微波照射下礦物升溫特性與巖石弱化效果研究綜述

趙沁華，趙曉豹*，鄭彥龍，李建春，何 磊，劉漢文，余家旺

1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京210023；

2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京211189

1 引言

目前巖石工程主要采用鉆爆法與機械開挖法兩種方法進行施工（李夕兵，2010；劉柏祿等，2011）。鉆爆法利用炸藥瞬間釋放的巨大能量破碎巖石（體），該方法在大型巖石工程中顯示出無可比擬的優(yōu)勢，在當(dāng)前和今后相當(dāng)長的時間內(nèi)仍將大量存在。然而，該方法對原巖的擾動大，易造成圍巖破壞及對周邊環(huán)境的影響，同時也存在施工精度低、破碎塊度不均勻和圍巖支護困難等缺點。為了克服這些缺點，機械破巖于過去的一個世紀(jì)中在采礦選礦、石材加工、隧道掘進和石油鉆進等領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。根據(jù)作業(yè)條件的不同，出現(xiàn)了基于切削、沖鑿、碾壓和研磨等不同方式的破巖方法和技術(shù)。但機械破巖也有其局限性，以TBM 隧道掘進為例，當(dāng)其面對強度較大的巖石（特別是單軸抗壓強度在200 MPa 以上）時，機械切削破碎將變得極為困難，不僅破巖效率低下，而且刀具損耗嚴(yán)重，最終導(dǎo)致施工成本增加，工期延長甚至停工（表1）。

近年來，許多學(xué)者對一些新型破巖或輔助破巖的方法進行了嘗試，如水射流法、微波法、激光法、熱熔法、火花放電法和化學(xué)破碎法等（張宗賢，1995；趙秉成等，2010）。其中，以水射流法和微波法的研究應(yīng)用較為深入，且發(fā)展較快；而其它方法由于經(jīng)濟和實用性等方面的原因，目前的研究相對較少。水射流技術(shù)最早應(yīng)用于采礦業(yè)。隨著水射流高壓設(shè)備的研制成功和磨料添加技術(shù)的應(yīng)用，高壓水射流法已被較廣的應(yīng)用于巖石破碎和材料切割領(lǐng)域（伊常德和陳享文，1984）。大量試驗表明（金國棟，1987；楊永印和李根生，2003），高壓水射流法適合破碎強度較低的巖石，同時對空隙率大和滲透性高的巖石具有較好的破碎效果；而對于致密硬巖，高壓水射流法雖可用于此類巖石的切割，但其切割深度和效率卻受到巖石強度、空隙率和巖石厚度等因素的極大限制。因此，該技術(shù)還難以在現(xiàn)場對大體積堅硬巖體進行有效破碎（盧朝棟，1981；李根生等，2009）。

微波是指頻率在300 MHz～300 GHz 范圍內(nèi)的電磁波，其波譜處于無線電波與紅外線之間。自1936 年美國取得波導(dǎo)傳輸試驗成功后，微波技術(shù)在廣播、通信、電視和遙感等領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用（楊瑞昆，2006；全紹輝，2011）。而在微波的使用過程中，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)微波會引起熱效應(yīng)，于是開始對微波加熱技術(shù)進行研究（王家萬和王亞夫，2012）。當(dāng)電介質(zhì)在微波照射作用下，介質(zhì)中的偶極子隨著電磁場的高頻交變產(chǎn)生每秒高達(dá)數(shù)億次的擺動（微波加熱設(shè)備常用的頻率為915 MHz 和2.45 GHz）。由于必須克服分子原有的熱運動和分子間相互作用的干擾及阻礙，而產(chǎn)生激烈的摩擦，從而使微波能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的熱能，宏觀表現(xiàn)為介質(zhì)溫度的升高。微波產(chǎn)生的升溫具有體加熱性質(zhì)，即材料內(nèi)部與外部可同時加熱升溫，從而大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導(dǎo)時間及減少了該過程中的能量損耗；同時微波加熱具有選擇性，介電損耗因子大的物質(zhì)對微波的吸收能力強，而介電損耗因子小的物質(zhì)吸收微波的能力弱。巖石是由不同礦物組成的，各類礦物對于微波的敏感程度不同。當(dāng)巖石處于微波場中時，不同敏感性的礦物由于差異性熱膨脹而在顆粒邊界和內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過巖石強度時，則會造成巖石損傷、甚至開裂破壞（潘艷賓，2016）。

