较低功率微波辐射三类硬岩失水升温损伤规律与声发射特征

摘要：

微波辅助破岩是实现硬岩高效低损伤开挖的新方法,不同硬岩的吸波能力、失水、升温与损伤规律有一定的差异,对不同硬岩的对比研究对精准高效破岩有重要的理论与工程意义.以花岗岩、石灰岩、砂岩三类硬岩为研究对象,通过对比预处理和微波辐射前后试件的质量变化,获得三类硬岩的失水规律;通过红外热成像仪监测微波场内硬岩表面升温和破裂全过程,获得不同含水状态下三类硬岩升温和宏观裂纹扩展特性;通过干燥状态下三类硬岩辐射不同时间后的纵波波速、声发射及SEM微观结构的变化阐述了硬岩损伤随辐射能量递增机制.结果表明:在较低功率微波辐射300s内,水对硬岩质量和升温的影响明显,具体表现为:水的蒸发溢出是质量损失的主导因素、水对升温有明显促进作用、含水状态对表面区域平均温度的影响程度按辐射时间分为较小(0～50s)、较大(50～200 s)和稳定(200～300 s)3个阶段,其中,饱和吸水对升温影响最显著,且饱和吸水率高的砂岩和石灰岩分别在55,240s时于腔体内炸裂.干燥状态下不同硬岩随升温的损伤规律表现为:石灰岩因表面温度差异大导致裂纹扩展较砂岩和花岗岩更为明显;COMSOL数值模拟持续辐射420,600,720 s的升温速率和实验获得的损伤因子二者变化趋势关联性好;损伤后,三类硬岩试件声发射呈现平稳→增长→破坏3个阶段、单轴抗压强度折损由快趋稳的共性特征,以及振铃计数与能量出现数量级变化的差异特性;微观尺度下,微波辐射720s后的花岗岩和砂岩断口出现熔融矿物黏结,导致纵波波速降幅趋缓,解释了损伤趋稳的内因;随辐射时间增加,质量损失、由波速表征的损伤因子和数值模拟获得的升温速率及强度折损均呈现由快趋缓的一致性变化规律,且出现由快趋稳的拐点.研究结果可为不同硬岩的差异化、低能耗、高效率损伤研究提供一定的借鉴与参考.

关键词：岩石力学、三类硬岩、微波致裂、升温特性、P波波速、声发射特征

所属期刊栏目：42

分类号：TU45(土力学、地基基础工程)

资助基金：安徽省高校协同创新基金项目;国家自然科学基金;国家重点研发计划

在线出版日期：2023-05-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共15页

页码：168-182