微波照射对岩石强度的影响研究.pdf

5 4 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第3 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ，j ．i s s n ．1 6 7 1 9 4 9 2 ．2 0 1 4 ．0 3 ．0 1 4 微波照射对岩石强度的影响研究 戴俊，孟振，吴丙权 西安科技大学建筑与土木工程学院，西安7 1 0 0 5 4 摘要岩石破碎作业有很多新兴的方法，微波辅助机械破岩便是其中之一。研究该方法的关键是掌握徽波照射对岩 石强度的影响规律。采用特制的微波设备，通过微波照射岩石，研究岩石在微波照射下的强度变化。通过改变微波对岩石照 射的强度和时间，测褥不厨情况下岩石强度，最后得出微波照射对岩石强度的影响规律微波对岩石的照射时间越长、微波 的强度越大，对岩石强度的影响也就明显。该方法的研究有利于微波辅助机械破岩方法的实现，可以使岩石破碎作业方法更 加多样化，岩石破碎作业的费用大大降低，工人的工作环境得到改善。 关键词微波照射；微波穿透；岩石强度变化 中图分类号T D 3 1 3 ．3 ；T D 3 1 5 ．1文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 4 0 3 0 0 5 4 0 4 S t u d yo nh n p a c to fR o c kS t 咖g t hb yM i c 阳w a V eI m m 娟o n D 舡如n ，凇ⅣG 乃l e n ，册B i 嘲啪 s c h 0 D Zo 厂A 砌{ 泐t M 川n 以a D 矗E 吲n 硎叼，殿’伽U h { I ，佻蚴。厂S c 跑n c e 口以 钕 n o Z 0 1 卿，恩’口n7 1 0 0 5 錾，C h 妇l 面 A b s t l 鼍c t T 1 l e I ．e 副r eal o to fn e wm e t h o d so fr o c k b 础i n gw h i c hi so n eo f1 1 l i c I D w a v e a s s i s t e d m e c h a n i c a l ．T h ek e yt ot h i sr e s e a r c hm e t l l o di sm 鹊t e r i n gt l l e 雒宅c t0 fl I l i c r o w a v ei 1 1 r a d i a t i o no nt I l er o c k s t r e n 昏h ．T h ec h a n g e o fr o c k s t r e n g t hi m d i a t e db y a s p e c i a l I I l i c r o w a v e e q u i p H l e n tw a sr e c o r d e d ．R o c k s t r e n 对hw a Sm e a s u r e du n d e rd i 珏奄r e n tc o n d i t i o n sb yc h a n 西n gt h em i c r o w a v ei n t e n s i t ya n di r r a d i a t i o nt i m e ， f i n a l l yt h ei Ⅲ1 u e n c em l eo fm i c m w a v ei m d i a t i o no nr o c ks n ．e n g t I lw 鹊c o n c l u d e d ．