表1 堅硬巖石條件下TBM掘進困難工程實例Table 1 TBM project with hard rock boring problems

微波獨立或者輔助機械破碎巖石的研究起源于20世紀(jì)70年代的前蘇聯(lián)，其現(xiàn)場試驗超前于實驗室研究，最初的目的是想為凍土及巖石開挖探尋一種快速和低能耗的施工方法。Gushchin 等（1979）設(shè)計了一臺綜合微波和機械施工優(yōu)點的聯(lián)合掘進機（斷面為10 m2、微波功率為450 kW）對某磷灰礦進行了現(xiàn)場開采試驗，結(jié)果表明：機械掘進、微波掘進和微波-機械聯(lián)合掘進三種模式的掘進速度分別為0.2、0.15 和0.7～0.8 m/h，而比能分 別 為 290、 160 和 60～70 kWh/m3。 Protasov 等（1984）利用一臺功率為380 kW的微波-機械聯(lián)合掘進機進行了隧道掘進試驗，其聯(lián)合模式的掘進速率達(dá)到7 m/h，比機械模式的2.8 m/h 提高了1.5倍。然而，隨著20世紀(jì)80年代后隧道掘進機施工性能的大幅提升以及鉆爆技術(shù)的快速發(fā)展，微波獨立或輔助機械破巖的研究工作沒有得到延續(xù)。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，重大建設(shè)項目的數(shù)量、規(guī)模和復(fù)雜性都較以前有顯著增加，工程領(lǐng)域面對堅硬巖石的情況越來越多，同時社會對炸藥等危險爆炸物的管控也日趨嚴(yán)格，因此微波獨立或輔助機械破巖技術(shù)又逐漸成為當(dāng)今的研究熱點。本文將從微波照射下礦物升溫特性、巖石弱化影響因素與機制、微波面照射三方面對該領(lǐng)域的前期研究成果進行綜述。

2 微波照射下礦物升溫特性研究

依據(jù)微波理論，單位體積介質(zhì)在微波場中吸收的能量可以表示為（Metaxas and Meredith,1988；Meredith,1997）：

其中，P為單位體積介質(zhì)吸收的微波功率（W/m3）；f為微波頻率（Hz）；ε0為真空介電常數(shù)（8.85×10-12F/m）；E為介質(zhì)內(nèi)部的有效電場（V/m）；ε″為介電損耗因子，表征各種介質(zhì)吸收微波的能力。ε″越高的物質(zhì)（如水和各種含水物質(zhì)具有較高的介電損耗因子），在微波場中越容易吸收微波能而使自身溫度升高。表2列出了一些常見礦物的介電損耗因子和比熱容，從表中可以看出：（1）一些礦物（如石英、正長石、斜長石等）的介電損耗因子較小，對微波能的吸收能力較差；而其它礦物（如黑云母、透輝石等）的介電損耗因子較大，能夠有效吸收微波能；（2）由于礦物自身的變異性、及測量設(shè)備和方法的不同（介電參數(shù)測量可采用短路波導(dǎo)法和諧振腔法等多種方法），不同學(xué)者對同類礦物測得的結(jié)果相差較大；（3）各類礦物的比熱容相差不大，其在微波照射下的升溫速率主要由介電損耗因子決定，因此，除直接測量礦物的介電參數(shù)外，不少學(xué)者還通過測量礦物微波加熱的升溫速率來表征其對微波的敏感性。

