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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發展產生深遠的影響。我國在2006-2020年《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中，將探月工程列為16個重大專項之一，列為我國科技發展的重中之重。中科院公布的“中國2050年科技發展路線圖”也指出，我國將在2030年前后實現載人登月，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

在月球上建設各種構筑物，需要用到大量的混凝土和鋼筋混凝土。然而，從零起步，建設月球基地、建設各種設施甚至建設所謂的“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，月球構筑物建設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前沿的問題，也是當前各國頂尖科學家們最感興趣的技術問題。應國內同行要求，本文介紹月球表面環境特點及月球混凝土的適用性，以及月球的混凝土進展，期待國內有更多學者開展這方面的研究工作。

2 月球表面環境特點及月球混凝土適用性

相較于地球環境，月球表面環境極其惡劣。月球表面為真空，物體呈失重狀態（月球表面的重力加速度只有地球表面的1/6）。盡管美國科學家最近借助衛星數據分析認為，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。當各類隕石落向月球時，墜落速度高達20 m/s-40 m/s。除此之外，月球上每年發生月震約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、太陽風等放射線很多，具體如表1所示。

表1 月球表面帶電粒子環境

可幸的是，通過技術方面的努力，應該能夠讓混凝土材料適應月球表面十分惡劣的環境。混凝土材料除了能夠滿足通常結構的強度要求，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，其溫度較為穩定，在-30℃左右。所以，若設計在月球地表下建設建筑物，可避免超低溫對材料和結構的不利影響。

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構的破壞力可忽略。

研究認為，若在建筑物（或構筑物）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并實現居住夢想的信心。

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。據稱，通過這些史無前例的“宇航行動”，美國科學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440 kg）。

通過化學分析，美國科學家發現，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。其主要技術路線為：1）將含水泥化學成分的月球巖石加熱到比水泥化學成分熔融溫度低200 ℃左右的某個溫度，使制備水泥所需化學成分以外的成分先熔融；2）將制備水泥所需化學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，但應注意的是，加熱溫度均比當前我們在地球上生產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。干拌蒸壓養護混凝土（Concrete with Dry-Mix/Steam-Injection Method，DMSIMC）和硫磺混凝土（Sulfur Concrete，SC）被認為是月球混凝土的最佳選擇。

所謂干拌蒸壓養護混凝土，是指先按設計配合比將水泥和粗、細骨料投入攪拌機，干拌均勻后，將干拌料置入高壓定型鍋內成型，并通入高溫高壓蒸汽（105 ℃-200 ℃的飽和蒸汽）進行養護。利用這種方法成型和養護的混凝土，用水量極少，強度發展快（24h內便可達到極限強度的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護法制備了普通硅酸鹽水泥硬化漿體，研究了不同養護溫度和養護時間對漿體力學性能的影響，并測試了漿體的微觀結構。其研究結果顯示，在設定的養護溫度范圍（140 ℃-216 ℃）和養護時間范圍（6 h-12 h）內，隨著養護溫度的提高和養護時間的延長，漿體的表觀密度和抗壓強度增加。隨著養護時間的延長，通入的蒸汽量增加，因而漿體的水灰比增大，硬化漿體中非蒸發水（也即化學結合水）與水泥質量的比值、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硅質材料這一事實，認為月球混凝土可以摻加非晶態硅質材料以改善性能。為此，他通過試驗研究了干拌蒸壓養護條件下，非晶態硅質材料（凝灰巖和火山巖）對混凝土性能的影響。研究結果表明，隨著非晶態硅質材料摻量的增加，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%。這一研究結果也說明采用干拌蒸壓養護法可以制備摻加大量非晶態硅質材料的水泥硬化漿體、砂漿和混凝土，以節約水泥用量。

硫磺混凝土是一種以硫磺作膠結材料的混凝土，是將加熱的骨料與熔化的硫磺相拌合，澆筑到模具后，經冷卻就可得到具有較高強度的構件。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，在室溫下養護24 h后測定了其立方體試件的抗壓強度。結果顯示，硫磺混凝土的抗壓強度為31.0MPa，而同時期養護28 d的水泥混凝土（水灰比為0.43）的抗壓強度僅為24.4 MPa。

除生產中不需要水這一事實外，硫磺混凝土最大的優點是它在化學侵蝕性環境中（例如在接觸鹽或酸溶液情況下）性能非常穩定。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。結果發現，處在酸性溶液和鹽溶液中的硅酸鹽水泥混凝土試件，2個月后即表現出嚴重的破壞現象，其質量損失高達20%，力學性能完全喪失。相反，硫磺混凝土試件沒有顯示出任何劣化現象，且其質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）由熔融液態冷卻至固態狀態時，會發生β晶型（單斜硫）向α晶型（斜方硫）轉變的過程，這一過程造成較大的固相體積收縮，晶粒間產生的內應力會導致微裂紋。包含有較多微裂紋的硫磺混凝土在應用中受力可能發生脆性破壞。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生有害氣體，污染環境并影響人體健康。硫磺混凝土的強度不高，當硫磺混凝土中的硫磺用量達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護完成后，若暴露熱循環環境下中，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 月球環境對混凝土的影響

當科學家們宣布已探測到月球南北兩極有相當的冰儲備量（0.1億t-3億t），人們有理由相信，月球混凝土的生產用水問題應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？水泥水化產物的結構和形貌如何？水泥混凝土強度發展如何？這些問題激發了人們更大的研究興趣。

為了解月球失重狀態對混凝土內部水泥水化進程的影響，德國慕尼黑工業大學 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。當上升角達到47°時，飛機發動機處于空轉狀態，飛機漂浮22 s，執行拋物線飛行，此時艙內屬于微重力狀態。當角度達到42°時，飛機退出拋物線，重新回到水平飛行位置。機艙內在試驗裝置如圖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，當力為0 g時，立即將水注入裝有水泥的注射器內，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內完成。

圖3 飛機拋物線飛行模式

圖4 機艙內的試驗裝置

試驗結果發現，在微重力條件下水泥漿體內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面的生成，這可能是由于在這種環境中沒有對流所造成的。由于離子轉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保持著過飽和狀態。因此，在微重力條件下，均勻成核的持續時間較長，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，產物鈣礬石晶體的長徑比發生了顯著的變化，表明特定晶面通過吸附PCE可部分地阻止其生長。他們認為這可以通過PCE占據的表面和數量不同來解釋。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”，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。晶體生長動力學已被“強PCE效應”減速時，微重力的附加效應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。盡快創造條件建設月球基地（甚至移民到火星），是各國的偉大夢想，也引起21世紀世界大國間的科技之爭。建設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、結構與性能之間關系的理論體系，微小重力條件下攪拌、成型和養護問題。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觀察鈣礬石、氫氧化鈣和水化硅酸鈣的生長，以獲得更多關于硬化水泥漿體微觀結構發展的信息。真空環境下混凝土的干燥收縮量將會特別大，產生干燥收縮裂紋的可能性也會很大，如何防止其產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，似乎也應該提上議事議程了。

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