月壤水冰組構(gòu)模擬及力學(xué)特性測(cè)試分析

劉君巍，汪恩良，田 野，劉興超，唐 亮，崔江磊，陶立軍，葛坦龍，盧孜筱，張偉偉，唐鈞躍，姜生元

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱 150001；3. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱 150001；4. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱150001；5. 國(guó)家納米科學(xué)中心，北京 100190）

引 言

自1961年Watson等[1]首次提出月球上存在水冰的可能性以來，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics Space and Administration，NASA）、歐洲航天局（European Space Agency，ESA）、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace eXploration Agency，JAXA）等通過地基遙感、星載遙感和探地雷達(dá)等多種手段開展了月球水冰物質(zhì)的科學(xué)探測(cè)，對(duì)月球水冰物質(zhì)的來源、賦存狀態(tài)、存在環(huán)境及廣域分布情況有了初步的認(rèn)知[2]。但受遙感探測(cè)原理制約及表層星壤對(duì)信號(hào)的干擾和損耗等因素的影響，采用光譜儀、中子譜儀、雷達(dá)等遙感探測(cè)等手段獲得的水冰分布和儲(chǔ)量估算數(shù)據(jù)誤差較大，且無法準(zhǔn)確獲得水冰物質(zhì)縱深剖面的分布特性，因此目前人們對(duì)月球水冰物質(zhì)的認(rèn)知還只是“冰山一角”[3]。為進(jìn)一步了解月球水冰的縱深剖面分布特性，目前各國(guó)科研機(jī)構(gòu)正積極開展月壤水冰的縱深剖面潛入式探測(cè)的預(yù)先研究工作。

根據(jù)現(xiàn)有的探測(cè)結(jié)果可知，月壤水冰大概率是在極端低溫、真空條件下月壤基質(zhì)與水冰物質(zhì)組成的冰–壤膠結(jié)態(tài)組構(gòu)，其物理力學(xué)特性與月壤礦物成分、含水率、溫度及密度等參數(shù)具有強(qiáng)相關(guān)特征。月壤水冰物質(zhì)主要存在于月表一定深度下[4-7]，若想實(shí)現(xiàn)原位探測(cè)，探測(cè)機(jī)具須具備與之相適應(yīng)的剖面潛入能力，且具有良好的剖面潛入作業(yè)性能和地面可驗(yàn)證條件[3]。在潛入探測(cè)機(jī)具設(shè)計(jì)階段，月壤水冰物質(zhì)的物理力學(xué)特性是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在潛入機(jī)具地面試驗(yàn)驗(yàn)證階段，具有與真實(shí)月壤水冰高度擬實(shí)的模擬樣本這一試驗(yàn)對(duì)象是該階段的必要條件。

NASA和ESA在開展相關(guān)研究時(shí)，大多以地面凍土的制備方法制備月壤水冰試驗(yàn)樣本[8-13]，但因月壤水冰物質(zhì)的形成與演化機(jī)制與地面凍土存在明顯的差異，在月壤水冰模擬樣本制備的過程中，很難保證預(yù)制的樣本與真實(shí)月壤水冰的礦物類別及化學(xué)組分的相似性、力熱電等綜合物性的等效性，同時(shí)也很難保證模擬物中水分分布的均一性[14-16]。然而模擬樣本與真實(shí)月壤水冰的相似度與等效度直接影響潛入機(jī)具設(shè)計(jì)校核與地面試驗(yàn)驗(yàn)證的可信度，甚至決定著探測(cè)任務(wù)的成敗。本文首先開展了月壤水冰組構(gòu)模擬，隨后以月壤水冰的抗剪強(qiáng)度與泊松比作為切入點(diǎn)探究月壤水冰的力學(xué)特性。

1 月壤水冰組構(gòu)模擬

1.1 模擬準(zhǔn)則與要素

月壤水冰賦存于極端低溫和真空的條件下，其物理形態(tài)大概率為月壤顆粒與冰膜組成的膠結(jié)態(tài)組構(gòu)。在地面環(huán)境下對(duì)真實(shí)月壤水冰進(jìn)行模擬，難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)：①月壤基材礦物和形態(tài)的相似性；②冰壤膠結(jié)狀態(tài)的相似性；③極端低溫（30 ～ 40 K）條件的覆蓋性；④短時(shí)加速制冷過程組構(gòu)裂紋等缺陷的合理防控及無效樣本甄別。針對(duì)以上難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)，面向月球極區(qū)探測(cè)的工程需求，本文提出“相似性、等效性、覆蓋性與均一性”的制備準(zhǔn)則，并從基礎(chǔ)原料、樣本參數(shù)及環(huán)境特征3個(gè)維度確定組構(gòu)模擬的基本要素，如圖1所示。

