微波照射后花崗巖動(dòng)力響應(yīng)及破碎特征

朱清耀，戴 俊，贠菲菲,2，翟惠慧，張 敏，馮立人

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710043；3.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

硬質(zhì)巖石破碎是困擾礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)、隧道掘進(jìn)等工程的主要問(wèn)題之一。在保證圍巖穩(wěn)定性的前提下，高效率、低成本地破碎巖體是當(dāng)前亟待解決的難題之一。傳統(tǒng)的巖體破碎方式主要以爆破法和機(jī)械開(kāi)挖法為主，爆破法存在著原巖擾動(dòng)大、粉塵多和噪音大等特點(diǎn)，而機(jī)械開(kāi)挖法在巖體破碎過(guò)程中具有成本高、機(jī)械刀頭磨損嚴(yán)重和在多山地丘陵地區(qū)移動(dòng)困難等特點(diǎn)。因此，尋求一種高效、經(jīng)濟(jì)的破巖方式是各類(lèi)工程追求的目標(biāo)[1-4]。

相關(guān)文獻(xiàn)[5-9]表明，溫度能使巖石內(nèi)部礦物成分發(fā)生化學(xué)變化，從而對(duì)巖石強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度的影響。隨著科學(xué)技術(shù)的更新迭代，微波加熱技術(shù)因具有整體性加熱、選擇性加熱和節(jié)能高效等特點(diǎn)，在選礦業(yè)、混凝土粗骨料剔選和微波輔助機(jī)械破巖等方面得到廣泛研究[10-12]。HARTLIEB P[13-14]等通過(guò)測(cè)試縱波波速、測(cè)量溫度等方法分析了微波加熱后花崗巖等巖石的損傷變化，得出礦物成分對(duì)巖石的熱物理學(xué)性質(zhì)有重要影響的結(jié)論；HASSANI F[15-16]等采用工業(yè)微波爐對(duì)不同地區(qū)花崗巖和蘇長(zhǎng)巖進(jìn)行微波照射試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：隨著微波功率的升高，試件抗壓及抗拉強(qiáng)度均降低，高功率下甚至出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象；劉志義[17]等將微波加熱裝置與霍普金森壓桿相結(jié)合，分析了磁鐵礦石宏觀(guān)力學(xué)性質(zhì)和微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征，研究結(jié)果表明：微波加熱磁鐵礦石主要經(jīng)歷拉伸破壞和拉伸剪切破壞2個(gè)階段；喬蘭[18]等分析了巖石圍壓和加熱路徑對(duì)花崗巖強(qiáng)度影響的優(yōu)先級(jí)順序，提出了“水壓致裂+微波照射”的組合方式來(lái)破壞深部巖石的新思路；戴俊[19-22]等對(duì)微波照射后的不同種類(lèi)巖石進(jìn)行基礎(chǔ)力學(xué)試驗(yàn)，分析了微波照射對(duì)巖石強(qiáng)度的影響因素，研究結(jié)果表明：巖石類(lèi)型、內(nèi)部礦物成分、粒徑尺寸和冷卻方式等均會(huì)影響微波照射后巖石的損傷程度；盧高明[23]等采用3種方式對(duì)不同形狀的巖石進(jìn)行微波加熱，得出了低功率長(zhǎng)時(shí)間照射試件熔融，而高功率短時(shí)間照射試件發(fā)生崩解但并未熔融的結(jié)論；戴俊[24]等通過(guò)鋼筋拉拔試驗(yàn)，分析了微波加熱對(duì)鋼筋與混凝土界面黏結(jié)的影響程度，得出了較高功率下鋼筋混凝土由拉拔劈裂轉(zhuǎn)變?yōu)槔位频慕Y(jié)論。

在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中，巖石所受荷載以動(dòng)荷載為主，但目前關(guān)于微波輔助機(jī)械破巖領(lǐng)域的研究多側(cè)重于靜載力學(xué)方面，而關(guān)于微波照射引起巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)變化的研究較少。已有研究[25]表明，在動(dòng)荷載沖擊作用下，由于其作用時(shí)間較短，致使能量和強(qiáng)度變化與靜載情況下有較大區(qū)別。因此，采用靜載代替動(dòng)載研究載荷作用下巖石強(qiáng)度變化規(guī)律是不準(zhǔn)確的?；诖?，筆者以花崗巖為研究對(duì)象，采用霍普金森壓桿(SHPB)與微波照射相結(jié)合的方法，并輔以高速攝影，探究不同含水狀態(tài)下花崗巖動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)及破碎特征，揭示微波對(duì)花崗巖強(qiáng)度弱化的作用機(jī)制，為后續(xù)研究提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制備