表2 常見造巖礦物的介電損耗因子和比熱容Table 2 ε″and Cp of common rock-forming minerals

Ford和Pei（1967）對17種氧化物、硫化物和木炭進行了嘗試性微波加熱試驗，發(fā)現(xiàn)部分物質(zhì)能夠在1 分鐘內(nèi)加熱到幾百度。 Chen 等（1984）對40 種礦物進行了微波加熱試驗，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)硅酸鹽礦物、碳酸鹽礦物和硫酸鹽礦物、某些氧化物和硫化物對微波不敏感，不能被有效加熱；但大多數(shù)硫化物、砷化物、砷硫化物和一些金屬氧化物很容易被加熱，甚至發(fā)生熔化、分解；一般情況下，礦石礦物比脈石礦物更為敏感，且礦物對微波的反應(yīng)還與其元素組成有關(guān)，比如低鐵的閃鋅礦對微波不敏感，而當(dāng)閃鋅礦中的Zn 較多的被Fe 取代形成高鐵閃鋅礦時，其微波敏感性顯著提高。Walkiewicz 等（1988）對154 種電介質(zhì)的微波加熱特性進行了詳細(xì)的定量研究，并論述了微波加熱礦物時的溫度測定問題，彌補了Chen 等（1984）研究中溫度無法準(zhǔn)確測量的不足。根據(jù)所測樣品達(dá)到的最高溫度和所用時間，Walkiewicz等（1988）發(fā)現(xiàn)金屬氧化物和一些特殊物質(zhì)（如非晶碳）的升溫速率很快，能夠達(dá)到很高的溫度；大多數(shù)金屬硫化物和金屬粉末升溫較好；大多數(shù)氯化物和脈石礦物幾乎沒有升溫效應(yīng)。McGill 等（1988）在Walkiewicz 等（1988）成果的基礎(chǔ)上研究了微波功率（0.5～2 kW）對礦物升溫特性的影響，結(jié)果表明脈石礦物（如石英和方解石等）對微波不敏感，且微波功率的變化對其升溫效果的影響也不明顯；氯化物在低功率時升溫較慢，但在高功率下升溫速率明顯提高；大多金屬氧化物和金屬硫化物的升溫速率較快，且隨著功率的增加進一步變大；某些對微波極其敏感的礦物（如磁鐵礦和方鉛礦等）在任何功率下都有很高的升溫速率。Harrison（1997）基于前人和自己的礦物升溫試驗結(jié)果，認(rèn)為在分析升溫速率的影響因素時，前人所用的化學(xué)（元素）分類法具有一定的缺陷，例如大多數(shù)硫化物的升溫效果較好，但閃鋅礦的升溫效果卻不好，磁鐵礦的升溫速率很高，但赤鐵礦的升溫速率卻很一般。因此Harrison（1997）提出可將微波與光進行類比，吸收光的暗色礦物對微波的吸收能力較好，升溫速率較高，而反射或折射光的淺色礦物對微波的吸收能力較差，升溫速率較低（表3）。

表3 根據(jù)礦物的光學(xué)特性對其微波敏感性進行分類（Harrison,1997）Table 3 Categorizing minerals according to their optical properties

