微波照射下花崗巖強(qiáng)度損傷規(guī)律研究

戴 俊，朱清耀，馮昌超，楊 凡，翟惠慧

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710000)

0 引言

在核廢棄物深埋處置、隧道掘進(jìn)以及深地層采礦過程中都涉及到巖石破碎問題。如何高效、經(jīng)濟(jì)地破碎巖體，如何長期且有效地保證掘進(jìn)后圍巖的穩(wěn)定性，是當(dāng)前需要解決的難題之一。傳統(tǒng)掘進(jìn)方式以鉆爆法和機(jī)械開挖法為主。盡管這兩種掘進(jìn)方法工程應(yīng)用廣泛，但都存在著不可忽視的缺陷。

為減少實(shí)際工程中圍巖的擾動，降低機(jī)械刀具的損耗，實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)的破巖效果，微波輔助機(jī)械破巖技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1-5]。近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者對此進(jìn)行了大量理論及試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[6]對不同照射路徑的巖石進(jìn)行了對比分析，得出巖石圍壓和微波照射路徑對巖石強(qiáng)度有顯著性影響。文獻(xiàn)[7]分析了不同微波加熱路徑下玄武巖的力學(xué)特性，得出在較高微波功率下連續(xù)照射巖石可以顯著降低巖石破碎時的能耗。文獻(xiàn)[8]通過建立有限元模型來研究微波加熱路徑對微波照射效果的影響，得出了在微波加熱過程中加入自然冷卻過程可以顯著提高微波照射效果。文獻(xiàn)[9-13]通過研究微波照射后巖石的基本力學(xué)性能，認(rèn)為巖石強(qiáng)度受照射時間及照射功率等多方面微波照射因素的影響。文獻(xiàn)[14]通過試驗(yàn)研究微波加熱方式、次數(shù)對巖石試件內(nèi)外溫度的影響。文獻(xiàn)[15]以試驗(yàn)及數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，得出了較高微波功率下鋼筋混凝土由拉拔劈裂轉(zhuǎn)變?yōu)槔位频慕Y(jié)論?；诖?，本文以花崗巖為研究對象，通過超聲波縱波波速試驗(yàn)和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)探討相關(guān)強(qiáng)度損傷指標(biāo)，并進(jìn)行了對比分析，可為后續(xù)研究提供參考。

1 試驗(yàn)

花崗巖試樣取自河北省石家莊市平山縣，其外觀顏色為灰白色，實(shí)測密度為2.65 g/cm3，主要礦物成分為黑云母、石英和長石等。分別采用切割機(jī)、取芯機(jī)和雙端面磨石機(jī)，對花崗巖試樣進(jìn)行分切、取芯和打磨，制得高徑比為2∶1的Φ50 mm×100 mm圓柱體共計79個，制備過程和加工精度嚴(yán)格按照YBJ 46—2005《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

試件照射設(shè)備為南京奧潤公司生產(chǎn)的ORW10SY-3T型大功率工業(yè)微波爐，額定電壓為380 V,輸出功率為0～10 kW。試件縱波波速測定采用NM-4B型非金屬超聲波分析儀。單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用西安科技大學(xué)能源學(xué)院國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的WANCE-單軸電液伺服試驗(yàn)機(jī)，量程為0～2 000 kN，控制速率為0.005 mm/s。

(a) 210 s，5.3 kW (b) 180 s，5.3 kW圖1 微波照射后花崗巖試件

文獻(xiàn)[6]中花崗巖試件在微波功率為5 kW下照射5 min時，試件已經(jīng)整體破壞失穩(wěn)。文獻(xiàn)[7]中玄武巖立方體試件在微波照射功率為5 kW下照射150 s時，試件已經(jīng)整體熔融并崩壞。文獻(xiàn)[16]中磁鐵礦石試件在照射功率為1.2 kW下照射3 min時，試件強(qiáng)度達(dá)到最低?；诖耍谡皆囼?yàn)前先進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，確定微波照射參數(shù)。微波照射后花崗巖試件見圖1。在微波照射時間為210 s、照射功率為5.3 kW時，試件熔融并完全破壞，如圖1a所示；微波照射時間為180 s、照射功率為5.3 kW時，試件雖有裂紋但整體性良好，如圖1b所示。考慮到照射時間為210 s時，試件受損嚴(yán)重且整體強(qiáng)度喪失，將會導(dǎo)致力學(xué)試驗(yàn)誤差過大，故微波照射時間分別選取100 s和180 s；結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康膶⑽⒉ㄕ丈涔β蚀_定為2.0 kW、3.3 kW、4.0 kW、5.3 kW和6.0 kW。并根據(jù)不同照射參數(shù)將花崗巖試件一共分為26組，每組3個，其中1組為原樣對照組。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 超聲波縱波波速試驗(yàn)

