何成旦， 李亞勝， 溫 智， 王永瑞， 張 霄，金 龍， 殷子涵， 權(quán)素君

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000； 2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000； 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

月球極區(qū)永久陰影區(qū)的溫度極低［1］，低溫使水分子無(wú)法通過(guò)熱運(yùn)動(dòng)逃逸［2-4］，一直被認(rèn)為是最有可能賦存水冰的區(qū)域［5-7］，并推測(cè)水冰賦存于凍結(jié)月壤中［8］。水是人類(lèi)賴(lài)以生存的化學(xué)物質(zhì)，月球上的水資源可以便利未來(lái)的星際航行，未來(lái)月球基地建設(shè)與月球資源開(kāi)發(fā)也都需要充足的水源補(bǔ)給。同時(shí)，水是理解月球獨(dú)特的形成與演化過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，各航天大國(guó)均將月球極區(qū)探測(cè)作為探月工程的重要目標(biāo)，月球極區(qū)和水冰探測(cè)已成為航天大國(guó)競(jìng)相搶占的戰(zhàn)略制高點(diǎn)［9］。

月表覆蓋著的一層由巖石碎屑、粉末、角礫、沖擊熔融玻璃等組成的“土壤”，月球探測(cè)器著陸、月面移動(dòng)、取樣等探測(cè)任務(wù)均主要發(fā)生在月壤層，月壤的物理力學(xué)特性是月球極區(qū)原位探測(cè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。各國(guó)科學(xué)家對(duì)月壤的物理力學(xué)特性已開(kāi)展了許多研究。鄭永春等［10］對(duì)月壤的物理和力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了綜述性總結(jié)，較為詳實(shí)全面的對(duì)真實(shí)干燥月壤的物理和機(jī)械性質(zhì)進(jìn)行了研究，但其中沒(méi)有涉及含水（冰）月壤的研究成果。張宇等［11］對(duì)無(wú)水CAS-1 模擬月壤的動(dòng)剪切模量與阻尼比的研究表明，在應(yīng)力水平很低、孔隙比較大的真實(shí)月面環(huán)境條件下，動(dòng)剪切模量G較小，阻尼比較大。Atkinson等［12］在77 K 溫度條件下凍結(jié)模擬月壤穿透試驗(yàn)表明，當(dāng)凍結(jié)模擬月壤含水率低于飽和含水率時(shí)，穿透阻力和弛豫效應(yīng)均對(duì)含冰量敏感，高于凍結(jié)模擬月壤飽和含水率后，穿透阻力和弛豫效應(yīng)變化不顯著。Ivanov 對(duì)火星凍土強(qiáng)度進(jìn)行了總結(jié)羅列［13］，并認(rèn)為當(dāng)凍土溫度高于-50 ℃時(shí)，凍土抗拉強(qiáng)度隨溫度降低而增大，當(dāng)凍土溫度低于-50 ℃時(shí)，溫度對(duì)其單軸抗壓及抗拉強(qiáng)度基本沒(méi)有影響。不過(guò)，由于月表環(huán)境和火星差異很大，火星環(huán)境下的凍土抗壓強(qiáng)度隨溫度變化規(guī)律并不適用月球極區(qū)。目前，對(duì)-30～-230 ℃月球極區(qū)溫度范圍內(nèi)凍結(jié)月壤力學(xué)性質(zhì)的研究很少，常規(guī)凍土力學(xué)研究的溫度大多高于-30 ℃，相關(guān)研究結(jié)果不能直接應(yīng)用于月球極區(qū)。

月表鉆探取樣過(guò)程中，鉆具與月壤摩擦生熱，摩擦熱在月壤中的傳遞散熱對(duì)鉆具安全至關(guān)重要，而且凍結(jié)月壤的導(dǎo)熱特性與鉆取過(guò)程中樣品的溫度變化密切相關(guān)，這事關(guān)取樣任務(wù)的成敗。此外，月球探測(cè)器與月壤直接接觸過(guò)程中，月壤的導(dǎo)熱能力將會(huì)影響探測(cè)器的溫度狀態(tài)，超限的溫度變化可能導(dǎo)致探測(cè)器失效。月面物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試一般采用原位測(cè)量和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量?jī)煞N。Langseth等［14］根據(jù)阿波羅15 和17 任務(wù)中的原位熱流測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析得出月表以下1～2.36 m 深度范圍內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)在0.015～0.03 W·m-1·K-1之間變化。Cremers 等［15］在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量了不同密度和溫度條件下的阿波羅月球樣品導(dǎo)熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)樣品密度1.10～1.95 g·cm-3、溫度在-160～160 ℃時(shí)，樣品的導(dǎo)熱系數(shù)約在5×10-4～4×10-3W·m-1·K-1之間變化，且導(dǎo)熱系數(shù)隨在幾十厘米的深度內(nèi)是呈現(xiàn)明顯增加的，出現(xiàn)這種趨勢(shì)的主要原因是由于月壤自身隨深度變化而引起的密度變化［16-17］，得出密度對(duì)熱導(dǎo)率存在一定的影響。目前，對(duì)月壤導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)研究均針對(duì)干燥無(wú)水的月壤，沒(méi)有針對(duì)月球極區(qū)含水（冰）月壤的測(cè)試研究。