上述學(xué)者主要立足于礦業(yè)工程的需要，對礦物（大多是礦石礦物）的加熱特性開展了研究，而土木工程領(lǐng)域所遇到的巖石主要由造巖礦物組成，因此一些學(xué)者就造巖礦物的微波敏感性進行了系統(tǒng)研究。Lu 等（2017）比較了11 種造巖礦物在微波照射下的升溫速率，發(fā)現(xiàn)頑火輝石的升溫速率最大，黑云母次之，其它礦物（兩種鉀長石、兩種白云母、角閃石、橄欖石、鈉長石、石英和方解石） 的升溫速率較??；同時基于SEM-EDX 元素分析，Lu 等 （2017） 認(rèn)為 Fe 元素的存在會對礦物的微波吸收能力產(chǎn)生影響，越是富含F(xiàn)e 元素的礦物，升溫效果越好。Zheng（2018）對8 種常見造巖礦物的微波升溫特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)角閃石和黑云母對微波最為敏感，正長石次之，其余礦物（石英、透輝石、橄欖石、白云母和斜長石）則對微波不敏感。劉漢文（2018）研究了10種常見火成巖造巖礦物的微波加熱升溫特性，其中紫蘇輝石最為敏感，鈣鐵輝石和黑云母（兩種）次之，其它礦物（普通角閃石、鎂橄欖石、正長石、透輝石、斜長石和石英）對微波的敏感性較差。通過對礦物升溫特性、礦物類型和Fe 元素含量的綜合分析（圖1），劉漢文認(rèn)為（1）礦物族類對其微波敏感性的影響最大（大多數(shù)造巖礦物對微波不敏感，只有少數(shù)暗色礦物的微波加熱效果較好）；（2）在同一族礦物中，晶型對礦物升溫特性的影響大于Fe 元素含量的影響；（3）同一族礦物在晶型相同的情況下，F(xiàn)e 元素含量越高，升溫特性越好；（4）礦石礦物的微波敏感性遠(yuǎn)高于造巖礦物。

圖1 10種火成巖造巖礦物在0.5 kW微波照射下的溫度變化及其鐵元素含量（劉漢文，2018）Fig.1 Temperature of 10 rock-forming minerals under the irradiation of 0.5 kW microwave and their Fe content

3 微波弱化巖石影響因素與機制研究

自20世紀(jì)90年代以來，人們對微波照射下的巖石弱化效果開展了大量研究，發(fā)現(xiàn)微波弱化巖石的影響因素可分為微波條件（微波功率與照射時間）和巖石條件（礦物種類及含量、顆粒大小和巖石含水情況）兩大類。

3.1 微波條件

許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，隨著微波功率和照射時間的增加，巖石樣品溫度升高，宏細(xì)觀裂紋增加，強度下降；同時對于一定功率，當(dāng)照射時間增加到一定程度時，強度等指標(biāo)的變化趨于平緩。Satish 等（2006）將玄武巖樣品在0.75 kW 微波下加熱60、120、180和360 s，發(fā)現(xiàn)隨著照射時間的增加，樣品表面溫度呈近似線性升高。Hartlieb等（2012）在對玄武巖進行微波照射試驗時也得到類似結(jié)果，同時作者還發(fā)現(xiàn)樣品的中心溫度遠(yuǎn)高于表面溫度。Nejati等（2012）采用1 kW和2 kW的微波照射了玄武巖樣品30 s，1 kW 微波照射后的樣品外觀未見明顯變化，而2 kW微波照射后的樣品表面產(chǎn)生了3 條宏觀裂紋。Kingman 等（1999）用2.6 kW的微波處理鈦鐵礦，并用電子顯微鏡觀察了不同照射時間后樣品的微觀結(jié)構(gòu)，如圖2。從圖中可以看出，當(dāng)照射時間為30 s時，樣品中微裂隙的數(shù)量比原狀樣品明顯增加；而當(dāng)照射時間為60 s 時，除微裂隙數(shù)量進一步增加外，其寬度也有所增長。戴俊等（2017）用1 kW和5 kW的微波照射了花崗巖，并對照射后的樣品進行巴西圓盤劈裂試驗，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)照射時間相同時，高功率微波能夠更有效地弱化巖石強度；而當(dāng)功率一定時，巖石強度隨著照射時間的增加而下降，但其下降幅度隨著照射時間的增長而趨緩。Whittles等（2003）以及Ali和Bradshaw （2009）對上述現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬，得到了不同微波條件下巖石內(nèi)部的應(yīng)力和裂隙發(fā)育情況。他們發(fā)現(xiàn)功率和時間的增加都將提高不同敏感性礦物間的溫度梯度，產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力，進而造成更多的裂紋和破壞；然而對于一定功率，當(dāng)照射時間較長時，礦物間的熱傳導(dǎo)較為充分，礦物間的溫度梯度和熱應(yīng)力隨時間的增幅下降，從而使強度下降的幅度顯著降低。

