加熱方式對花崗巖力學(xué)性能影響的試驗研究

收稿日期：2021-10-28""" 修回日期：2022-01-06

基金項目：

國家自然科學(xué)基金資助項目（No.51778021）；北京市杰出青年基金資助項目（No.JQ20039）

通信作者：

范立峰，教授。E-mail： fanlifeng@bjut.edu.cn

引用格式：高經(jīng)緯，程紹桐，范立峰.加熱方式對花崗巖力學(xué)性能影響的試驗研究［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2024，41（3）：567-574.

GAO Jingwei，CHENG Shaotong，F(xiàn)AN Lifeng.Effects of heating methods on the mechanical properties of granite［J］.Chinese journal of applied mechanics，2024，41（3）：567-574.

文章編號：1000-4939（2024）03-0567-08

摘" 要：為了對比微波加熱和傳統(tǒng)加熱對花崗巖力學(xué)特性的影響，采用微波加熱和傳統(tǒng)加熱兩種方式對花崗巖進行了不同溫度加熱處理（分別是300、500、600、800℃），對加熱后的試樣分別進行密度、縱波波速測量和單軸壓縮試驗，分析了兩種加熱方式下密度、波速、應(yīng)力應(yīng)變曲線、單軸抗壓強度和彈性模量隨溫度變化規(guī)律，討論加熱方式對花崗巖性能的影響。結(jié)果表明：兩種加熱方式下，花崗巖的密度、波速、單軸抗壓強度和彈性模量均隨加熱溫度升高而降低，并且在500～600℃范圍內(nèi)降低速率最大。在相同加熱溫度下，微波加熱會使花崗巖的密度、波速、單軸抗壓強度和彈性模量下降得更多。兩種加熱方式誘導(dǎo)的差異性隨加熱溫度升高而增加。相比于傳統(tǒng)加熱，微波加熱時間更短，一般僅為傳統(tǒng)加熱時間的1/7，微波加熱在降低花崗巖性能方面效率更高。

關(guān)鍵詞：高溫巖石；微波加熱；傳統(tǒng)加熱；單軸壓縮

中圖分類號：TU45" 文獻標志碼：A

DOI：10.11776/j.issn.1000-4939.2024.03.009

Effects of heating methods on the mechanical properties of granite

GAO Jingwei，CHENG Shaotong，F(xiàn)AN Lifeng

（College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，100122 Beijing，China）

Abstract：To compared the microwave and conventional heating effects on the mechanical properties of granite，microwave and conventional heating methods were performed to heat granite specimens at different temperature （300，500，600，800℃）.After heating，the density，P-wave velocity，and uniaxial compression tests were performed.The effects of heating temperature on the density，P-wave velocity，stress-strain curve，uniaxial compression strength and elastic modulus were analyzed under the two heating methods.The microwave and conventional heating effects on the granite properties were discussed.The results show that under the two kinds of heating methods，the density，P-wave velocity，uniaxial compression strength，and elastic modulus all decrease as heating temperature increases，and the reduction rate is the highest from 500 to 600℃.Under the same heating temperature condition，the decreasing extent in density，P-wave velocity，uniaxial compression strength，and elastic modulus of granite after microwave heating is higher than that after conventional heating.The difference induced by the two heating methods increases as heating temperature increases.Compared with conventional heating，the microwave heating time is shorter，generally only 1/7 of the conventional heating time.Therefore，microwave heating is more efficient in degrading granite performance.

Key words：high-temperature rock；microwave heating；conventional heating；uniaxial compression

地下空間開發(fā)利用，是節(jié)約土地資源，高效利用城市空間資源，提升城市綜合承載能力的重要手段。目前我國有一大批地下空間項目正在投入建設(shè)。地下空間開發(fā)過程中會遇到極硬的巖石，這會導(dǎo)致掘進機開挖效率降低、刀具磨損嚴重、工程成本增加和工期增長。因此，高效破巖成為地下空間建設(shè)亟待解決的技術(shù)難題［1-4］。高溫加熱能誘導(dǎo)巖石力學(xué)強度下降，并且可操作性較強。因此，高溫輔助破巖成為了一種極具前景的高效破巖手段。目前，微波加熱和傳統(tǒng)加熱是常用的加熱方式［5-6］。研究微波加熱和傳統(tǒng)加熱對巖石力學(xué)行為的影響，對于選取合適的高溫輔助破巖方式，具有重要的參考價值。

