微波照射后花岗岩动力响应及破碎特征

朱清耀，戴 俊，贠菲菲,2，翟惠慧，张 敏，冯立人

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054；2.陕西省现代建筑设计研究院，陕西 西安 710043；3.西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710021)

硬质岩石破碎是困扰矿产资源开发、隧道掘进等工程的主要问题之一。在保证围岩稳定性的前提下，高效率、低成本地破碎岩体是当前亟待解决的难题之一。传统的岩体破碎方式主要以爆破法和机械开挖法为主，爆破法存在着原岩扰动大、粉尘多和噪音大等特点，而机械开挖法在岩体破碎过程中具有成本高、机械刀头磨损严重和在多山地丘陵地区移动困难等特点。因此，寻求一种高效、经济的破岩方式是各类工程追求的目标[1-4]。

相关文献[5-9]表明，温度能使岩石内部矿物成分发生化学变化，从而对岩石强度、变形及稳定性产生一定程度的影响。随着科学技术的更新迭代，微波加热技术因具有整体性加热、选择性加热和节能高效等特点，在选矿业、混凝土粗骨料剔选和微波辅助机械破岩等方面得到广泛研究[10-12]。HARTLIEB P[13-14]等通过测试纵波波速、测量温度等方法分析了微波加热后花岗岩等岩石的损伤变化，得出矿物成分对岩石的热物理学性质有重要影响的结论；HASSANI F[15-16]等采用工业微波炉对不同地区花岗岩和苏长岩进行微波照射试验，并对其进行单轴抗压强度和抗拉强度的测试，测试结果表明：随着微波功率的升高，试件抗压及抗拉强度均降低，高功率下甚至出现崩裂现象；刘志义[17]等将微波加热装置与霍普金森压杆相结合，分析了磁铁矿石宏观力学性质和微观结构特征，研究结果表明：微波加热磁铁矿石主要经历拉伸破坏和拉伸剪切破坏2个阶段；乔兰[18]等分析了岩石围压和加热路径对花岗岩强度影响的优先级顺序，提出了“水压致裂+微波照射”的组合方式来破坏深部岩石的新思路；戴俊[19-22]等对微波照射后的不同种类岩石进行基础力学试验，分析了微波照射对岩石强度的影响因素，研究结果表明：岩石类型、内部矿物成分、粒径尺寸和冷却方式等均会影响微波照射后岩石的损伤程度；卢高明[23]等采用3种方式对不同形状的岩石进行微波加热，得出了低功率长时间照射试件熔融，而高功率短时间照射试件发生崩解但并未熔融的结论；戴俊[24]等通过钢筋拉拔试验，分析了微波加热对钢筋与混凝土界面黏结的影响程度，得出了较高功率下钢筋混凝土由拉拔劈裂转变为拉拔滑移的结论。

在实际掘进过程中，岩石所受荷载以动荷载为主，但目前关于微波辅助机械破岩领域的研究多侧重于静载力学方面，而关于微波照射引起岩石动态力学性质变化的研究较少。已有研究[25]表明，在动荷载冲击作用下，由于其作用时间较短，致使能量和强度变化与静载情况下有较大区别。因此，采用静载代替动载研究载荷作用下岩石强度变化规律是不准确的。基于此，笔者以花岗岩为研究对象，采用霍普金森压杆(SHPB)与微波照射相结合的方法，并辅以高速摄影，探究不同含水状态下花岗岩动态力学性质及破碎特征，揭示微波对花岗岩强度弱化的作用机制，为后续研究提供参考。

1 试验概况

1.1 试件制备

参考现有研究成果[26]，试验选取具有较好吸波性质的湖北麻山花岗岩为主要研究对象。其外观颜色黑白相间，晶簇形态明显，质地坚硬致密，具有较高强度，主要矿物成分为石英、角闪石、黑云母等。通过取芯机钻取岩芯后利用双端面磨石机对其打磨平整，制得高径比为1∶1的φ50 mm×50 mm试件，共计150个。采用真空加压饱水装置和干燥装置分别对试件进行饱水、干燥处理，并测得其基本物理力学参数见表1。

