水玻璃固化模拟月壤抗压强度增长机理分析

汪寒艳， 马芹永*

(1.安徽理工大学土木建筑学院， 淮南 232001； 2.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心， 淮南 232001)

月球上含有丰富的矿物资源，登月开发月球、月球基地建设已成为新兴航天大国之间的竞争焦点[1]。而月球基地建设需要大量的建筑材料，同时耗费大量的财力资源，故利用月球已有资源尤为重要[2]。近年来，国内外专家对模拟月壤进行大量的研究。刘德赟等[3]制备了不同含水量下的冻土模拟月壤，并进行钻取试验。蔡建国等[4]利用放电等离子烧结技术(spark plasma sintering,SPS)实现了模拟月壤的成型,并对其抗压强度和弹性模量进行研究。文献[5-6]提出了一种将月壤模拟物进行熔化处理，通过激光熔化技术提高模拟月壤的强度。Khoshnevis等[7]利用富含硫的月壤土生产硫黄混凝土，但硫黄混凝土的耐久性、耐火性效果不好。Taylor等[8]通过聚焦太阳光的高温光束来固化月球土壤用来覆盖月球表面，然而材料内部的热应力会导致月壤板的变形，实际施工中是不理想的。因此需要研制一种在极端条件下具有良好力学性能的月球建筑材料[9-10]。

地聚合物在极端的条件下具有良好的力学性能和耐久性。该材料在反应过程中消耗的水分很少，大部分水均可以循环利用[11]。Montes等[12]利用JSC-1A模拟月壤制备了一种土聚合物，这种地聚合物具有抗辐射能力。Wang等[13]利用喀麦隆的火山灰制备月壤模拟物，并证实其有较好的抗冻性。Zhou等[14]在高温蒸养条件下利用NaOH激发模拟月壤，使得其抗压强度提高一倍。Alessio等[15]利用K2SiO3和NaOH混合溶液激发模拟月壤，并研究了模拟月壤的力学性能。王开拓[16]选用不同的碱激发剂在不同的养护条件下对模拟月壤进行激发，得出干粉水玻璃激发模拟月壤的抗压强度效果最佳。

目前模拟月壤地聚合物的研究主要集中在宏观力学性能、破坏形态以及变形等方面，对微观结构以及能量演化方面研究较少，而实际上模拟月壤材料的破坏是其内部能量耗散和释放的结果。因此研究不同掺量水玻璃下模拟月壤材料破坏过程中的能量变化，可评估不同掺量水玻璃下模拟月壤抵抗外荷载的能力，进而阐述其强度变化机理。

基于上述研究，选用玄武岩作为模拟月壤材料，进行不同水玻璃掺量和不同养护温度下的单轴抗压强度试验，结合X射线衍射试验和SEM(scanning electron microscope)试验，得到水玻璃固化模拟月壤的抗压强度变化规律，分析水玻璃固化模拟月壤的能量变化和微观结构，为水玻璃固化月壤在月球基地建设中提供相应试验依据。

1 样品制备及试验方案

1.1 样品制备

试验所用的模拟月壤材料取自南京市六合区的颗粒状碱性橄榄玄武岩，其表面为凹凸不平，具有棱角、勾角等不规则形状，符合真实月壤的颗粒形态[17]。真实月壤的绝大部分粒径分布在30 μm～1 mm，平均粒径约为70 μm，即月壤的粒径普遍小于1 mm，取模拟月壤材料玄武岩的主要的化学成分如表1所示，颗粒粒径分布如图1所示。主要的矿物成分如图2所示。

表1 样品化学成分Table 1 Chemical composition of samples

图1 模拟月壤的粒径分布Fig.1 The particle size distribution of simulated lunar soil

图2 模拟月壤的XRD图谱Fig.2 XRD pattern of simulated lunar soil

Gladstone等[18]和Colaprete等[19]证实了月球极区有水资源存在，且水分含量在5.6%～11.5%。取不同含水率(3%、5%、7.5%、10%)进行初步抗压强度试验，通过含水率试验，可知当含水率为7.5%时模拟月壤的抗压强度最大。在此基础上掺入不同掺量水玻璃研究模拟月壤的力学特性，水玻璃的模数为1.2，质量掺量比分别为1%、3%、5%、7%。按照以下过程制备试样：将烘干后的玄武岩试样进行筛分试验，然后根据试验配比向试样中均匀喷洒预定质量的水玻璃溶液并确保搅拌均匀。随后采用分层击实法[20]将土样击实，先将已击实的土样进行刨毛，然后加入第二层土样，依次反复，直至完成直径50 mm，高100 mm的标准圆柱体试样的制备。将制备好的试样用保鲜膜密封包裹，分别放入已经恒定的25、50、85、120 ℃的温度环境下进行养护12 h，再放入室温下进行养护28、14、7、3 d。

