不同養(yǎng)護溫度下模擬月壤地聚合物力學(xué)試驗與分析①

周兆曦，馬芹永,*，汪寒艷

(安徽理工大學(xué)a.土木建筑學(xué)院，b.礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

0 引 言

開發(fā)月球資源已成為主要航天國家的探索熱點[1]，而建設(shè)月球人類活動基地是重要目標。月球基地的建設(shè)需大量材料，然而地月之間運輸成本高昂，同時月面建造要克服苛刻的月面環(huán)境，國內(nèi)外普遍認為利用原位資源進行月球建設(shè)是較好選擇，此方法可有效降低月球開發(fā)建設(shè)的風險和成本[2]。國內(nèi)外學(xué)者在原位資源利用的技術(shù)中采用了不同的路線，中科院進行CLRS系列模擬月壤的激光3D打印成型試驗，驗證了激光3D打印成型技術(shù)在月球作業(yè)的可行性[3]，但打印機液體噴出受到超高真空和低重力環(huán)境限制；Faierson等使用JSC-1A模擬月壤進行鋁熱反應(yīng)，制備出砌塊單元[4]，但該方法需從地球運輸大量鋁粉，成本高昂；Bell等[5]使用模擬月壤進行高溫燒結(jié)硬化得到建筑材料，但燒結(jié)過程難以控制。

近年來，Montes等[6]嘗試以模擬月壤為原料制備地聚合物，試驗結(jié)果表明地聚合物的力學(xué)性能良好，具有耐高低溫、抗宇宙射線等優(yōu)異性能[7]，且制備過程受月面真空環(huán)境影響較小。硅鋁質(zhì)原材料、水和堿激發(fā)劑是制備地聚合物的基本材料，月壤表層中主要的化學(xué)成分是SiO2和Al2O3，并且月球中探明存在水[8]，因此月球擁有制備地聚合物的可行性。進行無側(cè)限抗壓強度試驗，探究了養(yǎng)護溫度和NaOH摻量對模擬月壤地聚合物力學(xué)性質(zhì)的影響，結(jié)合X射線衍射試驗(XRD)和掃描電鏡試驗(SEM)分析了水化產(chǎn)物的微觀形貌。

1 試 驗

1.1 試驗原料

Qian等[9]研究表明位于南京市六合區(qū)的顆粒狀玄武巖與嫦娥五號所采集的月壤樣品的化學(xué)成分和物理力學(xué)性質(zhì)較為接近，試驗采用南京市六合區(qū)玄武巖顆粒作為模擬月壤材料，其宏觀形態(tài)呈現(xiàn)棱角狀、次棱角狀、長條狀，與真實月壤的宏觀顆粒形態(tài)接近。玄武巖的礦物組成包含輝石、長石和不透明鐵質(zhì)等，具體的礦物成分如圖1所示?；瘜W(xué)成分和真實月壤較為相似，如表1所示。分析純NaOH為片狀，凈含量≥96%。

圖1 模擬月壤的XRD圖譜

表1 模擬月壤與Apollo 11，Apollo 14月壤樣品的化學(xué)成分對比[10](%)

1.2 試驗設(shè)計

Colaprete等[11]推算出月球極區(qū)永久陰影處的Cabeus隕石坑的月壤含水率為(5.6±2.9)%。選取試驗的含水率(水占干模擬月壤的質(zhì)量百分比)為7.5%。NaOH摻量分別為干模擬月壤質(zhì)量的0.8%、1.6%、2.4%、3.2%、4.0%，養(yǎng)護溫度為20℃，60℃，100℃，養(yǎng)護齡期為28 d，進行正交試驗，共計15組，每組制作3個平行試樣，共計45個試樣。