通過NM-4B型非金屬超聲波分析儀對花崗巖試件進(jìn)行了縱波波速測量，并繪制出不同照射時間下縱波波速與微波照射功率的關(guān)系曲線圖，如圖2所示。

圖2 不同微波照射時間下縱波波速隨照射功率變化關(guān)系圖

由圖2可知：當(dāng)微波照射時間一定時，縱波波速隨照射功率增大而減小。當(dāng)微波照射功率小于3.3 kW時，縱波波速隨微波照射功率增大降幅并不明顯；當(dāng)微波照射功率大于3.3 kW時，縱波波速隨微波照射功率增大而迅速下降。說明在較低微波功率照射時，巖石損傷程度不明顯。當(dāng)照射時間為100 s時，縱波波速從照射功率為2.0 kW的4.00 km/s降低到照射功率為6.0 kW的2.72 km/s，縱波波速衰減幅度達(dá)32%；當(dāng)照射時間為180 s時，從照射功率2.0 kW的4.10 km/s降低到照射功率為6.0 kW的2.42 km/s，縱波波速衰減幅度達(dá)40.98%。通過對比100 s和180 s照射時間下縱波波速衰減幅度，可以得出：增加微波照射時間和功率，縱波波速衰減程度均有所增長。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是超聲波在巖石中傳播速度遠(yuǎn)大于在孔隙空氣中傳播速度，隨微波照射功率及照射時間的增加，巖石內(nèi)部產(chǎn)生大量微裂隙，超聲波繞過微裂隙進(jìn)行傳播，傳播路徑增長，使得波速明顯降低。

為了描述微波照射前后花崗巖強(qiáng)度損傷程度，引入文獻(xiàn)[17]中基于縱波波速的損傷變量來定義微波照射前后花崗巖的損傷程度。損傷變量可表示為：

(1)

其中:Dv(w)為w功率照射冷卻至室溫后基于縱波波速的損傷變量；V(w)為w功率照射后試件縱波波速，km/s；V(0)為無微波照射下試件縱波波速,km/s。

由式(1)可知：當(dāng)V(w)=V(0)時，Dv(w)=0，花崗巖試件沒有損傷；當(dāng)V(w)=0時，Dv(w)=1，花崗巖試件完全損傷。

根據(jù)式(1)計算得出不同微波照射參數(shù)下花崗巖損傷變量，并繪制出基于縱波波速的損傷變量與微波照射功率的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 基于縱波波速的損傷變量與微波照射功率的關(guān)系曲線圖

由圖3可知：在不同照射時間下，基于縱波波速的損傷變量，隨微波照射功率增大呈近似斜直線型上升趨勢。當(dāng)照射時間分別為100 s和180 s，照射功率為2.0 kW時，花崗巖試件整體損傷程度增幅不大。但在相同照射功率下，照射時間為180 s時損傷程度遠(yuǎn)大于100 s時損傷程度。當(dāng)微波照射功率小于2.0 kW時，花崗巖試件強(qiáng)度損傷程度隨微波照射功率增大而增大，但增幅并不明顯。這主要是因?yàn)樵?.0 kW微波功率照射之前，花崗巖試件內(nèi)部受熱產(chǎn)生膨脹應(yīng)力使得試件原有微裂隙閉合，試件抗壓強(qiáng)度增大，故強(qiáng)度損傷程度增幅不大；在2.0 kW微波功率照射之后，隨著照射時間及照射功率的增大，試件內(nèi)部萌生大量微裂隙并與試件原有微裂隙發(fā)育、擴(kuò)展、貫通，從而阻礙超聲波的傳導(dǎo)，使得波速明顯降低，試件受損程度增大。

2.2 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2.1 不同照射參數(shù)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律分析

通過單軸電液伺服試驗(yàn)機(jī)，對微波照射后花崗巖試件按照一定加載速率將其加載至破壞，測得應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，并繪制出相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，如圖4所示。