參考現(xiàn)有研究成果[26]，試驗(yàn)選取具有較好吸波性質(zhì)的湖北麻山花崗巖為主要研究對(duì)象。其外觀(guān)顏色黑白相間，晶簇形態(tài)明顯，質(zhì)地堅(jiān)硬致密，具有較高強(qiáng)度，主要礦物成分為石英、角閃石、黑云母等。通過(guò)取芯機(jī)鉆取巖芯后利用雙端面磨石機(jī)對(duì)其打磨平整，制得高徑比為1∶1的φ50 mm×50 mm試件，共計(jì)150個(gè)。采用真空加壓飽水裝置和干燥裝置分別對(duì)試件進(jìn)行飽水、干燥處理，并測(cè)得其基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 花崗巖基本物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic physical and mechanical parameters of granite

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

微波試驗(yàn)裝置選用型號(hào)為ORW10SY-3T大功率工業(yè)微波爐，輸出頻率為2.45 GHz，最大輸出功率為10 kW；微波照射前后試件縱波波速變化均采用NM-4B非金屬超聲波分析儀進(jìn)行測(cè)試；采用YES-2000電液伺服試驗(yàn)機(jī)測(cè)試單軸抗壓強(qiáng)度，根據(jù)預(yù)壓試驗(yàn)結(jié)果，將加載速率控制在0.3 kN/s；巖石動(dòng)態(tài)沖擊力學(xué)試驗(yàn)采用西安科技大學(xué)巖土力學(xué)試驗(yàn)室φ50 mm分離式霍普金森壓桿，如圖1所示。試驗(yàn)中采用Photron公司的FASTCAM Mini UX100型高速攝影機(jī)(最大分辨率為1280×1240，攝像頻率為4000幀/s)對(duì)巖石全破壞過(guò)程進(jìn)行采集。

圖1 分離式霍普金森壓桿裝置Fig.1 Split Hopkinson pressure bar device

1.3 試驗(yàn)方案

在前人[23-24]試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)若干花崗巖試件進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試件在微波照射功率為6 kW、照射時(shí)間為6 min時(shí)熔融崩解，并導(dǎo)致其強(qiáng)度喪失無(wú)法進(jìn)行后續(xù)力學(xué)性能試驗(yàn)，如圖2所示。因此，將微波照射功率設(shè)定為0(未照射)，1.3，2.6，4.0，5.3 kW，照射時(shí)間為3 min，飽水試件和干燥試件均為25組，每組3個(gè)。

圖2 試件熔融崩解Fig.2 Melting disintegration of specimen

靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)采用YES-2000電液伺服試驗(yàn)機(jī)，加載速率為0.3 kN/s，分別對(duì)10組不同含水狀態(tài)的花崗巖試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。根據(jù)試沖結(jié)果并結(jié)合不同微波照射參數(shù)將巖石動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)的沖擊氣壓設(shè)為0.10，0.15，0.20，0.25 MPa進(jìn)行加載，通過(guò)激光測(cè)速儀測(cè)得相應(yīng)彈速約為6.5，8.8，11.5，13.8 m/s，利用二波法得到相應(yīng)花崗巖試件的應(yīng)變率。為了獲得可靠穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，動(dòng)態(tài)沖擊壓縮試驗(yàn)采用波形整形技術(shù)改善波形，通過(guò)凡士林將紫銅片濾波器與入射桿端部耦合，以消除波形間的高頻震蕩，減少?gòu)浬⑿?yīng)的發(fā)生，從而使花崗巖試件破壞前的應(yīng)力波得以在試件內(nèi)部反射3個(gè)來(lái)回，以達(dá)到試件內(nèi)部應(yīng)力均勻的要求。

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證其是否滿(mǎn)足應(yīng)力平衡所必須具備的2個(gè)條件：① 試件左右兩端接觸面的質(zhì)點(diǎn)速度、位移連續(xù)；② 試件左右兩端的入射桿內(nèi)力等于透射桿。圖3(a)為所測(cè)試件的原始波形，由于應(yīng)變片分別粘貼在入射桿和透射桿上，子彈沖擊過(guò)程中兩處應(yīng)變片接收信號(hào)時(shí)存在時(shí)差，因此需要對(duì)齊入射波、反射波和透射波的波頭；圖3(b)為試件兩側(cè)應(yīng)力平衡的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)齊波頭后入射波與反射波之和與透射波幾近重合，試件左右兩側(cè)受力相等，滿(mǎn)足應(yīng)力平衡條件。

圖3 典型沖擊加載波形Fig.3 Typical impact loading waveform

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 巖石縱波波速變化

參考文獻(xiàn)[27]，將未經(jīng)微波加熱處理的花崗巖縱波波速作為初始波速V0，將任意微波功率照射后的花崗巖縱波波速Vw與其作比值進(jìn)行歸一化處理，得到花崗巖縱波波速變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 微波照射后巖石縱波波速變化曲線(xiàn)Fig.4 Longitudinal wave velocity curves of rock after microwave irradiation

