微波照射后花崗巖裂紋擴(kuò)展規(guī)律試驗(yàn)研究

戴 俊，王羽亮，李 濤

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

隨著深部采礦技術(shù)的發(fā)展，微波輔助破巖技術(shù)受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)利用微波照射巖石，使巖體內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力差，降低巖石強(qiáng)度，能夠減少機(jī)械開挖硬巖時(shí)刀盤上刀頭的磨損，延長機(jī)械使用壽命，極大降低成本，具有良好的發(fā)展前景。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對此進(jìn)行了研究。王湘云等[1]報(bào)道了197塊巖石標(biāo)本的相對介電常數(shù)的測量結(jié)果，揭示了相對介電常數(shù)隨微波頻率的變化規(guī)律，討論了相對介電常數(shù)與巖石類型、密度、結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的關(guān)系。戴俊等[2-5]在微波照射對巖石強(qiáng)度的影響方面進(jìn)行研究，結(jié)果表明，通過改變微波的強(qiáng)度和時(shí)間，能夠有效地對巖石進(jìn)行破碎，有助于微波輔助機(jī)械破碎巖石方法的實(shí)現(xiàn)。秦立科等[6，7]對巖石的細(xì)觀損傷進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，表明了在微波照射下，巖石顆粒既有拉伸屈服也有剪切屈服，對巖石在微波照射后的微觀形態(tài)有了初步認(rèn)識；Thomas Peinsitt等[8，9]研究了微波照射下水對巖石的影響，得出了玄武巖受水分影響較小，而砂巖中含水率不同，獲得的結(jié)果差異最大的結(jié)論；Hassani F等[10-12]于綜合試驗(yàn)室初步研究了巖石試件表面溫度與微波發(fā)射源距離的關(guān)系，得到結(jié)論表明試件表面的升溫速率均隨試件與微波發(fā)射源距離的增大而線性減小。李勇等[13]討論了微波功率和時(shí)間對溫度場的影響，表明了巖石顆粒最高溫度相同時(shí)，

微波加熱功率與時(shí)間成反比。眾多學(xué)者在該領(lǐng)域已取得了多方面的成果，但對裂隙形成等方面的細(xì)觀研究提及較少，而硬巖裂隙的形成和擴(kuò)展規(guī)律是研究巖石損傷機(jī)理的重要內(nèi)容。因此，本文以花崗巖作為研究對象，利用掃描電鏡(SEM)設(shè)備對微波照射及單軸抗壓強(qiáng)度測試后的試件的斷口形貌及裂紋類型進(jìn)行掃描觀測，并分析其成因，為后續(xù)研究提供參考。

1 試驗(yàn)安排

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

1) 工業(yè)大功率微波系統(tǒng)。負(fù)責(zé)進(jìn)行微波照射的大功率微波系統(tǒng)為本次試驗(yàn)的核心設(shè)備之一，此系統(tǒng)產(chǎn)自南京澳潤微波制備廠，額定功率為220V，其可調(diào)微波照射功率為0～10kW。微波系統(tǒng)主要分為4個(gè)部分，分別為微波腔體、控制系統(tǒng)、微波發(fā)生器以及監(jiān)控系統(tǒng)，其中微波腔體為多模諧振腔體，能夠較好地反射微波，保證照射的全面性?？刂葡到y(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)兩者結(jié)合，確保試驗(yàn)的安全性，當(dāng)發(fā)生試驗(yàn)意外時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會讀取異常信息反應(yīng)至控制系統(tǒng)，使操作人員能夠及時(shí)解決問題。微波發(fā)生器的形狀酷似金字塔型，此結(jié)構(gòu)能夠使微波較為均勻地向下發(fā)射。工業(yè)大功率微波系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 工業(yè)大功率微波爐

2)新型數(shù)字化掃描電鏡設(shè)備(SEM試驗(yàn)機(jī))。通過電鏡掃描設(shè)備觀察到斷口的形狀以及裂隙的類型，并由此研究微波照射下硬巖裂隙的形成和擴(kuò)展規(guī)律。

3)雙面打磨機(jī)、切割機(jī)、自動取芯機(jī)、玻璃干燥器、電子秤、RFP-09型智能測力儀、超聲波測速儀等輔助進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試樣

