微波照射下巖石的升溫與破碎特性研究

劉超尹, 盧高明, 周建軍, 姚華彥, 姜禮杰, 范文超

(1. 盾構及掘進技術國家重點實驗室, 河南 鄭州 450001; 2. 中鐵隧道局集團有限公司, 廣東 廣州 511458; 3. 合肥工業大學土木與水利工程學院, 安徽 合肥 230000; 4. 中鐵工程裝備集團有限公司, 河南 鄭州 450016)

0 引言

微波輔助破巖是一種將微波加熱技術和機械破巖技術相結合的混合型破巖方法。通過微波輻射的加熱效應對巖石進行弱化,顯著降低其單軸抗壓強度、抗拉強度和點荷載強度等力學特性,是一種新的輔助破巖方法[1]。該方法克服了傳統機械破碎硬、高磨蝕性巖石效率低,刀具磨損嚴重的問題,具有良好的應用前景,因此近幾年對這一課題的研究也逐漸深入。

1991年,Lindroth等[2]首次將微波加熱巖石作為一種可能的新興破巖方法推廣,該方法的工作原理是當微波照射巖石時,將微波能轉化為熱能,在巖石內部產生熱梯度,熱梯度會導致巖石內部產生應力,并導致裂縫的形成[3]。進入21世紀,對微波破巖技術的研究更加深入,其中,Kingman等[4-6]通過試驗測試和數值模擬探究了微波能在礦石預處理和巖石破碎過程中的潛力。Hassani等[7]研究了微波處理對硬巖巖石強度的影響,巖石暴露在高功率微波下處理會導致溫度升高,對巖石表面和內部產生一定程度的損傷,能夠更好地促進傳統機械的破巖能力。Kingman等[8]在試驗中測試了微波功率對礦石破碎的影響,研究發現在較高的微波功率下,樣品的強度迅速下降,在功率15 kW的微波照射下巖石強度在短時間內急劇降低至15%。在一項試驗研究中,Chen等[9]使用頻率為2.45 GHz、功率為3 kW的微波對鈦鐵礦進行處理,分別在微波下曝光10、20、30 s,試驗之后將試樣研磨平整,隨后采用掃描電鏡和傅里葉變換紅外分析方法對輻射后的巖石樣品進行表征,結果發現礦物的升溫特性存在成分依賴性,其中玄武巖對微波的吸收能力表現更好。

國內在微波輔助破巖方面也做了相當多的研究。其中,以盧高明、李元輝、田軍等為代表的學者在對微波輔助破巖進行系統性綜述的基礎之上,進一步探究了微波作用下水分對巖石波速和強度的影響[10],多模諧振腔對微波致裂效果的影響[11],微波加熱路徑對硬巖破碎效果的影響[12]以及微波對不同敏感性造巖礦物加熱效果的影響[13]。戴俊等[14-15]對微波輻射下巖石的沖擊性能、巖石強度和裂紋擴展等進行了大量的研究工作。

隨著有限元數值仿真技術的普及,一些學者發現將試驗與數值模擬結合更有助于理解微波輻射對巖石的破壞機制。微波對巖石的破壞淺顯地說取決于不同的微波參數,但更多的是取決于巖石本身的熱、電特性。其中,Toifl等[16]在探究微波對巖石力學性能的影響過程中進行了數值仿真,模擬了溫度場的分布。Wang等[17]對暴露于短脈沖微波下巖石的熱應力和裂紋擴展情況進行了二維有限元數值模擬。Li等[18]建立了電磁-熱-力耦合三維模型,對微波加熱下煤層氣的開采機制以及微波輻射對煤巖物性的影響進行了深入探究。數值模型可以模擬巖石內部溫度場和電場的變化,數值模擬的發展增強了對微波輔助破巖及其熱力學特性的理解,試驗結果則可以驗證數值模擬的準確性。

綜上可知,以往的學者多從試驗或數值模擬中的單一途徑進行微波加熱巖石升溫和破碎特性的研究,存在一定的片面性。本文在眾多學者研究成果的基礎上,基于微波照射巖石模型試驗,構建了電磁-熱耦合三維數值模型,探究巖石表面的溫度和破碎狀態以及巖石內部的溫度場和電場分布,建立巖石破碎、溫升、能量密度和電場強度之間的相互關系,以期更全面、更深層次地揭示巖石的破碎損傷演化。