圖2 鈦鐵礦受到微波照射時微觀結(jié)構(gòu)的變化（Kingman,1999）Fig.2 Change of ilmenite’s microstructure under microwave irradiation

圖3 不同功率和照射時間下花崗巖抗拉強度變化（戴俊等，2017）Fig.3 Variation of tensile strength of granite under different power and time

為了深入探究微波條件對巖石弱化效果的影響，一些學(xué)者開展了相同微波能量下，不同功率和照射時間組合的試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)消耗能量相同時，高功率短時間的微波照射能夠產(chǎn)生更好的巖石弱化效果。Kingman等（2004）對銅礦石用5 kW的微波照射1 s 后，邦德功指數(shù)降低了33%；而用10 kW 的微波照射0.5 s 后，邦德功指數(shù)降低了74%，該現(xiàn)象在其他學(xué)者的研究中也得到了體現(xiàn)（朱要亮，2018；Ali and Bradshaw, 2011；Qin and Dai, 2016）。Wang 和Djordjevic（2014） 用有限元法模擬了相同能量下，不同功率密度（單位體積內(nèi)的微波功率）的微波場在礦物邊界產(chǎn)生的應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)在高功率條件下，敏感礦物能在很短的時間內(nèi)達(dá)到較高的溫度，而對應(yīng)非敏感礦物的溫度很低，進而在礦物間產(chǎn)生明顯的差異性膨脹，有效弱化巖石強度；而當(dāng)功率較低時，敏感礦物的升溫較慢，很多熱量由于熱傳導(dǎo)作用被傳到不敏感礦物上，導(dǎo)致礦物間的溫度梯度較為平緩，熱應(yīng)力減小，從而巖石弱化效果較差。

目前微波設(shè)備依據(jù)諧振腔的不同可分為多模式和單模式兩種。多模式微波因其在腔體中產(chǎn)生的微波場分布較為均勻（場強具有代表性），而被室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)樣品試驗廣泛采用；單模式微波通過對諧振腔尺寸的特殊設(shè)計使微波在腔內(nèi)形成駐波，照射能量集中，能夠在局部產(chǎn)生比多模式微波更高的功率密度。劉漢文（2018）采用0.5 kW 多模式微波照射基性巖時，3 min后巖石表面溫度可達(dá)165℃；而Zheng（2017）采用0.5 kW 單模式微波照射基性巖時，僅30 s 時間巖石局部溫度就達(dá)到200℃。Kingman 等（2004）比較了相同輸入功率（10 kW）下，多模式和單模式微波對巖石弱化效果的影響。當(dāng)采用多模式微波時，巖石強度下降50%需要照射5 s，而采用單模式微波只需照射0.5 s即可達(dá)到同樣效果。

