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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。

近日，中国科学院新疆理化技术研究所研究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。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，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。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。

相关研究成果于近日发表在《能源》（Energy）上。

论文链接

微波场中玄武岩破碎的机理示意图