由圖4可知，經(jīng)微波照射后的干燥和飽水花崗巖試件縱波波速均隨微波照射功率增大而降低，且干燥和飽水花崗巖平均縱波波速歸一值隨微波照射功率的增大呈相同的趨勢(shì)。當(dāng)微波照射功率不同時(shí)，干燥試件和飽水試件的縱波波速相較于未照射時(shí)的縱波波速均有衰減，干燥試件衰減了10.4%，15.8%，32.2%，41.4%，飽水試件衰減了21.3%，25.4%，41.8%，50.8%。因此，說(shuō)明微波輻射使得花崗巖強(qiáng)度降低，且花崗巖內(nèi)部的結(jié)構(gòu)水分加劇了巖石的損傷劣化。當(dāng)微波照射功率小于1.3 kW時(shí)，飽水試件的縱波波速顯著大于干燥試件的縱波波速，這是由于飽水花崗巖試件內(nèi)部本身含有少量結(jié)晶水，超聲波縱波在水中的傳播速度遠(yuǎn)大于在空氣中傳播的速度，從而使得飽水試件的縱波波速遠(yuǎn)大于干燥試件的縱波波速。試件表面溫度變化情況見(jiàn)表2，當(dāng)微波照射功率大于1.3 kW而小于等于2.6 kW時(shí)，試件表面溫度最高可達(dá)209℃，此時(shí)飽水試件的縱波波速略小于干燥試件，推測(cè)是由于在較低微波功率作用下，巖石內(nèi)部部分礦物成分吸波產(chǎn)生膨脹應(yīng)力而內(nèi)部結(jié)構(gòu)水受熱產(chǎn)生蒸汽壓力，導(dǎo)致巖石試件內(nèi)部部分微孔隙產(chǎn)生閉合的同時(shí)水蒸氣更難逸出，從而使巖石內(nèi)部先前部分閉合的微孔隙重新張開(kāi)，間接表明了飽水試件的縱波波速略小于干燥試件的原因。當(dāng)微波照射功率大于2.6 kW時(shí)，飽水花崗巖試件內(nèi)部礦物成分迅速吸波膨脹，新裂紋產(chǎn)生的同時(shí)伴隨著新舊裂紋的貫通擴(kuò)展，此時(shí)試件內(nèi)部的結(jié)晶水迅速蒸發(fā)逸出，且在試件內(nèi)部停留的時(shí)間極短，使得飽水試件的縱波波速與干燥試件的相差不大。

表2 不同微波參數(shù)下花崗巖表面溫度Table 2 Granite surface temperature under different microwave parameters

2.2 靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)單軸電液伺服機(jī)對(duì)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(cè)得其抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，同時(shí)引入文獻(xiàn)[22]中基于抗壓強(qiáng)度的損傷變量理論，經(jīng)計(jì)算將所得結(jié)果與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度統(tǒng)一繪制成圖，如圖5所示。

由圖5可知，經(jīng)微波照射處理的花崗巖試件的抗壓強(qiáng)度較未照射的均有所降低。未照射處理的花崗巖試件的抗壓強(qiáng)度約為165 MPa，干燥花崗巖試件在1.3，2.6，4.0，5.3 kW微波照射功率下，抗壓強(qiáng)度分別下降了8.5%，18.4%，44.8%和59.6%；飽水花崗巖試件在相同的微波照射功率下，抗壓強(qiáng)度分別下降了9.3%，21.9%，41.5%和58.9%，抗壓強(qiáng)度隨微波照射功率的增加而下降。對(duì)比圖5中0～2.6 kW微 波照射功率范圍內(nèi)不同含水狀態(tài)花崗巖試件抗壓強(qiáng)度變化情況，發(fā)現(xiàn)飽水花崗巖試件的抗壓強(qiáng)度略低于干燥花崗巖試件，推測(cè)是由于在較低微波照射功率下，花崗巖試件內(nèi)部部分礦物成分受熱膨脹填充了試件本身固有的部分微孔隙；但花崗巖試件本身屬于致密性巖石，飽水試件內(nèi)部的結(jié)晶水受熱揮發(fā)難以逸出，促使經(jīng)由部分礦物成分膨脹閉合的微孔洞重新打開(kāi)，所以宏觀(guān)表現(xiàn)為飽水花崗巖試件的強(qiáng)度較干燥花崗巖試件的略低；而當(dāng)微波照射功率大于2.6 kW時(shí)，飽水花崗巖試件的抗壓強(qiáng)度與干燥花崗巖試件的相近，這是由于在較高微波功率照射下，花崗巖試件內(nèi)部礦物成分迅速受熱膨脹，試件內(nèi)部大量微孔洞、微裂隙產(chǎn)生，新舊裂紋貫通擴(kuò)展，導(dǎo)致水蒸氣在試件內(nèi)部停留時(shí)間極短，從而宏觀(guān)表現(xiàn)為飽水花崗巖試件與干燥花崗巖試件的抗壓強(qiáng)度相差不大[29-31]。

圖5 不同含水狀態(tài)花崗巖試件單軸抗壓強(qiáng)度及 損傷結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of uniaxial compressive strength and damage results of granite in different water bearing states

2.3 微波照射試驗(yàn)?zāi)芰哭D(zhuǎn)換規(guī)律

電介質(zhì)吸收微波電磁能后使得自身溫度提高，根據(jù)熱力學(xué)定律，引入文獻(xiàn)[28]中關(guān)于電介質(zhì)溫度上升至指定溫度所需吸收的能量表達(dá)式為