(a) 照射時間100 s

由圖4可知：在2.0 kW微波照射功率下，照射時間為100 s時軸向應(yīng)力最大。這主要是因?yàn)榛◢弾r內(nèi)部礦物成分不同，不同礦物成分的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致熱膨脹不均勻而產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，但由于膨脹應(yīng)力未達(dá)到破壞巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度極限，反而使得試件內(nèi)部原有裂紋裂隙逐漸閉合，因此試件密實(shí)程度有所提高，軸向應(yīng)力達(dá)到最大。當(dāng)照射時間為180 s、微波照射功率為2.0 kW時，軸向應(yīng)變最小。分析其原因?yàn)樵嚰?jīng)微波照射后內(nèi)部裂隙、空洞受熱閉合，且在外部荷載的壓迫下，試件內(nèi)部裂紋裂隙進(jìn)一步閉合，從而使得軸向應(yīng)變達(dá)到最小。當(dāng)微波照射功率大于3.3 kW時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生較大變化，軸向應(yīng)力迅速降低，軸向應(yīng)變逐漸增大。這是由于花崗巖試件內(nèi)部礦物成分吸波產(chǎn)生熱膨脹應(yīng)力，且熱膨脹應(yīng)力超過巖石的強(qiáng)度極限，就會導(dǎo)致新的微裂隙產(chǎn)生，隨著照射時間及微波照射功率的增大，新產(chǎn)生的微裂隙與試件原有裂隙擴(kuò)展、貫通，從而使得軸向應(yīng)力降低，軸向應(yīng)變變大。從另一角度對應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體進(jìn)行論述，由熱力學(xué)定律可知，能量轉(zhuǎn)化是物質(zhì)物理變化過程的本質(zhì)現(xiàn)象,物質(zhì)破壞是能量驅(qū)動下的一種失穩(wěn)現(xiàn)象[18]。隨著微波照射功率的增大，花崗巖試件不斷吸收能量，能量的增大導(dǎo)致試件內(nèi)部溫度的升高，溫度的升高引起花崗巖內(nèi)部礦物晶體成分的熱運(yùn)動加劇，從而使得礦物成分之間的聯(lián)結(jié)力減弱，導(dǎo)致試件更容易發(fā)生破壞，強(qiáng)度降低。如圖4所示，微波照射后標(biāo)準(zhǔn)花崗巖試件從加載至破壞可分為4個階段。

裂紋裂隙壓密階段。這一階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上凹趨勢?；◢弾r試件經(jīng)微波照射后體積略微增大，且在荷載的作用下，試件內(nèi)部裂紋裂隙受壓密實(shí)，從而導(dǎo)致試件體積呈略微變小的趨勢。此時應(yīng)力增長較為緩慢，應(yīng)變快速增加也反映了試件被壓縮的過程。

線彈性階段。這一階段曲線呈斜直線型上升趨勢，應(yīng)力-應(yīng)變成比例關(guān)系。且隨著微波照射功率的不斷增大，各試件彈性階段斜率逐漸變小，軸向應(yīng)力增幅較快，此時應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系。

屈服破壞階段。在線彈性階段末端應(yīng)力達(dá)到峰值后進(jìn)入屈服破壞階段。隨著試件所受荷載的不斷增大，試件發(fā)生較大變形。之前已經(jīng)閉合的微裂隙逐漸張開并擴(kuò)展且伴隨有新裂紋的產(chǎn)生和發(fā)育，新老裂紋相互貫通、擴(kuò)展并伴隨著巖石試件體積擴(kuò)容。此時應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而快速下降，直到試件完全破壞。單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)圖如圖5所示。

圖5 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)圖

強(qiáng)度殘余階段。這一階段巖石受荷載壓迫破碎，但是由于巖石試件本身結(jié)構(gòu)性的作用，致使試件殘存一定的承載能力，且隨著破壞后巖石試件強(qiáng)度逐漸達(dá)到殘余強(qiáng)度，巖石強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

2.2.2 不同照射參數(shù)下峰值應(yīng)力-峰值應(yīng)變曲線變化規(guī)律分析

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變變化關(guān)系圖，將不同照射參數(shù)下峰值應(yīng)力-峰值應(yīng)變進(jìn)行擬合，變化關(guān)系圖如圖6所示。

(a) 照射時間100 s

由圖6可知：在一定微波照射時間下，散點(diǎn)擬合峰值應(yīng)變曲線整體呈上升趨勢，即隨著微波照射功率的增大，峰值應(yīng)變也隨之升高。當(dāng)微波照射功率小于2.0 kW時，峰值應(yīng)變隨微波照射功率的增大呈略微降低趨勢，且在功率為2.0 kW時達(dá)到最小。說明在較低微波功率照射下，巖石內(nèi)部礦物成分受熱產(chǎn)生膨脹應(yīng)力使試件原生裂隙閉合，進(jìn)一步驗(yàn)證了前文分析的結(jié)論。

