戴　俊，師百壘，楊　凡，盛　驍，池佐華

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

為了進(jìn)一步研究微波照射下巖石內(nèi)部損傷演化過程，分析微波照射下巖石內(nèi)部裂紋產(chǎn)生及延伸情況，完善巖石強(qiáng)度劣化機(jī)理，采用CT技術(shù)對微波照射后不同產(chǎn)地2種花崗巖試件進(jìn)行掃描，并計算其損傷變量，探討不同產(chǎn)地2種花崗巖內(nèi)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(jīng)微波照射后進(jìn)行抗剪切試驗。結(jié)果表明：通過CT探傷設(shè)備從細(xì)觀分析可知，微波照射下巖石損傷是由巖石試件中“危險區(qū)域”內(nèi)吸波礦物引起；不同產(chǎn)地的花崗巖，引發(fā)巖石損傷的“危險區(qū)域”不同；微波照射下巖石內(nèi)部裂紋是由局部產(chǎn)生并延續(xù)擴(kuò)展整個巖體試件，巖石強(qiáng)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(shù)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(qiáng)度。CT技術(shù)對微波照射下研究巖石裂紋損傷及演化提供了一種細(xì)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(xiàn)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(jī)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(shù)的不斷發(fā)展，這就要求對各種方法的機(jī)理進(jìn)行深入研究。微波破巖是依據(jù)巖石內(nèi)部礦物對微波的介電反應(yīng)不同，而產(chǎn)生不同的變化，致使巖石裂紋的產(chǎn)生及強(qiáng)度的降低[2]。那么研究微波照射下巖石內(nèi)部裂紋產(chǎn)生及變化的情況，即是什么礦物主導(dǎo)裂紋的產(chǎn)生，含水率對巖石抗剪強(qiáng)度有何影響具有一定價值意義。

自微波破巖技術(shù)提出以來，國內(nèi)外對微波照射巖石強(qiáng)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(xiàn)狀及發(fā)展情況，進(jìn)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(dǎo)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(qiáng)度，劣化巖石特性，鋼纖維混凝土經(jīng)微波照射后強(qiáng)度劣化具有一定規(guī)律性，還研究了微波照射對巖石抗沖擊性能的影響規(guī)律。秦立科[7]應(yīng)用數(shù)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(dǎo)了微波照射對巖石強(qiáng)度的影響。微波照射下影響巖石強(qiáng)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(nèi)部裂紋損傷及演化過程還不成熟，CT技術(shù)能在不干擾試驗進(jìn)行的條件下，提供一種將外部試驗條件與巖石內(nèi)部某種特性變化相結(jié)合的檢測方法[8]。文章以不同產(chǎn)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(shù)，并結(jié)合相應(yīng)的力學(xué)實驗，可以得到微波照射下巖石內(nèi)部裂紋損傷演化情況，從細(xì)觀角度分析微波照射引起巖石裂紋損傷演化的主導(dǎo)因素。

1　CT技術(shù)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(shù)據(jù)和圖像信息。由CT識別原理可知，CT數(shù)及其方差反映了物質(zhì)的密度大小和密度分布情況，葛修潤院士認(rèn)為巖石損傷研究中真正關(guān)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(jìn)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(tài)的CT均值；Hrm為任意損傷狀態(tài)的CT均值；αe為初始損傷影響因子，其值應(yīng)大于1；αc為閉合效應(yīng)影響因子，其值與巖石孔隙率有關(guān)；m0為CT設(shè)備分辨率。

文中主要研究微波照射作用對巖石細(xì)觀損傷演化的影響，其主要為巖石受熱膨脹，未得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，無需閉合效應(yīng)影響系數(shù)修正，對初始損傷影響因子可根據(jù)已有結(jié)論對Hrm0，Hrm2個參數(shù)進(jìn)行擬合確定，可得如下?lián)p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(shè)備

本試驗所采用的微波照射裝置是一臺工業(yè)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(fā)射器和微波加熱倉2部分組成，兩者之間通過由合金構(gòu)成的方形微波管道連接。CT探傷設(shè)備是由上海博鈺醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)的型號為Brilliance16的PHLIPS16層螺旋CT機(jī)，原裝工作站型號workspace，發(fā)射排為24排，速度0.4s，如圖1所示。本試驗還采用了磨平機(jī)、切片機(jī)、取心機(jī)、打磨機(jī)和切石機(jī)等。