表1 花岗岩基本物理力学参数Table 1 Basic physical and mechanical parameters of granite

1.2 试验设备

微波试验装置选用型号为ORW10SY-3T大功率工业微波炉，输出频率为2.45 GHz，最大输出功率为10 kW；微波照射前后试件纵波波速变化均采用NM-4B非金属超声波分析仪进行测试；采用YES-2000电液伺服试验机测试单轴抗压强度，根据预压试验结果，将加载速率控制在0.3 kN/s；岩石动态冲击力学试验采用西安科技大学岩土力学试验室φ50 mm分离式霍普金森压杆，如图1所示。试验中采用Photron公司的FASTCAM Mini UX100型高速摄影机(最大分辨率为1280×1240，摄像频率为4000帧/s)对岩石全破坏过程进行采集。

图1 分离式霍普金森压杆装置Fig.1 Split Hopkinson pressure bar device

1.3 试验方案

在前人[23-24]试验的基础上，通过对若干花岗岩试件进行预试验发现，试件在微波照射功率为6 kW、照射时间为6 min时熔融崩解，并导致其强度丧失无法进行后续力学性能试验，如图2所示。因此，将微波照射功率设定为0(未照射)，1.3，2.6，4.0，5.3 kW，照射时间为3 min，饱水试件和干燥试件均为25组，每组3个。

图2 试件熔融崩解Fig.2 Melting disintegration of specimen

静态单轴压缩试验采用YES-2000电液伺服试验机，加载速率为0.3 kN/s，分别对10组不同含水状态的花岗岩试件进行单轴压缩试验。根据试冲结果并结合不同微波照射参数将岩石动态冲击试验的冲击气压设为0.10，0.15，0.20，0.25 MPa进行加载，通过激光测速仪测得相应弹速约为6.5，8.8，11.5，13.8 m/s，利用二波法得到相应花岗岩试件的应变率。为了获得可靠稳定的动态应力-应变曲线，动态冲击压缩试验采用波形整形技术改善波形，通过凡士林将紫铜片滤波器与入射杆端部耦合，以消除波形间的高频震荡，减少弥散效应的发生，从而使花岗岩试件破坏前的应力波得以在试件内部反射3个来回，以达到试件内部应力均匀的要求。

为保证试验数据的准确性，对数据进行分析，验证其是否满足应力平衡所必须具备的2个条件：① 试件左右两端接触面的质点速度、位移连续；② 试件左右两端的入射杆内力等于透射杆。图3(a)为所测试件的原始波形，由于应变片分别粘贴在入射杆和透射杆上，子弹冲击过程中两处应变片接收信号时存在时差，因此需要对齐入射波、反射波和透射波的波头；图3(b)为试件两侧应力平衡的结果，可以发现对齐波头后入射波与反射波之和与透射波几近重合，试件左右两侧受力相等，满足应力平衡条件。

图3 典型冲击加载波形Fig.3 Typical impact loading waveform

2 试验结果及分析

2.1 岩石纵波波速变化

参考文献[27]，将未经微波加热处理的花岗岩纵波波速作为初始波速V0，将任意微波功率照射后的花岗岩纵波波速Vw与其作比值进行归一化处理，得到花岗岩纵波波速变化曲线如图4所示。

图4 微波照射后岩石纵波波速变化曲线Fig.4 Longitudinal wave velocity curves of rock after microwave irradiation

由图4可知，经微波照射后的干燥和饱水花岗岩试件纵波波速均随微波照射功率增大而降低，且干燥和饱水花岗岩平均纵波波速归一值随微波照射功率的增大呈相同的趋势。当微波照射功率不同时，干燥试件和饱水试件的纵波波速相较于未照射时的纵波波速均有衰减，干燥试件衰减了10.4%，15.8%，32.2%，41.4%，饱水试件衰减了21.3%，25.4%，41.8%，50.8%。因此，说明微波辐射使得花岗岩强度降低，且花岗岩内部的结构水分加剧了岩石的损伤劣化。当微波照射功率小于1.3 kW时，饱水试件的纵波波速显著大于干燥试件的纵波波速，这是由于饱水花岗岩试件内部本身含有少量结晶水，超声波纵波在水中的传播速度远大于在空气中传播的速度，从而使得饱水试件的纵波波速远大于干燥试件的纵波波速。试件表面温度变化情况见表2，当微波照射功率大于1.3 kW而小于等于2.6 kW时，试件表面温度最高可达209℃，此时饱水试件的纵波波速略小于干燥试件，推测是由于在较低微波功率作用下，岩石内部部分矿物成分吸波产生膨胀应力而内部结构水受热产生蒸汽压力，导致岩石试件内部部分微孔隙产生闭合的同时水蒸气更难逸出，从而使岩石内部先前部分闭合的微孔隙重新张开，间接表明了饱水试件的纵波波速略小于干燥试件的原因。当微波照射功率大于2.6 kW时，饱水花岗岩试件内部矿物成分迅速吸波膨胀，新裂纹产生的同时伴随着新旧裂纹的贯通扩展，此时试件内部的结晶水迅速蒸发逸出，且在试件内部停留的时间极短，使得饱水试件的纵波波速与干燥试件的相差不大。