前人采用傳統(tǒng)加熱方式，針對花崗巖的熱效應(yīng)問題已經(jīng)開展了大量研究。對加熱后花崗巖的力學(xué)行為開展了一系列測試，如：抗壓強度、彈性模量、壓縮破壞模式、抗拉強度、徑向模量等［7-10］。研究結(jié)果表明花崗巖力學(xué)行為的變化存在一個閾值溫度。當加熱溫度低于閾值溫度時，花崗巖的力學(xué)行為隨溫度增加變化較??；然而當加熱溫度高于閾值溫度時，花崗巖的強度和模量隨溫度增加顯著下降，并且破壞發(fā)生脆-塑性轉(zhuǎn)變?；◢弾r破壞形態(tài)隨著溫度升高從軸向劈裂破壞向剪切破壞變化。高溫后花崗巖力學(xué)行為劣化與其細觀結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)?；◢弾r由多種礦物組成，不同的礦物具有不同的熱膨脹特性。在高溫或溫度梯度作用下，礦物熱膨脹變形不一致會誘導(dǎo)熱應(yīng)力產(chǎn)生，當產(chǎn)生的熱應(yīng)力大于巖石強度時，巖石內(nèi)部會發(fā)生晶間破壞和穿晶破壞，進而導(dǎo)致巖石的強度和彈性模量降低［11-12］。由已有研究結(jié)果可知，傳統(tǒng)加熱可以造成巖石力學(xué)性能下降，進而有利于輔助機械破巖，提高破巖效率。然而采用傳統(tǒng)加熱方式，加熱過程耗時長、能耗大，工作效率有待提高，所以很有必要進一步選取新的加熱方式作為高溫輔助破巖手段。

目前，越來越多的學(xué)者對微波輔助破巖的可行性進行了探索和研究。微波加熱功率、加熱時間、加熱次數(shù)等因素都會影響巖石的力學(xué)性能［13-14］。研究表明花崗巖的強度隨著微波持續(xù)照射時間增加而降低。另外采用高功率密度和短時間微波照射，會使巖石內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度，進而有利于巖石力學(xué)性能劣化。微波照射對不同種類巖石的影響程度不一樣。文獻［15］對不同種類的巖石（蘇長巖、花崗巖和玄武巖）進行不同微波功率和時間的照射。結(jié)果顯示，蘇長巖對微波照射最敏感、玄武巖次之、花崗巖最不敏感。巖石宏觀力學(xué)性能劣化與其細觀結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。巖石中不同礦物介電常數(shù)不一樣，對微波的吸收能力也不同。在微波加熱過程中，礦物熱膨脹差異形成的溫度應(yīng)力會誘導(dǎo)巖石內(nèi)部發(fā)生晶間開裂和晶內(nèi)開裂，進而造成巖石宏觀物理力學(xué)行為發(fā)生劣化［16］。文獻［17］基于微波照射參數(shù)與裂隙擴展行為的關(guān)系，預(yù)測微波加熱后巖石的強度，為微波破巖技術(shù)在實際中應(yīng)用提供理論依據(jù)。文獻［18］進一步探討了微波輻射誘導(dǎo)巖石強度下降會顯著提高機械破巖設(shè)備刀具侵入率，降低刀具磨損并提高刀具壽命。文獻［19］總結(jié)了微波輔助破巖方面的研究進展，并探討了微波輻射在開采油頁巖和煤層氣等非常規(guī)油氣資源的應(yīng)用前景。已有研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)加熱和微波加熱均會造成巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化，力學(xué)性能下降。然而，兩種加熱方式下巖石損傷效果的差異性以及工作效率尚不明確。進一步研究傳統(tǒng)加熱和微波加熱對巖石性能的影響對于實際工程中選取合理、高效、節(jié)能的高溫輔助破巖方式具有重要的參考價值。

為了對比傳統(tǒng)加熱和微波加熱對花崗巖性能的影響，本研究對傳統(tǒng)加熱和微波加熱后的花崗巖進行密度、縱波波速和單軸壓縮測試，研究兩種加熱方式下花崗巖的密度、縱波波速、應(yīng)力應(yīng)變曲線、抗壓強度和彈性模量隨加熱溫度的變化規(guī)律，以期為高溫輔助破巖技術(shù)推廣應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。