1.2 试验方案

试验在安徽理工大学力学性能试验室的WDW-200微机控制电子万能材料试验机上进行。试验机加载速率为1 mm/min。试验方案为不同试样养护温度25、50、85、120 ℃，不同的水玻璃质量掺量1%、3%、5%、7%固化模拟月壤抗压强度试验,每个龄期16组48个试样,共192个试样(每个试验工况3个平行试样)。在恒定的变形速率下进行单轴加载至20%的应变后停止试验。

2 单轴抗压试验结果分析

2.1 抗压强度分析

模拟月壤的抗压强度是其最基本的力学特性，它不仅与模拟月壤本身的物理性质有关，还与养护条件和碱激发剂密切相关。

2.1.1 抗压强度随水玻璃掺量变化

模拟月壤的抗压强度随水玻璃掺量的变化如图3所示。

不同龄期试样的抗压强度较未掺水玻璃的试样(抗压强度为90 kPa)有大幅增加。从图3可以看出：①不同龄期的模拟月壤抗压强度随水玻璃掺量的变化趋势一致，随水玻璃掺量增加，抗压强度先增大后减小，水玻璃掺量为5%时，强度最大；②随着养护龄期增加，无侧限抗压强度均呈增大趋势，当水玻璃掺量为5%时，28 d抗压强度较14、7、3 d分别提高30%、56%、65%。

图3 抗压强度随水玻璃掺量变化Fig.3 The compressive strength varies with the content of sodium silicate

模拟月壤抗压强度随水玻璃掺量的增加先增大后减小，说明添加的水玻璃并非越多越好，当超过某一掺量后，由于过多的水玻璃沉积不能充分与玄武岩反应等原因，导致二者之间反应不完全，从而引起抗压强度降低。随着养护龄期的增长，聚合反应更充分，生成的水化产物越多，从而模拟月壤的抗压强度越高。

2.1.2 抗压强度随养护温度变化

图4为在不同的温度下养护12 h，再放在室温下养护14 d的模拟月壤强度变化特征。

从图4可以看出，在养护龄期为14 d条件下，短期的高温养护对抗压强度的提高有较大影响：①不同掺量下水玻璃随短期养护温度的变化趋势一致，随着养护温度的升高，无侧限抗压强度先增大后减小，峰值点位于养护温度为85 ℃处；②经过12 h的短期高温养护，模拟月壤强度均呈现不同程度的提高，在水玻璃掺量均为5%时，抗压强度最大提高了175%。

图4 模拟月壤强度和养护温度的关系Fig.4 The relationship between simulated lunar soil strength and curing temperature

从图4中可以看出，热养护模拟月壤可以促进体系反应的发生，形成更多的地聚合物凝胶，提高试件的强度。但热养护的温度过高时，由于适当的高温养护使基体内的活性组分已完全反应，过高的养护温度会使体系内产生热应力，从而促使裂缝的产生，抗压强度也会下降[21-22]。文献[23]发现在碱激发火山灰的体系中，高温养护温度存在一个临界值，过高的养护温度会破坏地聚合物的内部结构，且在过量的碱环境中试件容易出现裂纹，强度有所下降。

2.2 应力-应变曲线特征

由于模拟月壤应力-应变曲线形态表现较相似，因此选取水玻璃质量掺量比为5%和养护14 d为例，其单轴抗压应力-应变曲线如图5所示。

比较图5(a)和图5(b)可知，模拟月壤应力-应变曲线受养护温度和水玻璃掺量影响较显著。在相同掺量水玻璃条件下，随着养护温度的升高，应力-应变曲线由“扁平”逐渐演变为“窄瘦”，说明在合适的温度范围内，养护温度越高，试样获得较大的单轴抗压强度和较高的弹性模量。在养护温度为85 ℃时，应力应变曲线的峰值最大；在同一养护温度条件下，当水玻璃掺量为5%时，应力-应变曲线呈现“窄瘦”型，说明试样获得较高的弹性模量，此时试样同样获得较高的强度。高温养护和掺水玻璃并没有明显改变模拟月壤的破坏形式，所有的试样均呈现脆性破坏。

图5 不同温度和不同水玻璃掺量应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curve of different temperature and different sodium silicate content

如图6所示，虽然高温养护和掺水玻璃对试样的应力-应变曲线的形状有所影响，但试样的破坏形式均相似，破坏过程大致分为以下阶段：压实阶段(OA);线弹性阶段(AB);塑性屈服阶段(BC)和破坏阶段(CD)。