1 微波加熱試驗設備及方法

微波加熱試驗采用頻率為2.45 GHz的硬巖微波致裂系統(見圖1),其主要包括: ①紅外熱成像儀、②諧振腔、③操作臺、④微波發生器、⑤喇叭天線、⑥紅外熱像儀接口、⑦巖石試樣、⑧試樣底座(可調節高度)以及高頻微波電源。

試驗選取200 mm×200 mm×200 mm的赤峰玄武巖[11]作為試樣,將巖石試樣放置于試樣底座上,試樣中心正對喇叭天線,喇叭天線至巖石表面的照射距離為50 mm。試驗分為2組: 1)微波功率為18 kW,照射時間為1、3、5 min; 2)微波照射時間為3 min,微波功率為12、15、18 kW。試驗過程中控制其他變量不變。

微波照射巖石過程中,距離諧振腔0.5 m的位置布置有微波泄露檢測設備。微波照射巖石試驗正常進行過程中,微波泄露檢測儀檢測到的微波泄露量僅為10 μW/cm2,遠遠低于微波侵害人體的閾值80 mW/cm2。同時,本文中微波的泄漏量與微波發射功率相比較,對試驗結果的影響極其微弱,基本可以忽略不計。

微波照射巖石的過程中,通過紅外熱成像儀及連接的外部電腦設備,全程采集記錄試樣表面溫度變化。試驗結束后,采用熱像儀分析軟件對數據進行分析,研究不同微波功率、不同照射時間對巖石表面溫度及破裂特性的影響。

(a) 外部結構

(b) 內部結構

(c) 高頻微波電源

為表征巖石的損傷狀態,以破碎時間、破碎區域面積、破碎區域中心點深度、裂縫數量和裂縫長度為指標。其中,巖石表面破碎時間可根據巖石破碎的響聲、紅外圖像以及可見光圖像確定;破碎區域面積由于呈現出不規則的形狀,采用方格紙分割填補的方法求取面積占比,見圖2(a);破碎面中心點深度使用精度為0.001 mm的游標卡尺進行量測,見圖2(b);裂縫長度采用尺子進行量測。

2 數值模型建立

使用三維建模的方法計算微波在巖石表面和內部產生的熱效應時,需要通過數值模擬技術將多種物理量聯系起來。通過近幾年來微波在硬巖預處理中的應用研究[19]可以得到,巖石在微波照射下的溫度力學響應很大程度上取決于樣品的電磁、熱等特性,即介電常數、介電損耗因子、比熱容和導熱系數等。本文采用完全耦合建模的方法,利用巖石材料的升溫特性,綜合處理巖石中電磁-熱多物理場耦合的行為。建模方法的理論公式分為2個部分: 電磁物理(麥克斯韋理論)、熱物理(傳熱理論)。電磁-熱多場耦合方法如圖3所示。

(a) 方格紙計算破碎面面積

(b) 游標卡尺測破碎面中心點深度

圖3 多場耦合原理

2.1 電磁物理學(麥克斯韋理論[20])

麥克斯韋方程是一組偏微分方程,描述了基本電磁量之間的關系。在一定邊界條件下求解這些問題就是宏觀層面的電磁分析問題,模型電磁物理部分的控制方程為

(1)

2.2 熱物理(傳熱理論[21])

采用電磁-熱耦合模型對微波照射下的巖石進行加熱模擬。在本文模型的電磁物理場部分,f(E,H)函數作為物理場的輸入。在多物理場接口中,向頻域添加電磁波,向固體接口添加傳熱,以物理場耦合增加電磁波部分的電磁損耗作為熱源。固體傳熱方程為

ρCpu·?T+?·q=Q+Qted。

(2)

式中:q為熱通量,q=-k?T,k為巖石導熱系數,W/m·K;T為溫度,℃;ρ為巖石密度, kg/m3;Cp為恒壓熱容,J/(kg·K);u為熱氣學能,J;Q為電磁熱源, W/m3;Qted為巖石中的熱彈性阻尼效應, W/m3。

2.3 模型建立

在實驗室現有模型基礎上,基于COMSOL軟件,按照1∶1比例進行適當簡化,建立微波照射巖石三維模型,如圖4所示。

圖4 微波照射巖石三維模型(單位: m)

為減少計算量,本文對模型中非關鍵因素進行適當簡化,由此作出以下假設: 1)波導管和腔體的材質均為銅質; 2)試樣和空氣的分布是均勻的; 3)試樣和空氣之間的化學反應忽略不計; 4)試樣完全絕緣。建模各項材料尺寸如表1所示。

