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月球混凝土研究進展及展望

2019-06-06 15:32:38 作者：本網(wǎng)整理來源：同濟混凝土外加劑分享至：

1 引言

從1969年7月20日阿姆斯特朗在月球表面邁出的一小步（圖1）開始，人類就從未停下邁向月球的腳步。月球具有可供人類開發(fā)和利用的各種獨特資源，是對地球資源的重要補充和儲備，將對人類社會的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。我國在2006-2020年《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中，將探月工程列為16個重大專項之一，列為我國科技發(fā)展的重中之重。中科院公布的“中國2050年科技發(fā)展路線圖”也指出，我國將在2030年前后實現(xiàn)載人登月，建立月球基地；并在2050年前后，載人飛行從月球基地飛向更遠(yuǎn)的行星，具備載人登火星能力。

圖1 從1969年7月20日，美國宇航員阿姆斯特朗借助“阿波羅11號”宇宙飛船，成為人類史上第一個登上月球的人

在月球上建設(shè)各種構(gòu)筑物，需要用到大量的混凝土和鋼筋混凝土。然而，從零起步，建設(shè)月球基地、建設(shè)各種設(shè)施甚至建設(shè)所謂的“月球村”，是一項龐大的工程。若混凝土原材料和鋼筋等只能從地球運載過去，花費之巨可能令人望而卻步。因此，月球構(gòu)筑物建設(shè)必須盡可能地就地取材，將其對地球原材料的依賴降低到最低程度。“月球混凝土（Lunar Concrete或Lunarcrete）”的概念，就是在這種背景下被鄭重提出的。

月球混凝土在國際上是一個具有重大理論意義和處于科學(xué)前沿的問題，也是當(dāng)前各國頂尖科學(xué)家們最感興趣的技術(shù)問題。應(yīng)國內(nèi)同行要求，本文介紹月球表面環(huán)境特點及月球混凝土的適用性，以及月球的混凝土進展，期待國內(nèi)有更多學(xué)者開展這方面的研究工作。

2 月球表面環(huán)境特點及月球混凝土適用性

相較于地球環(huán)境，月球表面環(huán)境極其惡劣。月球表面為真空，物體呈失重狀態(tài)（月球表面的重力加速度只有地球表面的1/6）。盡管美國科學(xué)家最近借助衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，月球表面火山沉積物中可能含有水分，但并非親眼所見，人們更愿意暫且相信月球表面極有可能沒有水份。由于沒有空氣，月球表面的晝夜溫差非常大，溫度會在-190℃到+137℃之間變化。當(dāng)各類隕石落向月球時，墜落速度高達(dá)20 m/s-40 m/s。除此之外，月球上每年發(fā)生月震約300次，14d為1個周期。月球沒有足夠的磁場以阻止帶電粒子對月球表面的直接撞擊，宇宙線、太陽風(fēng)等放射線很多，具體如表1所示。

表1 月球表面帶電粒子環(huán)境

可幸的是，通過技術(shù)方面的努力，應(yīng)該能夠讓混凝土材料適應(yīng)月球表面十分惡劣的環(huán)境。混凝土材料除了能夠滿足通常結(jié)構(gòu)的強度要求，在+300℃以下的高溫和-200℃以上的低溫下，強度不會有太大的變化，甚至超低溫情況下，由于孔內(nèi)冰的強度的提高，混凝土的整體強度會有所增加。

研究表明，距離月球表層1 m以下的部位，其溫度較為穩(wěn)定，在-30℃左右。所以，若設(shè)計在月球地表下建設(shè)建筑物，可避免超低溫對材料和結(jié)構(gòu)的不利影響。

雖月球上的月震頻繁，但其震級較小（一般只有2-3級，最大為4級左右），對月球表面的建筑結(jié)構(gòu)的破壞力可忽略。

研究認(rèn)為，若在建筑物（或構(gòu)筑物）上加蓋2 m厚的土（或砂礫），可使建筑物免受隕石碎片的破壞，同時還可起到屏蔽輻射的作用。這一點極大地增強了人們在月球表面大力建設(shè)并實現(xiàn)居住夢想的信心。

3 月球混凝土的研究進展

3.1 月球表面土壤和巖石化學(xué)成分分析

從1969年到1972年，美國進行了多次所謂的“阿波羅”宇航行動。據(jù)稱，通過這些史無前例的“宇航行動”，美國科學(xué)家們對月球表面土壤和巖石進行了“廣泛而深入”的考察，從月球表面取回了大量有代表性的土壤和巖石樣品（僅巖石樣品就達(dá)440 kg）。