图6 模拟月壤应力-应变曲线及其破坏形式Fig.6 Stress-strain curve of simulated lunar soil and its failure form

2.3 单轴压缩过程中能量特征

2.3.1 能量计算

模拟月壤变形破坏过程本质上是能量输入、耗散和释放过程。在压力机加载过程中，不断向试块输入能量，在达到应力峰值前试样吸收能量，在峰值破坏后则不断释放弹性能。输入的能量主要是压力机加载中对模拟月壤试样做的功，其中大部分以可释放弹性能的形式存在于试样内部，另一部分以裂隙，变形破坏等形式耗散掉，同时少量以摩擦热能释放到外界[24-25]。

根据热力学第一定律[26]，压力机对模拟月壤试样加载过程所做的功Q为

Q=Qd+Qe

(1)

式(1)中：Q为压力机所做的功；Qd为耗散能；Qe为弹性能，MJ/m3。

模拟月壤试样在单轴压缩过程中，Q、Qd、Qe计算公式分别为

(2)

(3)

Qd=Q-Qe

(4)

式中：σ0和ε0分别表示模拟月壤的应力和应变值；E为应力-应变曲线中直线段的斜率[27]。

2.3.2 能量演化特征

通过对不同养护温度和不同掺量水玻璃作用下的模拟月壤进行单轴抗压试验，得到单轴压缩过程中试样能量-养护温度以及能量-水玻璃掺量关系曲线(养护龄期14 d)如图7、图8所示。

图7 模拟月壤能量参数与养护温度的关系Fig.7 The relationship between simulated lunar soil energy parameters and curing temperature

图8 模拟月壤能量参数与水玻璃掺量的关系Fig.8 The relationship between simulated lunar soil energy parameters and sodium silicate content

由图7可得到以下结论。

(1)在单轴抗压试验中，随着养护温度的升高，总能量和耗散能均呈现先增大后减小趋势。在养护温度为50 ℃时，总能量和耗散能均达到最大，分别为0.020 1、0.014 8 MJ/m3。

(2)弹性能在养护温度为85 ℃时达到最大值，为0.013 8 MJ/m3。

(3)整体来看，耗散能占总能量的比例较大，在85 ℃养护条件下，弹性能和耗散能的占比几乎一样。养护温度大于85 ℃时，耗散能占比上升，弹性能占比下降。

由图8可知：

(1)随着水玻璃掺量的增加，总能量和弹性能均呈先增大后减小趋势。在水玻璃掺量为5%时，总能量和弹性能达到最大，分别为0.031 3，0.019 5 MJ/m3。

(2)耗散能整体上呈现上升趋势。

(3)在水玻璃掺量为5%时，弹性能占比大于耗散能占比，掺量大于5%后，弹性能占比下降，耗散能占比上升。

综上分析，在合适的养护温度下，适量的水玻璃掺入模拟月壤中能有效提高弹性能，减少耗散能的损失。原因在于，水玻璃的掺入能有效减少模拟月壤内部裂缝的扩展，改善应力集中现象；适当的高温养护能加速水化反应的发生，生成的凝胶物质进一步加强颗粒之间的黏结。

3 微观结构特征分析

3.1 X射线衍射分析

X射线衍射是分析晶体矿物成分组成的一种重要方法。对模拟月壤，水玻璃掺量为5%的模拟月壤试样(养护时间14 d，养护温度85 ℃)进行X射线衍射分析。从而探讨在水玻璃碱激发作用下生成物的化学成分。

图9为模拟月壤和水玻璃掺量5%模拟月壤的X射线衍射谱图，根据各组分衍射峰位置分布，可以明显观察出模拟月壤的主要矿物成分主要为钙长石、钠长石和辉石等。掺入5%水玻璃后，部分矿物衍射强度发生改变，钙长石衍射强度升高，且有密集的非晶体物质增加[28]。在2θ<50°区域内有明显的硅铝酸盐聚合物凝胶(N—A—S—H)生成。王东星等[29]研究发现，碱激发剂能有效激发硅铝质地聚合物的活性组分，引起玻璃体结构中Si—O键和Al—O键的断裂，重新聚合生成N—A—S—H凝胶。与此同时，在5%掺量水玻璃的模拟月壤试样中，发现有AFt衍射峰形成。简文彬等[30]研究表明，硅铝质地聚合物的水化反应前期产物主要有AFt和水化硅酸钙凝胶。

图9 水玻璃固化模拟月壤XRD图Fig.9 XRD pattern of simulated lunar soil solidified by sodium silicate