3.2 巖石條件

巖石是由不同礦物組成的，其所含礦物的微波敏感性和敏感礦物的含量對巖石的升溫及弱化效果影響較大。Kingman等（2000）用2.6 kW的微波對4 種礦石（鈦鐵礦、硫化礦、金礦和碳酸鹽礦）照射4 min后，發(fā)現(xiàn)除了金礦石，其它礦石的邦德功指數(shù)均明顯下降（該三種礦石均含有對微波極敏感的磁鐵礦）。Motlagh（2009）研究了微波照射下幾種巖石的升溫特性、抗壓和抗拉強度變化規(guī)律。其中，玄武巖（含有70%～75%的黃鐵礦）在1.25 kW 功率下加熱4 min 就升溫至350℃，并且出現(xiàn)大裂紋，其抗壓和抗拉強度分別下降了40%和80%；石灰?guī)r（含有15%～20%的金屬氧化物和硫化物）、片麻巖（含有5%～10%的金屬氧化物和硫化物）、輝長巖（含有少量金屬氧化物和硫化物）在3 kW 功率下照射4 min 能夠達(dá)到250%～350℃，且各強度指標(biāo)也出現(xiàn)明顯下降；花斑巖和花崗巖主要由對微波不敏感的礦物組成，其在微波作用下升溫緩慢（部分樣品甚至在3 kW功率下因為吸收微波能量過少而導(dǎo)致微波爐過載出現(xiàn)打火花現(xiàn)象），強度變化也不甚明顯。上述結(jié)果與不同巖石所含敏感礦物的種類及含量有關(guān)，巖石所含礦物的敏感程度越高，其加熱速率越快，礦物間的溫度梯度和熱應(yīng)力也越大；而當(dāng)巖石含有一定量的敏感礦物時，微波照射能夠在巖石中產(chǎn)生較多的微裂紋，進而弱化巖石。Batchelor 等（2015）用15～25 kW 的微波處理了13 種礦石，并結(jié)合其礦物學(xué)特征和點荷載試驗對弱化效果進行了分析，結(jié)果顯示當(dāng)?shù)V石中的敏感礦物含量在2%～20%之間時，其弱化效果最好；當(dāng)敏感礦物含量在20%～40%之間時，弱化效果次之；而當(dāng)敏感礦物含量大于40%或小于2%時，其弱化效果較差。

Scott 等（2008）基于礦石解離試驗分析了礦物顆粒大小對礦石弱化效果的影響，發(fā)現(xiàn)敏感礦物顆粒的尺寸越大，礦石的破碎效果越好，該結(jié)論也在Rizmanoski（2011）的試驗中得到驗證。Salsman 等（1996）用有限元法模擬了敏感礦物種類和含量相同時，敏感礦物尺寸對微波弱化巖石效果的影響，發(fā)現(xiàn)敏感礦物尺寸越大時，其與周圍礦物的接觸面積越小，通過熱傳導(dǎo)損失的能量也越少，進而會在顆粒間形成較大的溫度梯度和熱應(yīng)力。

天然巖石具有一定的空隙率。根據(jù)所處環(huán)境的不同，巖石空隙中或多或少會有一定水分的存在。水是對微波極其敏感的物質(zhì)，受到微波照射時會快速升溫并汽化；當(dāng)水蒸汽逃逸所需要的時間遠(yuǎn)大于微波加熱時間時，會在巖石空隙中產(chǎn)生蒸汽壓力，并隨著溫度的增加而變大（圖4）；當(dāng)此壓力大于巖石強度時，就會產(chǎn)生微裂隙，進而弱化巖石。Peinsitt 等（2010）比較了干燥和飽和狀態(tài)下的玄武巖、花崗巖和砂巖在微波照射下的升溫和強度變化。由于水的影響，飽和砂巖樣的介電損耗因子比干燥樣品大很多，在3 kW微波照射30 s 后即發(fā)生炸裂現(xiàn)象；花崗巖飽和后的介電損耗因子略有升高，其升溫和強度弱化效果也比干燥樣略為明顯；玄武巖干燥和飽和狀態(tài)下的微波照射效果幾乎沒有差別。然而，戴俊等（2018）采用8 kW 的微波對在水中浸泡不同時間（0～24 h）的玄武巖樣進行照射（3 min），發(fā)現(xiàn)隨著浸泡時間的增長，微波照射后巖樣的內(nèi)部損傷更大，抗剪強度也更低。

圖4 蒸汽壓力與溫度關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between steam pressure and temperature