通過化學(xué)分析，美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，月球表面土壤和巖石的主要成分與地球表面土壤相似，均包含SiO2，A12O3，CaO和FeO等。這些也正是我們生產(chǎn)硅酸鹽系列水泥所必需的原材料，如表2所示。

表2 月球表面典型土壤和巖石的化學(xué)成分

3.2 利用月球表面土壤和巖石制備混凝土所需水泥和骨料

華裔美國科學(xué)家TD Lin曾提出通過加熱熔融的方法從月球表面巖石中分離出水泥主要成分的建議。其主要技術(shù)路線為：1）將含水泥化學(xué)成分的月球巖石加熱到比水泥化學(xué)成分熔融溫度低200 ℃左右的某個溫度，使制備水泥所需化學(xué)成分以外的成分先熔融；2）將制備水泥所需化學(xué)成分以外的成分分離出去；3）將所剩有效成分加熱到1700℃以上，急冷后便可得到鋁酸鹽水泥。

此外，還有在月球上制備水泥的方法，如將月球表面巖石反復(fù)熔融，或直接加熱到3000℃，通過對熔融物按需分離，也可制得水泥。這些方法在理論上是完全可行的，但應(yīng)注意的是，加熱溫度均比當(dāng)前我們在地球上生產(chǎn)水泥所需溫度高得多，而且資源消耗量也比較大。

在月球上制備混凝土所需的粗、細(xì)骨料，可直接通過破碎月球表面巖石后，篩分獲得。

3.2 月球混凝土的制備

由于過去一直認(rèn)為月球上不存在水，科研工作者致力于能代替地球混凝土“骨料+水泥+水”模式的“無水拌合混凝土”所謂月球混凝土模式。干拌蒸壓養(yǎng)護混凝土（Concrete with Dry-Mix/Steam-Injection Method，DMSIMC）和硫磺混凝土（Sulfur Concrete，SC）被認(rèn)為是月球混凝土的最佳選擇。

所謂干拌蒸壓養(yǎng)護混凝土，是指先按設(shè)計配合比將水泥和粗、細(xì)骨料投入攪拌機，干拌均勻后，將干拌料置入高壓定型鍋內(nèi)成型，并通入高溫高壓蒸汽（105 ℃-200 ℃的飽和蒸汽）進行養(yǎng)護。利用這種方法成型和養(yǎng)護的混凝土，用水量極少，強度發(fā)展快（24h內(nèi)便可達(dá)到極限強度的90%以上），最終抗壓強度80-150MPa，甚至可超過200MPa。楊慧采用干拌蒸壓養(yǎng)護法制備了普通硅酸鹽水泥硬化漿體，研究了不同養(yǎng)護溫度和養(yǎng)護時間對漿體力學(xué)性能的影響，并測試了漿體的微觀結(jié)構(gòu)。其研究結(jié)果顯示，在設(shè)定的養(yǎng)護溫度范圍（140 ℃-216 ℃）和養(yǎng)護時間范圍（6 h-12 h）內(nèi)，隨著養(yǎng)護溫度的提高和養(yǎng)護時間的延長，漿體的表觀密度和抗壓強度增加。隨著養(yǎng)護時間的延長，通入的蒸汽量增加，因而漿體的水灰比增大，硬化漿體中非蒸發(fā)水（也即化學(xué)結(jié)合水）與水泥質(zhì)量的比值、氫氧化鈣含量都有所增加，這說明漿體中水泥的水化程度提高了。王偉鋒注意到月球上存在非晶態(tài)硅質(zhì)材料這一事實，認(rèn)為月球混凝土可以摻加非晶態(tài)硅質(zhì)材料以改善性能。為此，他通過試驗研究了干拌蒸壓養(yǎng)護條件下，非晶態(tài)硅質(zhì)材料（凝灰?guī)r和火山巖）對混凝土性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著非晶態(tài)硅質(zhì)材料摻量的增加，硬化漿體、砂漿和混凝土的抗壓強度均呈先增后減的規(guī)律。其中，采用火山巖作為摻和料時，其最佳摻量為40%，與未摻火山巖的混凝土相比，摻加者抗壓強度提高了18.0%。這一研究結(jié)果也說明采用干拌蒸壓養(yǎng)護法可以制備摻加大量非晶態(tài)硅質(zhì)材料的水泥硬化漿體、砂漿和混凝土，以節(jié)約水泥用量。

