微波照射下岩石损伤CT试验研究*

戴　俊，师百垒，杨　凡，盛　骁，池佐华

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054；2.甘肃煤炭地质勘察院，甘肃 兰州 730000)



微波照射下岩石损伤CT试验研究*

戴俊1，师百垒1，杨凡2，盛骁1，池佐华1

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054；2.甘肃煤炭地质勘察院，甘肃 兰州 730000)

为了进一步研究微波照射下岩石内部损伤演化过程，分析微波照射下岩石内部裂纹产生及延伸情况，完善岩石强度劣化机理，采用CT技术对微波照射后不同产地2种花岗岩试件进行扫描，并计算其损伤变量，探讨不同产地2种花岗岩内部矿物成分对微波照射岩石损伤的影响，最后对平山县花岗岩不同含水率试件经微波照射后进行抗剪切试验。结果表明：通过CT探伤设备从细观分析可知，微波照射下岩石损伤是由岩石试件中“危险区域”内吸波矿物引起；不同产地的花岗岩，引发岩石损伤的“危险区域”不同；微波照射下岩石内部裂纹是由局部产生并延续扩展整个岩体试件，岩石强度下降是由吸波点劣化，其特性急剧衰变引起；花岗岩矿物成分中黑云母、角闪石介电常数较大，是主要的吸波矿物；岩石含水率的增加在微波照射下能加大岩石损伤程度，降低岩石抗剪切强度。CT技术对微波照射下研究岩石裂纹损伤及演化提供了一种细观的分析过程。

微波照射；岩石损伤；CT扫描；矿物成分

0　引　言

岩石开挖破碎是岩石工程所涉及的主要问题之一，现阶段，岩石破碎的主要方法包括等离子体破岩法、激光破岩法、机械破岩法、射弹冲击破岩法和微波破岩法等[1]，随着破岩技术的不断发展，这就要求对各种方法的机理进行深入研究。微波破岩是依据岩石内部矿物对微波的介电反应不同，而产生不同的变化，致使岩石裂纹的产生及强度的降低[2]。那么研究微波照射下岩石内部裂纹产生及变化的情况，即是什么矿物主导裂纹的产生，含水率对岩石抗剪强度有何影响具有一定价值意义。

自微波破岩技术提出以来，国内外对微波照射岩石强度劣化已有研究主要有：S.W.Kingman[3]提出并分析了微波辅助破岩现状及发展情况，进一步得到岩石矿物成分对微波辅助研磨矿物的影响。李文成[4]分析了微波破岩原理，提出了微波诱导崩落法新的采矿方法。戴俊[5-6]研究得到微波照射能够降低岩石强度，劣化岩石特性，钢纤维混凝土经微波照射后强度劣化具有一定规律性，还研究了微波照射对岩石抗冲击性能的影响规律。秦立科[7]应用数值模拟方法分析了微波场矿物颗粒温度分布及演化特征，从理论上推导了微波照射对岩石强度的影响。微波照射下影响岩石强度的主要因素有：岩石矿物组成、微波照射功率、微波照射时间、岩石含水率等。但是微波照射引起岩石内部裂纹损伤及演化过程还不成熟，CT技术能在不干扰试验进行的条件下，提供一种将外部试验条件与岩石内部某种特性变化相结合的检测方法[8]。文章以不同产地花岗岩试件为研究对象，通过微波照射后CT断层扫描技术，并结合相应的力学实验，可以得到微波照射下岩石内部裂纹损伤演化情况，从细观角度分析微波照射引起岩石裂纹损伤演化的主导因素。

1　CT技术原理

通过岩石的CT试验可以获取试验过程中能够反映岩石特性变化的数据和图像信息。由CT识别原理可知，CT数及其方差反映了物质的密度大小和密度分布情况，葛修润院士认为岩石损伤研究中真正关心的问题是损伤过程中岩石密度的变化，在一定条件下，可以直接用具有初始损伤的岩石材料密度和CT均值来进行损伤变量的计算[9]，其计算公式如下

(1)

式中Hrm0为初始损伤状态的CT均值；Hrm为任意损伤状态的CT均值；αe为初始损伤影响因子，其值应大于1；αc为闭合效应影响因子，其值与岩石孔隙率有关；m0为CT设备分辨率。

文中主要研究微波照射作用对岩石细观损伤演化的影响，其主要为岩石受热膨胀，未得到应力应变曲线，无需闭合效应影响系数修正，对初始损伤影响因子可根据已有结论对Hrm0，Hrm2个参数进行拟合确定，可得如下损伤变量D计算公式为

(2)

