微波照射下巖石損傷CT試驗研究*

戴　俊，師百壘，楊　凡，盛　驍，池佐華

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054；2.甘肅煤炭地質勘察院，甘肅 蘭州 730000)

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微波照射下巖石損傷CT試驗研究*

戴俊1，師百壘1，楊凡2，盛驍1，池佐華1

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054；2.甘肅煤炭地質勘察院，甘肅 蘭州 730000)

為了進一步研究微波照射下巖石內部損傷演化過程，分析微波照射下巖石內部裂紋產生及延伸情況，完善巖石強度劣化機理，采用CT技術對微波照射后不同產地2種花崗巖試件進行掃描，并計算其損傷變量，探討不同產地2種花崗巖內部礦物成分對微波照射巖石損傷的影響，最后對平山縣花崗巖不同含水率試件經微波照射后進行抗剪切試驗。結果表明：通過CT探傷設備從細觀分析可知，微波照射下巖石損傷是由巖石試件中“危險區域”內吸波礦物引起；不同產地的花崗巖，引發巖石損傷的“危險區域”不同；微波照射下巖石內部裂紋是由局部產生并延續擴展整個巖體試件，巖石強度下降是由吸波點劣化，其特性急劇衰變引起；花崗巖礦物成分中黑云母、角閃石介電常數較大，是主要的吸波礦物；巖石含水率的增加在微波照射下能加大巖石損傷程度，降低巖石抗剪切強度。CT技術對微波照射下研究巖石裂紋損傷及演化提供了一種細觀的分析過程。

微波照射；巖石損傷；CT掃描；礦物成分

0　引　言

巖石開挖破碎是巖石工程所涉及的主要問題之一，現階段，巖石破碎的主要方法包括等離子體破巖法、激光破巖法、機械破巖法、射彈沖擊破巖法和微波破巖法等[1]，隨著破巖技術的不斷發展，這就要求對各種方法的機理進行深入研究。微波破巖是依據巖石內部礦物對微波的介電反應不同，而產生不同的變化，致使巖石裂紋的產生及強度的降低[2]。那么研究微波照射下巖石內部裂紋產生及變化的情況，即是什么礦物主導裂紋的產生，含水率對巖石抗剪強度有何影響具有一定價值意義。

自微波破巖技術提出以來，國內外對微波照射巖石強度劣化已有研究主要有：S.W.Kingman[3]提出并分析了微波輔助破巖現狀及發展情況，進一步得到巖石礦物成分對微波輔助研磨礦物的影響。李文成[4]分析了微波破巖原理，提出了微波誘導崩落法新的采礦方法。戴俊[5-6]研究得到微波照射能夠降低巖石強度，劣化巖石特性，鋼纖維混凝土經微波照射后強度劣化具有一定規律性，還研究了微波照射對巖石抗沖擊性能的影響規律。秦立科[7]應用數值模擬方法分析了微波場礦物顆粒溫度分布及演化特征，從理論上推導了微波照射對巖石強度的影響。微波照射下影響巖石強度的主要因素有：巖石礦物組成、微波照射功率、微波照射時間、巖石含水率等。但是微波照射引起巖石內部裂紋損傷及演化過程還不成熟，CT技術能在不干擾試驗進行的條件下，提供一種將外部試驗條件與巖石內部某種特性變化相結合的檢測方法[8]。文章以不同產地花崗巖試件為研究對象，通過微波照射后CT斷層掃描技術，并結合相應的力學實驗，可以得到微波照射下巖石內部裂紋損傷演化情況，從細觀角度分析微波照射引起巖石裂紋損傷演化的主導因素。

1　CT技術原理

通過巖石的CT試驗可以獲取試驗過程中能夠反映巖石特性變化的數據和圖像信息。由CT識別原理可知，CT數及其方差反映了物質的密度大小和密度分布情況，葛修潤院士認為巖石損傷研究中真正關心的問題是損傷過程中巖石密度的變化，在一定條件下，可以直接用具有初始損傷的巖石材料密度和CT均值來進行損傷變量的計算[9]，其計算公式如下

(1)

式中Hrm0為初始損傷狀態的CT均值；Hrm為任意損傷狀態的CT均值；αe為初始損傷影響因子，其值應大于1；αc為閉合效應影響因子，其值與巖石孔隙率有關；m0為CT設備分辨率。

文中主要研究微波照射作用對巖石細觀損傷演化的影響，其主要為巖石受熱膨脹，未得到應力應變曲線，無需閉合效應影響系數修正，對初始損傷影響因子可根據已有結論對Hrm0，Hrm2個參數進行擬合確定，可得如下損傷變量D計算公式為