圖1 月壤水冰組構(gòu)模擬基本要素Fig. 1 The basic elements of lunar icy regolith fabric simulation

相似性指月壤水冰模擬物與真實(shí)物之間在賦存環(huán)境溫度、冰–壤粘聚狀態(tài)、月壤基材礦物和顆粒特性方面要有較好的相似性，需在制備方案和工藝路線中予以保證。等效性指月壤水冰模擬樣本的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等基礎(chǔ)物性與真實(shí)月壤水冰的相關(guān)特性具有等效性，需要在組構(gòu)、環(huán)境、測(cè)試方法方面予以保證。覆蓋性指真實(shí)月壤水冰特性雖具有可預(yù)判性，但其礦物組分、顆粒形態(tài)、密實(shí)度、含水率等方面均具有隨機(jī)性和離散性。為此，月壤水冰模擬樣本在制備過程中，礦物類別、顆粒形態(tài)、含水率、密實(shí)度、溫度等均需按照多組元、多參數(shù)方式進(jìn)行工況規(guī)劃，以獲得力學(xué)苛刻度最上限和物性包絡(luò)參數(shù)。均一性主要針對(duì)樣本的組構(gòu)而言，包括含水率、密度、溫度等參數(shù)在樣本宏觀尺度上的均一。針對(duì)“相似性、等效性、覆蓋性與均一性”制備準(zhǔn)則提出具體量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，可參照表1所示。

表1 月壤水冰模擬樣本評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)表Table 1 Evaluation index parameters of the simulated samples of icy lunar regolith

1.2 模擬方法

本文繼承了團(tuán)隊(duì)在“嫦娥五號(hào)”月壤鉆探任務(wù)中模擬月壤制備方面的研究基礎(chǔ)，借鑒地面凍土模擬樣本制備的經(jīng)驗(yàn)，充分考慮月壤水冰的形成演化機(jī)制及其與地面凍土在來源和組成上的差異，從組構(gòu)混配、胚樣制備和低溫樣本制備3個(gè)階段展開樣本組構(gòu)模擬研究。

1）組構(gòu)混配

開始組構(gòu)混配前，先對(duì)月壤水冰科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，并對(duì)月壤水冰目標(biāo)特性、地–月差異、物性影響因素進(jìn)行分析，結(jié)合地面工程條件，確定月壤水冰模擬物的制備準(zhǔn)則。根據(jù)組構(gòu)相似性、參數(shù)覆蓋性、結(jié)構(gòu)均一性的制備準(zhǔn)則，篩選不同化學(xué)組分、礦物類別、顆粒形貌、粒徑大小、級(jí)配關(guān)系的模擬月壤基礎(chǔ)原料和不同純凈度的水、冰沙或蒸汽。將基礎(chǔ)原料與不同顆粒粒徑的水（液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)）在特定環(huán)境下按比例配制。配比完成后，采用機(jī)械物理攪拌、溫控驅(qū)動(dòng)等方式保證樣本原料的混合均勻。具體選用何種方式及工藝參數(shù)進(jìn)行組構(gòu)混配，需要根據(jù)目標(biāo)物的參數(shù)進(jìn)行甄選與動(dòng)態(tài)調(diào)控。本文主要以未飽和與飽和樣本為研究對(duì)象，采用液態(tài)水與干燥模擬月壤混合的方式進(jìn)行混配。針對(duì)少量樣本，分批次向自封袋中加入烘干后的模擬月壤，并利用噴水壺分批向其均勻噴水。完成每批次的工作后，將自封袋封好，將袋內(nèi)的模擬月壤和水充分混合，直至模擬月壤顏色比較均勻且無結(jié)塊，樣品全部混合完成后將自封袋密封好。針對(duì)樣本量大的特點(diǎn)，采用分批次分層鋪灑的方式，利用噴水壺將水噴灑在箱子中的模擬月壤上，借助攪拌器充分?jǐn)嚢瑁敝聊M月壤的顏色分布比較均勻且無結(jié)塊。隨后將樣品置于室溫條件下靜置24 h，利用水分自由遷移擴(kuò)散的原理，保證樣品中水分均勻分布。