1" 試驗方法

1.1" 花崗巖試樣準備

圖1呈現(xiàn)了試驗所用的花崗巖試樣。花崗巖采自山東省煙臺市。X射線衍射（XDR）測試結(jié)果表明花崗巖主要由石英（33.4%）、鉀長石（20.3%）、斜長石（40.0%）、方解石（1.4%）、云母（3.4%）和少量黏土礦物（1.5%）組成。花崗巖密度為2630kg/m3。

花崗巖被加工成直徑為50.0mm，高度為100.0mm的圓柱體試樣。試驗共準備36塊試樣，分為9組，每組4塊試樣。為了減小花崗巖各向異性對試驗結(jié)果的影響，本研究所有的試樣均取自同一塊大的巖體上。另外對所有試樣的兩個端面進行打磨以滿足單軸壓縮試驗要求。試驗之前對所有試樣認真檢查確保試樣無明顯缺陷。為了避免試樣含水率不同造成試驗結(jié)果離散，對所有的試樣在105℃環(huán)境下烘干48 h。

1.2" 加熱處理

加熱處理之前，首先對試樣進行質(zhì)量和體積測量，然后進行縱波波速測試，隨后對試樣進行加熱處理。文獻［20］研究表明花崗巖在低于200℃時，其物理力學(xué)性能變化較小。因此，本研究將加熱目標溫度設(shè)置為300、500、600、800℃，分別采用傳統(tǒng)加熱和微波加熱兩種方式對試樣進行加熱。傳統(tǒng)加熱方式下，以2.5℃/min的加熱速率將試樣加熱至目標溫度并恒溫3 h以確保試樣內(nèi)部受熱均勻；微波加熱下，以2kW的加熱功率將試樣加熱至目標溫度并恒溫5 min，二者均在自然條件下冷卻至室溫［14，16］。之后對加熱后的試樣再次進行質(zhì)量，體積和波速測量。最后采用萬能試驗機對加熱后的試樣進行單軸壓縮測試，采用 0.5MPa/s的加載速率。

2" 試驗結(jié)果和討論

2.1" 密度變化對比

本研究引入密度減小率來描述兩種方式加熱后試樣的密度變化程度。

ρ=ρ1－ρ2ρ1×100%

式中：ρ為密度減小率；ρ1為初始干燥后花崗巖的密度；ρ2為加熱后花崗巖的密度。

圖2呈現(xiàn)了微波和傳統(tǒng)加熱后花崗巖密度減小率隨溫度的變化規(guī)律。從圖2中可以看到兩種加熱方式下密度減小率隨加熱溫度升高而增加。加熱溫度高于300℃時，相同加熱溫度下微波加熱后花崗巖密度減小率相比傳統(tǒng)加熱后的更大。當加熱溫度達到800℃時，微波和傳統(tǒng)加熱后花崗巖密度分別下降了0.40%和0.36%。

高溫后花崗巖密度降低與其質(zhì)量下降和體積增加密切相關(guān)。在本研究中，質(zhì)量下降可能與巖石內(nèi)結(jié)合水和結(jié)晶水逸出有關(guān)。結(jié)合水在100～300℃溫度下發(fā)生逸出，結(jié)晶水在300～500℃溫度下發(fā)生逸出［21-22］。在熱處理過程中，熱誘導(dǎo)微裂隙的產(chǎn)生可能會造成試樣體積膨脹。這些因素會誘導(dǎo)花崗巖密度隨加熱溫度升高而降低。

2.2" 縱波波速變化對比

縱波在巖體中的傳播速度會受到礦物成分、礦物之間的膠結(jié)程度以及孔隙率的影響［23］?？v波波速變化是表征熱開裂巖體整體損傷的一種有效的指標?？v波波速下降表示巖體的總體損傷增加［11］。

圖3呈現(xiàn)了微波和傳統(tǒng)加熱后花崗巖縱波波速隨溫度的變化規(guī)律。從圖3中可以看到兩種加熱方式下，花崗巖縱波波速隨溫度升高而減小。然而，相同加熱溫度下微波加熱后花崗巖縱波波速降幅相比傳統(tǒng)加熱后的更大。加熱溫度達到600℃時，微波和傳統(tǒng)加熱后花崗巖縱波波速分別降低了75.2%和65.1%。800℃時，由于試塊損傷嚴重，已無法測得縱波波速。