式中，PC為電介質(zhì)比熱容，J/(kg·℃)；ρ為電介質(zhì)密度，kg/m3，ρ＝M/V；M為電介質(zhì)質(zhì)量，kg；V為電介質(zhì)體積，m3；TΔ 為電介質(zhì)溫度增量，℃；tΔ為電介質(zhì)產(chǎn)生溫度增量所對(duì)應(yīng)的時(shí)間增量，s。

將式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換可得：

巖石試件的體積不考慮尺寸效應(yīng)，按標(biāo)準(zhǔn)試件的尺寸進(jìn)行計(jì)算。

微波反應(yīng)腔內(nèi)的電磁能絕大部分用于加熱物料，但同時(shí)有部分能量發(fā)生損耗。因此，微波能量轉(zhuǎn)換關(guān)系式為

式中，WS為微波輸入總能量，J；XW為被巖石試件吸收并轉(zhuǎn)化為自身熱能，J；LW為損耗的微波能量，J；P為所用微波功率，W；η為微波能量轉(zhuǎn)換率，%。

根據(jù)微波照射前后試件表面升溫情況，利用式(3)～(6)計(jì)算不同微波功率照射參數(shù)條件下吸收能和微波能量轉(zhuǎn)換率，并繪制成圖，如圖6所示。

圖6 不同微波功率照射下試件吸收能和微波能量轉(zhuǎn)換率Fig.6 Variation law of the absorption energy and energy conversion rate of the specimen under different microwave irradiation power

由圖6可知，不同微波功率照射下，花崗巖試件吸收的能量不同，對(duì)應(yīng)的微波能量轉(zhuǎn)換率也不同。飽水花崗巖試件能量轉(zhuǎn)換率略高于干燥花崗巖，這是由于飽水花崗巖試件內(nèi)部存在一定的結(jié)晶水，而水的介電特性高于巖石礦物成分，因此飽水花崗巖試件吸收的能量略多于干燥花崗巖。另外，各照射參數(shù)下的微波能量轉(zhuǎn)換率整體較低，這是由巖石本身的物理性質(zhì)和內(nèi)部礦物成分含量決定的。當(dāng)微波照射功率為4.0 kW時(shí)，能量轉(zhuǎn)換率基本不發(fā)生改變；當(dāng)微波照射功率為5.3 kW時(shí)，能量轉(zhuǎn)換率有所增加，這是由于花崗巖試件的溫度隨著微波照射功率的增大而提高，試件比熱容大小隨之提高，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換率有所提高，但增幅并不顯著。結(jié)合前述關(guān)于微波照射后巖石損傷變量變化規(guī)律分析，當(dāng)巖石吸收能增加時(shí)，巖石的損傷程度也隨之增加，即：1.3 kW照射時(shí)飽水花崗巖吸收能量為37.90 kJ，損傷變量為0.093；4.0 kW照射時(shí)飽水花崗巖吸收能量為135.02 kJ，損傷變量為0.415。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)在4.0 kW功率下，損傷變量增幅最大，同時(shí)微波能量 轉(zhuǎn)換率增大，因此采用4.0 kW功率照射時(shí)能效最好。

2.4 動(dòng)態(tài)單軸沖擊壓縮試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 應(yīng)變-時(shí)間曲線(xiàn)分析

由于加熱試驗(yàn)設(shè)置的微波功率為0～5.3 kW，每種功率又相應(yīng)施加4種不同沖擊氣壓，為保證試驗(yàn)所獲得的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的準(zhǔn)確性，需要驗(yàn)證花崗巖試件的沖擊過(guò)程是否在近似恒應(yīng)變率下進(jìn)行。限于文章篇幅，僅對(duì)微波功率為1.3 kW時(shí)的4種不同沖擊氣壓所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變-時(shí)間曲線(xiàn)(圖7)展開(kāi)討論。

圖7 不同沖擊氣壓下應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系Fig.7 Strain-time relationship under different impact pressures

由圖7可知，在0.10 MPa沖擊氣壓下，加載時(shí)間為50 μs時(shí)應(yīng)變基本為0，0～50 μs時(shí)應(yīng)變平均變化率為0；150 μs時(shí)應(yīng)變?yōu)?.0095，50～150 μs時(shí)應(yīng)變平均變化率為95.00 s-1；180 μs時(shí)應(yīng)變?yōu)?.010，150～180 μs時(shí)應(yīng)變平均變化率為16.66 s-1；180 μs以后應(yīng)變開(kāi)始降低。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在0.10 MPa沖擊氣壓加載時(shí)間為0～50 μs時(shí)，應(yīng)變變化緩慢；50～150 μs時(shí)應(yīng)變快速增大；150～180 μs時(shí)應(yīng)變緩慢增加；180 μs以后應(yīng)變降低。