表2 不同微波参数下花岗岩表面温度Table 2 Granite surface temperature under different microwave parameters

2.2 静态单轴压缩试验结果

通过单轴电液伺服机对微波照射后花岗岩试件按照一定加载速率将其加载至破坏，测得其抗压强度数据，同时引入文献[22]中基于抗压强度的损伤变量理论，经计算将所得结果与静态抗压强度统一绘制成图，如图5所示。

由图5可知，经微波照射处理的花岗岩试件的抗压强度较未照射的均有所降低。未照射处理的花岗岩试件的抗压强度约为165 MPa，干燥花岗岩试件在1.3，2.6，4.0，5.3 kW微波照射功率下，抗压强度分别下降了8.5%，18.4%，44.8%和59.6%；饱水花岗岩试件在相同的微波照射功率下，抗压强度分别下降了9.3%，21.9%，41.5%和58.9%，抗压强度随微波照射功率的增加而下降。对比图5中0～2.6 kW微 波照射功率范围内不同含水状态花岗岩试件抗压强度变化情况，发现饱水花岗岩试件的抗压强度略低于干燥花岗岩试件，推测是由于在较低微波照射功率下，花岗岩试件内部部分矿物成分受热膨胀填充了试件本身固有的部分微孔隙；但花岗岩试件本身属于致密性岩石，饱水试件内部的结晶水受热挥发难以逸出，促使经由部分矿物成分膨胀闭合的微孔洞重新打开，所以宏观表现为饱水花岗岩试件的强度较干燥花岗岩试件的略低；而当微波照射功率大于2.6 kW时，饱水花岗岩试件的抗压强度与干燥花岗岩试件的相近，这是由于在较高微波功率照射下，花岗岩试件内部矿物成分迅速受热膨胀，试件内部大量微孔洞、微裂隙产生，新旧裂纹贯通扩展，导致水蒸气在试件内部停留时间极短，从而宏观表现为饱水花岗岩试件与干燥花岗岩试件的抗压强度相差不大[29-31]。

图5 不同含水状态花岗岩试件单轴抗压强度及 损伤结果对比Fig.5 Comparison of uniaxial compressive strength and damage results of granite in different water bearing states

2.3 微波照射试验能量转换规律

电介质吸收微波电磁能后使得自身温度提高，根据热力学定律，引入文献[28]中关于电介质温度上升至指定温度所需吸收的能量表达式为

式中，PC为电介质比热容，J/(kg·℃)；ρ为电介质密度，kg/m3，ρ＝M/V；M为电介质质量，kg；V为电介质体积，m3；TΔ 为电介质温度增量，℃；tΔ为电介质产生温度增量所对应的时间增量，s。

将式(1)进行转换可得：

岩石试件的体积不考虑尺寸效应，按标准试件的尺寸进行计算。

微波反应腔内的电磁能绝大部分用于加热物料，但同时有部分能量发生损耗。因此，微波能量转换关系式为

式中，WS为微波输入总能量，J；XW为被岩石试件吸收并转化为自身热能，J；LW为损耗的微波能量，J；P为所用微波功率，W；η为微波能量转换率，%。

根据微波照射前后试件表面升温情况，利用式(3)～(6)计算不同微波功率照射参数条件下吸收能和微波能量转换率，并绘制成图，如图6所示。

图6 不同微波功率照射下试件吸收能和微波能量转换率Fig.6 Variation law of the absorption energy and energy conversion rate of the specimen under different microwave irradiation power