圖2 50mm×100mm標(biāo)準(zhǔn)花崗巖試件

1.3 試驗(yàn)步驟

將所有試件放入玻璃干燥器中放置48h，保證試件的初始狀態(tài)為實(shí)驗(yàn)室自然含水狀態(tài)。通過超聲波測速儀進(jìn)行基礎(chǔ)探傷，將波速相近的歸為一組，隨機(jī)選取一組試件作為對照組，將剩余3組試件依據(jù)所設(shè)計(jì)的微波照射條件分為功率2kW、 4kW、6kW共3種，并分別進(jìn)行微波照射。微波照射完成后使試件自然冷卻，之后進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試。選擇斷口微裂隙明顯的試件，將其表面雜質(zhì)清理干凈，并從其上部、中部和下部分別取一塊大小合適形狀合理的斷口表面，同時(shí)對其進(jìn)行編號。之后利用鍍金抽空設(shè)備對斷口表面進(jìn)行鍍金屬Pt，最后通過SEM試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行電鏡掃描，觀察細(xì)觀圖像。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 微波照射及單軸壓縮試驗(yàn)后花崗巖宏觀裂紋結(jié)果

在3種不同功率的微波照射及抗壓試驗(yàn)后，試件均有裂紋產(chǎn)生。從外表面觀測，由于花崗巖質(zhì)地堅(jiān)硬且力學(xué)強(qiáng)度較高，較低功率的微波照射并未產(chǎn)生足夠的熱應(yīng)力致使試件表面出現(xiàn)肉眼可見的明顯裂紋，在單軸抗壓試驗(yàn)后，試件的強(qiáng)度較對照組出現(xiàn)降低現(xiàn)象，但裂紋的形式仍以豎向出現(xiàn)的劈裂破壞及斜向的剪切破壞為主，且破壞巖體較為完整，與對照組相類似，說明此次巖石破壞主要受單軸抗壓試驗(yàn)的影響，低功率微波照射并不能對巖石表面宏觀裂隙的產(chǎn)生起到?jīng)Q定性的作用。高功率微波照射下，試件表面顏色變淺，并出現(xiàn)閃亮物質(zhì)，出現(xiàn)徑向張裂紋，且部分試件出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，冷卻后為純黑色物質(zhì)。分析現(xiàn)象出現(xiàn)的原因?yàn)榛◢弾r試件主要由石英、斜長石、微斜長石、黑云母以及部分角閃石和磁鐵礦組成，長石類礦物熔點(diǎn)較低，在微波照射下晶體顆粒熔化并向外流出。與此同時(shí)，試件內(nèi)部礦物顆粒受熱脹冷縮原理影響不斷受熱膨脹，從而產(chǎn)生的膨脹壓力造成了裂縫的擴(kuò)展，反映在試件表面則出現(xiàn)張性裂紋。高功率照射下花崗巖試件裂紋形狀如圖3所示。

圖3 6kW照射下花崗巖熔融及裂紋示意圖

將部分整體形態(tài)保持完好的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試件上部出現(xiàn)粉末狀破碎，且外表面剝落現(xiàn)象嚴(yán)重，說明在高功率照射下，試件外表面結(jié)構(gòu)完全破壞，巖石已經(jīng)失去了本身的強(qiáng)度。這也說明了在微波照射下，試件外圍產(chǎn)生的溫度梯度要高于內(nèi)部，破壞效果也略強(qiáng)于內(nèi)部。巖石微波照射及單軸壓縮試驗(yàn)后宏觀裂紋如圖4所示。