對于花崗巖材料，微波加熱速率相比傳統(tǒng)加熱速率更快，并且微波會對介電常數(shù)大的礦物進行選擇性加熱，這會導(dǎo)致礦物之間的溫度梯度增大［24］。由于礦物熱膨脹系數(shù)的不均勻性，溫度梯度越大，誘導(dǎo)的熱應(yīng)力可能越大，進而可能導(dǎo)致更多微缺陷產(chǎn)生?？v波在通過微缺陷時會發(fā)生透反射，造成能量損失，進而造成波速下降［25］。微缺陷越多，波速下降越多。所以微波加熱后花崗巖縱波波速下降幅度相比傳統(tǒng)加熱后的更大。

2.3" 單軸壓縮試驗

2.3.1" 應(yīng)力應(yīng)變曲線對比

圖4呈現(xiàn)了兩種加熱方式下加熱溫度是300、500、600、800℃時花崗巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖4中看到應(yīng)力-應(yīng)變曲線均經(jīng)歷了4個階段，分別是壓密階段、彈性變形、屈服變形和破壞階段。在壓密階段，曲線呈上凹型，壓密階段隨溫度升高而增長；在彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性增長關(guān)系，直線段斜率為試樣的平均彈性模量，直線斜率隨溫度升高而下降；在屈服變形階段，曲線呈上凸型，這可能與試樣內(nèi)部出現(xiàn)的微裂隙有關(guān)系；在破壞階段，試樣逐漸達到承載極限，并且峰值應(yīng)力隨溫度升高而下降。

圖5分別為不同溫度下，花崗巖經(jīng)過傳統(tǒng)加熱和微波加熱后的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖5中看到在相同加熱溫度下，相比于傳統(tǒng)加熱，微波加熱后試樣的壓密階段更長，并且峰值應(yīng)力和彈性模量更小。這可能與微波加熱下試樣內(nèi)部產(chǎn)生更多的微裂隙有關(guān)系。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，壓密段的產(chǎn)生與試樣初始缺陷被壓縮閉合密切相關(guān)［26］。壓密段通常隨著初始微缺陷增加而增長。在高溫作用下，礦物之間熱膨脹變形不一致以及礦物不同晶軸方向熱膨脹變形不一致，均會誘導(dǎo)熱應(yīng)力產(chǎn)生［27］。當熱應(yīng)力超過巖石的抗拉或者抗剪強度時，巖石內(nèi)部會產(chǎn)生熱開裂。隨著溫度升高，巖石內(nèi)部的熱應(yīng)力增加，熱致裂隙可能會相應(yīng)地增加［28］。所以應(yīng)力應(yīng)變曲線中的壓密段隨著溫度升高而增長。當溫度從500℃增加至600℃，石英礦物在大約573℃時，相變可能會誘導(dǎo)花崗巖內(nèi)部微裂隙顯著增加［20］。所以溫度從500℃增加至600℃時，兩種加熱方式下，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的壓密階段均會明顯增加。對于花崗巖材料，微波加熱速率相比傳統(tǒng)加熱速率更快，并且微波會對介電常數(shù)大的礦物進行選擇性加熱，這會導(dǎo)致礦物之間的溫度梯度增大，誘導(dǎo)的熱應(yīng)力增加，進而可能誘導(dǎo)更多微裂隙產(chǎn)生［29-30］。所以相同溫度下，微波加熱后花崗巖的壓密段比傳統(tǒng)加熱后的更長。

2.3.2" 單軸抗壓強度對比

圖6呈現(xiàn)了微波和傳統(tǒng)加熱后花崗巖單軸抗壓強度隨溫度的變化規(guī)律。

從圖6中看到兩種加熱方式下單軸抗壓強度隨溫度升高均降低，并且在相同加熱溫度下，微波加熱后試樣的抗壓強度降低幅度相比傳統(tǒng)加熱后的更大。加熱溫度達到800℃，微波加熱后試樣抗壓強度下降了54.5%，傳統(tǒng)加熱后試樣抗壓強度下降了34.4%。" 另外，微波和傳統(tǒng)加熱后試樣單軸抗壓強度的差異性隨加熱溫度升高而增加。當加熱溫度達到300、500、600、800℃時，微波加熱后試樣的單軸抗壓強度相比于傳統(tǒng)加熱后的分別降低了12.1%、15.6%、25.2%、30.6%。