硫磺混凝土是一種以硫磺作膠結(jié)材料的混凝土，是將加熱的骨料與熔化的硫磺相拌合，澆筑到模具后，經(jīng)冷卻就可得到具有較高強度的構(gòu)件。Toutanji H A等采用65%的JSC-1模擬物和35%的硫磺制備硫磺混凝土，在室溫下養(yǎng)護24 h后測定了其立方體試件的抗壓強度。結(jié)果顯示，硫磺混凝土的抗壓強度為31.0MPa，而同時期養(yǎng)護28 d的水泥混凝土（水灰比為0.43）的抗壓強度僅為24.4 MPa。

除生產(chǎn)中不需要水這一事實外，硫磺混凝土最大的優(yōu)點是它在化學(xué)侵蝕性環(huán)境中（例如在接觸鹽或酸溶液情況下）性能非常穩(wěn)定。Vlahovic M M等比較了硫磺混凝土與硅酸鹽水泥混凝土在HCl、H2SO4和NaCl溶液中的耐腐蝕性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，處在酸性溶液和鹽溶液中的硅酸鹽水泥混凝土試件，2個月后即表現(xiàn)出嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象，其質(zhì)量損失高達(dá)20%，力學(xué)性能完全喪失。相反，硫磺混凝土試件沒有顯示出任何劣化現(xiàn)象，且其質(zhì)量損失和抗壓強度變化都非常小。在10%HCl的溶液中浸泡2個月的硅酸鹽水泥混凝土試件和浸泡12個月后的硫磺混凝土試件的外觀如圖2所示。

圖2 在10% HCl溶液中浸泡后的試件外觀：（a）浸泡2個月的硅酸鹽水泥混凝土試件；（b）浸泡12個月的硫磺混凝土試件

然而，值得注意的是，硫磺混凝土在技術(shù)方面仍存在一定的局限性。在硫磺混凝土施工成型的過程中，硫磺（S）由熔融液態(tài)冷卻至固態(tài)狀態(tài)時，會發(fā)生β晶型（單斜硫）向α晶型（斜方硫）轉(zhuǎn)變的過程，這一過程造成較大的固相體積收縮，晶粒間產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會導(dǎo)致微裂紋。包含有較多微裂紋的硫磺混凝土在應(yīng)用中受力可能發(fā)生脆性破壞。研究表明，添加硫磺增塑劑或某些改性劑，會一定程度上降低硫磺混凝土的脆性，但在將硫磺加熱至130 ℃-140 ℃使其熔化的過程中，添加硫磺增塑劑或改性劑又會產(chǎn)生有害氣體，污染環(huán)境并影響人體健康。硫磺混凝土的強度不高，當(dāng)硫磺混凝土中的硫磺用量達(dá)35%時，即使摻加2%的金屬纖維，試件抗壓強度仍只有43.0 MPa。硫磺混凝土試件成性養(yǎng)護完成后，若暴露熱循環(huán)環(huán)境下中，其耐久性會很差。硫磺的熔融溫度較低（130 ℃-140 ℃），所以硫磺混凝土的耐火性差，若將其暴露在明火之中，其表面的硫磺將被燃燒掉。因此，若想安全地應(yīng)用硫磺混凝土，還需對其進行增強、增韌，并采取有效的防火措施。

3.3 月球環(huán)境對混凝土的影響

當(dāng)科學(xué)家們宣布已探測到月球南北兩極有相當(dāng)?shù)谋鶅淞浚?.1億t-3億t），人們有理由相信，月球混凝土的生產(chǎn)用水問題應(yīng)該能夠得到一定程度的解決。在這種情況下，月球混凝土的研制路線又回到了“骨料+水泥+水”的傳統(tǒng)混凝土模式。

但是，月球失重狀況下，水泥的水化進程是否會受到影響？水泥水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形貌如何？水泥混凝土強度發(fā)展如何？這些問題激發(fā)了人們更大的研究興趣。