表1 建模各項材料尺寸

其中,喇叭口至試樣表面的初始距離為50 mm,在試驗和模擬過程中可通過調節試樣底座的高度控制其距離,本文控制喇叭口至上表面初始距離不變。

玄武巖試樣的熱電參數如表2所示。其中,相對介電常數通過高溫巖石介電特性測試系統測得,玄武巖密度通過試驗測得,其他參數通過閱讀文獻總結所得[22]。所建模型完整網格共包含802 938個域單元,26 864個邊界單元,1 024個邊單元。

表2 玄武巖試樣熱電參數

3 微波照射巖石試驗結果

3.1 巖石溫度特性

圖5示出了試樣在微波功率15 kW、照射時間為3 min時的破碎狀態和溫度分布情況。由于喇叭口的作用,微波主要集中作用于巖石上表面,中心區域微波能量最強。微波能在合金鋁制成的喇叭口中發生反射且不被吸收,極大改善了微波作用效果。從試驗結果可以看出,中心點位置溫度最高,中心區域出現嚴重的破碎,甚至出現了明顯熱熔現象,見圖5(a)—(b)。圖5(c)示出了紅外熱像儀測得的巖石表面溫度分布情況,圖5(d)示出了紅外熱像儀可見光視圖與紅外視圖的疊加。

(a) 試樣表面熱熔情況 (b) 試樣中心點

(c) 紅外熱像視圖 (d) 可見光視圖與紅外視圖疊加

在5組試驗中通過紅外熱像儀拍攝到的不同微波功率、不同照射時間下巖石表面最后時刻的溫度分布情況如圖6所示,圖中十字光標處為溫度最高點。由紅外溫度分布圖可以看出,試樣的溫度變化以試樣中心為圓心,整體呈圓形向四周輻射,隨著照射時間的增加,因試樣中心溫度急劇升高而發生試樣表面破碎,導致溫度在試樣表面的分布不再均勻。

(a) 18 kW-1 min

(b) 18 kW-3 min

(c) 18 kW-5 min

(d) 12 kW-3 min

(e) 15 kW-3 min

以溫度最高點為中心點,分別沿豎直方向作直線,根據直線上的溫度變化,對試驗所得的溫度數據進行分析,如圖7所示。由圖可知,隨著微波功率和照射時間的增加,試樣表面中心區域的溫度均出現了明顯升高。從曲線形態來看溫度沿豎直方向基本呈正態曲線分布,由中心向四周溫度逐漸降低。圖7中箭頭所指區域的溫度分布出現了抖動,這是由于試樣表面碎裂導致部分碎屑位置改變,因此溫度出現較大波動;且高溫區域范圍隨著發射功率和照射時間的增加而擴大。從數值上對比同一微波功率下不同照射時間的溫度分布情況可知,18 kW-1 min條件下試樣表面溫度較低,最高溫度僅為143.6 ℃;隨著設定照射時間的延長,試樣表面溫度急劇增高,18 kW-3 min條件下最高溫度為529.4 ℃;18 kW-5 min條件下最高溫度已達到781.2 ℃。對比同一微波照射時間、不同微波功率下的溫度分布可知,中心區域溫度隨微波功率的增加趨勢較為緩慢,12 kW-3 min條件下最高溫度為323.3 ℃,15 kW-3 min條件下最高溫度為481.2 ℃,18 kW-3 min條件下最高溫度為529.4 ℃。

通過對試驗數據進行處理得到中心點溫度隨時間的變化曲線,如圖8—9所示。由圖可知,中心點溫度隨時間變化的整體形態呈現出先平穩上升,再小幅波動,后又急劇升高的情況。圖中箭頭所指區域為巖石試樣發生破碎的時間點,可以看到此刻溫度出現了小幅度的降低,是因為巖石破碎后溫度最高點位置發生了偏移,導致監測點變化。同時可知,在不同微波功率下,高功率明顯對巖石的升溫效果更好,15 kW的升溫效果相較于12 kW有明顯提升,但隨著功率的進一步升高,18 kW的升溫效果相較于15 kW的升溫效果稍有減弱。

圖7 豎直方向溫度隨位移變化圖

對比同一照射功率不同照射時間下中心點隨溫度的變化曲線,其升溫曲線走勢基本重合,觀察18 kW-5 min條件下的曲線形態可以看出,溫度先急速升高,到達破碎溫度點時由于中心點位置的偏移,溫度出現小幅度降低,隨之繼續增高,然后走勢逐漸趨于平緩。

