不同养护温度下模拟月壤地聚合物力学试验与分析①

周兆曦，马芹永,*，汪寒艳

(安徽理工大学a.土木建筑学院，b.矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

0 引 言

开发月球资源已成为主要航天国家的探索热点[1]，而建设月球人类活动基地是重要目标。月球基地的建设需大量材料，然而地月之间运输成本高昂，同时月面建造要克服苛刻的月面环境，国内外普遍认为利用原位资源进行月球建设是较好选择，此方法可有效降低月球开发建设的风险和成本[2]。国内外学者在原位资源利用的技术中采用了不同的路线，中科院进行CLRS系列模拟月壤的激光3D打印成型试验，验证了激光3D打印成型技术在月球作业的可行性[3]，但打印机液体喷出受到超高真空和低重力环境限制；Faierson等使用JSC-1A模拟月壤进行铝热反应，制备出砌块单元[4]，但该方法需从地球运输大量铝粉，成本高昂；Bell等[5]使用模拟月壤进行高温烧结硬化得到建筑材料，但烧结过程难以控制。

近年来，Montes等[6]尝试以模拟月壤为原料制备地聚合物，试验结果表明地聚合物的力学性能良好，具有耐高低温、抗宇宙射线等优异性能[7]，且制备过程受月面真空环境影响较小。硅铝质原材料、水和碱激发剂是制备地聚合物的基本材料，月壤表层中主要的化学成分是SiO2和Al2O3，并且月球中探明存在水[8]，因此月球拥有制备地聚合物的可行性。进行无侧限抗压强度试验，探究了养护温度和NaOH掺量对模拟月壤地聚合物力学性质的影响，结合X射线衍射试验(XRD)和扫描电镜试验(SEM)分析了水化产物的微观形貌。

1 试 验

1.1 试验原料

Qian等[9]研究表明位于南京市六合区的颗粒状玄武岩与嫦娥五号所采集的月壤样品的化学成分和物理力学性质较为接近，试验采用南京市六合区玄武岩颗粒作为模拟月壤材料，其宏观形态呈现棱角状、次棱角状、长条状，与真实月壤的宏观颗粒形态接近。玄武岩的矿物组成包含辉石、长石和不透明铁质等，具体的矿物成分如图1所示。化学成分和真实月壤较为相似，如表1所示。分析纯NaOH为片状，净含量≥96%。

图1 模拟月壤的XRD图谱

表1 模拟月壤与Apollo 11，Apollo 14月壤样品的化学成分对比[10](%)

1.2 试验设计

Colaprete等[11]推算出月球极区永久阴影处的Cabeus陨石坑的月壤含水率为(5.6±2.9)%。选取试验的含水率(水占干模拟月壤的质量百分比)为7.5%。NaOH掺量分别为干模拟月壤质量的0.8%、1.6%、2.4%、3.2%、4.0%，养护温度为20℃，60℃，100℃，养护龄期为28 d，进行正交试验，共计15组，每组制作3个平行试样，共计45个试样。

1.3 试样制作

将玄武岩颗粒进行烘干筛分处理，根据文献[19]提供的真实月壤级配范围，按照表2所示的颗粒级配制得模拟月壤，中值粒径d50=0.3mm；称取定量的水和片状NaOH倒入烧杯中混合均匀，冷却至室温后密封陈伏24 h；混合均匀定量的碱溶液和模拟月壤；最后将上述混合物放入模具中分层击实，试样尺寸为φ50 mm×100 mm，制备好的试样用保鲜膜密封包裹。养护温度20℃的试样为常温养护；养护温度60℃，100℃的试样，在其温度环境下蒸汽养护10 h，再放入20℃下养护28d。

表2 模拟月壤各粒径组及百分含量

1.4 试验设备

试验采用安徽理工大学WDW-200微机控制电子万能试验机进行无侧限抗压强度试验，设定加载速率为1 mm/min。采用日本理学smartlab9k型X射线多晶衍射仪(XRD)进行矿物组成分析，扫描速率6 (°)/min，扫描角度10°-60°。采用日立FlexSEM1000型扫描电镜(SEM)观察水化产物的微观形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 应力-应变曲线

应力-应变曲线可以综合反映出材料强度和变形特性。岩土材料内部含有大量的微裂纹和孔洞，表现出显著的不均匀性和各向异性，因此应力应变关系呈现出非线性特征。如图2(a)所示，不同温度养护和不同碱掺量的试样的应力-应变曲线形状相似，破坏过程大致分为压密阶段、线弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段四个阶段，均表现为应变软化的特性。

图2 不同养护温度下模拟月壤的应力-应变曲线

常温养护时，随着NaOH掺量的增加，模拟月壤地聚合物的峰值应力和弹性模量均呈现出先减小后增大再减小的变化趋势。当养护温度为60℃、100℃时，地聚合物的峰值应力和弹性模量随着碱掺量的增大而增大，峰值应变随着峰值应力的增大而减小，曲线由“扁平”型变化为“窄瘦”型，脆性增强，模拟月壤抵抗破坏和变形的能力提升。