0.15，0.20，0.25 MPa沖擊氣壓下應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)變化趨勢(shì)與0.10 MPa的相似，曲線(xiàn)變化趨勢(shì)分為4個(gè)階段：加載初始階段應(yīng)變緩慢增加，部分曲線(xiàn)有下凹趨勢(shì)，此時(shí)曲線(xiàn)斜率在小范圍內(nèi)變化；加載中期應(yīng)變快速增加，但曲線(xiàn)斜率變化較小，近似呈直線(xiàn)變化，即試件處于應(yīng)變均勻變化的狀態(tài)，此過(guò)程所用時(shí)間較長(zhǎng)，因此，可以認(rèn)為是在近似恒應(yīng)變率下進(jìn)行的沖擊壓縮試驗(yàn)；加載中后期應(yīng)變緩慢增加，此時(shí)試件已經(jīng)破壞，但由于巖石試件在破壞后仍與入射桿接觸，會(huì)產(chǎn)生一定變形，因此應(yīng)變繼續(xù)增大，但增加的速度已顯著減慢；加載后期應(yīng)變緩慢降低，此時(shí)試件破壞嚴(yán)重。

2.4.2 巖石動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)變化規(guī)律

為了直觀(guān)地表示沖擊氣壓對(duì)花崗巖試件動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，將同一功率微波處理后的花崗巖試件在4種沖擊氣壓沖擊作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)置于同一坐標(biāo)系，如圖8所示。

圖8 不同沖擊氣壓下花崗巖試件動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.8 Dynamic stress-strain curves of granite specimen under different impact pressure

由圖8可知，在不同沖擊氣壓下，花崗巖加載初期不同參數(shù)變化曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)較為相近，初始 彈性模量基本不變，即初始彈性模量并未隨著沖擊氣壓的增加而變化，這一階段的曲線(xiàn)斜率基本保 持不變，巖石具有較好的線(xiàn)彈性變形特征。在加 載試驗(yàn)的中后期曲線(xiàn)斜率不斷減小，此時(shí)試樣已從彈性階段進(jìn)入屈服階段，內(nèi)部微裂紋不斷拓展，同時(shí)伴隨著新裂紋的不斷產(chǎn)生，試樣產(chǎn)生了塑性 應(yīng)變。隨著裂隙的增多，應(yīng)變不斷增加，當(dāng)巖石 達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，試件喪失承載力，強(qiáng)度不再增加。

微波照射功率為0～5.3 kW時(shí)花崗巖試件動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨著沖擊氣壓的增強(qiáng)逐漸增大。其中，1.3 kW微波功率照射下，0.10 MPa時(shí)的峰值應(yīng)力為78.41 MPa，相當(dāng)于0.15 MPa峰值應(yīng)力的84.11%；0.15 MPa時(shí)的峰值應(yīng)力為93.22 MPa，相當(dāng)于0.20 MPa峰值應(yīng)力的75.76%；0.20 MPa時(shí)的峰值應(yīng)力為123.05 MPa，相當(dāng)于0.25 MPa峰值應(yīng)力的83.67%。4.0 kW微波功率照射下，0.10 MPa時(shí)的峰值應(yīng)力為62.20 MPa，相當(dāng)于0.15 MPa峰值應(yīng)力的85.37%；0.15 MPa時(shí)的峰值應(yīng)力為72.86 MPa，相當(dāng)于0.20 MPa峰值應(yīng)力的88.34%；0.20 MPa時(shí)的峰值應(yīng)力為82.48 MPa，相當(dāng)于0.25 MPa峰值應(yīng)力的90.50%。由以上分析可知，在不同微波照射參數(shù)下，沖擊氣壓等級(jí)每提高0.05 MPa時(shí)，巖石峰值應(yīng)力將提高10%～20%，提高幅度與巖石受損情況相關(guān)。

將0～5.3 kW范圍內(nèi)5種微波照射功率處理后的花崗巖試件在同一沖擊氣壓作用下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)繪制成圖，如圖9所示。

圖9 不同微波功率照射下花崗巖試件動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.9 Dynamic stress-strain curves of granite specimens under different microwave irradiation powers

由圖9可知，花崗巖試件的峰值應(yīng)力隨著微波功率的升高整體呈下降趨勢(shì)。當(dāng)沖擊氣壓為0.10 MPa時(shí)，微波照射功率1.3，2.6，4.0，5.3 kW的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力較無(wú)微波照射下的分別衰減了4.39，4.41，20.60，24.48 MPa，降幅分別為5.30%，5.32%，24.80%，29.50%；當(dāng)沖擊氣壓為0.20 MPa時(shí)，花崗巖試件峰值應(yīng)力隨著微波功率的提高分別下降了2.51%，8.25%，34.70%和39.60%，微波功率為1.3，2.6 kW照射下的花崗巖試件動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力下降并不顯著，此時(shí)微波弱化效果較差，而在微波功率增至4.0 kW后，花崗巖試件峰值應(yīng)力下降顯著。在靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)中，靜態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著微波功率的升高折減程度顯著，且其折減程度遠(yuǎn)高于花崗巖試件動(dòng)態(tài)折減程度。推測(cè)是由于當(dāng)微波功率低于2.6 kW時(shí)，巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變化較小，不足以引起較為顯著的變化，導(dǎo)致其強(qiáng)度折減效果不佳。而當(dāng)照射功率增加至4.0 kW后，動(dòng)、靜態(tài)抗壓強(qiáng)度均折減顯著，說(shuō)明當(dāng)微波照射功率大于一定界限時(shí)，花崗巖試件強(qiáng)度損傷顯著。