T h el o n g e ri r r a d i a t i o n t i m eo fm i c r o w a v ea n dt h eg r e a t e ri n t e n s i t v0 fm i c r o w a v e ，t 量l e 卿a t e ro b v i o u s 赶f e c tw a sm a d eo nt h er o c k ． T h es t u d vo ft h i sm e t h o di sh e l p f u lf o rt h er e a l i z a t i o no fI I l i c r o w a v e 一踮s i s t e dm e c h 舳i c a lr o c k b r e a k i n ga n d d i v e r s i f i c a t i o n0 fr o c k b r e a k i n g ，a ts a m et i m e ，t h ec m s h i n gc o s ti st ob ed e c r e 硒e dg r e a t l y ，a n dw o r k i n g e n v i r o n m e n ti st ob ei m p r o v e dt 0 0 ． K e yw o r d s m i c m w a v ei m d i a t i o n ；m i c r o w a v ep e n e t m t i o n ；r o c kj 晚哼hc h a n g e 随着对微波研究的逐渐深入，微波的应用随之 更加广泛，其中微波在干燥物料、提取矿物、治疗 疾病等方面的应用中已十分成熟。现在越来越多的 学者和专家开始不断加深微波照射在岩石破碎中作 用的研究。微波照射在岩石破碎中的应用体现在微 波辅助机械破岩上，是一种在岩石破碎前先用微波 对岩石照射加热使其产生微裂隙而受到损伤，强度 降低，而后再采用机械设备将岩石切削下来达到对 岩石破碎的目的，弥补传统的破岩作业中存在的不 足 ，如爆破法破岩噪声大、危险系数高、机械破 岩法费用高、刀具损坏严重等。 1 微波照射加热原理及特性 1 ．1 微波照射加热原理 微波是指波长较短 波长范围在lm m 到1 m ，能够在使用过程中应用波导和谐振腔技术的 电磁波，目前我国在工业以及民用上应用的微波频 率主要为9 1 5M H z 和24 5 0M H z 两种。 微波照射对岩石强度影响的根本是通过微波照 射岩石可以使其温度升高。岩石在微波照射下温度 升高的原因是岩石本身为一种电介质，当其置于微 波电磁场环境中时，岩石内部电介质分子发生极 化，已有的极化分子和新形成的极化分子在电场的 作用下重新排列，并随着高频交变电磁场极速摆 动，摆动速度每秒高达数亿次，在随着极速变化的 高频电场不断摆动的过程中，分子还要克服它们原 有的热运动以及它们之间相互作用的阻碍和干扰， 产生类似于摩擦的作用，从而产生大量的热，使岩 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 1 7 4 1 5 9 收稿日期2 0 1 3 ．0 5 3 0 修回日期2 0 1 4 - 0 3 2 l 作者简介戴俊 1 9 6 4 ． ，男，陕西西安人，博士，教授，主要研究方向为岩石破碎、爆破工程。 万方数据 2 0 1 4 年第3 期戴俊等微波照射对岩石强度韵影响研究 5 5 石温度升高[ 2 】。 1 ．2 微波照射加热特性 1 ．2 ．1 微波照射加热的即时性 当用微波照射加热岩石材料时，加热速度很 快。只要微波照射到岩石上，岩石马上便可以加热 升温。反之，如果岩石得不到微波的照射而加热就 会立刻停止。它可以使岩石在极短的时间内得到或 失去能量来源，加热不具有时延效应。根据德拜理 论，极性分子在极化弛豫过程中，弛豫时间下和交 变电磁场极性改变的角频率∞是相互关联的，在 微波段有圻 l 的结论，以国内工业微波设备使用 的微波频率9 1 5M H z 和24 5 0M H z 两种为例计 算，由上面的结论计算可知弛豫时间丁的数量级为 1 0 一．1 0 _ os ，因此在照射加热岩石时，岩石内微波 能和热能的转化过程具有即时性，即微波照射加热 的即时性[ 3 】。 1 ．2 ．2 微波照射加热的整体性 微波具有很强穿透力，微波照射岩石加热时 以频率为24 5 0M H z 的电磁波和标准岩石力学实 验试件为例，由 厂- l 计算可得它的波长约为1 2 c m ，向被加热的岩石试件内部辐射微波，微波能 够直接将岩石试件穿透，使试件内部的极化分子随 交变电磁场不断重新排列和变向，推动它们发生剧 烈运动，此过程中极化分子之间会相互摩擦、碰撞 产热升温，因此加热过程是整个试件同时进行的， 升温速度很陕，是一种“体热源”加热方法，微波 照射加热没有常规加热中热传导过程，达到整体加 热的效果[ 4 | 。 