(2)

式中符號意義同上。

2　試驗概況

2.1試驗設備

本試驗所采用的微波照射裝置是一臺工業微波爐，其額定電壓為380V，輸出功率0～10kW.整個試驗裝置由微波發射器和微波加熱倉2部分組成，兩者之間通過由合金構成的方形微波管道連接。CT探傷設備是由上海博鈺醫療器械有限公司生產的型號為Brilliance16的PHLIPS16層螺旋CT機，原裝工作站型號workspace，發射排為24排，速度0.4s，如圖1所示。本試驗還采用了磨平機、切片機、取心機、打磨機和切石機等。

圖1　試驗設備Fig.1　Test equipment(a)微波發生器　(b)CT探傷設備

2.2試樣制備與試驗方法

本試驗選取河北省平山縣花崗巖和陜西秦嶺豐裕口花崗巖，依次通過取芯、切割、打磨，將選取的巖樣加工成剪切標準試件，試件加工尺寸為φ50 mm×50 mm，如圖2所示，放在干燥環境內靜置48 h使其初始參數相同。將加工好的巖石試件在水中浸泡不同時間，通過浸泡時間來控制巖石的含水率，按照浸泡時間的不同分為4組：不浸泡、浸泡6 h，浸泡12 h，浸泡24 h；每組包含5個試件。將浸泡后的巖石試件經微波照射(參數設定為10 kW，6 min)后做巖石抗剪切試驗，試件的冷卻方式為浸水冷卻。

圖2　巖樣標準試件圖Fig.2　Sample standard specimen(a)陜西秦嶺花崗巖巖樣　(b)2種地方花崗巖巖樣對比

3　試驗結果與機理分析

3.1微波照射后巖石的CT掃描試驗

微波照射后，對產地不同的2種花崗巖第一組試樣進行CT掃描，掃描前后對比如圖3所示，圖中標定了誘發損傷的“危險區域”，并根據(2)式計算微波照射下各巖石的損傷變量，見表1.

從圖3可知微波照射下巖石損傷是由含吸波物質的一些“危險區域”引起的，從圖2(b)圖可以看出平山縣花崗巖經微波照射后其損傷有3處，從其中2處可以看到存在裂紋，且2處裂紋區域貫通，其他部分明顯變暗；從d圖看出花崗巖經微波照射后產生了一出裂紋，其余未觀察到明顯的損傷形成。

圖3　微波照射前后25 mm掃描層對比示意圖Fig.3　Contrast diagram of 25 mm scanning layer after microwave irradiation(a)照射前河北平山縣花崗巖　(b)照射后河北平山縣花崗巖(c)照射前陜西秦嶺花崗巖　(d)照射后陜西秦嶺花崗巖

掃描范圍掃描層序號河北平山縣花崗巖CT數損傷變量陜西秦嶺花崗巖CT數損傷變量11409.70.04951693.70.011721412.80.04611684.20.0209整個圖層31418.40.03981687.40.017741395.50.06581693.50.011851420.60.03731685.60.019511289.70.19811542.90.173521292.60.19421543.60.1727危險區域31290.20.19741534.70.183241287.50.20111535.40.182451282.30.20821533.20.1850

把表1中數據用圖的形式表示出來如圖4所示，可以看出，“危險區域”損傷變量值比整個圖層大得多，平山縣花崗巖損傷變量值高于秦嶺花崗巖，平山縣為黑云母閃花崗閃長巖，巖石主要有斜長石其次是石英和微斜長石組成；秦嶺花崗巖為黑云母二長花崗巖，巖石主要由2種長石和石英組成。平山縣花崗巖所含的黑云母比秦嶺花崗巖多，且另含有角閃石和磁鐵礦，黑云母、角閃石、磁鐵礦的最大介電常數分別為9.28，8.5，81，這些礦物在微波照射下反映顯著，與相鄰其他礦物形成巨大差異，損傷變形不一致，形成較大內部應力，由此引起裂紋的形成及擴張，致使巖石喪失力學性能。所以礦物成分是微波照射下引起巖石損傷的根本。

圖4　微波照射后花崗巖損傷變量曲線圖Fig.4　Granite damage variable curve after microwave irradiation

經花崗巖礦物成分檢定，河北平山縣花崗巖成分及粒徑結構為：半自形結構，粒徑0.5～5 mm，石英20%～30%，斜長石40%～50%，微斜長石20%～30%，角閃石5%～10%，黑云母10%，其余為少量輝石、磁鐵礦和磷灰石；秦嶺花崗巖成分及粒徑結構為：花崗巖變晶結構，粒徑0.5～4 mm，石英30%～40%，斜長石30%～40%，微斜長石20%～30%，黑云母5%，鋯石1%左右。