式中符号意义同上。

2　试验概况

2.1试验设备

本试验所采用的微波照射装置是一台工业微波炉，其额定电压为380V，输出功率0～10kW.整个试验装置由微波发射器和微波加热仓2部分组成，两者之间通过由合金构成的方形微波管道连接。CT探伤设备是由上海博钰医疗器械有限公司生产的型号为Brilliance16的PHLIPS16层螺旋CT机，原装工作站型号workspace，发射排为24排，速度0.4s，如图1所示。本试验还采用了磨平机、切片机、取心机、打磨机和切石机等。

图1　试验设备Fig.1　Test equipment(a)微波发生器　(b)CT探伤设备

2.2试样制备与试验方法

本试验选取河北省平山县花岗岩和陕西秦岭丰裕口花岗岩，依次通过取芯、切割、打磨，将选取的岩样加工成剪切标准试件，试件加工尺寸为φ50 mm×50 mm，如图2所示，放在干燥环境内静置48 h使其初始参数相同。将加工好的岩石试件在水中浸泡不同时间，通过浸泡时间来控制岩石的含水率，按照浸泡时间的不同分为4组：不浸泡、浸泡6 h，浸泡12 h，浸泡24 h；每组包含5个试件。将浸泡后的岩石试件经微波照射(参数设定为10 kW，6 min)后做岩石抗剪切试验，试件的冷却方式为浸水冷却。

图2　岩样标准试件图Fig.2　Sample standard specimen(a)陕西秦岭花岗岩岩样　(b)2种地方花岗岩岩样对比

3　试验结果与机理分析

3.1微波照射后岩石的CT扫描试验

微波照射后，对产地不同的2种花岗岩第一组试样进行CT扫描，扫描前后对比如图3所示，图中标定了诱发损伤的“危险区域”，并根据(2)式计算微波照射下各岩石的损伤变量，见表1.

从图3可知微波照射下岩石损伤是由含吸波物质的一些“危险区域”引起的，从图2(b)图可以看出平山县花岗岩经微波照射后其损伤有3处，从其中2处可以看到存在裂纹，且2处裂纹区域贯通，其他部分明显变暗；从d图看出花岗岩经微波照射后产生了一出裂纹，其余未观察到明显的损伤形成。

图3　微波照射前后25 mm扫描层对比示意图Fig.3　Contrast diagram of 25 mm scanning layer after microwave irradiation(a)照射前河北平山县花岗岩　(b)照射后河北平山县花岗岩(c)照射前陕西秦岭花岗岩　(d)照射后陕西秦岭花岗岩

扫描范围扫描层序号河北平山县花岗岩CT数损伤变量陕西秦岭花岗岩CT数损伤变量11409.70.04951693.70.011721412.80.04611684.20.0209整个图层31418.40.03981687.40.017741395.50.06581693.50.011851420.60.03731685.60.019511289.70.19811542.90.173521292.60.19421543.60.1727危险区域31290.20.19741534.70.183241287.50.20111535.40.182451282.30.20821533.20.1850

把表1中数据用图的形式表示出来如图4所示，可以看出，“危险区域”损伤变量值比整个图层大得多，平山县花岗岩损伤变量值高于秦岭花岗岩，平山县为黑云母闪花岗闪长岩，岩石主要有斜长石其次是石英和微斜长石组成；秦岭花岗岩为黑云母二长花岗岩，岩石主要由2种长石和石英组成。平山县花岗岩所含的黑云母比秦岭花岗岩多，且另含有角闪石和磁铁矿，黑云母、角闪石、磁铁矿的最大介电常数分别为9.28，8.5，81，这些矿物在微波照射下反映显著，与相邻其他矿物形成巨大差异，损伤变形不一致，形成较大内部应力，由此引起裂纹的形成及扩张，致使岩石丧失力学性能。所以矿物成分是微波照射下引起岩石损伤的根本。

图4　微波照射后花岗岩损伤变量曲线图Fig.4　Granite damage variable curve after microwave irradiation

经花岗岩矿物成分检定，河北平山县花岗岩成分及粒径结构为：半自形结构，粒径0.5～5 mm，石英20%～30%，斜长石40%～50%，微斜长石20%～30%，角闪石5%～10%，黑云母10%，其余为少量辉石、磁铁矿和磷灰石；秦岭花岗岩成分及粒径结构为：花岗岩变晶结构，粒径0.5～4 mm，石英30%～40%，斜长石30%～40%，微斜长石20%～30%，黑云母5%，锆石1%左右。

3.2对微波照射后岩石的抗剪切试验

为了进一步研究微波照射后岩石力学性能变化规律，在不同含水率(不同浸泡时间)下采用岩石剪切试验机对平山县花岗岩经微波照射后(10 kW，6 min)做抗剪切试验，其试验数据结果见表2.给出了在不同浸泡时间、不同剪切角度下花岗岩破坏荷载、正应力、剪应力及内摩擦值等数据，由此可以分析微波照射下含水率对岩石损伤的影响。