由图6可知，不同微波功率照射下，花岗岩试件吸收的能量不同，对应的微波能量转换率也不同。饱水花岗岩试件能量转换率略高于干燥花岗岩，这是由于饱水花岗岩试件内部存在一定的结晶水，而水的介电特性高于岩石矿物成分，因此饱水花岗岩试件吸收的能量略多于干燥花岗岩。另外，各照射参数下的微波能量转换率整体较低，这是由岩石本身的物理性质和内部矿物成分含量决定的。当微波照射功率为4.0 kW时，能量转换率基本不发生改变；当微波照射功率为5.3 kW时，能量转换率有所增加，这是由于花岗岩试件的温度随着微波照射功率的增大而提高，试件比热容大小随之提高，导致能量转换率有所提高，但增幅并不显著。结合前述关于微波照射后岩石损伤变量变化规律分析，当岩石吸收能增加时，岩石的损伤程度也随之增加，即：1.3 kW照射时饱水花岗岩吸收能量为37.90 kJ，损伤变量为0.093；4.0 kW照射时饱水花岗岩吸收能量为135.02 kJ，损伤变量为0.415。经过对比发现在4.0 kW功率下，损伤变量增幅最大，同时微波能量 转换率增大，因此采用4.0 kW功率照射时能效最好。

2.4 动态单轴冲击压缩试验结果

2.4.1 应变-时间曲线分析

由于加热试验设置的微波功率为0～5.3 kW，每种功率又相应施加4种不同冲击气压，为保证试验所获得的动态应力-应变曲线的准确性，需要验证花岗岩试件的冲击过程是否在近似恒应变率下进行。限于文章篇幅，仅对微波功率为1.3 kW时的4种不同冲击气压所对应的应变-时间曲线(图7)展开讨论。

图7 不同冲击气压下应变-时间关系Fig.7 Strain-time relationship under different impact pressures

由图7可知，在0.10 MPa冲击气压下，加载时间为50 μs时应变基本为0，0～50 μs时应变平均变化率为0；150 μs时应变为0.0095，50～150 μs时应变平均变化率为95.00 s-1；180 μs时应变为0.010，150～180 μs时应变平均变化率为16.66 s-1；180 μs以后应变开始降低。通过数据对比发现，在0.10 MPa冲击气压加载时间为0～50 μs时，应变变化缓慢；50～150 μs时应变快速增大；150～180 μs时应变缓慢增加；180 μs以后应变降低。

0.15，0.20，0.25 MPa冲击气压下应变-时间关系曲线变化趋势与0.10 MPa的相似，曲线变化趋势分为4个阶段：加载初始阶段应变缓慢增加，部分曲线有下凹趋势，此时曲线斜率在小范围内变化；加载中期应变快速增加，但曲线斜率变化较小，近似呈直线变化，即试件处于应变均匀变化的状态，此过程所用时间较长，因此，可以认为是在近似恒应变率下进行的冲击压缩试验；加载中后期应变缓慢增加，此时试件已经破坏，但由于岩石试件在破坏后仍与入射杆接触，会产生一定变形，因此应变继续增大，但增加的速度已显著减慢；加载后期应变缓慢降低，此时试件破坏严重。

2.4.2 岩石动态应力-应变曲线变化规律

为了直观地表示冲击气压对花岗岩试件动态力学性能的影响，将同一功率微波处理后的花岗岩试件在4种冲击气压冲击作用下的应力-应变曲线置于同一坐标系，如图8所示。

图8 不同冲击气压下花岗岩试件动态应力-应变曲线Fig.8 Dynamic stress-strain curves of granite specimen under different impact pressure

由图8可知，在不同冲击气压下，花岗岩加载初期不同参数变化曲线的变化趋势较为相近，初始 弹性模量基本不变，即初始弹性模量并未随着冲击气压的增加而变化，这一阶段的曲线斜率基本保 持不变，岩石具有较好的线弹性变形特征。在加 载试验的中后期曲线斜率不断减小，此时试样已从弹性阶段进入屈服阶段，内部微裂纹不断拓展，同时伴随着新裂纹的不断产生，试样产生了塑性 应变。随着裂隙的增多，应变不断增加，当岩石 达到屈服强度时，试件丧失承载力，强度不再增加。