圖8 不同功率下中心點溫度隨時間變化圖

圖9 不同照射時間下中心點溫度隨時間變化圖

3.2 巖石破碎情況

由于巖石內部不同的礦物成分對微波的吸收程度不同,因此巖石表面在微波照射下會產生不同的熱膨脹并產生內應力,導致巖石內部礦物晶體出現斷裂,使試樣破碎并產生裂縫。破碎的過程中會產生沖擊波,導致石屑在諧振腔內部飛濺,有時會發出巨大響聲。

在不同的微波功率和不同照射時間下,巖石表面出現了不同程度的破碎和裂紋,試驗過程中發現裂縫多由上表面中心開始延展至各個側面,但是測量發現試樣底面無明顯的溫度變化,無裂紋延展情況。為便于觀測巖石表面的破碎和裂縫的延伸情況,使用高分辨率攝像頭對試驗后的試樣上表面和4個側面拍照銳化處理后得到展開圖。在Photoshop中建立一個額外的圖層,將破碎區域(黃色區域)和裂紋(紅色線條)描繪出來,如圖10所示,其中,18 kW-1 min時巖石表面無破碎。

分別觀測不同照射時間下巖石表面的破碎和裂縫狀態,可以看出: 1)當照射時間為3 min、微波功率為12 kW時,巖石表面已出現破碎,破碎區域較為規整,無明顯的大裂紋; 2)當照射時間為1 min時,雖然照射功率增強至18 kW,巖石表面仍未出現明顯裂隙; 3)當照射時間為5 min、微波功率為18 kW時,巖石表面出現多處破碎和較大裂縫,同時裂縫數量明顯增加。

微波照射后巖石的損傷狀態測量結果如表3和圖11所示。由圖11可知: 1)巖石表面破碎時間隨著微波功率和照射時間的提升顯著降低; 2)破碎區域面積比例隨微波功率和照射時間的增加而顯著增加,在18 kW-5 min時比例減小,考慮破碎存在一定的不確定性,由試驗誤差所引起; 3)破碎區域中心點深度、裂縫數量和裂縫長度都隨微波功率和照射時間的增加而明顯增加。

(a) 12 kW-3 min (b) 15 kW-3 min

(c) 18 kW-3 min (d) 18 kW-5 min

表3 巖石的損傷狀態測量結果

圖11 巖石表面損傷狀態多指標對比

4 微波照射巖石數值模擬結果

4.1 表面溫度場分布

微波照射巖石的數值仿真技術相較于現場試驗能夠探究巖石內部的溫度以及諧振腔內電場的分布,方便進一步探究巖石表面破碎特性,但是同時也存在不確定性。不同條件下試樣表面的溫度場分布情況如圖12所示。從模擬結果來看,試樣表面溫度由試樣中心向四周輻射,由于在模擬仿真過程中未考慮巖石內部應力的變化,因此溫度存在連續性。同時,還可以看出,微波在照射巖石過程中部分反射到金屬腔體內,對巖石側面產生不均勻輻射,引起側面溫度的不均勻升高。

4.2 內部溫度場分布

在微波照射過程中,微波能吸收區域集中于巖石上表面,通過試驗僅能夠觀測到巖石表面的溫度變化情況,借助數值模擬可以清晰地了解巖石內部溫度場分布情況,如圖13和圖14所示。由多切面圖可知,巖石內部的溫度由表及里逐漸降低,等溫線形態整體呈倒錐形分布。這是由于隨著微波向巖石內部傳播,電場強度急劇降低,隨之能量損耗急劇增加,在有限的微波傳播距離內,能量完全損耗,導致溫度變化也越來越小。

根據不同微波功率和不同照射時間下巖石內部(以上表面中心點所在的軸線為例)的溫度變化數據繪制曲線圖進行量化分析,如圖15—16所示。

圖12 微波照射后試樣表面溫度場

圖13 巖石內部溫度多切面圖

圖14 巖石內部等溫線圖

圖15 不同功率下溫度變化

圖16 不同照射時間下的溫度變化

由圖15可知,上表面中心點到巖石內部的溫度變化皆呈現急劇下降的趨勢。以微波向下的傳遞距離作為指標,照射時間相同時,不同功率下,微波的向下傳遞距離基本趨于一致,至138 mm時,能量基本全部消散不再傳播。相同微波功率不同照射時間下,微波向下傳遞距離表現出明顯的差異性,18 kW-1 min條件下,傳遞至59 mm時,微波能量全部耗散;18 kW-3 min條件下,傳遞至138 mm時微波能量全部耗散; 18 kW-5 min條件下,傳遞至177 mm時微波能量全部耗散完畢。