上述研究中，微波對巖石的弱化主要是通過加熱巖石中的敏感礦物而產(chǎn)生礦物間的差異性膨脹致裂，或者加熱巖石空隙中的水使其汽化膨脹致裂。除了以上兩種機制，微波的熱效應(yīng)有時還會使巖石中礦物發(fā)生較大的物理或化學(xué)變化，進而對其升溫特性和強度弱化效果產(chǎn)生較大影響。石英在573℃時會發(fā)生α-β的相變（趙明，2010）。相應(yīng)的，Hartlieb 等（2016）測量了玄武巖、花崗巖和砂巖在25～1000°C的熱力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)富含石英的花崗巖和砂巖在573℃時，比熱容、熱擴散和熱膨脹系數(shù)都發(fā)生了突變，而不含石英的玄武巖則不發(fā)生此類變化，因此石英相變可以在微波弱化花崗類巖石中起到很大作用（盧廣亮，2016）。Peng等（2013）測量了石英在915MHz和2.45 GHz下介電損耗因子隨溫度的變化情況。在上述兩種頻率下，石英的介電損耗因子在0～500℃時基本保持不變；在500～1000℃內(nèi)，介電損耗因子則增長了8倍（在此溫度區(qū)間內(nèi)，石英吸收微波的能力大大增強）?；诖嗽?，Jerby 等 （2005） 以及Meir 和Jerby（2012）設(shè)計了最高功率為0.1 kW的小型微波鉆頭，可對玻璃實現(xiàn)局部快速熔融。劉漢文（2018）對其微波照射試驗中出現(xiàn)的某種輝綠巖炸裂現(xiàn)象（該種輝綠巖在2 kW微波照射120 s后突然炸裂，而炸裂時的巖石溫度僅300℃左右）進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)該種輝綠巖內(nèi)部存在一些孔洞和杏仁體，部分孔洞內(nèi)與附近含有一些暗紅色的鐵氧化物（對微波極敏感礦物）；部分較大的孔洞被次生礦物充填形成杏仁體，而充填物質(zhì)主要為碳酸鹽類的物質(zhì)（滴稀鹽酸時有冒泡反應(yīng)，見圖5），這些次生礦物在高溫下容易分解產(chǎn)生氣體，進而形成極高的氣壓使巖樣炸裂。此外，在礦業(yè)工程中，微波的熱效應(yīng)也會引起礦石中的礦物發(fā)生化學(xué)變化，進而提高礦物處理的效果（Olubambi et al.,2007；Olubambi,2009；Omran et al.,2014）。

4 微波面照射試驗研究

標(biāo)準(zhǔn)樣品試驗可系統(tǒng)的研究微波弱化巖石的影響因素和機制，而微波面照射試驗則更符合工程應(yīng)用實際情況。圖6 為微波輔助破巖示意圖（Hassani et al., 2016）。Nekoovaght 等 （2015） 和Hassani等（2016）采用3 kW的微波對多層玄武巖巖板（12 塊尺寸為40 cm×40 cm×2 cm 的巖板）進行了照射，并測量了照射距離不同時各層巖板中心的溫度以及裂紋密度。結(jié)果表明當(dāng)照射距離最近時（試驗中設(shè)定的最小照射距離為3.5 cm），表面巖板在照射60 s 后溫度達(dá)到150℃，未出現(xiàn)裂紋，而照射120 s 后其溫度達(dá)到了240℃，局部裂紋密度為2.8%；當(dāng)照射時間一定時，溫度和裂紋密度均隨著照射距離的增加而減小，且在照射距離大于12 cm后急劇衰減；當(dāng)照射時間和距離相同（12 cm 以內(nèi)）時，溫度和裂紋密度隨著巖板層數(shù)的增加而減小。Koiwa 等（1975）對邊長80 cm 的花崗巖樣進行了微波照射試驗（采用27 kW 微波照射12 min 和19 kW 微波照射30 min），發(fā)現(xiàn)巖石表面均有碎塊剝落形成坑洞，并可觀測到深度超過 20 cm 的裂紋。Takahashi 等 （1979） 采用 34～60 kW的微波對邊長1 m的花崗巖和安山巖樣進行了照射（34 min），發(fā)現(xiàn)兩種巖塊表面均具有放射狀裂紋，同時作者于樣品的不同位置進行了鉆芯取樣并測量其單軸抗壓強度和超聲波波速，結(jié)果表明微波處理后的巖石強度和波速均有顯著降低。Toifl 等（2016，2017）模擬了面照射情況下巖石大樣的溫度和應(yīng)力分布，以及裂紋擴展情況。結(jié)果顯示在溫度梯度和選擇性加熱的共同作用下，照射點附近會產(chǎn)生徑向最大主應(yīng)力和宏觀裂紋。Hartlieb和Grafe（2017）采用24 kW的微波對50 cm×50 cm×30 cm的花崗巖樣進行了點陣式照射（每個點照射30 s），而后進行線性切割試驗（如圖7），發(fā)現(xiàn)巖樣在微波照射后其照射點附近出現(xiàn)了較為密集的徑向裂紋，而在相同進尺條件下，微波處理后巖樣所需切割力降低了10%（圖8），該趨勢在Shepel 等（2018）的類似試驗研究中也得到了體現(xiàn)。Lindroth等（1993）采用最大功率為25 kW 的微波對玄武巖和花崗閃長巖塊進行了照射，而后開展鉆機鉆進試驗。研究表明微波照射可大大提高巖石鉆進速度（微波輔助機械鉆進可使效率提高約2～3 倍）；同時作者指出微波輔助施工的方法雖然增加了微波能的費用，但提高了施工效率和減少了鉆頭磨損，而產(chǎn)生微波能的額外成本明顯小于開挖速度的提高和鉆頭消耗降低所帶來的效益。