微波照射功率为0～5.3 kW时花岗岩试件动态峰值应力随着冲击气压的增强逐渐增大。其中，1.3 kW微波功率照射下，0.10 MPa时的峰值应力为78.41 MPa，相当于0.15 MPa峰值应力的84.11%；0.15 MPa时的峰值应力为93.22 MPa，相当于0.20 MPa峰值应力的75.76%；0.20 MPa时的峰值应力为123.05 MPa，相当于0.25 MPa峰值应力的83.67%。4.0 kW微波功率照射下，0.10 MPa时的峰值应力为62.20 MPa，相当于0.15 MPa峰值应力的85.37%；0.15 MPa时的峰值应力为72.86 MPa，相当于0.20 MPa峰值应力的88.34%；0.20 MPa时的峰值应力为82.48 MPa，相当于0.25 MPa峰值应力的90.50%。由以上分析可知，在不同微波照射参数下，冲击气压等级每提高0.05 MPa时，岩石峰值应力将提高10%～20%，提高幅度与岩石受损情况相关。

将0～5.3 kW范围内5种微波照射功率处理后的花岗岩试件在同一冲击气压作用下的动态应力-应变曲线绘制成图，如图9所示。

图9 不同微波功率照射下花岗岩试件动态应力-应变曲线Fig.9 Dynamic stress-strain curves of granite specimens under different microwave irradiation powers

由图9可知，花岗岩试件的峰值应力随着微波功率的升高整体呈下降趋势。当冲击气压为0.10 MPa时，微波照射功率1.3，2.6，4.0，5.3 kW的动态峰值应力较无微波照射下的分别衰减了4.39，4.41，20.60，24.48 MPa，降幅分别为5.30%，5.32%，24.80%，29.50%；当冲击气压为0.20 MPa时，花岗岩试件峰值应力随着微波功率的提高分别下降了2.51%，8.25%，34.70%和39.60%，微波功率为1.3，2.6 kW照射下的花岗岩试件动态峰值应力下降并不显著，此时微波弱化效果较差，而在微波功率增至4.0 kW后，花岗岩试件峰值应力下降显著。在静态单轴压缩试验中，静态抗压强度随着微波功率的升高折减程度显著，且其折减程度远高于花岗岩试件动态折减程度。推测是由于当微波功率低于2.6 kW时，岩石内部孔隙结构变化较小，不足以引起较为显著的变化，导致其强度折减效果不佳。而当照射功率增加至4.0 kW后，动、静态抗压强度均折减显著，说明当微波照射功率大于一定界限时，花岗岩试件强度损伤显著。

2.4.3 干燥花岗岩动力特性参数变化规律

根据不同冲击气压下干燥花岗岩试件动态应力-应变曲线，得到不同微波功率照射下花岗岩试件动态弹性模量、动态抗压强度随应变率的变化规律，如图10～11所示。

图10 花岗岩试件动态弹性模量随应变率变化关系Fig.10 Dynamic elastic modulus of granite varies with strain rate

图11 花岗岩试件抗压强度随应变率的变化关系Fig.11 Compressive strength curves of granite with strain rate

由图10可知，当微波照射功率为2.6 kW时，在4个不同冲击气压下应变率从低到高排列为38.56，58.17，74.05，92.36 s-1(表3)，此时弹性模量对应为38，12，17，28 GPa，可以看出随着应变率的提高，弹性模量并未表现出显著的变化规律。推测原因为：弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，应变率是表征材料变形速度的一种度量，应变率与弹性模量间应呈正相关关系，当岩石内部受损出现裂隙，将导致应变率增大，而此时试件弹性模量和峰值应力均呈下降趋势。因此，可以认为应变率变化是受冲击气压和微波辐射两者共同影响。由于动态试验结果具有一定离散性，且试件个体存在差异性，导致弹性模量与应变率之间没有明显的规律，认为弹性模量是一个对应变率不敏感的参数，这与他人[32-34]研究结论一致。同时，对比图8的应力-应变曲线，直线上升段形状比较接近，当曲线斜率并未有太大差别时，弹性模量数值相近；当个别曲线上升段趋势变缓时，弹性模量数值下降。