1.3 試樣制作

將玄武巖顆粒進行烘干篩分處理，根據(jù)文獻[19]提供的真實月壤級配范圍，按照表2所示的顆粒級配制得模擬月壤，中值粒徑d50=0.3mm；稱取定量的水和片狀NaOH倒入燒杯中混合均勻，冷卻至室溫后密封陳伏24 h；混合均勻定量的堿溶液和模擬月壤；最后將上述混合物放入模具中分層擊實，試樣尺寸為φ50 mm×100 mm，制備好的試樣用保鮮膜密封包裹。養(yǎng)護溫度20℃的試樣為常溫養(yǎng)護；養(yǎng)護溫度60℃，100℃的試樣，在其溫度環(huán)境下蒸汽養(yǎng)護10 h，再放入20℃下養(yǎng)護28d。

表2 模擬月壤各粒徑組及百分含量

1.4 試驗設(shè)備

試驗采用安徽理工大學(xué)WDW-200微機控制電子萬能試驗機進行無側(cè)限抗壓強度試驗，設(shè)定加載速率為1 mm/min。采用日本理學(xué)smartlab9k型X射線多晶衍射儀(XRD)進行礦物組成分析，掃描速率6 (°)/min，掃描角度10°-60°。采用日立FlexSEM1000型掃描電鏡(SEM)觀察水化產(chǎn)物的微觀形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以綜合反映出材料強度和變形特性。巖土材料內(nèi)部含有大量的微裂紋和孔洞，表現(xiàn)出顯著的不均勻性和各向異性，因此應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出非線性特征。如圖2(a)所示，不同溫度養(yǎng)護和不同堿摻量的試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀相似，破壞過程大致分為壓密階段、線彈性階段、塑性階段和破壞階段四個階段，均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化的特性。

圖2 不同養(yǎng)護溫度下模擬月壤的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

常溫養(yǎng)護時，隨著NaOH摻量的增加，模擬月壤地聚合物的峰值應(yīng)力和彈性模量均呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的變化趨勢。當養(yǎng)護溫度為60℃、100℃時，地聚合物的峰值應(yīng)力和彈性模量隨著堿摻量的增大而增大，峰值應(yīng)變隨著峰值應(yīng)力的增大而減小，曲線由“扁平”型變化為“窄瘦”型，脆性增強，模擬月壤抵抗破壞和變形的能力提升。

2.2 無側(cè)限抗壓強度

圖3為不同試驗條件下試樣的無側(cè)限抗壓強度。高溫蒸汽養(yǎng)護可以顯著提高材料的抗壓強度。隨著養(yǎng)護溫度的升高，不同堿含量下的抗壓強度均有所提升，但不同摻量下強度的增長幅度不同，其中3.2%和4.0%NaOH摻量下的抗壓強度增長幅度較大，且當4.0%摻量時，60℃的抗壓強度大于100℃。養(yǎng)護溫度60℃時抗壓強度的增長幅度大于養(yǎng)護溫度100℃，說明過高的養(yǎng)護溫度在較高堿摻量下可能抑制強度的發(fā)展。

圖3 不同養(yǎng)護溫度下模擬月壤的抗壓強度

當養(yǎng)護溫度為20℃時，無側(cè)限抗壓強度隨著堿摻量的增加，呈現(xiàn)出現(xiàn)降低再增大再降低的變化趨勢，在NaOH摻量為3.2%時強度較大。當溫度為60℃和100℃時，模擬月壤地聚合物抗壓強度隨NaOH摻量的增加而增大。整體上看當養(yǎng)護溫度60℃且NaOH摻量為4.0%時無側(cè)限抗壓強度較大。

2.3 XRD分析

圖4為20℃養(yǎng)護溫度3.2%NaOH摻量、60℃養(yǎng)護溫度4.0%NaOH摻量下模擬月壤地聚合物的XRD圖譜。

圖4 不同養(yǎng)護溫度下XRD 圖譜

在不同的養(yǎng)護溫度時，試樣中均檢測到水化硅鋁酸鈉凝膠(N-A-S-H)、水化硅鋁酸鈣凝膠(C-A-S-H)的衍射峰。這與van Deventer等[12]研究結(jié)果相一致，即在地聚合過程中可形成晶體沉淀物，可溶性Na+和Ca2+參與反應(yīng)，形成N-A-S-H和C-A-S-H，同時生成的凝膠有利于填充地聚合物網(wǎng)絡(luò)中的孔隙，形成更致密的地聚合物基質(zhì)。