圖5 輝綠巖內(nèi)部的孔洞和杏仁體（劉漢文，2018）Fig.5 Holes and amygdaloid bodis inside the diabase

圖6 微波輔助破巖示意圖（Hassani et al.,2016）Fig.6 Diagram of microwave-assisted rock breaking

圖7 微波輔助線性切割試驗（Hartlieb and Grafe,2017）Fig.7 Microwave-assisted linear cutting test

圖8 巖樣照射點附近的裂紋分布和微波照射前后平均切割力的變化（Hartlieb and Grafe,2017）Fig.8 Crack distribution around irradiation point and the change of mean cutting force before and after microwave irradiation

5 結(jié)論

（1）不同礦物對微波的敏感程度不同，其敏感程度與礦物的族類、晶型和鐵元素含量有關(guān)。當(dāng)巖石處于微波場中時，不同敏感性的礦物由于差異性熱膨脹而在顆粒邊界和內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力；當(dāng)此應(yīng)力大于巖石強度時，則會造成巖石損傷、甚至開裂破壞，從而弱化巖石。

（2）巖石強度隨著微波功率和照射時間的增加而下降，同時對于一定功率，當(dāng)照射時間增加到一定程度時，強度等指標(biāo)的變化趨于平緩。在消耗能量相同的情況下，高功率短時間的微波照射能夠產(chǎn)生更好的弱化效果。單模式微波通過諧振腔尺寸的特殊設(shè)計能夠在局部產(chǎn)生比多模式微波更高的功率密度。

（3）巖石所含礦物的微波敏感性越高，敏感礦物顆粒尺寸越大，及含量適當(dāng)時，其微波照射的弱化效果越明顯。水是對微波極其敏感的物質(zhì)，含水狀態(tài)的巖石受到微波照射后，能夠比干燥狀態(tài)產(chǎn)生更大的損傷。

（4）微波的熱效應(yīng)有時會使巖石中礦物發(fā)生較大的物理或化學(xué)變化（例如石英相變及其介電性質(zhì)變化，特殊物質(zhì)的受熱分解等），進而對其升溫特性及弱化效果產(chǎn)生較大影響。

（5）微波面照射能使大尺寸巖樣在照射區(qū)域產(chǎn)生放射狀裂紋，從而有效降低巖石強度，提高破巖效率。

總體而言，目前對微波獨立或輔助機械破巖技術(shù)的研究已取得了較豐碩的成果。隨著研究的深入，該方法（微波加熱和機械破巖技術(shù)相結(jié)合）有望成為將來解決堅硬巖石條件下機械開挖施工困難的有效手段之一。