摘要：利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)對微波加熱后的湖北麻山花崗巖進行動態沖擊壓縮試驗，研究了不同含水狀態下花崗巖動態力學性質及破碎特征，對比分析了不同微波加熱參數對其力學性能的影響，揭示了微波對花崗巖強度弱化的作用機制。研究結果表明：當微波功率小于2.6kW時，巖石強度降低是由微波生熱及巖石內部水分共同作用造成的;當微波功率大于2.6kW時，熱的劣化占主導作用。花崗巖試件在達到應變均勻變化狀態時所需時間較長，因此可認為是在近似恒應變率下進行的沖擊壓縮試驗;在一定微波照射功率范圍內，花崗巖動態峰值應力隨著沖擊氣壓的升高呈增大趨勢，且沖擊氣壓每增加0.05MPa，巖石強度提高10%～20%;在一定微波照射功率范圍內，花崗巖動態抗壓強度折減程度遠小于其靜態抗壓強度折減程度;在微波加熱和荷載的共同作用下，巖石多為軸向拉伸及壓碎破壞，且隨著微波加熱功率及荷載的增大，花崗巖破壞程度增大，碎塊愈加細致且均勻。

　　關鍵詞：微波照射;花崗巖;分離式霍普金森壓桿;動力學性能;破碎特征

　　硬質巖石破碎是困擾礦產資源開發、隧道掘進等工程的主要問題之一。在保證圍巖穩定性的前提下，高效率、低成本地破碎巖體是當前亟待解決的難題之一。傳統的巖體破碎方式主要以爆破法和機械開挖法為主，爆破法存在著原巖擾動大、粉塵多和噪音大等特點，而機械開挖法在巖體破碎過程中具有成本高、機械刀頭磨損嚴重和在多山地丘陵地區移動困難等特點。

　　隧道論文范例： 復理石隧道防排水施工關鍵技術和質量控制

　　因此，尋求一種高效、經濟的破巖方式是各類工程追求的目標[1-4]。相關文獻[5-9]表明，溫度能使巖石內部礦物成分發生化學變化，從而對巖石強度、變形及穩定性產生一定程度的影響。隨著科學技術的更新迭代，微波加熱技術因具有整體性加熱、選擇性加熱和節能高效等特點，在選礦業、混凝土粗骨料剔選和微波輔助機械破巖等方面得到廣泛研究[10-12]。HARTLIEBP[13-14]等通過測試縱波波速、測量溫度等方法分析了微波加熱后花崗巖等巖石的損傷變化，得出礦物成分對巖石的熱物理學性質有重要影響的結論。

　　HASSANIF[15-16]等采用工業微波爐對不同地區花崗巖和蘇長巖進行微波照射試驗，并對其進行單軸抗壓強度和抗拉強度的測試，測試結果表明：隨著微波功率的升高，試件抗壓及抗拉強度均降低，高功率下甚至出現崩裂現象;劉志義[17]等將微波加熱裝置與霍普金森壓桿相結合，分析了磁鐵礦石宏觀力學性質和微觀結構特征，研究結果表明：微波加熱磁鐵礦石主要經歷拉伸破壞和拉伸剪切破壞2個階段;喬蘭[18]等分析了巖石圍壓和加熱路徑對花崗巖強度影響的優先級順序，提出了“水壓致裂+微波照射”的組合方式來破壞深部巖石的新思路;戴俊[19-22]等對微波照射后的不同種類巖石進行基礎力學試驗，分析了微波照射對巖石強度的影響因素。

　　研究結果表明：巖石類型、內部礦物成分、粒徑尺寸和冷卻方式等均會影響微波照射后巖石的損傷程度;盧高明[23]等采用3種方式對不同形狀的巖石進行微波加熱，得出了低功率長時間照射試件熔融，而高功率短時間照射試件發生崩解但并未熔融的結論;戴俊[24]等通過鋼筋拉拔試驗，分析了微波加熱對鋼筋與混凝土界面黏結的影響程度，得出了較高功率下鋼筋混凝土由拉拔劈裂轉變為拉拔滑移的結論。在實際掘進過程中，巖石所受荷載以動荷載為主，但目前關于微波輔助機械破巖領域的研究多側重于靜載力學方面，而關于微波照射引起巖石動態力學性質變化的研究較少。

