月球混凝土研究进展及展望

2019-06-06 15:32:38 作者：本网整理来源：同济混凝土外加剂分享至：

1 引言

从1969年7月20日阿姆斯特朗在月球表面迈出的一小步（图1）开始，人类就从未停下迈向月球的脚步。月球具有可供人类开发和利用的各种独特资源，是对地球资源的重要补充和储备，将对人类社会的可持续发展产生深远的影响。我国在2006-2020年《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，将探月工程列为16个重大专项之一，列为我国科技发展的重中之重。中科院公布的“中国2050年科技发展路线图”也指出，我国将在2030年前后实现载人登月，建立月球基地；并在2050年前后，载人飞行从月球基地飞向更远的行星，具备载人登火星能力。

图1 从1969年7月20日，美国宇航员阿姆斯特朗借助“阿波罗11号”宇宙飞船，成为人类史上第一个登上月球的人

在月球上建设各种构筑物，需要用到大量的混凝土和钢筋混凝土。然而，从零起步，建设月球基地、建设各种设施甚至建设所谓的“月球村”，是一项庞大的工程。若混凝土原材料和钢筋等只能从地球运载过去，花费之巨可能令人望而却步。因此，月球构筑物建设必须尽可能地就地取材，将其对地球原材料的依赖降低到最低程度。“月球混凝土（Lunar Concrete或Lunarcrete）”的概念，就是在这种背景下被郑重提出的。

月球混凝土在国际上是一个具有重大理论意义和处于科学前沿的问题，也是当前各国顶尖科学家们最感兴趣的技术问题。应国内同行要求，本文介绍月球表面环境特点及月球混凝土的适用性，以及月球的混凝土进展，期待国内有更多学者开展这方面的研究工作。

2 月球表面环境特点及月球混凝土适用性

相较于地球环境，月球表面环境极其恶劣。月球表面为真空，物体呈失重状态（月球表面的重力加速度只有地球表面的1/6）。尽管美国科学家最近借助卫星数据分析认为，月球表面火山沉积物中可能含有水分，但并非亲眼所见，人们更愿意暂且相信月球表面极有可能没有水份。由于没有空气，月球表面的昼夜温差非常大，温度会在-190℃到+137℃之间变化。当各类陨石落向月球时，坠落速度高达20 m/s-40 m/s。除此之外，月球上每年发生月震约300次，14d为1个周期。月球没有足够的磁场以阻止带电粒子对月球表面的直接撞击，宇宙线、太阳风等放射线很多，具体如表1所示。

表1 月球表面带电粒子环境

可幸的是，通过技术方面的努力，应该能够让混凝土材料适应月球表面十分恶劣的环境。混凝土材料除了能够满足通常结构的强度要求，在+300℃以下的高温和-200℃以上的低温下，强度不会有太大的变化，甚至超低温情况下，由于孔内冰的强度的提高，混凝土的整体强度会有所增加。

研究表明，距离月球表层1 m以下的部位，其温度较为稳定，在-30℃左右。所以，若设计在月球地表下建设建筑物，可避免超低温对材料和结构的不利影响。

虽月球上的月震频繁，但其震级较小（一般只有2-3级，最大为4级左右），对月球表面的建筑结构的破坏力可忽略。

研究认为，若在建筑物（或构筑物）上加盖2 m厚的土（或砂砾），可使建筑物免受陨石碎片的破坏，同时还可起到屏蔽辐射的作用。这一点极大地增强了人们在月球表面大力建设并实现居住梦想的信心。

3 月球混凝土的研究进展

3.1 月球表面土壤和岩石化学成分分析

从1969年到1972年，美国进行了多次所谓的“阿波罗”宇航行动。据称，通过这些史无前例的“宇航行动”，美国科学家们对月球表面土壤和岩石进行了“广泛而深入”的考察，从月球表面取回了大量有代表性的土壤和岩石样品（仅岩石样品就达440 kg）。

通过化学分析，美国科学家发现，月球表面土壤和岩石的主要成分与地球表面土壤相似，均包含SiO2，A12O3，CaO和FeO等。这些也正是我们生产硅酸盐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岩石的化学成分

3.2 利用月球表面土壤和岩石制备混凝土所需水泥和骨料

华裔美国科学家TD Lin曾提出通过加热熔融的方法从月球表面岩石中分离出水泥主要成分的建议。其主要技术路线为：1）将含水泥化学成分的月球岩石加热到比水泥化学成分熔融温度低200 ℃左右的某个温度，使制备水泥所需化学成分以外的成分先熔融；2）将制备水泥所需化学成分以外的成分分离出去；3）将所剩有效成分加热到1700℃以上，急冷后便可得到铝酸盐水泥。

此外，还有在月球上制备水泥的方法，如将月球表面岩石反复熔融，或直接加热到3000℃，通过对熔融物按需分离，也可制得水泥。这些方法在理论上是完全可行的，但应注意的是，加热温度均比当前我们在地球上生产水泥所需温度高得多，而且资源消耗量也比较大。