在一定微波照射時間下，峰值應(yīng)力隨微波照射功率的增加，整體呈明顯下降趨勢。當(dāng)照射時間為100 s、微波照射功率為2.0 kW時，峰值應(yīng)力突然增大。當(dāng)微波照射功率為5.3 kW、照射時間分別為100 s和180 s時，峰值應(yīng)力均值由無微波照射下156.26 MPa分別衰減至106.95 MPa和99.24 MPa，降幅分別為31.56%和36.49%；當(dāng)微波照射功率為6.0 kW、照射時間分別為100 s和180 s時，峰值應(yīng)力降到最低，其峰值應(yīng)力均值由無微波照射下的156.26 MPa分別衰減至85.27 MPa和77.84 MPa，降幅分別為45.43%和50.19%。雖然峰值應(yīng)力整體表現(xiàn)為下降趨勢，但在3.3 kW微波照射功率之前，峰值應(yīng)力隨功率增大下降幅度并不明顯；當(dāng)微波照射功率大于3.3 kW時，峰值應(yīng)力隨功率增大迅速下降。說明在一定照射參數(shù)下，微波對花崗巖的作用并不明顯，但隨著微波照射功率及照射時間增大，微波照射會顯著降低花崗巖的抗壓強(qiáng)度。

為描述微波照射花崗巖冷卻至室溫后強(qiáng)度損傷程度，引入文獻(xiàn)[19]中基于峰值應(yīng)力的損傷變量來定義微波照射前后花崗巖的損傷程度。損傷變量可表示為：

(2)

其中：Dσ(w)為w功率照射冷卻至室溫后基于峰值應(yīng)力的損傷變量；σ(w)為w功率照射冷卻至室溫后試件峰值應(yīng)力，MPa；σ(0)為無微波照射下試件峰值應(yīng)力，MPa。

根據(jù)式(2)計算得出基于峰值應(yīng)力的損傷變量。為便于分析，繪制基于峰值應(yīng)力的損傷變量與微波功率的關(guān)系曲線圖，如圖7所示。

圖7 基于峰值應(yīng)力的損傷變量與微波照射功率的關(guān)系曲線圖

由圖7可知：照射時間為100 s時，基于峰值應(yīng)力的損傷變量曲線走勢為先減后增，而在微波照射功率為2.0 kW時基于峰值應(yīng)力的損傷變量為-0.103。這是因?yàn)樵谳^低微波照射功率及較短照射時間下，巖石內(nèi)部膨脹系數(shù)相對較小的礦物成分受熱膨脹，填充并壓縮其內(nèi)部微孔隙，使得巖石強(qiáng)度與無微波照射的巖石強(qiáng)度相比略顯增長，巖石更為致密；照射時間為180 s時，基于峰值應(yīng)力的損傷變量曲線整體趨勢呈現(xiàn)單調(diào)遞增狀態(tài)，而在微波照射功率為2.0 kW時基于峰值應(yīng)力的損傷變量為0.018 2，與無微波照射時的沒有損傷試件相比，已為受損狀態(tài)，只是試件受損程度相對較小。而在微波照射功率為2.0 kW時，花崗巖試件由照射時間為100 s的無損狀態(tài)變?yōu)檎丈鋾r間為180 s的受損狀態(tài)，進(jìn)一步說明照射時間對巖石強(qiáng)度損傷的影響。

2.2.3 微波照射后花崗巖彈性模量變化規(guī)律分析

圖8為彈性模量及EW/E0(EW/E0定義為任意照射功率下的彈性模量(EW)與無微波照射下彈性模量(E0)的比值)與不同照射參數(shù)的關(guān)系。

(a) 照射時間100 s

由圖8a可知：隨著照射功率的增大，彈性模量呈下降趨勢，花崗巖彈性模量從無微波照射下的50.57 GPa降為照射功率為6.0 kW的28.93 GPa，降幅達(dá)42.79%。在照射時間為180 s時(見圖8b)，花崗巖彈性模量由無微波照射下的51.36 GPa降為照射功率為6.0 kW的19.91 GPa，降幅達(dá)61.23%。由EW/E0可知：照射時間為100 s且照射功率為6.0 kW的彈性模量僅為無微波照射時的0.52倍；照射時間為180 s且照射功率為6.0 kW的彈性模量僅為無微波照射時的0.35倍，說明在不同照射時間下微波照射功率對彈性模量影響顯著且成反比。

為描述微波照射花崗巖冷卻至室溫后強(qiáng)度損傷程度，引入文獻(xiàn)[19]中基于材料彈性模量的損傷變量來定義花崗巖冷卻至室溫后的強(qiáng)度損傷程度。損傷變量計算公式為：