3.2 SEM扫描电镜分析

通过扫描电镜试验，观察模拟月壤微观形貌。图10(a)是模拟月壤SEM图像，图10(b)和图10(c)分别是掺量为1%和5%水玻璃的模拟月壤SEM图像。从图像图10(a)上可以看出，模拟月壤的骨架颗粒以单粒为主，孔隙的形状不规则，孔隙间无填充物。模拟月壤颗粒间呈现点接触，颗粒间排列乱杂且离散性大。通过掺入水玻璃，颗粒表面出现絮状胶凝产物，颗粒间被紧密接触，孔隙被胶凝物质填充，整体结构看起来更加密实，宏观上表现模拟月壤地聚合物强度增强。

图10 水玻璃固化模拟月壤SEM图(14 d，85 ℃)Fig.10 SEM image of simulated lunar soil solidified by sodium silicate (14 d, 85 ℃)

图10(b)可以看出，掺入适量水玻璃后，部分模拟月壤颗粒表面及周围有白色凝胶出现，根据周恒宇等[31]研究结果初步判定该白色胶凝物质是N—A—S—H凝胶。此时颗粒被凝胶包裹，表面相对光滑，同时颗粒由原来松散状态变为团聚结构，骨架之间有效搭接。将水玻璃掺量提高至5%，如图10(c)所示，模拟月壤颗粒周围以及内部有大量的针刺状和柱状晶体生成，根据文献[28]研究发现，硅铝质地聚合物的早期水化产物主要为AFt。这是模拟月壤地聚合物早期强度增强的主要原因，此时颗粒之间通过这些纤维状晶体完成了胶结形成网路，直到颗粒完全被包裹，此时模拟月壤地聚合物的强度进一步增强。

4 水玻璃固化机理分析

(1)水玻璃对模拟月壤的碱激发作用。模拟月壤的主要化学成分是SiO2和Al2O3，大部分为玻璃体结构。水玻璃溶液经水解后产生NaOH和硅酸，NaOH为反应体系提供OH-，促进模拟月壤玻璃体中的Si—O和Al—O键断裂；硅酸提供了大量的活性硅，从而使体系中硅离子、铝离子与碱性硅铝酸盐发生缩聚反应，水化生成N—A—S—H凝胶和AFt等产物。

(2)水玻璃与模拟月壤颗粒中的长石、辉石等矿物存在吸附作用。模拟月壤中的钙、硅、铝等元素溶出与水玻璃发生反应，生成水化硅酸钙凝胶。同时硅酸盐离子和硅胶吸附在模拟月壤颗粒表面，形成大的胶粒团，由于硅氧和硅铝四面体结构不稳定易发生缩聚反应，形成具有高聚合度的硅酸盐凝胶共存网状结构产物，沉积在颗粒孔隙之间，且有大量凝胶体通过吸附作用包裹在骨架颗粒表面[如图10(b)]。

(3)水玻璃掺量对强度的影响。水玻璃的掺量决定了SiO2和Na2O的浓度，当水玻璃掺量为1%时，SiO2和Na2O含量较少，起不到有效的激发作用，从而水化反应玻璃体表面溶出的产物较少，对强度提高效果不明显；当水玻璃掺量为5%时，体系内SiO2和Na2O含量有所提高，激发作用明显提升，玻璃体表面溶出物质增多，且水化生成了大量的水化硅酸钙，AFt和N—A—S—H凝胶等产物，对模拟月壤地聚合物强度提高明显；当水玻璃掺量大于5%时，SiO2和Na2O含量过高，在提高激发速度外还生成了大量的凝胶，并包裹未反应部分进而阻止反应进行。

5 结论

(1)单轴抗压强度试验表明：水玻璃掺量和养护条件对提高模拟月壤强度有明显影响。当掺量由1%增加到7%时，模拟月壤的强度呈现先增大后减小趋势，在掺量为5%时，模拟月壤的抗压强度最大；当养护温度由25 ℃增加到120 ℃时，模拟月壤的强度先增大后减小，在养护温度为85 ℃时，抗压强度达到最大。

(2)模拟月壤破坏过程实际上是内部能量的释放和耗散，掺量为5%的水玻璃掺入模拟月壤中能有效提高其弹性能，减少耗散能的损失。

(3)微观试验表明：在水玻璃激发作用下，模拟月壤的内部微观结构发生变化。水玻璃的碱激发作用和水玻璃与模拟月壤颗粒中的长石和矿物等存在吸附作用致使生成N—A—S—H凝胶，AFt等产物，使得原本松散的模拟月壤颗粒通过凝胶而黏结成一个紧密的空间网状结构，从而提高了模拟月壤的抗压强度。