表2　河北平山县花岗岩抗剪切试验数据

由表2岩石抗剪切试验数据分析可知，未浸泡组与浸泡组相比，浸泡后经微波照射的岩石试件，抗剪强度普遍降低；照射组的岩石试件抗剪切强度与原试件相比，均有所降低，但由于数据存在离散性，所以不具有明显的线性关系；浸泡6 h经微波照射后的岩石试件55°，65°，75°抗剪切试验切应力较未浸泡组分别降低7.54%，35.57%，37.32%，浸泡12 h与浸泡6 h相比切应力分别降低3.85%，52.29%，-24.03%；65°，75°抗剪切试验切应力数值基数较小，因而对照前后切应力降低幅值较大，而浸泡12 h与6 h相比微波照射后75°抗剪切试验切应力出现未减反增的现象，初步分析是由于试验数据误差造成；以55°抗剪切试验数据作为主要参考值，对平山县花岗岩浸泡6 h后再进行微波照射，损伤程度较明显。造成试验数据一定离散性的主要因素有：用水浸泡控制岩石含水率的不确定性、岩石试样间的差异性、剪切试验过程的差异性、微波照射岩样的差异性、人为读数及计算误差等。

4　结　论

1)微波照射下岩石的裂纹损伤演化表现出局部化特征，河北平山县花岗岩损伤变量值大于秦岭花岗岩，局部“危险区域”损伤变量值远大于其他区域，花岗岩的裂纹损伤主要取决于黑云母、角闪石、磁铁矿等吸波物质；

2)微波照射下岩石内部水分汽化，产生蒸汽压力促使岩石内部裂纹的形成和发展，岩石含水率的变化使岩石介电特性发生改变，从而影响岩石裂纹演化情况；

3)含水率对微波照射后岩石抗剪切强度影响显著，抗剪强度、破坏荷载等都随着含水率的增加而减小，在试验设定的含水率变化范围内，岩石试件的含水率越高，经微波照射后损伤程度越大，损伤的离散性越强。

References

[1]刘柏禄，潘建忠，谢世勇.岩石破碎方法的研究现状及展望[J].中国钨业，2011，26(1)：15-18.

LIU Bo-lu，PAN Jian-zhong，XIE Shi-yong.On the research development of rock fragmentation and its prospect[J].China Tungsten Industry，2011，26(1)：15-18.

[2]戴俊，孟振，吴丙权.微波照射对岩石强度的影响研究[J].有色金属，2014(3)：54-57.

DAI Jun，MENG Zhen，WU Bing-quan.Study on impact of rock strength by microwave irradiation[J].Nonferrous Metals，2014(3)：54-57.

[3]Kingman S W，Jackson K，Cunbane A.Recent developments in microwave-assisted comminution[J].Mineral Processing，2004(74)：71-83.

[4]李文成，杜雪鹏．微波辅助破岩新技术在非煤矿的应用[J]．铜业工程，2011(4)：1-4.

LI Wen-cheng，DU Xue-peng.Application of microwave-assisted rock breaking in metal mines[J].Copper Engineering，2011(4)：1-4.

[5]戴俊，吴涛，曹东，等．微波照射后钢纤维混凝土强度劣化研究[J]．西安建筑科技大学学报：自然科学版，2014，46(1)：6-9.

DAI Jun，WU Tao，CAO Dong，et al.Study on the strength weakening rule of steel fiber reinforced concrete after microwave irradiation[J].Journal of Xi’an University of Architecture & Technology：Natural Science Edition，2014，46(1)：6-9.

[6]戴俊，师百垒，吴涛．微波照射对岩石抗冲击性能的影响[J]．河南科技大学学报：自然科学版，2016，37(1)：64-67.

DAI Jun，SHI Bai-lei，WU Tao.Impact of rock impact resistance by microwave irradiation[J].Journal of Henan University of Science and Technology：Natural Science，2016，37(1)：64-67.

[7]QIN Li-ke，DAI Jun.TENG Peng-fei.Study on the effect of microwave irradiation on rock strength[J].Journal of Engineering Science and Technology Review，2015，8(4)：91-96.

[8]任建喜，冯晓光，刘慧.三轴压缩单一裂隙砂岩细观损伤破坏特性CT分析[J].西安科技大学学报，2009，29(3)：300-304.

REN Jian-xi，FENG Xiao-guang，LIU Hui.Stability analysis for excavated section of shield tunnel[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2009，29(3)：300-304.

[9]葛修润．岩土损伤力学宏细观实验研究[M]．北京：科学出版社，2004.

GE Xiu-run.Experimental study of macro mesoscopic on ground and soil damage mechanics[M].Beijing： Science Press，2004.

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责任编辑：刘洁

国家自然科学基金资助(51174159)

戴俊(1964-)，男，贵州安顺人，教授，博士生导师，E-mail：1098437146@qq.com

TD 921.2

A