表3 不同冲击气压下对应的应变率Table 3 Strain rates corresponding to different impact pressure

由图11可知，在1.3 kW微波功率照射下，应变率为40.15 s-1时，对应的峰值应力为78.41 MPa；应变率为76.18 s-1时，对应的峰值应力为123.05 MPa，说明在相同微波功率照射下，当应变率数值增大时，峰值应力随之增大。在不同微波功率下，应变率增大时应力峰值可能升高也可能减小。如，花岗岩在未照射下进行冲击试验时应变率为87.46 s-1，应力峰值为126.22 MPa；2.6 kW微波功率下应变率为58.17 s-1，应力峰值为86.93 MPa；在4.0 kW微波功率下应变率为130.85 s-1，应力峰值为91.60 MPa，出现这种情况，主要是因为岩石受微波辐射后内部产生损伤，从而影响岩石的变形过程，导致应变率产生变化。

2.4.4 水分对花岗岩动态力学特性影响

为探究水分对花岗岩动态力学特性的影响，参照静载力学试验结果，选取不同微波功率照射时 的饱水及干燥花岗岩试样进行SHPB试验，冲击气 压为0.20 MPa，将试验结果绘制成图，如图12所 示。

图12 饱水与干燥花岗岩在不同微波参数下 动态力学特性对比曲线Fig.12 Comparison curves of dynamic mechanical properties of saturated and dry granite under different microwave parameters

由图12可知，在同一微波功率照射下，饱水及干燥花岗岩试件受相同冲击气压作用时，不同含水状态的花岗岩试件峰值应力相差不大。在微波照射功率为0～2.6 kW时，干燥花岗岩试件强度略高于 饱水花岗岩试件；当微波照射功率大于2.6 kW时，饱水花岗岩试件强度最初小于干燥花岗岩试件，但随着微波照射功率逐渐增大至5.3 kW时，不同含水状态下的花岗岩试件曲线峰值点相近，说明强度相差并不显著。推测其原因为当微波照射功率小于2.6 kW时，饱水花岗岩试件内部吸波矿物成分生热产生膨胀应力，闭合了花岗岩试件内部原有微裂纹裂隙，加之花岗岩属于致密性岩石，试件内部存在一定含量的结构水受热蒸发却难以迅速逸出，从而导致水蒸气在其内部停留时间过长，产生的蒸汽压力使原来闭合的部分微裂纹裂隙逐渐打开，使饱水花岗岩试件强度相对于干燥花岗岩试件强度呈略微降低的趋势；而随着微波功率逐渐增大甚至超过2.6 kW时，花岗岩试件内部矿物成分迅速吸波生热而膨胀，挤压其相邻矿物因子，造成微裂纹裂隙的大量萌生，加之试件内部本身固有的缺陷、孔洞及微裂隙，使得新旧裂纹迅速扩展、发育、融合贯通，试件内部水蒸气迅速逸出，造成饱水花岗岩试件强度与干燥花岗岩试件强度近似相等，这从侧面说明了当微波照射功率小于2.6 kW时，花岗岩所受到的影响是由水和微波生热共同造成的；当微波照射功率大于2.6 kW时，花岗岩所受影响主要由微波生热导致，水分的影响微乎其微，与前述静载力学试验所得结论一致。

2.4.5 冲击荷载作用下变形破坏特征

采用高速摄影技术对试件受荷载冲击破坏全过程进行摄像记录，可直观地反映试验过程中岩石受冲击荷载变形破坏的不同阶段及表征。试验中，高速摄影的拍摄信号与霍普金森杆操作信号同步，并通过强光照射增加试件的亮度，以便得到较为清晰的图像。限于篇幅，本文仅展示部分冲击气压下SHPB试验过程中岩石变形破坏全过程图像，如图13所示。

图13 不同参数下花岗岩变形破坏过程Fig.13 Deformation and failure process of granite under different parameters