2.4.3 干燥花崗巖動(dòng)力特性參數(shù)變化規(guī)律

根據(jù)不同沖擊氣壓下干燥花崗巖試件動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，得到不同微波功率照射下花崗巖試件動(dòng)態(tài)彈性模量、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化規(guī)律，如圖10～11所示。

圖10 花崗巖試件動(dòng)態(tài)彈性模量隨應(yīng)變率變化關(guān)系Fig.10 Dynamic elastic modulus of granite varies with strain rate

圖11 花崗巖試件抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化關(guān)系Fig.11 Compressive strength curves of granite with strain rate

由圖10可知，當(dāng)微波照射功率為2.6 kW時(shí)，在4個(gè)不同沖擊氣壓下應(yīng)變率從低到高排列為38.56，58.17，74.05，92.36 s-1(表3)，此時(shí)彈性模量對(duì)應(yīng)為38，12，17，28 GPa，可以看出隨著應(yīng)變率的提高，彈性模量并未表現(xiàn)出顯著的變化規(guī)律。推測(cè)原因?yàn)椋簭椥阅Ａ渴呛饬课矬w抵抗彈性變形能力大小的尺度，應(yīng)變率是表征材料變形速度的一種度量，應(yīng)變率與彈性模量間應(yīng)呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)巖石內(nèi)部受損出現(xiàn)裂隙，將導(dǎo)致應(yīng)變率增大，而此時(shí)試件彈性模量和峰值應(yīng)力均呈下降趨勢(shì)。因此，可以認(rèn)為應(yīng)變率變化是受沖擊氣壓和微波輻射兩者共同影響。由于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果具有一定離散性，且試件個(gè)體存在差異性，導(dǎo)致彈性模量與應(yīng)變率之間沒(méi)有明顯的規(guī)律，認(rèn)為彈性模量是一個(gè)對(duì)應(yīng)變率不敏感的參數(shù)，這與他人[32-34]研究結(jié)論一致。同時(shí)，對(duì)比圖8的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，直線(xiàn)上升段形狀比較接近，當(dāng)曲線(xiàn)斜率并未有太大差別時(shí)，彈性模量數(shù)值相近；當(dāng)個(gè)別曲線(xiàn)上升段趨勢(shì)變緩時(shí)，彈性模量數(shù)值下降。

表3 不同沖擊氣壓下對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率Table 3 Strain rates corresponding to different impact pressure

由圖11可知，在1.3 kW微波功率照射下，應(yīng)變率為40.15 s-1時(shí)，對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力為78.41 MPa；應(yīng)變率為76.18 s-1時(shí)，對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力為123.05 MPa，說(shuō)明在相同微波功率照射下，當(dāng)應(yīng)變率數(shù)值增大時(shí)，峰值應(yīng)力隨之增大。在不同微波功率下，應(yīng)變率增大時(shí)應(yīng)力峰值可能升高也可能減小。如，花崗巖在未照射下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)應(yīng)變率為87.46 s-1，應(yīng)力峰值為126.22 MPa；2.6 kW微波功率下應(yīng)變率為58.17 s-1，應(yīng)力峰值為86.93 MPa；在4.0 kW微波功率下應(yīng)變率為130.85 s-1，應(yīng)力峰值為91.60 MPa，出現(xiàn)這種情況，主要是因?yàn)閹r石受微波輻射后內(nèi)部產(chǎn)生損傷，從而影響巖石的變形過(guò)程，導(dǎo)致應(yīng)變率產(chǎn)生變化。

2.4.4 水分對(duì)花崗巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性影響

為探究水分對(duì)花崗巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的影響，參照靜載力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，選取不同微波功率照射時(shí) 的飽水及干燥花崗巖試樣進(jìn)行SHPB試驗(yàn)，沖擊氣 壓為0.20 MPa，將試驗(yàn)結(jié)果繪制成圖，如圖12所 示。

圖12 飽水與干燥花崗巖在不同微波參數(shù)下 動(dòng)態(tài)力學(xué)特性對(duì)比曲線(xiàn)Fig.12 Comparison curves of dynamic mechanical properties of saturated and dry granite under different microwave parameters

