模擬月壤地聚合物抗壓性能試驗(yàn)與分析 ①

鮑曉璇， 馬芹永,b，*， 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

月球含有豐富的礦產(chǎn)資源、水冰資源[1]等，建設(shè)永久性月球基地成為日后深空探測(cè)的熱點(diǎn)，利用月球原位資源進(jìn)行基地建材的生產(chǎn)，能有效節(jié)約成本和風(fēng)險(xiǎn)[2-4]。

月壤作為月球基地建設(shè)的主要原位材料，對(duì)于月壤材料特性的研究多采用地球上研制的模擬月壤。模擬月壤主要成分是SiO2和Al2O3，是天然的硅鋁質(zhì)材料。Juliana[5]等人將模擬月壤JSC-1A與普通硅酸鹽水泥進(jìn)行混合從而進(jìn)行反應(yīng)性試驗(yàn)研究，但是試驗(yàn)所用材料中仍含有水泥，未考慮到環(huán)保因素。Jaeho Lee[6]等利用熱壓工藝進(jìn)行月壤混凝土塊的制造，強(qiáng)度在2～5 MPa，但造價(jià)成本較高。Siqi Zhou[7]等研究以細(xì)粒玄武巖為基礎(chǔ)的模擬月壤作為地質(zhì)聚合物水泥的原料和堿活化劑的最佳配方的可能性，在試驗(yàn)過(guò)程中未用月壤配合比進(jìn)行試驗(yàn)。地聚合物具有高強(qiáng)度、高低溫阻力、宇宙射線阻力等性能，適合于月球環(huán)境[8-9]。熟石灰是一種理想的無(wú)機(jī)外加劑[10-11]，具有易獲得、成本低、環(huán)保的特點(diǎn)，可作為地聚合物的堿激發(fā)劑。有學(xué)者[12-13]已證實(shí)“固體粉料直接加水”的可行性，并取得一定的研究成果。將熟石灰以“固體粉料直接加水”的方式(類似于水泥的使用)進(jìn)行地聚合物的制備，具有一定的安全性。

因此，在實(shí)驗(yàn)室條件下，開展不同熟石灰摻量和不同含水率下模擬月壤地聚合物的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，能為利用月球原位資源和生產(chǎn)“直接加水型”地聚合物的研究提供參考和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及制備方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料取自江蘇南京六合玄武巖，Qian等[14]人已證實(shí)南京六合玄武巖與真實(shí)月壤在物理性質(zhì)和礦物成分等方面具有相似性。六合玄武巖為堿性橄欖玄武巖，呈灰黑色塊狀，結(jié)構(gòu)構(gòu)造為斑狀結(jié)構(gòu)。熟石灰選自天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司，為白色晶體粉末，Ca(OH)2含量大于等于95%。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.2.1 試樣的配制

根據(jù)文獻(xiàn)[15]所提供部分真實(shí)月壤樣品的級(jí)配曲線范圍，通過(guò)級(jí)配調(diào)整最終獲得與月壤樣品相近的模擬月壤材料以及相應(yīng)的級(jí)配方案，粒徑級(jí)配見表1。為保證試驗(yàn)材料物理性質(zhì)的均勻性，將采集的玄武巖進(jìn)行烘干、粉碎、篩選、研磨加工制成模擬月壤。與月壤樣品、其他模擬月壤成分對(duì)比如表2所示。

表1 顆粒級(jí)配

表2 試驗(yàn)樣品與月壤樣品、其他模擬月壤對(duì)比

1.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

考慮到真實(shí)月球環(huán)境中含水率在5%～15%[17]，本次試驗(yàn)中含水率分別取5%，8%，10%以0%，0.5%，2%，4%，6%的摻量稱量熟石灰，將制備好的玄武巖與熟石灰混合攪拌均勻，再按5%，8%，10%的含水率稱取純凈的自來(lái)水，與熟石灰、玄武巖攪拌均勻后放入密封袋中靜置24h，以確保含水率的均勻性。試樣尺寸為φ50mm×100mm，采用分層擊實(shí)法進(jìn)行制備，每個(gè)試樣分五層壓實(shí)，層與層之間進(jìn)行刨毛處理。試樣制成后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為28d。每組設(shè)置3個(gè)平行試樣。

根據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123-2019)及參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行不同含水率和不同熟石灰摻量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，儀器采用WDW-200微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載按位移控制，速率為1mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

不同含水率(5%，8%，10%)、不同熟石灰摻量(0.5%，2%，4%，6%)下的模擬月壤地聚合物進(jìn)行無(wú)側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與石灰摻量的關(guān)系

圖1能反映模擬月壤地聚合物無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與石灰摻量之間的關(guān)系，以石灰摻量為橫坐標(biāo)，試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為縱坐標(biāo)。從圖中呈現(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果可知，含水率為5%時(shí)，石灰摻量為2%的強(qiáng)度最高，為4.809MPa，是未摻石灰試樣強(qiáng)度的42.94倍；含水率為8%，石灰摻量為4%的強(qiáng)度最高，為5.603MPa，是未摻石灰試樣強(qiáng)度的57.76倍。含水率為10%時(shí)，石灰摻量為6%的強(qiáng)度最高，為4.546MPa，是未摻石灰試樣強(qiáng)度的59.04倍。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

