岩体是油气资源开发、水利水电建设等工程中最主要的施工对象，如何保证岩体在施工过程中安全、绿色地破碎是工程建设中亟待解决的难题之一。微波辅助破岩技术凭借其穿透性强、环境友好等特点，在采矿和岩土工程领域得到了广泛的应用。然而，由于涉及复杂的多物理场耦合等问题，微波对岩石破碎机理一直没有得到明确的解释。

近期，中科院新疆理化所科研人员通过建立微波场下玄武岩加热的电磁-热-力学多物理场耦合模型，提出了微波破裂玄武岩矿石的应力-应变协同损伤过程，解释了微波加热过程中玄武岩矿石破裂的本质原因（图1）。研究发现，在微波频率2.50GHz时，玄武岩对微波的吸收效率可达到79.96%，这主要归因于矿石内部含有大量磁铁矿、辉石等高介电常数矿物，可有效将电磁波转化为热，实现对矿石“由内向外”的加热。此外，研究人员对比研究了微波功率对岩石破坏过程的影响，发现玄武岩矿石在低微波功率下产生了较大的体积应变，导致岩石内部热膨胀形成内部裂纹（图1中线路1）；而在高功率时，玄武岩样品内部的最大主应力超过玄武岩极限抗拉强度，导致玄武岩在短时间内产生炸裂（图1中线路2）。整体分析来看，随着微波功率和加热时间的延长，玄武岩矿石内部的温度逐渐升高，而内部温度分布差异性变大，导致岩石内部产生温度梯度而诱发热应力产生，这种热失配造成玄武岩矿石产生严重的变形不协调，其体积应变和热应力超过了玄武岩形变极限和抗拉极限，造成玄武岩熔融或开裂破坏。

图1. 微波场中玄武岩破碎的机理示意图 

上述研究成果近日发表在能源类国际期刊Energy上。中科院新疆理化所为该研究工作第一完成单位，团队负责人马鹏程研究员和李慧副研究员为论文通讯作者，博士生梁存光为论文第一作者，该研究工作得到中科院“西部之光”交叉团队-重点实验室合作研究专项、新疆“天山英才”高层次领军人才等项目支持。 

文章链接