2.2 无侧限抗压强度

图3为不同试验条件下试样的无侧限抗压强度。高温蒸汽养护可以显著提高材料的抗压强度。随着养护温度的升高，不同碱含量下的抗压强度均有所提升，但不同掺量下强度的增长幅度不同，其中3.2%和4.0%NaOH掺量下的抗压强度增长幅度较大，且当4.0%掺量时，60℃的抗压强度大于100℃。养护温度60℃时抗压强度的增长幅度大于养护温度100℃，说明过高的养护温度在较高碱掺量下可能抑制强度的发展。

图3 不同养护温度下模拟月壤的抗压强度

当养护温度为20℃时，无侧限抗压强度随着碱掺量的增加，呈现出现降低再增大再降低的变化趋势，在NaOH掺量为3.2%时强度较大。当温度为60℃和100℃时，模拟月壤地聚合物抗压强度随NaOH掺量的增加而增大。整体上看当养护温度60℃且NaOH掺量为4.0%时无侧限抗压强度较大。

2.3 XRD分析

图4为20℃养护温度3.2%NaOH掺量、60℃养护温度4.0%NaOH掺量下模拟月壤地聚合物的XRD图谱。

图4 不同养护温度下XRD 图谱

在不同的养护温度时，试样中均检测到水化硅铝酸钠凝胶(N-A-S-H)、水化硅铝酸钙凝胶(C-A-S-H)的衍射峰。这与van Deventer等[12]研究结果相一致，即在地聚合过程中可形成晶体沉淀物，可溶性Na+和Ca2+参与反应，形成N-A-S-H和C-A-S-H，同时生成的凝胶有利于填充地聚合物网络中的孔隙，形成更致密的地聚合物基质。

在60℃养护温度时，试样中检测到较多水化硅酸钠凝胶(N-S-H)，同时相比于20℃养护温度时，C-A-S-H衍射峰更明显。养护温度的提高加速了水化反应，生成更多N-S-H凝胶的水化产物，增加了材料颗粒之间的黏结点，填充了试块中的空隙，使得试件无侧限抗压强度提高。这与周等[13]所阐述的现象一致，适当高温的养护条件能促进硅铝酸盐前驱物溶解并加快硅铝氧单体的缩聚反应，使水化凝胶产物增多，试件强度增强。荣等[14]的研究表明，胶体的布朗运动随温度升高而增快，高温使胶体间碰撞作用增强并克服斥力位能，加快了凝胶成型。

2.4 微观形貌分析

图5为模拟月壤地聚合物试样的SEM照片，选取20℃养护温度下3.2%NaOH掺量和60℃养护条件下4.0%NaOH掺量的图像进行讨论。

由(a)可知，NaOH与模拟月壤颗粒上的玻璃相反应生成了大量的絮状凝胶物质包裹在材料颗粒表面，使原本光滑的表面变得粗糙，颗粒之间的粘结力增加，结合XRD检测结果，判定这些絮状凝胶是无定形的N-A-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶。由(b)可知，可以看到土体表面被N-A-(S)-H凝胶完全覆盖，基本没有未反应的玄武岩颗粒，表明提高养护温度能加快硅铝氧单体的缩聚反应，较为迅速的生成大量凝胶产物，大量泛白色N-A-(S)-H凝胶，增强了土体密实程度和骨架结构，使得强度提升。

分析试验结果可知，NaOH溶液提供了碱环境，模拟月壤中的玻璃体与强碱中的OH—发生溶解，玻璃体外壳剥落，部分Si-O、Al-O键发生断裂，断裂之后产生Si4+、Al3+继续与OH-反应生成Si、Al低聚体，最终生成硅铝酸盐凝胶，使结构密实强度提高。对比发现，60℃蒸养试样相比于20℃试样，结构明显更加致密，水化发展更快，试样强度增加更明显。

3 结 论

(1)模拟月壤在不同NaOH掺量和养护温度下，峰值应变随着峰值应力的增大而减小，曲线由“扁平”型变化为“窄瘦”型，脆性增强。

(a)3.2%-20℃

(2)养护方式对模拟月壤地聚合物材料的抗压强度有较大影响，高温蒸汽养护可以显著提高材料的抗压强度，但过高的养护温度可能抑制强度的发展。当养护温度60℃且NaOH掺量为4.0%时无侧限抗压强度较大。

(3)模拟月壤在碱激发作用下的水化产物为水化硅铝酸盐。适当提高养护温度能加快硅铝氧单体的缩聚反应，较为迅速的生成大量凝胶产物，从而提高试件抗压强度。