4.3 電場強度和能量密度

能儲存電能的材料稱為介電材料,當巖石受到外加電場時會吸收電能,而電能隨后又會以熱能的形式損耗(介電損耗)。材料的介電常數由實部和虛部組成,公式為[23]：

ε=ε′-jε″。

(3)

式中:ε′為介電常數實部,是材料被極化和儲存能量能力的度量;ε″為損耗因子,是材料將儲存的能量消散為熱能的一種度量。

電場強度能夠描述電場的能量特性,巖石在電磁場中的微波加熱及能量轉換機制可以用電場能量密度[24]表示:

W=PΔt=2πε0ε″E2fΔt。

(4)

式中:W為電場能量密度,J/m3;P為損耗功率密度,J/(m3·s-1); Δt為與初始值的時間差,s;ε0為介電常數,8.85×10-12F/m;f為微波頻率,GHz。

由式(4)可知,電場能量密度與電場強度的平方成正比,電場強度越大,隨之能量密度也越大。對巖石試樣表面和內部的電場狀態進行描繪,微波條件為12 kW-3 min時的電場分布如圖17所示。

由圖17(a)—(b)可知,微波在空氣中傳播時電場強度極高(見圖17(a)波導管中),最大值可達1.36×105V/m,隨著微波接觸巖石表面,深入到巖石內部,強度急劇折減。這是由于巖石吸收微波能力有限,部分微波會通過巖石表面反射回波導管或者腔體內部,反射至腔體內部的微波會持續地以較低的強度輻射巖石四周。在巖石表面中心點區域電場強度較高,為1.91×104V/m;巖石內部電場強度在各切面上分布均勻,整體呈倒錐形沿中心軸線急劇降低。

4.4 巖石升溫特性

微波照射巖石過程中,巖石試樣吸收的電能會以熱能的形式損耗,進而引起巖石試樣溫度升高,出現破碎損傷。根據熱力學定律,巖石溫度升高和所需要的能量之間的公式為[21]：

(5)

式中: ΔT為巖石相對于初始值的溫度,℃;C為比熱容, J/(kg·℃);ρ為巖石密度,kg/m3。

由式(5)可知, 巖石溫升特性與能量密度和電場強度之間存在定量關系,且分別與電場能量密度和電場強度的平方均線性相關。

5 試驗結果與數值模擬結果對比分析

5.1 試驗結果與數值模擬結果擬合

為驗證模擬的可靠性,以18 kW-5 min條件下的巖石試樣為例,對中心點溫度隨時間的變化與試驗數據進行對比擬合,如圖18所示。由圖可知,試驗值擬合直線R2=0.989 67,模擬值擬合直線R2=0.999 27,且兩者擬合直線走勢基本趨于一致。假設將外界因素視作唯一因素,采用單因素方差分析法對2組數據的誤差顯著性進行分析對比,分析結果如表4所示。由表中2組均方差數值對比可知,方差差異性主要來自組內差異,組間差異值極小。表4中顯示顯著性為0.976 821,一般顯著性水平取0.05,1-0.976 821=0.023 179<0.05,說明試驗結果和模擬結果誤差在允許范圍內。

(a) 整體電場分布

(b) 微波照射路徑

(c) 多切面電場分布

(d) 表面電場分布

圖18 試驗值與數值模擬值對比

表4 方差分析結果

5.2 巖石破碎損傷特性

為進一步探究巖石的破碎損傷特性,基于試驗和數值模擬,通過調整微波發射功率來控制電場強度大小,對比3 min時不同微波發射功率下的結果。其中,12 kW時巖石表面電場強度為19 100 V/m,15 kW時對應21 400 V/m,18 kW時對應23 500 V/m,探究電場強度和巖石表面中心溫度特性以及破碎面積之間的關系,如圖19所示。

由圖19可知,隨著巖石表面電場強度的增大,表面中心溫度和破碎面積比例均增大,且呈現出相同的增長趨勢。這是由于微波照射下的巖石破碎損傷主要與電場強度有關,電場強度的強弱E2會導致巖石不同部位能量密度W分布不均勻,進而引起溫度ΔT梯度變化,產生不同的熱膨脹,導致破碎損傷發生。

