微波照射下含水率对岩石强度弱化的影响

戴 俊，李传净，杨 凡，师百垒

(西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安710054)

0 引 言

近年来，微波技术所具有的快速加热、内部加热及选择性加热等优点受到国内外许多专家的青睐，相继开展了利用微波辅助以破碎岩石的一系列研究工作，并取得了不错的成果。S.W. Kingman[1]研究了岩石矿物成分对微波辅助研磨矿物的影响；戴俊等[2]分析了在微波照射辅助下，岩石强度变化现象的影响规律；秦立科[3]从理论上推导出了微波照射对岩石强度的影响；李文成[4]提出了微波诱导崩落法这一新的采矿方法。以上研究均未考虑水的影响，而岩石往往处于地下水环境中，在水岩相互作用下[5]，不同含水率对岩石的性质必然存在影响。O. Ojo和N. Brook[6]提出了岩石抗拉和抗压强度会

随着含水率的增加而变小，呈负相关规律；R. Ulusay[7]提出了岩样单轴抗压强度与含水率呈现负指数函数变化规律；黄彦森[8]等分析了不同含水率条件下白云岩的变形特性和强度变化规律；文圣勇[9]等将声发射技术应用到岩石破碎上，对砂岩展开常规单轴压缩试验，分析岩石在不同含水率作用下的声发射特点；唐鸥玲[10]等通过对砂岩进行不同含水率以及不同围压条件作用下的三轴试验，探讨含水率对岩样渐进破裂过程的影响规律。

以上研究分别阐述了微波照射和含水率对岩样损伤的影响规律，然而考虑微波照射下含水率对岩石强度弱化影响的研究鲜有报道。为此，本文对玄武岩进行微波照射，通过CT扫描试验和抗剪强度试验，得到岩样内部损伤分布情况，以探讨经微波辐射的不同含水率的岩样的强度弱化规律。

1 试验方法

1.1 试样制作

本试验选用的岩石试件为内蒙古自治区赤峰市的玄武岩，经过取芯、切割、打磨作业，将岩样加工成高50 mm、直径50 mm的圆柱体。然后将岩样放入104～110 ℃的烘箱中干燥24 h后，再置于干燥器内进行冷却直至室内常温。通过控制岩样的浸泡时间来改变岩石的含水率。根据浸泡时间，将岩石试件分为4组(分别浸泡0、6、12、24 h)，每6个试件为1组。设备包括：微波加热装置即工业微波炉、型号Brilliance16的PHLIPS16层螺旋CT机、自动取芯机、自动切石机和双端面磨平机。

图1 岩样120 mm扫描层CT图像

图2 岩样250 mm扫描层CT图像

1.2 试验步骤

①选取岩石试样，根据要求对试样完成分组加工操作；②对选定岩石试件进行微波照射试验，微波设备参数设定为8 kW、3 min；③对经过微波辐射后的岩样进行CT扫描操作，获得岩样内部受损及表面裂缝状况；④测取岩样的力学强度，对经过微波处理后的岩样进行抗剪切试验；⑤对数据进行归纳总结，观察经过微波辐射前后，随着含水率的改变，岩石强度的弱化、裂痕延伸和相关破坏特征。

2 试验结果及分析

2.1 CT扫描试验结果

本次试验对经过微波辐射后的玄武岩岩样进行了CT扫描，并分别分析岩样120 mm和250 mm扫描层的CT图像。扫描层数据见表1、2。扫描层CT图像见图1、2。

表1 120 mm扫描层CT数据

表2 250 mm扫描层CT数据

从表1、2中可以看出，岩样在经过微波辐射处理后，由于岩样含水率的不断增高，CT数总体上呈下降趋势，而CT数方差逐渐变大。这表明经过微波处理后的岩样，随着其含水率的不断增高，岩样的损伤破坏也在逐步加深，且其离散性也随之增强。经过辐射处理之后，对比分析岩样的CT数不难发现，250 mm处的CT数要相对小一点，这也就说明了在岩石含水率特定时，该扫描层的岩石整体损伤破坏程度相对于120 mm扫描层的损伤程度大。由此可见，当含水率特定时，经过辐射处理后，相同岩样的不同层面会发生不一样的损伤变化，并呈现某种扩展特性，也就是岩样损伤演化过程的不均匀性。

