微波照射下巖石強(qiáng)度弱化影響因素的試驗(yàn)研究*

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(tái)市萊山區(qū)水利局,山東 煙臺(tái) 264000)

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微波照射下巖石強(qiáng)度弱化影響因素的試驗(yàn)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(tái)市萊山區(qū)水利局,山東 煙臺(tái) 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(duì)象，以點(diǎn)荷載強(qiáng)度為研究指標(biāo)，分別對(duì)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(yàn)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(shí)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(shí)間越長(zhǎng)對(duì)巖石弱化程度越大；噴水冷卻方式相對(duì)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(lèi)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(shí)微波技術(shù)在巖石破碎方面也發(fā)揮其強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，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(duì)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(duì)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(duì)不同地區(qū)的玄武巖進(jìn)行了微波照射試驗(yàn)，結(jié)果表明微波功率越大、微波照射時(shí)間越長(zhǎng)，巖石的抗壓、抗拉強(qiáng)度弱化程度越大。國(guó)內(nèi)對(duì)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(duì)微波照射作用下花崗巖的強(qiáng)度變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并提出了微波照射后巖石的抗拉強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則，并采用有限差分法對(duì)微波照射下巖石顆粒的屈服分布及演化進(jìn)行計(jì)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(guò)對(duì)微波照射下巖石的試驗(yàn)研究，得出不同巖石對(duì)微波照射因素敏感性不同；吳濤[11]通過(guò)巖石沖擊斷口電鏡掃描試驗(yàn)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(guò)程；楊凡[12]通過(guò)CT掃描和抗剪切試驗(yàn)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(duì)不同巖石、不同照射參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)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(zhǎng)為1mm～1m，頻率為0.3～300GHz的超高頻電磁波，中國(guó)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(chǎng)以波的形式給巖石以能量，能量又通過(guò)巖石的吸熱而轉(zhuǎn)換，在交流電磁場(chǎng)作用下，巖石內(nèi)部由于極化現(xiàn)象產(chǎn)生了類(lèi)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(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合作用下，當(dāng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過(guò)了巖石內(nèi)部某種強(qiáng)度，就會(huì)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(yàn)

2.1試驗(yàn)設(shè)備、巖石試樣選取及試件加工

試驗(yàn)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(dòng)取芯機(jī)、箱式切割機(jī)及打磨機(jī)。

針對(duì)研究?jī)?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(yáng)市涇陽(yáng)地區(qū)石灰?guī)r。根據(jù)《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》，試件加工具體樣式見(jiàn)表1.

表1　照射試驗(yàn)巖石試件加工數(shù)量

2.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)以研究微波照射下對(duì)巖石造成強(qiáng)度弱化的主要因素為本質(zhì)目的，采用對(duì)比試驗(yàn)方法，試驗(yàn)對(duì)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(shí)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(duì)各巖樣進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，得出巖樣強(qiáng)度結(jié)果，進(jìn)行對(duì)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(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1微波照射參數(shù)對(duì)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(shí)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(shí)間范圍內(nèi)，隨著照射時(shí)間的增長(zhǎng)，巖石試件中強(qiáng)度弱化越來(lái)越明顯，如功率1 kW，成都砂巖隨著照射時(shí)間的增長(zhǎng)其點(diǎn)荷載強(qiáng)度分別下降了13%，24%，28%，照射時(shí)長(zhǎng)為4 min時(shí)，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(shuō)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(shí)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(diǎn)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(shí)，最佳照射時(shí)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(shí)間的組合方式。

3.2冷卻方式對(duì)巖石強(qiáng)度弱化的影響

由圖2對(duì)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(duì)比，差異明顯。

圖2　不同冷卻方式下巖石強(qiáng)度弱化對(duì)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(huì)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(duì)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(duì)巖石強(qiáng)度弱化的影響

圖3　2種砂巖巖樣對(duì)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(duì)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(shí)長(zhǎng)的變化規(guī)律如圖4，可以看出，成都砂巖在不同的照射時(shí)長(zhǎng)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?yàn)轭w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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(yàn)證了礦物成分對(duì)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(duì)微波較敏感，微波作用下升溫較快，形成“熱點(diǎn)”，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(yàn)驗(yàn)證了微波照射會(huì)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(guò)對(duì)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(shí)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(lèi)巖石在微波照射后強(qiáng)度弱化不同，但總體趨勢(shì)都是隨著微波照射參數(shù)(微波功率和照射時(shí)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(duì)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(lèi)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(duì)較??；

4)由于不同種類(lèi)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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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(guó)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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