通過(guò)對(duì)不同石灰摻量、不同含水率下模擬月壤地聚合物的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，得到其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，不同石灰摻量、不同含水率下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線受壓過(guò)程可以分為壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段、破壞階段。(1)壓密階段。在峰值強(qiáng)度的30%內(nèi)，加載初期軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線均趨于平緩，此時(shí)試樣中的孔隙受壓閉合，充填物被壓密實(shí)，該段曲線呈平緩上凹狀。(2)彈性變形階段。壓密階段后，試樣由不連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為連續(xù)狀態(tài)。試樣彈性變形類型為線彈性變形，在彈性限度內(nèi)，變形與外力的大小成正比。(3)塑性變形階段。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)屈服極限后，試樣進(jìn)入塑性變形階段。在這一階段，出現(xiàn)峰值強(qiáng)度，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈向下彎曲的下凹型。(4)破壞階段。軸向應(yīng)力超過(guò)峰值強(qiáng)度后，此時(shí)試樣宏觀裂紋貫通，形成貫通性的破壞面，試樣應(yīng)力開始釋放。

2.3 變形模量

經(jīng)過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)模擬月壤地聚合物在變形過(guò)程中存在壓密階段，引入變形模量E50來(lái)衡量其變形特征。變形模量[18]的定義公式為式(1)：

E50=σu/2ε

(1)

式(1)中：E50為石灰摻量、含水率共同作用下模擬月壤地聚合物的變形模量(MPa)；σu為石灰摻量、含水率共同作用下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)；ε為石灰摻量、含水率共同作用下一半無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

通過(guò)計(jì)算不同石灰摻量、不同含水率下模擬月壤地聚合物的變形模量，擬合得到石灰摻量ρL與模擬月壤地聚合物變形模量E50的關(guān)系曲線，如圖3所示。

當(dāng)試樣含水率為5%，10%時(shí)，試樣變形模量E50與石灰摻量ρL呈指數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為式(2)：

E50=a-bcρL

(2)

式(2)中：a，b，c均為常數(shù)，隨著石灰摻量ρL的增加，變形模量E50也隨之增大。含水率為5%，10%時(shí)的擬合曲線方程如式(3)-式(4)：

E50=0.82239-0.76439×0.47796ρL

(R2=0.98433)

(3)

E50=350.02174-349.98756×0.9997ρL

(R2=0.96037)

(4)

當(dāng)試樣含水率為8%時(shí)，試樣變形模量E50與石灰摻量ρL呈二次函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為(5)：

(5)

式中：k,m,n均為常數(shù)，隨著石灰摻量ρL的增加，變形模量E50呈“先增后減”的變化趨勢(shì)，當(dāng)石灰摻量ρL為4%時(shí)，變形模量E50最大。含水率為8%時(shí)的擬合曲線方程如式(6)：

(R2=0.99479)

(6)

以上分析表明，不同含水率對(duì)試樣變形模量的影響有所不同。

3 微觀分析

對(duì)摻加熟石灰前后的試樣處理后進(jìn)行X射線衍射分析和SEM試驗(yàn)，其中熟石灰摻量為4%，養(yǎng)護(hù)齡期為28d。XRD圖譜和SEM圖如圖4圖5所示。

圖4 XRD圖譜

(a)未摻加熟石灰SEM圖

從XRD試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻加熟石灰后在20°～40°(2θ)范圍內(nèi)的衍射峰均有所降低且衍射峰在20°～40°(2θ)范圍內(nèi)存在略微的偏移。這與文獻(xiàn)[19]所描述的現(xiàn)象一致，說(shuō)明硅鋁物質(zhì)在堿性環(huán)境下形成具有膠結(jié)作用的水化產(chǎn)物。

從SEM圖可以看出，摻加熟石灰前試樣表面疏松多孔，結(jié)構(gòu)松散。摻加熟石灰后，經(jīng)過(guò)28d養(yǎng)護(hù)齡期后試樣內(nèi)部水化反應(yīng)幾乎完成，結(jié)合XRD圖譜初步判定生成水化產(chǎn)物為團(tuán)絮狀C-(A)-S-H凝膠和鈣礬石(AFt)，填充于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙中。膠凝物質(zhì)的產(chǎn)生使得試樣整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得密實(shí)，從而使得抗壓強(qiáng)度得到提高。

4 結(jié) 論

(1)摻入熟石灰能明顯提高模擬月壤地聚合物的抗壓強(qiáng)度，且在試驗(yàn)范圍內(nèi)較佳摻比為：含水率8%,熟石灰摻量4%。隨著石灰摻量的增加，地聚合物抗壓強(qiáng)度大致表現(xiàn)出“先增后減”的變化特點(diǎn)。

(2)應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型為應(yīng)變軟化，分為壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段和破壞階段。模擬月壤地聚合物變形模量與熟石灰摻量多為指數(shù)擬合關(guān)系。

(3)以模擬月壤作為硅鋁原料在堿性環(huán)境下生成的水化產(chǎn)物主要為C-(A)-S-H凝膠和鈣礬石(AFt)，其水化產(chǎn)物能起到膠結(jié)作用，對(duì)抗壓強(qiáng)度的提高具有一定的積極作用。

試驗(yàn)?zāi)康氖翘骄磕M月壤的原料——玄武巖作為地聚合物硅鋁原料的可行性，所開展的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)在地球?qū)嶒?yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，后續(xù)將進(jìn)一步開展基于月球模擬環(huán)境下模擬月壤地聚合物相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)和月球環(huán)境適應(yīng)性研究。