　　已有研究[25]表明，在動荷載沖擊作用下，由于其作用時間較短，致使能量和強度變化與靜載情況下有較大區別。因此，采用靜載代替動載研究載荷作用下巖石強度變化規律是不準確的。基于此，筆者以花崗巖為研究對象，采用霍普金森壓桿(SHPB)與微波照射相結合的方法，并輔以高速攝影，探究不同含水狀態下花崗巖動態力學性質及破碎特征，揭示微波對花崗巖強度弱化的作用機制，為后續研究提供參考。

　　1試驗概況

　　1.1試件制備

　　參考現有研究成果[26]，試驗選取具有較好吸波性質的湖北麻山花崗巖為主要研究對象。其外觀顏色黑白相間，晶簇形態明顯，質地堅硬致密，具有較高強度，主要礦物成分為石英、角閃石、黑云母等。通過取芯機鉆取巖芯后利用雙端面磨石機對其打磨平整，制得高徑比為1∶1的ϕ50mm50mm試件，共計150個。采用真空加壓飽水裝置和干燥裝置分別對試件進行飽水、干燥處理。

　　1.2試驗設備

　　微波試驗裝置選用型號為ORW10SY-3T大功率工業微波爐，輸出頻率為2.45GHz，最大輸出功率為10kW;微波照射前后試件縱波波速變化均采用1.3試驗方案在前人[23-24]試驗的基礎上，通過對若干花崗巖試件進行預試驗發現，試件在微波照射功率為6kW、照射時間為6min時熔融崩解，并導致其強度喪失無法進行后續力學性能試驗。

　　因此，將微波照射功率設定為0(未照射)，1.3，2.6，4.0，5.3kW，照射時間為3min，飽水試件和干燥試件均為25組，每組3個。 靜態單軸壓縮試驗采用YES-2000電液伺服試驗機，加載速率為0.3kN/s，分別對10組不同含水狀態的花崗巖試件進行單軸壓縮試驗。根據試沖結果并結合不同微波照射參數將巖石動態沖擊試驗的沖擊氣壓設為0.10，0.15，0.20，0.25MPa進行加載，通過激光測速儀測得相應彈速約為6.5，8.8，11.5，13.8m/s，利用二波法得到相應花崗巖試件的NM-4B非金屬超聲波分析儀進行測試。

　　采用YES2000電液伺服試驗機測試單軸抗壓強度，根據預壓試驗結果，將加載速率控制在0.3kN/s;巖石動態沖擊力學試驗采用西安科技大學巖土力學試驗室ϕ50mm分離式霍普金森壓桿。試驗中采用Photron公司的FASTCAMMiniUX100型高速攝影機(最大分辨率為1280×1240，攝像頻率為4000幀/s)對巖石全破壞過程進行采集。

　　應變率。為了獲得可靠穩定的動態應力-應變曲線，動態沖擊壓縮試驗采用波形整形技術改善波形，通過凡士林將紫銅片濾波器與入射桿端部耦合，以消除波形間的高頻震蕩，減少彌散效應的發生，從而使花崗巖試件破壞前的應力波得以在試件內部反射3個來回，以達到試件內部應力均勻的要求。

　　為保證試驗數據的準確性，對數據進行分析，驗證其是否滿足應力平衡所必須具備的2個條件：①試件左右兩端接觸面的質點速度、位移連續;②試件左右兩端的入射桿內力等于透射桿。由于應變片分別粘貼在入射桿和透射桿上，子彈沖擊過程中兩處應變片接收信號時存在時差，因此需要對齊入射波、反射波和透射波的波頭;可以發現對齊波頭后入射波與反射波之和與透射波幾近重合，試件左右兩側受力相等，滿足應力平衡條件。

　　2試驗結果及分析

　　2.1巖石縱波波速變化

　　參考文獻[27]，將未經微波加熱處理的花崗巖縱波波速作為初始波速V0，將任意微波功率照射后的花崗巖縱波波速Vw與其作比值進行歸一化處理。

　　經微波照射后的干燥和飽水花崗巖試件縱波波速均隨微波照射功率增大而降低，且干燥和飽水花崗巖平均縱波波速歸一值隨微波照射功率的增大呈相同的趨勢。當微波照射功率不同時，干燥試件和飽水試件的縱波波速相較于未照射時的縱波波速均有衰減，干燥試件衰減了10.4%，15.8%，32.2%，41.4%，飽水試件衰減了21.3%，25.4%，41.8%，50.8%。因此，說明微波輻射使得花崗巖強度降低，且花崗巖內部的結構水分加劇了巖石的損傷劣化。