2）胚樣制備

因?yàn)殚_展不同測(cè)試驗(yàn)證所需要的樣本規(guī)格尺寸存在很大的差異，所以在胚樣制備階段需要設(shè)計(jì)不同尺寸的制樣模具和輔助工裝，以滿足實(shí)際測(cè)試需要。為能夠動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)制備全流程月壤水冰模擬物的溫度變化，在制備測(cè)試樣本時(shí)制備一個(gè)相同參數(shù)的模擬樣本，稱為“陪件”，并沿其徑向和縱深方向布置溫度傳感器，用陪件的溫度數(shù)據(jù)表示待測(cè)試樣本當(dāng)前溫度狀態(tài)。傳感器布置完成后，選擇分層制樣或整體制樣方式，利用落錘沖擊、三維振夯等方式實(shí)現(xiàn)樣本密實(shí)度調(diào)控。

3）低溫樣本制備

經(jīng)過振夯壓實(shí)后，將測(cè)試樣本與陪件一同轉(zhuǎn)移至特定的冷凍工裝中，在冷凍工裝中可以設(shè)定不同的目標(biāo)溫度、圍壓及邊界約束。冷凍過程分為3步，首先在超低溫冰箱中將樣本由室溫冷凍至-80°C并保溫12 h；隨后利用液氮將樣本從-80°C逐漸緩慢降溫至-196°C；最后利用液氦將樣本從-196°C降溫至-240°C。在樣本冷凍的過程中，需要實(shí)時(shí)調(diào)控深低溫環(huán)境預(yù)置規(guī)程，以期盡量降低冷凍過程對(duì)樣本組構(gòu)相似性和結(jié)構(gòu)均一性帶來的影響。最后，將冷凍完成的樣本轉(zhuǎn)移至測(cè)試工位。在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，要特別注意匹配真空、低溫與氣氛環(huán)境，保證樣本的組構(gòu)特征不受破壞。

2 力學(xué)測(cè)試平臺(tái)

根據(jù)庫倫定律，月壤水冰模擬樣本的內(nèi)摩擦力與剪切面上的法向壓力成正比，分別在不同的法向壓力下，沿固定的剪切面直接施加水平力，當(dāng)樣本產(chǎn)生剪切破壞時(shí)，剪應(yīng)力是水平力與土樣橫截面積的比值，即該樣本的抗剪強(qiáng)度。剪切強(qiáng)度是月壤水冰模擬樣本剪斷時(shí)產(chǎn)生的極限強(qiáng)度，反映了樣本抗剪切滑動(dòng)的能力。通過改變樣本的溫度、相對(duì)密實(shí)度和含水率等參數(shù)，測(cè)得模擬樣本的抗剪強(qiáng)度，為探測(cè)機(jī)具的設(shè)計(jì)負(fù)載提供參考。本試驗(yàn)所用的儀器設(shè)備圖2所示，包括DSZ-20往復(fù)直剪儀、樣本冷凍裝置、PT100溫度傳感器與采集平臺(tái)，符合《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中122頁“直接剪切試驗(yàn)”的有關(guān)要求，可以進(jìn)行常規(guī)和低溫環(huán)境下的抗剪試驗(yàn)測(cè)試。DSZ-020往復(fù)直剪儀可用于測(cè)定試樣的抗剪參數(shù)，豎向加載液壓機(jī)可對(duì)樣本施加不同的豎向壓力，通過液壓伺服控制勻速施加剪切應(yīng)變進(jìn)行土樣剪切，利用位移傳感器與壓力傳感器進(jìn)行試樣的剪切位移與剪切應(yīng)力的測(cè)量[13]。

圖2 直剪試驗(yàn)方案及設(shè)備Fig. 2 Direct shear test plan and equipment

泊松比是反映月壤水冰模擬樣本橫向變形特性的重要參數(shù)。本文基于脈沖激振法，利用動(dòng)態(tài)彈性模量測(cè)量?jī)x開展不同含水率、溫度、密度的樣本的泊松比測(cè)試。該平臺(tái)包括彈性模量測(cè)量?jī)x、樣本冷凍裝置、聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）溫度測(cè)量與采集平臺(tái)。采用IET型混凝土動(dòng)態(tài)彈性模量測(cè)試儀，該試驗(yàn)裝置如圖3所示，通過對(duì)月壤水冰模擬樣本施加機(jī)械敲擊來激發(fā)樣本，同時(shí)利用傳感器獲得樣本的縱向或者彎曲振動(dòng)時(shí)的固有共振頻率，進(jìn)而獲得樣本的楊氏模量、剪切模量及泊松比等力學(xué)特征信息。