1 ．2 ．3 微波照射加热的选择性 微波照射加热只对介电材料有作用，对非介电 性材料是没有加热效果的，微波照射加热对材料具 有一定的选择性，这是由于不同材料的介电特性是 不同的，材料介电特性的不同也使得它们对微波加 热的敏感性也不相同，根据材料的这一特性我们可 以将材料划分为吸收、部分吸收、反射、穿透4 种。因此我们可以充分利用微波照射加热的这一特 性，对不同介电特性的材料进行选择性的照射加 热，达到想要的加热效果，例如我们也可以利用这 一特性将岩石照射加热，由于组成岩石矿物质的多 样性以及各矿物质不同的介电性就使得岩石各个部 分温度不同，从而达到想要的效果。 1 ．2 ．4 微波能量的高效利用性 首先，采用微波照射进行加热时，介质材料能 够快速吸收微波能，并将其转化为热能，在这一过 程中没有进行热传导，避免常规加热方式中传热过 程的介质热能量损失；其次，进行微波照射加热 时，由于微波设备的加热腔体是金属材料制成的， 金属材料不能吸收微波而是将其反射，相对于常规 的加热方式可以有效地避免预热设备的能量损失； 最后，微波照射加热属于内部“体热源”加热方 式，没有材料内部的热量传递过程，有效降低了能 量损失，于是形成了微波能量的高效利用性【4 】。 1 ．2 ．5 微波照射加热的安全性、无污染性 相对于常规加热方法，微波照射加热具有良好 的可操控性，表现在其对加热范围、加热时间以及 加热温度可以根据实际需要进行调控上，因此这种 加热方式具有安全可靠性。另外常规加热一般采用 矿物作为燃料，矿物燃料在燃烧过程中会产生多种 有害气体，造成环境污染。微波照射过程中所用的 能源是电能，而现在电能的产生方式逐渐以水力、 风力等可再生能源为主，它对环境基本没有任何污 染，因此微波照射加热具有无污染性[ 5 】。 2 微波能量密度及穿透能力 2 ．1 微波能量密度 微波照射加热是介电材料在微波磁场环境中实 现电场能转化成热能的过程。如前面所述不同的介 质材料在相同的照射加热条件下会有不同的加热效 果，之所以有这样的结果是因为介质材料自身介电 特性的不同，介电材料的这一特性决定了它们能量 转化的能力不同。单位体积的介电材料损耗的微波 功率P d 可表示为[ 5 ] 鼯咖咿’t g 韶2 1 式中㈣波功率的耗散密度，W ／m 3 ； 占广一真空介电系数，8 ．8 5 4 1 0 - 1 2f ’，m ； 占t 介质的相对介电常数； E L 电场有效值，v ／m ； t 9 6 介质损耗角正切，其值为8 ”居，其中s ” 为介质损耗因子。 R 是表征介电材料吸收电磁能量能力的一个参 量，如果介电材料能够将吸收的微波能全部转化为 热能，那么我们称P d 为微波在介电材料中的功率 耗散密度，含义为单位体积的介电材料在单位时间 内将吸收的微波能量转化为热能的多少。 由式 1 可以看出，在微波输入功率一定的情 况下，材料介质损耗因子的值决定了介电材料在微 波场中温度升高的快慢，介质损耗因子大的介电材 料吸收微波能量的速度快、升温也快，反之吸收微 万方数据 5 6 有色金属 选矿部分 2 0 1 4 年第3 期 波能量与升温都比较慢，正因如此我们用介质损耗 因子的值来表示介电材料的吸波能力，通常认为 占” 5 的介质材料属于高耗材料，此种材料吸波能 力很强，一般微波无法穿透到介质内部，因为微波 在刚进入介电材料后就会被大量吸收从而衰减的很 弱，这样的材料不会有良好的加热效果，而且介质内 部会出现在深度方向呈现加热不均的现象；占” 1 0 _ 2 的介质材料属于低耗材料，从上式看出此种材料在 功率一定的情况下吸收微波能量的速度很低、升温 很慢，加热效果不好，如果想要良好的加热效果需 要高的场强【5 ] 。所以在进行微波加热时应充分考虑 被照射加热材料的占”值并结合微波的穿透能力决 定材料的尺寸，岩石占”值一般为0 ．0 8 。1 ．0 2 [ 引，在 采用微波照射时可达到良好的加热效果，有良好的 实验效果。 2 ．2 微波的穿透能力 微波穿透能力是指微波照射到介质表面后能够 进入到介质内部的能力。微波在介质内部传播的过 程中，微波能量是被介质不断吸收的，并将其转化 为热能，因此微波所携带的能量就会随着深入介质的 深度加大而逐渐衰减。