　　當微波照射功率小于1.3kW時，飽水試件的縱波波速顯著大于干燥試件的縱波波速，這是由于飽水花崗巖試件內部本身含有少量結晶水，超聲波縱波在水中的傳播速度遠大于在空氣中傳播的速度，從而使得飽水試件的縱波波速遠大于干燥試件的縱波波速。

　　當微波照射功率大于1.3kW而小于2.6kW時，試件表面溫度最高可達209℃，此時飽水試件的縱波波速略小于干燥試件，推測是由于在較低微波功率作用下，巖石內部部分礦物成分吸波產生膨脹應力而內部結構水受熱產生蒸汽壓力，導致巖石試件內部部分微孔隙產生閉合的同時水蒸氣更難逸出，從而使巖石內部先前部分閉合的微孔隙重新張開，間接表明了飽水試件的縱波波速略小于干燥試件的原因。

　　當微波照射功率大于2.6kW時，飽水花崗巖試件內部礦物成分迅速吸波膨脹，新裂紋產生的同時伴隨著新舊裂紋的貫通擴展，此時試件內部的結晶水迅速蒸發逸出，且在試件內部停留的時間極短，使得飽水試件的縱波波速與干燥試件的相差不大。

　　根據試驗結果，巖石破壞形態與沖擊氣壓、微波輻射參數有關。與未照射巖石相比，微波照射后的巖石沖擊破壞程度明顯嚴重。無微波照射時進行0.25MPa沖擊破壞比5.3kW微波照射后進行0.10MPa沖擊破壞的巖石破壞程度嚴重;無微波照射時進行0.25MPa沖擊破壞和5.3kW微波照射后進行0.20MPa沖擊破壞的巖石破壞程度相同，說明相比微波照射，沖擊氣壓對試樣破壞形態的影響較顯著。在氣壓為0.10，0.15MPa時，花崗巖試件碎塊尺度較大，呈現顯著的軸向劈裂破壞形態;當氣壓升高至0.20MPa后，巖石破壞時碎塊尺寸明顯減小，呈現出壓碎破壞形式。

　　0.20MPa沖擊后收集的碎塊數目不夠，這是因為當沖擊氣壓增大時，花崗巖破壞程度加大，試件部分被粉碎成粉末，無法收集。綜上可知，由于花崗巖屬于脆性材料，抗拉強度較小，在沖擊氣壓和微波輻射共同作用下，花崗巖破壞多為軸向拉伸和壓碎破壞，且隨著微波功率、沖擊氣壓的升高，花崗巖的破壞程度越大，碎屑越細致且均勻。

　　3結論

　　(1)當微波功率小于2.6kW時，巖石強度降低內是由微波加熱和巖石內部水分共同造成的;當微波功率大于2.6kW時，巖石內部水分迅速逸出，熱的劣化占主導作用，宏觀上表現為巖石整體強度降低。

　　(2)0.10MPa沖擊氣壓下，沖擊加載時間在0～50μs時，應變變化緩慢;沖擊加載時間在50～150μs時，應變快速增大;沖擊加載時間在150～180μs時，應變緩慢增加;沖擊加載時間超過180μs后應變緩慢降低，因此曲線變化趨勢分為4個階段。加載中期應變快速增加，但曲線斜率變化較小近似呈直線，說明試件處于應變均勻變化的狀態，此過程所用時間較長，因此，可以認為是在近似恒應變率下進行的沖擊壓縮試驗。

　　(3)0～5.3kW范圍內花崗巖動態峰值應力隨沖擊氣壓的增強逐漸增高，沖擊氣壓等級每提高0.05MPa，巖石峰值應力提高10%～20%，提高幅度與巖石受損情況有關。氣壓從0.10MPa增加至最大值0.25MPa時，不同微波功率照射下花崗巖試件破壞前的峰值應變也不斷變大。

　　(4)當微波照射功率小于4.0kW時，花崗巖動態峰值應力變化不明顯，此時微波弱化巖石強度的效果較差;而當微波照射功率大于4.0kW時，花崗巖動態峰值應力呈現出明顯下降趨勢，但其折減程度遠小于靜態峰值應力的折減程度。 (5)由于花崗巖屬于脆性材料，抗拉強度較小，在沖擊氣壓和微波輻射共同作用下，巖石破壞多為軸向拉伸和壓碎破壞，且隨著微波功率、沖擊氣壓的升高，花崗巖的破壞程度越大，碎屑越細致且均勻。

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　　作者：朱清耀1，戴俊1，贠菲菲1,2，翟惠慧1，張敏1，馮立人3