5.3 巖石損傷演化

巖石材料的損傷演化是一個漸變的過程,由式(3)—(5)可知,微波照射巖石升溫破壞的過程其原理在于對巖石施加了外加電場,巖石內部物質吸收電能,溫度升高,集聚的熱量達到一定程度突然消散,引起巖石損傷破碎。針對具體的巖石條件和微波照射條件,結合試驗所監測到的溫度變化規律,可將試樣的損傷分為3個階段,如圖20所示。

圖19 電場強度與溫度特性、破碎面比例的關系

圖20 巖石不同階段損傷演化

由圖20可知,微波照射巖石第1階段,巖石上表面平整,微波反射較少,大部分微波能量被巖石上表面吸收,巖石內部能量開始累積,溫度急劇升高;第2階段,當微波照射時間進行至100 s時,部分巖體達到溫度臨界點,相互之間產生熱膨脹,熱量瞬時釋放,發生破碎,同時由于巖石破碎,導致溫度分布曲線出現波動;第3階段,微波照射繼續進行,破碎巖石上表面不再平整,累積能量效應變差,溫度升高趨勢變緩,破碎的巖石熱膨脹作用降低,逐漸被融化成結晶狀。

5.4 數學模型回歸分析

設中心點溫度為因變量Y,微波發射功率和照射時間分別為自變量X1、X2,控制其他參數不變,探究三者之間的函數關系。建立線性回歸方程模型,函數表達式為Y=aX1+bX2+c,基于數值模型調整不同參數,設置9組模擬試驗,所得中心點溫度數據結果如表5所示。基于SPSS軟件對數據進行回歸分析,結果如表6所示。

表5 不同條件下中心點溫度數據

表6 回歸分析結果

由表6可知,調整后R2為0.942,擬合度為94.2%,擬合度高;顯著性值為0.000 1<0.05,說明方程整體具有顯著性。常量、X1(kW)和X2(s)參數顯著性均小于0.05,可得回歸模型方程式為:

Y=28.639X1+2.228X2-422.583。

(6)

從參數的標準化系數對比可知,0.931?0.299,因此微波發射功率對中心點溫度的影響程度遠大于微波照射時間。

由圖20可知,當巖石吸收微波能量,熱量積累達到340.5 ℃時開始釋放,巖石內部開始出現破碎損傷,此狀態已達到微波輔助破巖的既定狀態。隨著照射的繼續進行,巖石熔融狀態反而不利于微波輔助破巖,由此可得微波照射巖石應提高微波功率,縮短微波照射時間,使巖石在較短的時間內達到破碎損傷狀態。將破碎點溫度代入式(6),可得微波發射功率和微波照射時間之間的關系式:

X1=-0.077 8X2+26.645。

(7)

假設微波照射在極短的時間內完成,則可近似取X2=0,由式(7)可知,X1=26.645,因此可得本文試驗條件下當照射功率達到26.645 kW時,照射時間極短,同時又能對巖石試樣造成破碎性損傷,效果最佳。

6 結論與建議

1)玄武巖試樣的溫度隨著微波功率和照射時間的增加而增加,上表面溫度分布整體呈圓弧形向四周輻射,逐漸降低。不同的微波功率和照射時間對玄武巖表面會產生不同的升溫和破碎損傷效果。功率越高、照射時間越長,巖石升溫程度越大,巖石表面破碎面積越大,破碎點深度越深,裂縫數越多,裂縫也越長。

2)微波照射下的巖石破碎損傷主要與電場強度有關,巖石的溫升與電場能量密度、電場強度的平方成正比,電場強度的強弱會導致巖石不同部位能量密度分布不均勻,進而引起溫度梯度變化,產生不同的熱膨脹,導致破碎損傷的發生;微波在空氣中傳播時電場強度極高,隨著接觸巖石表面,深入到巖石內部,電場強度急劇折減;巖石的破碎損傷演化可以分為3個階段。

3)基于試驗和仿真數據構建關于巖石表面中心點溫度隨微波功率和照射時間變化的關系式:Y=28.639X1+2.228X2-422.583,發現微波發射功率對于巖石的升溫特性影響更為顯著,在本試驗條件下,當微波照射功率達到26.645 kW時,微波能在極短的時間內使巖石達到破碎損傷的狀態,照射效果最佳。

微波輔助破巖技術的最終搭載和應用環境應是開放式的環境,本文試驗條件為封閉式的多模諧振腔,后續將在本文研究基礎上,繼續進行開放式微波試驗平臺下的模型試驗和數值仿真模擬。