由圖12可知，在同一微波功率照射下，飽水及干燥花崗巖試件受相同沖擊氣壓作用時(shí)，不同含水狀態(tài)的花崗巖試件峰值應(yīng)力相差不大。在微波照射功率為0～2.6 kW時(shí)，干燥花崗巖試件強(qiáng)度略高于 飽水花崗巖試件；當(dāng)微波照射功率大于2.6 kW時(shí)，飽水花崗巖試件強(qiáng)度最初小于干燥花崗巖試件，但隨著微波照射功率逐漸增大至5.3 kW時(shí)，不同含水狀態(tài)下的花崗巖試件曲線(xiàn)峰值點(diǎn)相近，說(shuō)明強(qiáng)度相差并不顯著。推測(cè)其原因?yàn)楫?dāng)微波照射功率小于2.6 kW時(shí)，飽水花崗巖試件內(nèi)部吸波礦物成分生熱產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，閉合了花崗巖試件內(nèi)部原有微裂紋裂隙，加之花崗巖屬于致密性巖石，試件內(nèi)部存在一定含量的結(jié)構(gòu)水受熱蒸發(fā)卻難以迅速逸出，從而導(dǎo)致水蒸氣在其內(nèi)部停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，產(chǎn)生的蒸汽壓力使原來(lái)閉合的部分微裂紋裂隙逐漸打開(kāi)，使飽水花崗巖試件強(qiáng)度相對(duì)于干燥花崗巖試件強(qiáng)度呈略微降低的趨勢(shì)；而隨著微波功率逐漸增大甚至超過(guò)2.6 kW時(shí)，花崗巖試件內(nèi)部礦物成分迅速吸波生熱而膨脹，擠壓其相鄰礦物因子，造成微裂紋裂隙的大量萌生，加之試件內(nèi)部本身固有的缺陷、孔洞及微裂隙，使得新舊裂紋迅速擴(kuò)展、發(fā)育、融合貫通，試件內(nèi)部水蒸氣迅速逸出，造成飽水花崗巖試件強(qiáng)度與干燥花崗巖試件強(qiáng)度近似相等，這從側(cè)面說(shuō)明了當(dāng)微波照射功率小于2.6 kW時(shí)，花崗巖所受到的影響是由水和微波生熱共同造成的；當(dāng)微波照射功率大于2.6 kW時(shí)，花崗巖所受影響主要由微波生熱導(dǎo)致，水分的影響微乎其微，與前述靜載力學(xué)試驗(yàn)所得結(jié)論一致。

2.4.5 沖擊荷載作用下變形破壞特征

采用高速攝影技術(shù)對(duì)試件受荷載沖擊破壞全過(guò)程進(jìn)行攝像記錄，可直觀(guān)地反映試驗(yàn)過(guò)程中巖石受沖擊荷載變形破壞的不同階段及表征。試驗(yàn)中，高速攝影的拍攝信號(hào)與霍普金森桿操作信號(hào)同步，并通過(guò)強(qiáng)光照射增加試件的亮度，以便得到較為清晰的圖像。限于篇幅，本文僅展示部分沖擊氣壓下SHPB試驗(yàn)過(guò)程中巖石變形破壞全過(guò)程圖像，如圖13所示。

圖13 不同參數(shù)下花崗巖變形破壞過(guò)程Fig.13 Deformation and failure process of granite under different parameters

由圖13可知，隨著微波功率和沖擊氣壓的提高，試件破碎程度增大，出現(xiàn)大量細(xì)小碎塊。采集的力學(xué)信息及圖像信息清晰直觀(guān)地反映巖石在SHPB試驗(yàn)過(guò)程中物理力學(xué)性質(zhì)的變化趨勢(shì)和其對(duì)應(yīng)的破壞畫(huà)面。將巖石裂紋擴(kuò)展和破碎形態(tài)以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)變化趨勢(shì)結(jié)合分析可知，試件從裂紋出現(xiàn)至完全破壞大約需0.015 s，且整個(gè)變形過(guò)程為非彈性變形。當(dāng)試件受到單向壓縮荷載作用時(shí)，裂紋產(chǎn)生方向與壓應(yīng)力方向平行。在試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的不同階段，試件沖擊變形破壞具有不同特征。在應(yīng)力快速增長(zhǎng)階段，試件表面并無(wú)明顯裂紋萌生，壓縮變形較小，從桿件傳遞過(guò)來(lái)的能量主要以彈性能的方式積聚在試件內(nèi)部；在應(yīng)力緩慢增長(zhǎng)階段，對(duì)應(yīng)拍攝沖擊畫(huà)面上，在荷載的作用下試件側(cè)面產(chǎn)生從左到右發(fā)展的軸向微裂紋，之后迅速擴(kuò)展，隨之試件多處開(kāi)裂，當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值應(yīng)力點(diǎn)時(shí)，試件側(cè)表面出現(xiàn)多條貫穿裂紋，且其中部分貫穿裂紋與軸向應(yīng)力方向并不一致，試件破壞現(xiàn)象顯著，說(shuō)明裂紋的出現(xiàn)顯著地影響了巖石抵抗壓縮荷載的能力；在應(yīng)力跌落階段，應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)應(yīng)力反而減小，結(jié)合對(duì)應(yīng)拍攝畫(huà)面分析得出，試件的宏觀(guān)破裂面顯著增多，在其宏觀(guān)破裂面處出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)滑移，致使其承載能力開(kāi)始下降，導(dǎo)致試件的應(yīng)變?cè)黾樱瑧?yīng)力反而減小，且隨著應(yīng)變的不斷增加，試件破碎成了幾大塊和大量細(xì)小碎塊。