2.3.3" 彈性模量對比

圖7呈現(xiàn)了微波和傳統(tǒng)加熱后花崗巖彈性模量隨溫度的變化規(guī)律。從圖7中看到兩種加熱方式下彈性模量隨溫度升高均下降，然而微波加熱后試樣彈性模量的下降幅度比傳統(tǒng)加熱后的更大。加熱溫度達到800℃時，微波加熱后試樣彈性模量下降了58.9%，傳統(tǒng)加熱后試樣彈性模量下降了42.7%。另外，微波和傳統(tǒng)加熱后試樣彈性模量的差異性隨加熱溫度升高而增加。當加熱溫度達到300、500、600、800℃時，微波加熱后試樣的單軸抗壓強度相比于傳統(tǒng)加熱后的分別降低了5.8%、18.1%、25.5%、28.3%。

3" 微波和傳統(tǒng)加熱后巖石劣化機理分析

微波加熱和傳統(tǒng)加熱下花崗巖的升溫原理不同。微波加熱下，花崗巖中的極性分子在電磁場作用下形成偶極子，并隨著交變電磁場進行高頻擺動［31-32］，如圖8（a）。分子擺動過程中要克服原有的熱運動和分子間相互作用，進而產(chǎn)生激烈摩擦生熱。這個過程中微波能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的熱能，花崗巖宏觀上表現(xiàn)為溫度升高［29-30］。傳統(tǒng)加熱下，高溫?zé)嵩吹臒崃客ㄟ^熱傳導(dǎo)的方式，由表及內(nèi)傳遞到巖石內(nèi)部，如圖8（b）。

花崗巖是多種礦物集體。不同的礦物熱膨脹系數(shù)不同，在高溫作用下礦物膨脹變形會受到周圍其它礦物的約束，進而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當熱應(yīng)力達到礦物的極限強度時，巖石內(nèi)部就會產(chǎn)生熱開裂［33-34］。隨著加熱溫度升高，花崗巖內(nèi)部熱應(yīng)力升高，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞加劇，承載能力降低。另外，花崗巖內(nèi)每種礦物的介電常數(shù)不一樣，在微波輻射下每種礦物升溫速率不一樣，礦物之間會產(chǎn)生較大的溫度差，形成較大的熱梯度應(yīng)力，進而會加劇巖石的開裂［24］。所以與傳統(tǒng)加熱相比，微波加熱后花崗巖力學(xué)性能劣化更嚴重。

4" 結(jié)" 論

本研究采用微波加熱和傳統(tǒng)加熱兩種方式對花崗巖進行加熱，分析了兩種加熱方式下花崗巖密度、縱波波速、應(yīng)力應(yīng)變曲線、單軸抗壓強度和彈性模量隨溫度的變化規(guī)律，并且對比兩種加熱方式對花崗巖力學(xué)性能影響。得出以下結(jié)論。

1）兩種方式加熱后，花崗巖的密度、縱波波速、單軸抗壓強度和彈性模量均隨著溫度升高而下降，并且在500～600℃范圍內(nèi)下降速率最大。

2）加熱溫度相同時，微波加熱相比于傳統(tǒng)加熱會使花崗巖的密度、波速、單軸抗壓強度和彈性模量下降得更多，并且兩種加熱方式誘導(dǎo)的差異性隨加熱溫度升高而增加。

3）通過分析和對比傳統(tǒng)加熱和微波加熱兩種方式對花崗巖物理力學(xué)行為的影響，可以看出微波加熱會對花崗巖造成更大的損傷，并且微波加熱時間一般僅為傳統(tǒng)加熱時間的1/7。因此，微波加熱在降低巖石力學(xué)強度方面效率更高，在破巖工程中具有良好的應(yīng)用前景。

本研究主要關(guān)注加熱方式對巖石宏觀物理力學(xué)特性的影響。為了揭示巖石熱劣化機理，將會進一步開展不同加熱方式下巖石微觀特性研究。

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（編輯" 呂茵）