圖1　試驗設(shè)備Fig.1　Test equipment(a)微波發(fā)生器　(b)CT探傷設(shè)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?？诨◢弾r，依次通過取芯、切割、打磨，將選取的巖樣加工成剪切標(biāo)準(zhǔn)試件，試件加工尺寸為φ50 mm×50 mm，如圖2所示，放在干燥環(huán)境內(nèi)靜置48 h使其初始參數(shù)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(jīng)微波照射(參數(shù)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)果與機(jī)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(chǎn)地不同的2種花崗巖第一組試樣進(jìn)行CT掃描，掃描前后對比如圖3所示，圖中標(biāo)定了誘發(fā)損傷的“危險區(qū)域”，并根據(jù)(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(zhì)的一些“危險區(qū)域”引起的，從圖2(b)圖可以看出平山縣花崗巖經(jīng)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(qū)域貫通，其他部分明顯變暗；從d圖看出花崗巖經(jīng)微波照射后產(chǎn)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(shù)損傷變量陜西秦嶺花崗巖CT數(shù)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(qū)域31290.20.19741534.70.183241287.50.20111535.40.182451282.30.20821533.20.1850

把表1中數(shù)據(jù)用圖的形式表示出來如圖4所示，可以看出，“危險區(qū)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(shù)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(nèi)部應(yīng)力，由此引起裂紋的形成及擴(kuò)張，致使巖石喪失力學(xué)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(jīng)花崗巖礦物成分檢定，河北平山縣花崗巖成分及粒徑結(jié)構(gòu)為：半自形結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)為：花崗巖變晶結(jié)構(gòu)，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(jìn)一步研究微波照射后巖石力學(xué)性能變化規(guī)律，在不同含水率(不同浸泡時間)下采用巖石剪切試驗機(jī)對平山縣花崗巖經(jīng)微波照射后(10 kW，6 min)做抗剪切試驗，其試驗數(shù)據(jù)結(jié)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(yīng)力、剪應(yīng)力及內(nèi)摩擦值等數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)

由表2巖石抗剪切試驗數(shù)據(jù)分析可知，未浸泡組與浸泡組相比，浸泡后經(jīng)微波照射的巖石試件，抗剪強(qiáng)度普遍降低；照射組的巖石試件抗剪切強(qiáng)度與原試件相比，均有所降低，但由于數(shù)據(jù)存在離散性，所以不具有明顯的線性關(guān)系；浸泡6 h經(jīng)微波照射后的巖石試件55°，65°，75°抗剪切試驗切應(yīng)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(yīng)力分別降低3.85%，52.29%，-24.03%；65°，75°抗剪切試驗切應(yīng)力數(shù)值基數(shù)較小，因而對照前后切應(yīng)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(yīng)力出現(xiàn)未減反增的現(xiàn)象，初步分析是由于試驗數(shù)據(jù)誤差造成；以55°抗剪切試驗數(shù)據(jù)作為主要參考值，對平山縣花崗巖浸泡6 h后再進(jìn)行微波照射，損傷程度較明顯。造成試驗數(shù)據(jù)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(shù)及計算誤差等。

4　結(jié)　論

1)微波照射下巖石的裂紋損傷演化表現(xiàn)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(qū)域”損傷變量值遠(yuǎn)大于其他區(qū)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(zhì)；

2)微波照射下巖石內(nèi)部水分汽化，產(chǎn)生蒸汽壓力促使巖石內(nèi)部裂紋的形成和發(fā)展，巖石含水率的變化使巖石介電特性發(fā)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(qiáng)度影響顯著，抗剪強(qiáng)度、破壞荷載等都隨著含水率的增加而減小，在試驗設(shè)定的含水率變化范圍內(nèi)，巖石試件的含水率越高，經(jīng)微波照射后損傷程度越大，損傷的離散性越強(qiáng)。

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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(zé)任編輯：劉潔

國家自然科學(xué)基金資助(51174159)

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

TD 921.2

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