圖3 泊松比測(cè)試平臺(tái)Fig. 3 Poisson's ratio test platform

3 力學(xué)特性測(cè)試與分析

3.1 抗剪強(qiáng)度

待樣本完成冷凍后，將測(cè)試樣本、陪件及剪切盒同時(shí)從液氮環(huán)境中取出并放置于測(cè)試平臺(tái)上，快速裝配剪切盒體與待測(cè)試樣。同時(shí)將陪件裝入與試驗(yàn)臺(tái)剪切盒一樣的工裝里面，保證陪件與待測(cè)試樣溫度變化完全一致，以便準(zhǔn)確獲知測(cè)試樣本的溫度情況?？焖僭O(shè)置試驗(yàn)方案和應(yīng)力路徑并將位移清零，施加垂直壓力，立即拔去固定銷。試驗(yàn)選用10 mm/min作為測(cè)試時(shí)的加載速率，記錄試驗(yàn)過程中樣本的變化，直至樣本完成破壞記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。待試樣開展直剪切試驗(yàn)被壓潰后，選取樣本的不同位置，利用烘干法測(cè)定樣本的含水率，檢測(cè)樣本含水率是否均一。

本文選用“嫦娥五號(hào)”地面鉆取試驗(yàn)驗(yàn)證用模擬月壤為基礎(chǔ)原料[17]，制備含水率11.1 wt%，干密度1.76 g/cm3，溫度在-80°C ～ -160°C區(qū)間的月壤水冰模擬樣本，并在不同垂直壓力下對(duì)其開展抗剪強(qiáng)度測(cè)試。以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，如圖4所示。直線的傾角為月壤水冰模擬樣本的內(nèi)摩擦角，直線在縱坐標(biāo)上的截距為樣本的內(nèi)聚力，匯總結(jié)果如表2所示。

圖4 不同溫度下抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系Fig. 4 Shear strength and vertical pressure at different temperatures

表2 不同溫度樣本的抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table 2 Shear strength parameters of samples at different temperatures

根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果可知，含水率11.1 wt%，密度1.76 g/cm3的月壤水冰模擬樣本，在-160°C ～ -80°C溫度范圍內(nèi)，樣本的內(nèi)聚力大致在5 ～ 6.5 MPa之間，內(nèi)摩擦角大致在35 °～ 39.5°之間。

3.2 泊松比

本文用于泊松比測(cè)試樣本的尺寸為160 mm× 40 mm× 20 mm，樣本參數(shù)如表3所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)樣本的泊松比進(jìn)行影響因素分析，并確定月壤水冰泊松比參數(shù)包絡(luò)。

表3 泊松比測(cè)試試驗(yàn)參數(shù)表Table 3 Poisson's ratio test experiment parameter table

在飽和含水率、99%相對(duì)密實(shí)度條件下，不同基礎(chǔ)原料類別的樣本的泊松比測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，在該條件下，基礎(chǔ)原料類型對(duì)月壤水冰模擬樣本的泊松比影響不大；同時(shí)，在該條件下，月壤水冰模擬樣本的泊松比在-180°C ～ -80°C區(qū)間的變化不大，均在0.165 ～ 0.17的范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖5 月壤水冰模擬樣本的泊松比隨溫度變化情況Fig. 5 Changes of Poisson's ratio of lunar icy regolith simulated samples with temperature

在99%相對(duì)密實(shí)度條件下，由斜長(zhǎng)巖模擬月壤制備的不同含水率樣本的泊松比隨溫度的變化如圖6所示。從圖6中可以看出，在該條件下，泊松比隨含水率的升高而降低；在含水率為5 wt%和10 wt%條件下，泊松比隨溫度的升高而下降。

圖6 不同含水率模擬樣本的泊松比隨溫度的變化Fig. 6 Poisson's ratio of simulated samples with different moisture content changes with temperature

通過以上分析可知，基礎(chǔ)原料類型對(duì)月壤水冰模擬樣本的泊松比影響不大，泊松比隨著含水率的升高而減小。由斜長(zhǎng)巖模擬月壤制備的相對(duì)密實(shí)度99%的月壤水冰模擬樣本的泊松比范圍在0.16 ～ 0.32之間。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)月壤水冰組構(gòu)模擬已有技術(shù)案例的調(diào)研分析，提出了一種以“相似性、等效性、均一性和覆蓋性”為目標(biāo)的模擬準(zhǔn)則，并給出樣本制備各階段應(yīng)注意的核心問題與難點(diǎn)。以抗剪強(qiáng)度與泊松比為切入點(diǎn)，開展了月壤水冰模擬樣本力學(xué)特性測(cè)試研究。獲得了月壤水冰模擬樣本的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角及泊松比的參數(shù)包絡(luò)范圍及這些參數(shù)隨樣本溫度的變化規(guī)律，可為月壤水冰原位潛入式探測(cè)機(jī)具的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。