所以将微波的穿透深度定义 为当微波功率衰减至表面功率值的3 6 ．8 ％或l ，e 时 的深度⋯。假如微波沿z 方向传播进人介质，则 可以通过式 2 来表示微波对物质的穿透及衰减特性。 只力 P o e 之8 ‘ 2 P z 一在深度z 处的功率，k w ； P g 始压0 处的功率，k W ； e - 自然底数； 旷衰减系数，岩石属于低损耗介质，对于低 损耗介质，即t 庐 1 时，a 似”从o 、／；T ，A o 为自 由空间微波的波长； Z ，．微波照射在方向z 的人射深度 以哪个方 向为例就表征哪个方向的入射深度 。 所以穿透深度的计算式可以利用微波能穿透深 度的定义表示为 1 D ， A o s ’ 去一／2 仃占” 3 二 D 数波人射深度，c m ； 7 卜圆周率。 其余变量代表意义如式 2 。 按照式 3 来计算微波在岩石材料中的穿透深 度。岩石材料以花岗岩为例，在组成花岗岩的矿物 颗粒中，9 0 ％以上是长石、石英这两种矿物，其中 又以长石为最多[ 5 ] 。综合构成花岗岩矿物的属性 以 ￡I _ 5 ．8 ，￡” 0 ．1 9 7 2 ，t 驴 O ．0 3 4 为例计算， 本试验中采用的微波频率为24 5 0M H z ，可以计算 出微波的穿透深度为2 3 ．8c m 。这种厚度范围是满 足研究微波照射加热对岩石强度影响的试验和进行 岩石力学强度试验要求。 3 微波照射加热对岩石强度的影响 由于微波照射引起的升温以及微波良好的穿透 能力，我们将微波照射加热对岩石强度的影响总结 为以下3 点 1 岩石在微波照射下温度不断升高，由于组 成岩石矿物质具有多样性和差异性，而且各矿物质 的导热率不同。当微波照射加热时，温度升高越急 剧，从而由于温度梯度产生的热应力就会越大，进 而对包裹矿物质的结构造成热冲击破坏，最终影响 整体强度。可以认为这是微波照射加热对岩石强度 影响最为重要的原因。 2 微波照射加热引起岩石温度升高，温度不 断升高的同时，构成岩石的矿物质结构会发生不同 程度的化学变化。首先，矿物质发生本质的结构变 化，并伴随着一定的物理变化 如体积变化等 。 例如，石英在5 7 3 ℃时由d 石英 低温石英 转 变为B 石英 高温石英 ，即石英相变，这一过程伴 随着急剧的体积变化 d 石英体积小于B 石英体积 从而使原有裂隙不断增大或产生新裂隙；另外，矿 物发生一定的分解，以石灰岩类岩石为例，它的主 要成分是碳酸钙，碳酸钙在5 0 0 ℃左右热分解产生 C O ，C O 的产生会对周围岩石结构产生一定的压 力，温度越高时体积也会不断膨胀，压力也会越来 越大；另外碳酸钙热分解除产生C 0 气体外还会产 生生石灰，生石灰有遇水相融的特点，生石灰一旦 融水，岩石强度就会降低；此外，即便是同一种矿 物构成的岩石，由于构成岩石矿物晶体的排列是不 同的，在温度升高时不同方向的膨胀力不同[ s l ， 也会影响岩石的强度。 3 岩石内部都会含有一定的水分，进行照射 加热后水分蒸发，水蒸气对周围岩石产生一定压 力。过大的蒸汽压力使岩石裂隙发展或者形成新的 裂隙使强度降低。岩石材料内部都含有一定的水 分，在微波照射作用下岩石内部水分被加热汽化， 就产生与其温度相应的压力。随温度的升高气体压 力不断增大，当气体压力增大到一定程度时，岩石 原有的裂隙就会继续扩展或导致新裂隙的形成，即 万方数据 2 0 1 4 年第3 期戴俊等微波照射对岩石强度的影响研究 5 7 使温度恢复到常温后“裂痕”依然存在，以致影响 岩石的强度。 基于以上原理和原因，为此我们可以通过一系 列试验验证岩石在微波照射加热下强度是否发生变 化，并通过试验总结是否有一定的规律。 4 微波照射加热的试验研究 试验以陕西西安地区花岗岩为材料进行研究， 将花岗岩按力学试验加工成标准的的试件 抗压强 度试验采用试件尺寸为吐巧Om m 1 0 0m m ，抗拉强 度试验采用试件尺寸为口巧0m m 2 5m m ，剪切强 度试验采用试件尺寸为仍0m m 5 0 栅 ，然后采 用特制的微波发射装置对试件进行加热。装置由微 波发射器 发射微波功率为24 5 0M 王l z 和腔体组 成，两者由铝合金方形管连接，微波发射器产生的 微波经方形管道进入到腔体中，腔体由金属板制 成，这样在腔体中微波经反射反复穿透岩石材料， 加强加热的效果。