在月球上制备混凝土所需的粗、细骨料，可直接通过破碎月球表面岩石后，筛分获得。

3.2 月球混凝土的制备

由于过去一直认为月球上不存在水，科研工作者致力于能代替地球混凝土“骨料+水泥+水”模式的“无水拌合混凝土”所谓月球混凝土模式。干拌蒸压养护混凝土（Concrete with Dry-Mix/Steam-Injection Method，DMSIMC）和硫磺混凝土（Sulfur Concrete，SC）被认为是月球混凝土的最佳选择。

所谓干拌蒸压养护混凝土，是指先按设计配合比将水泥和粗、细骨料投入搅拌机，干拌均匀后，将干拌料置入高压定型锅内成型，并通入高温高压蒸汽（105 ℃-200 ℃的饱和蒸汽）进行养护。利用这种方法成型和养护的混凝土，用水量极少，强度发展快（24h内便可达到极限强度的90%以上），最终抗压强度80-150MPa，甚至可超过200MPa。杨慧采用干拌蒸压养护法制备了普通硅酸盐水泥硬化浆体，研究了不同养护温度和养护时间对浆体力学性能的影响，并测试了浆体的微观结构。其研究结果显示，在设定的养护温度范围（140 ℃-216 ℃）和养护时间范围（6 h-12 h）内，随着养护温度的提高和养护时间的延长，浆体的表观密度和抗压强度增加。随着养护时间的延长，通入的蒸汽量增加，因而浆体的水灰比增大，硬化浆体中非蒸发水（也即化学结合水）与水泥质量的比值、氢氧化钙含量都有所增加，这说明浆体中水泥的水化程度提高了。王伟锋注意到月球上存在非晶态硅质材料这一事实，认为月球混凝土可以掺加非晶态硅质材料以改善性能。为此，他通过试验研究了干拌蒸压养护条件下，非晶态硅质材料（凝灰岩和火山岩）对混凝土性能的影响。研究结果表明，随着非晶态硅质材料掺量的增加，硬化浆体、砂浆和混凝土的抗压强度均呈先增后减的规律。其中，采用火山岩作为掺和料时，其最佳掺量为40%，与未掺火山岩的混凝土相比，掺加者抗压强度提高了18.0%。这一研究结果也说明采用干拌蒸压养护法可以制备掺加大量非晶态硅质材料的水泥硬化浆体、砂浆和混凝土，以节约水泥用量。

硫磺混凝土是一种以硫磺作胶结材料的混凝土，是将加热的骨料与熔化的硫磺相拌合，浇筑到模具后，经冷却就可得到具有较高强度的构件。Toutanji H A等采用65%的JSC-1模拟物和35%的硫磺制备硫磺混凝土，在室温下养护24 h后测定了其立方体试件的抗压强度。结果显示，硫磺混凝土的抗压强度为31.0MPa，而同时期养护28 d的水泥混凝土（水灰比为0.43）的抗压强度仅为24.4 MPa。

除生产中不需要水这一事实外，硫磺混凝土最大的优点是它在化学侵蚀性环境中（例如在接触盐或酸溶液情况下）性能非常稳定。Vlahovic M M等比较了硫磺混凝土与硅酸盐水泥混凝土在HCl、H2SO4和NaCl溶液中的耐腐蚀性。结果发现，处在酸性溶液和盐溶液中的硅酸盐水泥混凝土试件，2个月后即表现出严重的破坏现象，其质量损失高达20%，力学性能完全丧失。相反，硫磺混凝土试件没有显示出任何劣化现象，且其质量损失和抗压强度变化都非常小。在10%HCl的溶液中浸泡2个月的硅酸盐水泥混凝土试件和浸泡12个月后的硫磺混凝土试件的外观如图2所示。

图2 在10% HCl溶液中浸泡后的试件外观：（a）浸泡2个月的硅酸盐水泥混凝土试件；（b）浸泡12个月的硫磺混凝土试件

然而，值得注意的是，硫磺混凝土在技术方面仍存在一定的局限性。在硫磺混凝土施工成型的过程中，硫磺（S）由熔融液态冷却至固态状态时，会发生β晶型（单斜硫）向α晶型（斜方硫）转变的过程，这一过程造成较大的固相体积收缩，晶粒间产生的内应力会导致微裂纹。包含有较多微裂纹的硫磺混凝土在应用中受力可能发生脆性破坏。研究表明，添加硫磺增塑剂或某些改性剂，会一定程度上降低硫磺混凝土的脆性，但在将硫磺加热至130 ℃-140 ℃使其熔化的过程中，添加硫磺增塑剂或改性剂又会产生有害气体，污染环境并影响人体健康。硫磺混凝土的强度不高，当硫磺混凝土中的硫磺用量达35%时，即使掺加2%的金属纤维，试件抗压强度仍只有43.0 MPa。硫磺混凝土试件成性养护完成后，若暴露热循环环境下中，其耐久性会很差。硫磺的熔融温度较低（130 ℃-140 ℃），所以硫磺混凝土的耐火性差，若将其暴露在明火之中，其表面的硫磺将被燃烧掉。因此，若想安全地应用硫磺混凝土，还需对其进行增强、增韧，并采取有效的防火措施。