圖4 微波照射及單軸壓縮試驗(yàn)后試件宏觀裂紋示意圖

2.2 微波照射及單軸壓縮試驗(yàn)后花崗巖微觀斷口形貌特征

通過SEM電鏡掃描可觀測得到花崗巖斷口處微裂隙主要為晶體間斷裂與晶體內(nèi)部斷裂。分析其產(chǎn)生的原因?yàn)椋核傻奈⒘严吨?，除了巖石自身存在的節(jié)理面外，還受微波照射以及單軸壓縮試驗(yàn)等的影響，總體可歸納為3類，分別為微波照射參數(shù)大??；巖石礦物的礦物組成；單軸試驗(yàn)的加載方式及加載速度。在高功率的微波照射下，試件內(nèi)部吸波礦物質(zhì)吸收大量的微波，進(jìn)而將這種微波以熱能的形式散發(fā)出去，這種熱所導(dǎo)致的高溫將會與不吸波物質(zhì)之間產(chǎn)生一個(gè)較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的熱應(yīng)力導(dǎo)致了試件內(nèi)部礦物晶體結(jié)晶面產(chǎn)生張拉應(yīng)力，致使晶體內(nèi)部出現(xiàn)條紋狀斷裂[15]，與此同時(shí)，單軸壓縮試驗(yàn)的豎向壓力會使晶體受到壓應(yīng)力的作用，導(dǎo)致了壓裂紋的出現(xiàn)，這種壓裂紋表現(xiàn)為晶體內(nèi)部面狀斷裂；除此之外，過高的溫度使試件中長石類礦物出現(xiàn)熔解現(xiàn)象，導(dǎo)致部分空隙的產(chǎn)生，而另一部分礦物未到達(dá)其熔點(diǎn)，因此受熱脹冷縮效應(yīng)的影響出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，這種晶體間的膨脹不均勻加之水分蒸發(fā)與空氣膨脹以及單軸壓縮試驗(yàn)造成的晶體間的剪切滑移錯動共同導(dǎo)致了晶體間條狀斷裂。在SEM電鏡掃描下對花崗巖裂隙放大5000倍觀測，可得花崗巖的裂紋斷口形貌主要為較為平坦的面狀裂紋及條紋狀裂紋。巖石微波照射及單軸壓縮試驗(yàn)后斷口微觀形貌如圖5所示。

圖5 微波照射及單軸壓縮試驗(yàn)后 花崗巖試件斷口微觀形貌示意圖

2.3 微波照射及單軸壓縮試驗(yàn)后花崗巖微觀裂隙類型和斷裂模型

利用SEM掃描電鏡可以全面地觀察花崗巖裂隙形貌特征，并由此分析其裂隙類型和斷裂模型，研究其產(chǎn)生原因。通過觀察花崗巖在2000倍、5000倍放大下的裂紋形狀，可得出花崗巖在微波照射及單軸壓縮試驗(yàn)后的裂紋類型多為張性裂紋及壓剪性裂紋，裂紋斷裂模型的建立是在裂隙發(fā)展的基礎(chǔ)上逐漸形成的，通過分析總結(jié)，花崗巖斷裂的模型可大致歸納為以下三類，包括穿晶斷裂、沿晶斷裂以及二者疊加，具體情況如圖6所示。分析其產(chǎn)生的原因?yàn)榛◢弾r在微波照射下，各礦物之間由于吸波能力具有差異進(jìn)而出現(xiàn)受熱膨脹不均勻的現(xiàn)象，因此不同張拉應(yīng)力的產(chǎn)生導(dǎo)致了晶體內(nèi)部張性裂紋的出現(xiàn)，造成了穿晶斷裂；此外，由于相鄰兩種礦物熱膨脹不均勻，產(chǎn)生了不同的熱應(yīng)力，因此礦物與礦物之間也受到了力的作用，當(dāng)這種力達(dá)到一定程度后，兩種不同的晶體就會發(fā)生錯動，造成沿晶斷裂。

圖6 微波照射及單軸壓縮試驗(yàn)后花崗巖試件 微觀裂紋形態(tài)和斷裂模型示意圖

3 結(jié) 論

1)高功率微波照射下，花崗巖試件表面顏色發(fā)生變化，外側(cè)出現(xiàn)肉眼可見張拉裂紋，部分試件出現(xiàn)熔融現(xiàn)象。壓縮試驗(yàn)后，試件表面出現(xiàn)豎向裂紋，上部外側(cè)結(jié)構(gòu)完全破壞，失去本身強(qiáng)度。

2)通過SEM電鏡掃描觀測花崗巖裂紋斷口形貌特征，得出花崗巖主要為受到壓力產(chǎn)生的平坦面狀破裂及受到張拉應(yīng)力產(chǎn)生的條紋狀破裂。

3)通過SEM電鏡掃描觀測到花崗巖在微波照射及壓縮試驗(yàn)后巖石裂紋類型主要為張拉裂紋和壓裂紋及少量剪切裂紋，斷裂模型主要為沿晶斷裂、穿晶斷裂以及兩者疊加。