设备可按要求发射不同功率的微 波，对比不同微波功率和加热时间组合下岩石材料 的强度，分析微波照射加热对岩石强度的影响。 首先，在岩石试件的剪切试验中，以试件破坏 时的剪应力变化为对象，研究微波功率一定的情况下， 经不同的加热时间后剪应力变化规律。试验加热条 件为功率为1k W ，照射加热时间为0 ～8I I l i n ， 时间以2l I l i n 为一个梯度变化，结果如表1 所示。 表l不同照射时间下的剪应力 7 r ￡I b l e1S h e a rs t r e s su n d e rd i 任毛r e n ti r r a d i a t i o nt i m e 由试验结果可知，在微波功率一定的情况下， 加热时间在研究范围下越长，岩石的剪应力减小幅 度越大，从而得知剪切强度衰减与照射时间成正比。 另外，在岩石试件的抗拉强度和抗压强度试验 中，以试件破坏时的抗拉强度和抗压强度为对象。 研究微波功率不同的情况下，经不同的加热时间后 强度变化规律。试验加热条件为功率为l 、5k W ， 加热时间为0 ～4m i n ，时间以2I n i n 为一个梯度变 化，得到抗拉强度和抗压强度在不同照射条件下 不同功率和时间组合下 的试验结果如表2 所示。 由表2 可知，在照射加热时间相同的条件下微 波功率越高对试件抗压和抗拉强度的影响越大。 破碎试验结果表明，抗拉强度试验中未经微波 照射加热的试件破坏面要比照射加热试件的破坏面 表2不同照射条件下的抗拉、抗压强度值 T a b l e2 T b n s i l es t I ．e n 霉t l Ia I l dc o m p r e s s i v es t r e n g t h u n d e rd i 里f e r e mi r r a d i a t i o nc o n d i t i o n s ，M P a ＼时间枷n 抗拉强度抗压强度 堡堑堂∑互二三二 ] 二二 二三二 14 ．64 ．43 ．81 2 2 ．61 1 4 ．71 0 1 ．7 54 ．63 ．73 ．51 2 2 ．61 0 2 ．69 6 ．9 整齐的多，原因分析为微波照射加热后造成裂隙的 进一步发育或形成的新裂隙影响试件破坏方向。另 外，抗压强度试验中未经微波照射加热的试件破碎 时的剧烈程度 试件破碎声音和碎屑飞溅距离 要 比照射加热的试件明显的多，原因分析为微波照射 加热后裂隙发育及成分的变化导致强度降低，这一 破坏现象也与不同强度相同质地的材料进行抗压试 验时的破坏现象相吻合。 综上所述，微波照射加热对岩石强度有一定的 降低作用，加热时间越长，微波功率越大微波照射 对岩石强度的影响越明显。 5 结论 通过试验可知岩石在微波照射情况下强度是有 变化的；强度的衰减与微波照射加热时间及微波强 度是成正比的。 通过微波照射对岩石强度的影响研究可知，微 波辅助机械破岩的方法是可行的，此种方法一旦在 生产中得到应用则使生产速率和费用大大降低，与 传统的破岩方法相比较具有很大优势，此方法有很 好的研究价值和应用前景，对微波辅助机械破岩的 发展有一定促进作用。 参考文献 [ 1 ] 张强．岩石破碎技术发展趋势[ J ] ．有色矿山，1 9 9 6 6 2 0 一2 2 ． [ 2 ] 王永洪，陈旭国，赵海波，等．微波技术在橡胶加工中的 应用研究进展[ J ] ．热带农业科学，2 0 0 7 ，2 7 6 5 9 6 3 ． [ 3 ] 崔礼生，韩跃新．微波技术在选矿中的应用[ J ] ．金属矿 山，2 0 0 6 4 2 9 3 2 ． [ 4 ] 崔礼生，韩跃新．微波技术在矿业中的应用[ J ] ．有色矿 冶，2 0 0 5 ，2 1 z 1 5 4 5 5 ，5 7 ． [ 5 ] 陈伟．沥青路面微波现场热再生仿真研究[ D ] ．西安 长安大学，2 0 0 9 ． [ 6 ] 王湘云，郭华东，王超，等．干燥岩石的相对介电常数 研究[ J ] ．科学通报，1 9 9 9 ，4 4 1 3 1 3 8 4 1 3 9 1 ． [ 7 ] 波扎．微波工程[ M ] ．北京电子工业出版社，2 0 1 0 ． [ 8 ] 田祯．用电磁波破碎岩石的研究[ J ] ．非金属矿，1 9 8 0 2 4 8 5 4 ． 万方数据