3.3 月球环境对混凝土的影响

当科学家们宣布已探测到月球南北两极有相当的冰储备量（0.1亿t-3亿t），人们有理由相信，月球混凝土的生产用水问题应该能够得到一定程度的解决。在这种情况下，月球混凝土的研制路线又回到了“骨料+水泥+水”的传统混凝土模式。

但是，月球失重状况下，水泥的水化进程是否会受到影响？水泥水化产物的结构和形貌如何？水泥混凝土强度发展如何？这些问题激发了人们更大的研究兴趣。

为了解月球失重状态对混凝土内部水泥水化进程的影响，德国慕尼黑工业大学 Plank J教授课题组的Meier M R等在以抛物线飞行模式飞行的飞机上进行了微小重力条件对水泥早期水化影响的研究试验，抛物线飞行的模式如图3所示。0时刻时，飞机开始上升。在飞机上升过程中，超重力（1.8 g）阶段约为20 s。当上升角达到47°时，飞机发动机处于空转状态，飞机漂浮22 s，执行抛物线飞行，此时舱内属于微重力状态。当角度达到42°时，飞机退出抛物线，重新回到水平飞行位置。机舱内在试验装置如图4所示，它由三个注射器组成，其中一个装有5 g水泥，一个装有5 mL去离子水，另一个装有10 mL丙酮。试验中，当力为0 g时，立即将水注入装有水泥的注射器内，并通过轻微摇动使悬浮液混合均匀。10s后，将水从浆液中压出，转动阀门，注入丙酮，并与脱水水泥混合以终止其水化作用。整个试验过程必须在超重力开始前20 s内完成。

图3 飞机抛物线飞行模式

图4 机舱内的试验装置

试验结果发现，在微重力条件下水泥浆体内形成的钙矾石晶体的长径比更大，微重力似乎阻碍了钙矾石侧面的生成，这可能是由于在这种环境中没有对流所造成的。由于离子转移到晶体表面的速度较慢以及晶体生长速度减慢，本体溶液在较长时间内保持着过饱和状态。因此，在微重力条件下，均匀成核的持续时间较长，形成了更多晶核。然而，由于过饱和度迅速降低，这些晶核不能持续生长，晶体的平均尺寸较小。在掺加聚羧酸系减水剂（PCE）的情况下，产物钙矾石晶体的长径比发生了显着的变化，表明特定晶面通过吸附PCE可部分地阻止其生长。他们认为这可以通过PCE占据的表面和数量不同来解释。在微重力条件下，所有PCE（即使是阴离子电荷较低）对钙矾石晶体生长的影响均较强，而在正常情况下，只有电荷量较大的阴离子聚合物才会对其产生强烈的影响。因此，低阴离子电荷的PCE在没有重力的情况下更多地影响钙矾石的尺寸并显示出“强失重效应”，如图5所示。而对钙矾石有强烈吸附作用的PCE，其在地面和微重力条件下都能显着抑制钙矾石晶体的生长。晶体生长动力学已被“强PCE效应”减速时，微重力的附加效应对晶体生长已没有太大影响。

图5 重力和PCE吸附对离子向钙矾石晶核表面迁移的影响

4 展望

人类对月球（甚至火星）等可能让生物生存的探索力度越来越大，步伐也在加快。尽快创造条件建设月球基地（甚至移民到火星），是各国的伟大梦想，也引起21世纪世界大国间的科技之争。建设月球基地首先要解决建筑材料，月球混凝土将在其中扮演至关重要的角色。

月球混凝土的概念并非新奇，然而在研究的过程中仍有许多问题亟待解决，例如月球混凝土材料、结构与性能之间关系的理论体系，微小重力条件下搅拌、成型和养护问题。微小重力条件下水泥的水化、硬化和强度建立问题等。

虽已有关于微小重力条件对水泥早期水化的影响的些许研究成果，但在未来的研究工作中，应该必须延长到更长的时间段，在混凝土的整个塑性阶段和硬化阶段内观察钙矾石、氢氧化钙和水化硅酸钙的生长，以获得更多关于硬化水泥浆体微观结构发展的信息。真空环境下混凝土的干燥收缩量将会特别大，产生干燥收缩裂纹的可能性也会很大，如何防止其产生干燥裂纹需要我们慎重考虑。

还有，在月球表面如何正确检测和评价水泥、骨料、混凝土及其他建筑材料的性能，似乎也应该提上议事议程了。

不管有多难，人类建设月球基地，甚至移民到火星的梦想终将实现！希望更多土木工程材料研究工作者引领和参与到月球混凝土、火星混凝土的研究工作中。