在60℃養(yǎng)護溫度時，試樣中檢測到較多水化硅酸鈉凝膠(N-S-H)，同時相比于20℃養(yǎng)護溫度時，C-A-S-H衍射峰更明顯。養(yǎng)護溫度的提高加速了水化反應(yīng)，生成更多N-S-H凝膠的水化產(chǎn)物，增加了材料顆粒之間的黏結(jié)點，填充了試塊中的空隙，使得試件無側(cè)限抗壓強度提高。這與周等[13]所闡述的現(xiàn)象一致，適當高溫的養(yǎng)護條件能促進硅鋁酸鹽前驅(qū)物溶解并加快硅鋁氧單體的縮聚反應(yīng)，使水化凝膠產(chǎn)物增多，試件強度增強。榮等[14]的研究表明，膠體的布朗運動隨溫度升高而增快，高溫使膠體間碰撞作用增強并克服斥力位能，加快了凝膠成型。

2.4 微觀形貌分析

圖5為模擬月壤地聚合物試樣的SEM照片，選取20℃養(yǎng)護溫度下3.2%NaOH摻量和60℃養(yǎng)護條件下4.0%NaOH摻量的圖像進行討論。

由(a)可知，NaOH與模擬月壤顆粒上的玻璃相反應(yīng)生成了大量的絮狀凝膠物質(zhì)包裹在材料顆粒表面，使原本光滑的表面變得粗糙，顆粒之間的粘結(jié)力增加，結(jié)合XRD檢測結(jié)果，判定這些絮狀凝膠是無定形的N-A-S-H凝膠和C-A-S-H凝膠。由(b)可知，可以看到土體表面被N-A-(S)-H凝膠完全覆蓋，基本沒有未反應(yīng)的玄武巖顆粒，表明提高養(yǎng)護溫度能加快硅鋁氧單體的縮聚反應(yīng)，較為迅速的生成大量凝膠產(chǎn)物，大量泛白色N-A-(S)-H凝膠，增強了土體密實程度和骨架結(jié)構(gòu)，使得強度提升。

分析試驗結(jié)果可知，NaOH溶液提供了堿環(huán)境，模擬月壤中的玻璃體與強堿中的OH—發(fā)生溶解，玻璃體外殼剝落，部分Si-O、Al-O鍵發(fā)生斷裂，斷裂之后產(chǎn)生Si4+、Al3+繼續(xù)與OH-反應(yīng)生成Si、Al低聚體，最終生成硅鋁酸鹽凝膠，使結(jié)構(gòu)密實強度提高。對比發(fā)現(xiàn)，60℃蒸養(yǎng)試樣相比于20℃試樣，結(jié)構(gòu)明顯更加致密，水化發(fā)展更快，試樣強度增加更明顯。

3 結(jié) 論

(1)模擬月壤在不同NaOH摻量和養(yǎng)護溫度下，峰值應(yīng)變隨著峰值應(yīng)力的增大而減小，曲線由“扁平”型變化為“窄瘦”型，脆性增強。

(a)3.2%-20℃

(2)養(yǎng)護方式對模擬月壤地聚合物材料的抗壓強度有較大影響，高溫蒸汽養(yǎng)護可以顯著提高材料的抗壓強度，但過高的養(yǎng)護溫度可能抑制強度的發(fā)展。當養(yǎng)護溫度60℃且NaOH摻量為4.0%時無側(cè)限抗壓強度較大。

(3)模擬月壤在堿激發(fā)作用下的水化產(chǎn)物為水化硅鋁酸鹽。適當提高養(yǎng)護溫度能加快硅鋁氧單體的縮聚反應(yīng)，較為迅速的生成大量凝膠產(chǎn)物，從而提高試件抗壓強度。