表3 抗剪试验结果

从图1、2可以看出，随着岩石含水率的不断提高，岩石同一层面的损伤破坏也在逐步加剧；岩石的含水率特定时，经过微波照射处理后的岩样在相同面处的不同区域，其损伤演变过程会呈现出局部化特性。经过微波辐射之后，岩样率先在其内部和边缘部分受损，从图像明显看出，其颜色逐渐暗淡，且边缘部分出现了裂痕。这是因为微波辐射有一定的选择性，会优先选择加热吸波矿物，这些矿物对微波更为敏感，更容易吸收微波能量。经过微波处理之后，由于接受了微波的能量，吸波矿物的温度也随之逐渐增加，这就造成吸波矿物与其相邻的透波矿物产生了一定的温度差，从而产生了热应力。在该热应力的影响下，透波区域产生了损伤，导致了岩样的损伤呈现局部化的特点。在相同含水率状况下，250 mm扫描层裂痕比120 mm的要少，这是因为岩样在经过微波照射处理后，紧接着进行水中冷却操作，在岩样和水的接触部分，热应力差更大，加之岩样边缘变形没有任何限制，导致岩样外部裂痕比内部多。

2.2 抗剪强度试验

为进一步研究微波照射后不同含水率对岩石强度的损伤规律，对不同含水率内蒙古赤峰玄武岩经微波照射后(8 kW、3 min)进行剪切试验，试验数据见表3。从表3可知，浸泡之后再经过微波辐射的岩样，其抗剪切强度普遍下降。与原岩样对比，照射组的岩样抗剪强度也呈下降趋势。浸泡12 h的岩样在经过辐射处理之后，将其55°、65°、75°抗剪试验切应力与0 h组对比发现，切应力分别降低了20.12%、-35.13%、13.83%；而浸泡24 h与浸泡12 h的岩石试件相比，切应力分别降低了1.85%、64.4%、-19.62%。因此，经过辐射处理后的岩样的抗剪切强度与岩样含水率表现出某种相关性，即随着岩样含水率的不断增高，在经过微波处理之后，岩样抗剪切强度也逐渐下降。表3中个别数据不符合该规律，如浸泡12 h与6 h的岩样，75°抗剪试验切应力并未下降反而有所增加，这是因试验结果的误差所导致的。综上，岩样在浸泡12 h后，再对其进行微波处理操作，岩样的损伤破坏程度更加明显。此结论与前述CT扫描所得结论一致。

表4 抗剪试验破坏形态

2.3 破坏特征

未经过辐射处理的岩样，在进行抗剪试验后，其剪切面较为平整。岩样经过微波照射试验之后，再对其展开抗剪试验，其剪切面的形态也呈现出规律性。抗剪试验破坏形态见表4。从表4可知，随着含水率的增高，经过微波辐射后，岩样剪切面周围的裂痕增多，剪切破坏后，岩样整体破碎程度随之加剧。试验结果表明，岩样含水率越高，经过辐射处理后，岩样的受损破坏愈加剧烈。在对岩样进行抗剪试验前，因为含水率存在差异，经过辐射处理后，岩样的受损伤破坏的状况也存在差异，其内部生成的微裂痕数目也不一样。而后在进行剪切试验的过程中，经微波处理产生的微裂缝会延伸、分叉和贯通，最后导致了岩样的破坏性损伤，此后岩样整体呈现出不一样的破坏情况。分析原因，岩样中的水分使矿物的介电常数激烈增加，在辐射条件下，岩样内部受热水分蒸发；同时，微波照射下水分也开始发生汽化，在岩样内部产生了较大的蒸汽压力，使岩石裂痕扩大或者又产生新的裂痕，从而使岩石强度下降。

3 结 语

本文在岩样含水率变化的条件下，对岩样进行了微波辐射试验，并对经过微波处理后的岩样进行了CT扫描操作，得出以下结论：

(1)岩样的含水率越高，经过微波辐射处理之后，其受损破坏水平越严重，损伤的离散性也随之增强，并呈现出局部化特征。

(2)含水率对经过微波照射后的岩样的抗剪切强度影响比较明显，抗剪切强度随着含水率的增加而变小，两者成负相关关系；其破坏特征亦随着含水率的改变而发生变化，具体表现为试件剪切面附近裂痕增多，经过剪切破坏后，岩样整体破碎加剧。在本文试验含水率变化区间之内，岩样的含水率越高，经过微波处理之后，其破坏损伤程度越大。

参考文献：

[1] KINGMAN S W, JACKSON K, CUNBANE A. Recent developments in microwave-assisted comminution[J]. Mineral Processing, 2004, 74(1): 71- 83．

[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： 选矿部分, 2014(3)： 54- 57．

[3] QIN Like, DAI Jun, TENG Pengfei. Study on the effect of microwave irradiation on rock strength[J]. Journal of Engineering Science & Technology Review, 2015, 8(4)： 91- 96．

[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．

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[9] 文圣勇, 韩立军, 宗义江, 等．不同含水率红砂岩单轴压缩试验声发射特征研究[J]. 煤炭科学技术, 2013, 41(8)： 46- 48．

[10] 唐鸥玲, 李天斌, 陈国庆. 含水率对砂岩渐进破裂过程影响的试验研究[J]. 实验力学, 2016, 31(4)： 503- 510．