將沖擊荷載下花崗巖試件破壞后的碎塊進(jìn)行收集整理，選取試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比效果顯著的試件，如 圖14所示。

圖14 沖擊荷載下花崗巖試件動(dòng)態(tài)斷裂分析Fig.14 Dynamic fracture analysis of granite specimens under impact load

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，巖石破壞形態(tài)與沖擊氣壓、微波輻射參數(shù)有關(guān)。與未照射巖石相比，微波照射后的巖石沖擊破壞程度明顯加重。對(duì)比圖14中的(b)與(g)，無(wú)微波照射時(shí)進(jìn)行0.25 MPa沖擊破壞比5.3 kW微波照射后進(jìn)行0.10 MPa沖擊破壞的巖石破壞程度嚴(yán)重；同時(shí)對(duì)比圖14中的(f)和(g)，無(wú)微波照射時(shí)進(jìn)行0.25 MPa沖擊破壞和5.3 kW微波照射后進(jìn)行0.20 MPa沖擊破壞的巖石破壞程度相同，說(shuō)明相比微波照射，沖擊氣壓對(duì)試樣破壞形態(tài)的影響較顯著。由圖14可知，在氣壓為0.10，0.15 MPa時(shí)，花崗巖試件碎塊尺度較大，呈現(xiàn)顯著的軸向劈裂破壞形態(tài)；當(dāng)氣壓升高至0.20 MPa后，巖石破壞時(shí)碎塊尺寸明顯減小，呈現(xiàn)出壓碎破壞形式。對(duì)比圖14中的(a)與(e)發(fā)現(xiàn)，0.20 MPa沖擊后收集的碎塊數(shù)目不夠，這是因?yàn)楫?dāng)沖擊氣壓增大時(shí)，花崗巖破壞程度加大，試件部分被粉碎成粉末，無(wú)法收集。

綜上可知，由于花崗巖屬于脆性材料，抗拉強(qiáng)度較小，在沖擊氣壓和微波輻射共同作用下，花崗巖破壞多為軸向拉伸和壓碎破壞，且隨著微波功率、沖擊氣壓的升高，花崗巖的破壞程度越大，碎屑越細(xì)致且均勻。

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)微波功率小于2.6 kW時(shí)，巖石強(qiáng)度降低是由微波加熱和巖石內(nèi)部水分共同作用造成的；當(dāng)微波功率大于2.6 kW時(shí)，巖石內(nèi)部水分迅速逸出，熱的劣化占主導(dǎo)作用，宏觀(guān)上表現(xiàn)為巖石整體強(qiáng)度降低。

(2) 0.10 MPa沖擊氣壓下，沖擊加載時(shí)間在0～50 μs時(shí)，應(yīng)變變化緩慢；沖擊加載時(shí)間在50～150 μs時(shí)，應(yīng)變快速增大；沖擊加載時(shí)間在150～180 μs時(shí)，應(yīng)變緩慢增加；沖擊加載時(shí)間超過(guò)180 μs后應(yīng)變緩慢降低，因此曲線(xiàn)變化趨勢(shì)分為4個(gè)階段。加載中期應(yīng)變快速增加，但曲線(xiàn)斜率變化較小近似呈直線(xiàn)，說(shuō)明試件處于應(yīng)變均勻變化的狀態(tài)，此過(guò)程所用時(shí)間較長(zhǎng)，因此，可以認(rèn)為是在近似恒應(yīng)變率下進(jìn)行的沖擊壓縮試驗(yàn)。

(3) 0～5.3 kW范圍內(nèi)花崗巖動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨沖擊氣壓的增強(qiáng)逐漸增高，沖擊氣壓等級(jí)每提高0.05 MPa，巖石峰值應(yīng)力提高10%～20%，提高幅度與巖石受損情況有關(guān)。氣壓從0.10 MPa增加至最大值0.25 MPa時(shí)，不同微波功率照射下花崗巖試件破壞前的峰值應(yīng)變也不斷變大。

(4) 當(dāng)微波照射功率小于4.0 kW時(shí)，花崗巖動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力變化不明顯，此時(shí)微波弱化巖石強(qiáng)度的效果較差；而當(dāng)微波照射功率大于4.0 kW時(shí)，花崗巖動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力呈現(xiàn)出明顯下降趨勢(shì)，但其折減程度遠(yuǎn)小于靜態(tài)峰值應(yīng)力的折減程度。

(5) 由于花崗巖屬于脆性材料，抗拉強(qiáng)度較小，在沖擊氣壓和微波輻射共同作用下，巖石破壞多為軸向拉伸和壓碎破壞，且隨著微波功率、沖擊氣壓的升高，花崗巖的破壞程度越大，碎屑越細(xì)致且均勻。