由图13可知，随着微波功率和冲击气压的提高，试件破碎程度增大，出现大量细小碎块。采集的力学信息及图像信息清晰直观地反映岩石在SHPB试验过程中物理力学性质的变化趋势和其对应的破坏画面。将岩石裂纹扩展和破碎形态以及应力-应变曲线变化趋势结合分析可知，试件从裂纹出现至完全破坏大约需0.015 s，且整个变形过程为非弹性变形。当试件受到单向压缩荷载作用时，裂纹产生方向与压应力方向平行。在试件应力-应变曲线的不同阶段，试件冲击变形破坏具有不同特征。在应力快速增长阶段，试件表面并无明显裂纹萌生，压缩变形较小，从杆件传递过来的能量主要以弹性能的方式积聚在试件内部；在应力缓慢增长阶段，对应拍摄冲击画面上，在荷载的作用下试件侧面产生从左到右发展的轴向微裂纹，之后迅速扩展，随之试件多处开裂，当到达峰值应力点时，试件侧表面出现多条贯穿裂纹，且其中部分贯穿裂纹与轴向应力方向并不一致，试件破坏现象显著，说明裂纹的出现显著地影响了岩石抵抗压缩荷载的能力；在应力跌落阶段，应变增加时应力反而减小，结合对应拍摄画面分析得出，试件的宏观破裂面显著增多，在其宏观破裂面处出现错动滑移，致使其承载能力开始下降，导致试件的应变增加，应力反而减小，且随着应变的不断增加，试件破碎成了几大块和大量细小碎块。

将冲击荷载下花岗岩试件破坏后的碎块进行收集整理，选取试验参数对比效果显著的试件，如 图14所示。

图14 冲击荷载下花岗岩试件动态断裂分析Fig.14 Dynamic fracture analysis of granite specimens under impact load

根据试验结果，岩石破坏形态与冲击气压、微波辐射参数有关。与未照射岩石相比，微波照射后的岩石冲击破坏程度明显加重。对比图14中的(b)与(g)，无微波照射时进行0.25 MPa冲击破坏比5.3 kW微波照射后进行0.10 MPa冲击破坏的岩石破坏程度严重；同时对比图14中的(f)和(g)，无微波照射时进行0.25 MPa冲击破坏和5.3 kW微波照射后进行0.20 MPa冲击破坏的岩石破坏程度相同，说明相比微波照射，冲击气压对试样破坏形态的影响较显著。由图14可知，在气压为0.10，0.15 MPa时，花岗岩试件碎块尺度较大，呈现显著的轴向劈裂破坏形态；当气压升高至0.20 MPa后，岩石破坏时碎块尺寸明显减小，呈现出压碎破坏形式。对比图14中的(a)与(e)发现，0.20 MPa冲击后收集的碎块数目不够，这是因为当冲击气压增大时，花岗岩破坏程度加大，试件部分被粉碎成粉末，无法收集。

综上可知，由于花岗岩属于脆性材料，抗拉强度较小，在冲击气压和微波辐射共同作用下，花岗岩破坏多为轴向拉伸和压碎破坏，且随着微波功率、冲击气压的升高，花岗岩的破坏程度越大，碎屑越细致且均匀。

3 结论

(1) 当微波功率小于2.6 kW时，岩石强度降低是由微波加热和岩石内部水分共同作用造成的；当微波功率大于2.6 kW时，岩石内部水分迅速逸出，热的劣化占主导作用，宏观上表现为岩石整体强度降低。

(2) 0.10 MPa冲击气压下，冲击加载时间在0～50 μs时，应变变化缓慢；冲击加载时间在50～150 μs时，应变快速增大；冲击加载时间在150～180 μs时，应变缓慢增加；冲击加载时间超过180 μs后应变缓慢降低，因此曲线变化趋势分为4个阶段。加载中期应变快速增加，但曲线斜率变化较小近似呈直线，说明试件处于应变均匀变化的状态，此过程所用时间较长，因此，可以认为是在近似恒应变率下进行的冲击压缩试验。

(3) 0～5.3 kW范围内花岗岩动态峰值应力随冲击气压的增强逐渐增高，冲击气压等级每提高0.05 MPa，岩石峰值应力提高10%～20%，提高幅度与岩石受损情况有关。气压从0.10 MPa增加至最大值0.25 MPa时，不同微波功率照射下花岗岩试件破坏前的峰值应变也不断变大。

(4) 当微波照射功率小于4.0 kW时，花岗岩动态峰值应力变化不明显，此时微波弱化岩石强度的效果较差；而当微波照射功率大于4.0 kW时，花岗岩动态峰值应力呈现出明显下降趋势，但其折减程度远小于静态峰值应力的折减程度。

(5) 由于花岗岩属于脆性材料，抗拉强度较小，在冲击气压和微波辐射共同作用下，岩石破坏多为轴向拉伸和压碎破坏，且随着微波功率、冲击气压的升高，花岗岩的破坏程度越大，碎屑越细致且均匀。