為了解月球失重狀態(tài)對混凝土內(nèi)部水泥水化進程的影響，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué) Plank J教授課題組的Meier M R等在以拋物線飛行模式飛行的飛機上進行了微小重力條件對水泥早期水化影響的研究試驗，拋物線飛行的模式如圖3所示。0時刻時，飛機開始上升。在飛機上升過程中，超重力（1.8 g）階段約為20 s。當(dāng)上升角達(dá)到47°時，飛機發(fā)動機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，飛機漂浮22 s，執(zhí)行拋物線飛行，此時艙內(nèi)屬于微重力狀態(tài)。當(dāng)角度達(dá)到42°時，飛機退出拋物線，重新回到水平飛行位置。機艙內(nèi)在試驗裝置如圖4所示，它由三個注射器組成，其中一個裝有5 g水泥，一個裝有5 mL去離子水，另一個裝有10 mL丙酮。試驗中，當(dāng)力為0 g時，立即將水注入裝有水泥的注射器內(nèi)，并通過輕微搖動使懸浮液混合均勻。10s后，將水從漿液中壓出，轉(zhuǎn)動閥門，注入丙酮，并與脫水水泥混合以終止其水化作用。整個試驗過程必須在超重力開始前20 s內(nèi)完成。

圖3 飛機拋物線飛行模式

圖4 機艙內(nèi)的試驗裝置

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在微重力條件下水泥漿體內(nèi)形成的鈣礬石晶體的長徑比更大，微重力似乎阻礙了鈣礬石側(cè)面的生成，這可能是由于在這種環(huán)境中沒有對流所造成的。由于離子轉(zhuǎn)移到晶體表面的速度較慢以及晶體生長速度減慢，本體溶液在較長時間內(nèi)保持著過飽和狀態(tài)。因此，在微重力條件下，均勻成核的持續(xù)時間較長，形成了更多晶核。然而，由于過飽和度迅速降低，這些晶核不能持續(xù)生長，晶體的平均尺寸較小。在摻加聚羧酸系減水劑（PCE）的情況下，產(chǎn)物鈣礬石晶體的長徑比發(fā)生了顯著的變化，表明特定晶面通過吸附PCE可部分地阻止其生長。他們認(rèn)為這可以通過PCE占據(jù)的表面和數(shù)量不同來解釋。在微重力條件下，所有PCE（即使是陰離子電荷較低）對鈣礬石晶體生長的影響均較強，而在正常情況下，只有電荷量較大的陰離子聚合物才會對其產(chǎn)生強烈的影響。因此，低陰離子電荷的PCE在沒有重力的情況下更多地影響鈣礬石的尺寸并顯示出“強失重效應(yīng)”，如圖5所示。而對鈣礬石有強烈吸附作用的PCE，其在地面和微重力條件下都能顯著抑制鈣礬石晶體的生長。晶體生長動力學(xué)已被“強PCE效應(yīng)”減速時，微重力的附加效應(yīng)對晶體生長已沒有太大影響。

圖5 重力和PCE吸附對離子向鈣礬石晶核表面遷移的影響

4 展望

人類對月球（甚至火星）等可能讓生物生存的探索力度越來越大，步伐也在加快。盡快創(chuàng)造條件建設(shè)月球基地（甚至移民到火星），是各國的偉大夢想，也引起21世紀(jì)世界大國間的科技之爭。建設(shè)月球基地首先要解決建筑材料，月球混凝土將在其中扮演至關(guān)重要的角色。

月球混凝土的概念并非新奇，然而在研究的過程中仍有許多問題亟待解決，例如月球混凝土材料、結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的理論體系，微小重力條件下攪拌、成型和養(yǎng)護問題。微小重力條件下水泥的水化、硬化和強度建立問題等。

雖已有關(guān)于微小重力條件對水泥早期水化的影響的些許研究成果，但在未來的研究工作中，應(yīng)該必須延長到更長的時間段，在混凝土的整個塑性階段和硬化階段內(nèi)觀察鈣礬石、氫氧化鈣和水化硅酸鈣的生長，以獲得更多關(guān)于硬化水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的信息。真空環(huán)境下混凝土的干燥收縮量將會特別大，產(chǎn)生干燥收縮裂紋的可能性也會很大，如何防止其產(chǎn)生干燥裂紋需要我們慎重考慮。

還有，在月球表面如何正確檢測和評價水泥、骨料、混凝土及其他建筑材料的性能，似乎也應(yīng)該提上議事議程了。

不管有多難，人類建設(shè)月球基地，甚至移民到火星的夢想終將實現(xiàn)！希望更多土木工程材料研究工作者引領(lǐng)和參與到月球混凝土、火星混凝土的研究工作中。