3.2對微波照射后巖石的抗剪切試驗

為了進一步研究微波照射后巖石力學性能變化規律，在不同含水率(不同浸泡時間)下采用巖石剪切試驗機對平山縣花崗巖經微波照射后(10 kW，6 min)做抗剪切試驗，其試驗數據結果見表2.給出了在不同浸泡時間、不同剪切角度下花崗巖破壞荷載、正應力、剪應力及內摩擦值等數據，由此可以分析微波照射下含水率對巖石損傷的影響。

表2　河北平山縣花崗巖抗剪切試驗數據

由表2巖石抗剪切試驗數據分析可知，未浸泡組與浸泡組相比，浸泡后經微波照射的巖石試件，抗剪強度普遍降低；照射組的巖石試件抗剪切強度與原試件相比，均有所降低，但由于數據存在離散性，所以不具有明顯的線性關系；浸泡6 h經微波照射后的巖石試件55°，65°，75°抗剪切試驗切應力較未浸泡組分別降低7.54%，35.57%，37.32%，浸泡12 h與浸泡6 h相比切應力分別降低3.85%，52.29%，-24.03%；65°，75°抗剪切試驗切應力數值基數較小，因而對照前后切應力降低幅值較大，而浸泡12 h與6 h相比微波照射后75°抗剪切試驗切應力出現未減反增的現象，初步分析是由于試驗數據誤差造成；以55°抗剪切試驗數據作為主要參考值，對平山縣花崗巖浸泡6 h后再進行微波照射，損傷程度較明顯。造成試驗數據一定離散性的主要因素有：用水浸泡控制巖石含水率的不確定性、巖石試樣間的差異性、剪切試驗過程的差異性、微波照射巖樣的差異性、人為讀數及計算誤差等。

4　結　論

1)微波照射下巖石的裂紋損傷演化表現出局部化特征，河北平山縣花崗巖損傷變量值大于秦嶺花崗巖，局部“危險區域”損傷變量值遠大于其他區域，花崗巖的裂紋損傷主要取決于黑云母、角閃石、磁鐵礦等吸波物質；

2)微波照射下巖石內部水分汽化，產生蒸汽壓力促使巖石內部裂紋的形成和發展，巖石含水率的變化使巖石介電特性發生改變，從而影響巖石裂紋演化情況；

3)含水率對微波照射后巖石抗剪切強度影響顯著，抗剪強度、破壞荷載等都隨著含水率的增加而減小，在試驗設定的含水率變化范圍內，巖石試件的含水率越高，經微波照射后損傷程度越大，損傷的離散性越強。

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CT test of rock damage under the microwave irradiation

DAI Jun1，SHI Bai-lei1，YANG Fan2，SHENG Xiao1，CHI Zuo-hua1

(1.CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；2.GansuProvincialCoalGeologicalExplorationInstitute，Lanzhou730000，China)

In order to further study the internal damage evolution process of rock，analyze the production and extension of internal crack in rock under microwave irradiation and perfect the rock strength degradation mechanism，two kinds of different regions granite specimens has been scanned by CT technology after microwave irradiation，the damage variable has been calculated，the influence of the mineral composition of two kinds of different regions granite specimens on rock damage by microwave irradiation has been discussed，and the shear experiment of different moisture content of Pingshanxian granite specimens has been carried out after microwave irradiation.The result of the tests indicates that rock damage is caused by the absorbing mineral of the “danger zone” in rock specimen under microwave irradiation from mesoscopic analysis by CT detection device；the “danger zone” of leading to the rock damage is different from different regions granite；the internal cracks of rock is produced by local and further expand the rock specimen under microwave irradiation，rock strength degradation is caused by degradation of absorbing points，which characteristics decay sharply；biotite and hornblende which has big dielectric constant is the main absorbing mineral in granite mineral composition；the increase of moisture content of rock can increase rock damage degree and reduce the rock shear strength under microwave irradiation.CT technology provides a mesoscopic analysis process of studying crack damage of rock and evolutionary under microwave irradiation.

microwave irradiation；rock damage；CT scanning；minerals

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0502

1672-9315(2016)05-0616-05

2016-04-15責任編輯：劉潔

國家自然科學基金資助(51174159)

戴俊(1964-)，男，貴州安順人，教授，博士生導師，E-mail：1098437146@qq.com

TD 921.2

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