂岩在不同冷却方式下微波照射岩石弱化的规律：自然冷却条件下，岩石的强度弱化程度分别为22%，25%，35%，而在喷水冷却条件下，岩石强度弱化程度达到35%，56%，65%，两者对比，差异明显。

图2　不同冷却方式下岩石强度弱化对比Fig.2　Comparison of rock strength weakening under different cooling ways

推断微波照射后，岩石处于高温状态，直接进行喷水冷却，由热胀冷缩原理，岩石表面急剧收缩，而内部温度变化较小，会使岩石内外发生不均匀变形，这种不均匀变形造成岩石内部裂纹的大量形成和贯通，大大降低了岩石的强度，因此，可以看出不同的冷却方式对岩石弱化程度影响很大，喷水冷却能有效降低微波照射后岩石的强度。在微波辅助机械破岩技术中采用喷水冷却的方法是很有利的。

3.3岩石颗粒粒径大小、矿物分布对岩石强度弱化的影响

图3　2种砂岩岩样对比Fig.3　Comparison of two kinds of sandstone samples 左侧黄陵砂岩；右侧为成都砂岩

从图3可以看出，黄陵砂岩有明显的层理结构，黑白相间，层理间矿物组成不同，即矿物分布不均匀，而成都砂岩质地均匀，颗粒细腻，颜色统一，完整性强。

图4　2种砂岩强度弱化对比Fig.4　Comparison of two kinds of sandstone strength weakening

微波功率为5 kW条件下2种砂岩的残余强度随照射时长的变化规律如图4，可以看出，成都砂岩在不同的照射时长下，其强度弱化分别为22%，25%，35%，而黄陵砂岩强度弱化分别达到56%，66%，75%，黄陵砂岩弱化程度远远大于成都砂岩。

成都砂岩较黄陵砂岩质地细腻，结构致密，颗粒粒径较小，因为颗粒粒径的大小直接影响着岩石的强度，颗粒粒径越小，克服岩石抗拉强度所需热应力越大，即所需吸收微波能量越高，相同照射条件下，成都砂岩强度弱化程度要比黄陵砂岩强度弱化程度小。另外，黄陵砂岩层理结构明显，矿物分布不均匀，在微波照射下更容易形成较大的温度梯度，引起岩石内部热应力分布不均匀，从而加大岩石的弱化程度。

3.4岩石矿物成分对岩石强度弱化的影响

图5　砂岩和石灰岩强度弱化对比图Fig.5　Comparison of sandstone and limestone strength weakening

石灰岩主要由方解石和石英组成，其中方解石80%～90%，石英1%～8%，白云石2%～5%，黑云母<1%；砂岩主要由石英和岩屑组成，其中石英50%～60%，岩屑30%～40%，长石10%，黑云母3%～5%；不同矿物具有不同的介电常数，其中方解石的介电常数为1.8～2.0，石英4.2～5，黑云母9.28.

图5中石灰岩和砂岩的强度弱化规律验证了矿物成分对微波作用下岩石弱化程度的影响。介电常数较大的矿物对微波较敏感，微波作用下升温较快，形成“热点”，不同矿物之间形成温度差，产生热应力，引起岩石弱化。相同微波照射参数条件下，微波敏感矿物含量越高，岩石弱化程度越大。

4　结　论

试验验证了微波照射会引起岩石强度弱化，得到微波照射下岩石弱化的基本规律。通过对比分析出微波照射下岩石强度弱化主要影响因素包括：微波照射参数(微波功率和照射时间)、冷却方式、岩石粒径大小、矿物分布情况及岩石矿物成分。

1)不同种类岩石在微波照射后强度弱化不同，但总体趋势都是随着微波照射参数(微波功率和照射时间)的增加，岩石弱化程度增大；

2)相同照射条件下的冷却方式，对岩石弱化程度影响很大，其中，采用喷水冷却效果最明显；

3)虽然相同种类不同产地的岩石，矿物成分相同，但岩石颗粒粒径不尽相同，在相同的微波照射条件下，颗粒粒径较小、矿物分布均匀的岩石，强度弱化相对较小；

4)由于不同种类的岩石其矿物成分不同，不同矿物具有不同的介电特性。介电特性越强，吸收微波能力越大，相同微波照射条件下，岩石强度弱化越明显。

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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责任编辑：刘洁

国家自然科学基金(51174159)

戴俊(1964-)，男，贵州安顺人，博士，教授，E-mail：1060968244@qq.com

TU 528

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