(3)

其中：DE(w)為w功率照射冷卻至室溫后基于彈性模量的損傷變量；E(w)為w功率照射冷卻至室溫后試件彈性模量，GPa；E(0)為無微波照射下試件彈性模量,GPa。

根據(jù)式(3)計算得出基于彈性模量的損傷變量。為便于分析，繪制基于彈性模量的損傷變量與微波功率的關(guān)系曲線圖，如圖9所示。

圖9 基于彈性模量的損傷變量與微波照射功率的關(guān)系曲線圖

由圖9可知：在不同微波照射時間下，基于彈性模量的損傷變量隨照射功率的增大整體呈單調(diào)遞增趨勢，2.0 kW之后顯著增大。根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知：3.3 kW之前，花崗巖試件受熱產(chǎn)生膨脹應(yīng)力使試件內(nèi)部原有微裂隙閉合，巖石抗壓強(qiáng)度增大，因此在較低功率照射下巖石強(qiáng)度損傷程度并不明顯。3.3 kW之后，隨微波照射功率的增大，微波照射下產(chǎn)生的熱對巖石強(qiáng)度劣化起主要作用，基于彈性模量的損傷變量隨微波照射功率的增大而明顯增大，宏觀表現(xiàn)為花崗巖試件表面形成大量裂紋，并交叉貫通形成斷裂面。微波照射后花崗巖單軸壓縮破壞圖如圖10所示。

(a) 4 kW,100 s

2.2.4 基于不同物理力學(xué)參數(shù)的損傷變量對比分析

為對比不同微波照射參數(shù)下基于不同物理力學(xué)參數(shù)的損傷變量，將不同縱波波速、峰值應(yīng)力、彈性模量的損傷變量繪圖，如圖11所示。

由圖11可知：在相同微波照射時間、不同照射功率下，基于彈性模量的損傷變量與基于峰值應(yīng)力的損傷變量曲線變化規(guī)律整體較為相似，因而能夠較好地反映微波照射前后花崗巖強(qiáng)度損傷的程度。而基于縱波波速的損傷變量明顯大于基于基本力學(xué)參數(shù)的損傷變量，若通過縱波波速來反映微波照射后花崗巖基本力學(xué)性質(zhì)的變化，在一定程度上會產(chǎn)生較大的偏差。這是由于巖石本身屬于非均質(zhì)材料，而縱波波速與巖石自身的密實(shí)程度和連續(xù)程度有關(guān)，基于彈性力學(xué)的縱波波速的損傷變量忽略了溫度對巖石密度及泊松比的影響，從而致使其不能準(zhǔn)確反映巖石的損傷程度[20-24]。

(a) 照射時間100 s

3 結(jié)論

(1)一定范圍的微波照射雖然能使花崗巖試件受損，但損傷程度并不明顯。隨著微波照射參數(shù)的增大，縱波波速的衰減幅度增大，基于縱波波速的損傷變量隨之增大，花崗巖試件的損傷程度也越為明顯。

(2)花崗巖試件在不同微波照射參數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致經(jīng)歷了4個階段,且在微波照射功率大于3.3 kW時曲線形態(tài)發(fā)生較大變化。隨著照射功率的增大，試件的延性變化并不明顯，表現(xiàn)為峰后花崗巖應(yīng)力迅速減小，而應(yīng)變變化卻很小。

(3)在不同微波照射功率下，花崗巖試件峰值應(yīng)力隨微波照射功率增大整體呈下降趨勢，而相對應(yīng)的花崗巖試件峰值應(yīng)變隨微波照射功率的增大而增大。

(4)不同照射時間下，微波照射功率對花崗巖試件彈性模量影響顯著且成反比。在照射功率3.3 kW之前，基于彈性模量的損傷變量增幅不大，宏觀表現(xiàn)為巖石受損程度并不明顯。在照射功率3.3 kW之后，微波照射所產(chǎn)生的熱對試件強(qiáng)度劣化起主要作用，基于彈性模量的損傷變量隨微波照射功率的增大而明顯增大。

(5)在相同照射參數(shù)下，基于彈性模量的損傷變量與基于花崗巖峰值應(yīng)力的損傷變量變化規(guī)律較為相似，因而能夠較好地反映巖石強(qiáng)度損傷程度；而基于縱波波速的損傷變量由于忽略了巖石密度以及泊松比的影響，從而會使結(jié)果與實(shí)際單軸壓縮狀態(tài)下所得到的結(jié)果有較大的偏差。