本研究利用吉林大學(xué)研制的模擬極區(qū)玄武質(zhì)月壤為基材，通過(guò)液態(tài)水混合法制備凍結(jié)模擬月壤，研究了凍結(jié)模擬月壤的導(dǎo)熱系數(shù)和-196 ℃溫度條件下凍結(jié)模擬月壤單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變特征，以期為月球極區(qū)探測(cè)器及鉆具設(shè)計(jì)提供必要的參數(shù)，服務(wù)國(guó)家探月工程。

1 試驗(yàn)方法

1.1 模擬月壤與試樣制備

月壤物理力學(xué)性質(zhì)主要受月壤顆粒礦物成分、密實(shí)度、顆粒級(jí)配、月壤顆粒形貌等多種因素控制。由于月壤極其稀少，使用模擬月壤作為試驗(yàn)材料進(jìn)行宏觀(guān)規(guī)律研究是目前的通行做法。本研究利用吉林大學(xué)研制的模擬月球極區(qū)的月壤為基材開(kāi)展試驗(yàn)。表1為本研究中的模擬月壤與真實(shí)月壤礦物成分對(duì)比。由表1 可以看出，本模擬月壤礦物成分與真實(shí)月壤較為相似，其微小差異在于月壤含有氧化亞鐵，而本模擬月壤含有氧化鐵；月壤含有少量硫，本模擬月壤不含硫。由模擬月壤與真實(shí)月壤的礦物成分對(duì)比可以看出，模擬月壤與真實(shí)月壤相似性較高。

表1 模擬月壤與真實(shí)月壤礦物成分對(duì)比Table 1 Comparison of mineral composition between the simulated lunar soil and the real lunar soil

另一方面，本模擬月壤顆粒大部分呈玻璃態(tài)，真實(shí)月壤玻璃態(tài)成分也較高，這一方面也具有相似性。Apollo 計(jì)劃取得的月壤樣品微觀(guān)掃描結(jié)果表明，月壤中含有大量不規(guī)則的玻璃態(tài)顆粒［18］，月壤覆蓋層的顆粒磨圓度普遍較低，圖1 為本模擬月壤的電鏡掃描圖。由圖1 中可以看出，本研究使用的模擬月壤顆粒磨圓度低，具有顯著的棱角特征。圖2 為本研究用模擬月壤顆粒級(jí)配與真實(shí)月壤顆粒級(jí)配曲線(xiàn)。由圖2 可知，模擬月壤顆粒級(jí)配與真實(shí)月壤的上限級(jí)配曲線(xiàn)較為接近，模擬月壤最大顆粒粒徑為500 μm且模擬月壤顆粒級(jí)配較好，可見(jiàn)研究中采用的模擬月壤可以作為月壤代替物進(jìn)行相關(guān)的物理力學(xué)試驗(yàn)。

圖1 模擬月壤顆粒掃描電鏡圖Fig.1 SEM image of simulated lunar soil particles

圖2 模擬月壤顆粒級(jí)配與真實(shí)月壤顆粒級(jí)配曲線(xiàn)Fig.2 Particle grading curve of simulated lunar soil and real lunar soil

在含水模擬月壤制備方面，常用的方法有蒸汽吸附法和混合法，但上述制樣方法無(wú)法均勻制備低含水率試樣，且制樣周期長(zhǎng)，無(wú)法保證試樣的水分分布均勻。現(xiàn)有研究表明，極區(qū)月壤和水冰是以“臟冰”的形式存在，即冰顆粒與月壤顆?；旌系男问酱嬖冢?9］，為了較為真實(shí)地實(shí)現(xiàn)月壤與冰顆?；祀s，本研究中采用液態(tài)水混合法制備凍結(jié)模擬月壤。

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試試樣高度為60 mm，直徑為70 mm。制樣時(shí)，首先分別配制了1%～24% 含水率試樣，將試樣以1.42 g·cm-3的干密度分層裝入試樣盒中，在-20 ℃的溫度條件下快速凍結(jié)，以最大程度減小模擬月壤凍結(jié)時(shí)引發(fā)的水分分布不均勻，然后在-20 ℃環(huán)境持續(xù)凍結(jié)24 h，最后根據(jù)測(cè)試要求將試樣控溫至目標(biāo)溫度。單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試試樣高度80 mm，直徑為39.1 mm，長(zhǎng)徑比約為2，試樣干密度為1.42 g·cm-3，采用雙端靜壓法制樣［20］。對(duì)制備好的試樣分段干密度和含水率測(cè)試表明，液態(tài)水混合法制備凍結(jié)模擬月壤試樣的水分分布均勻，試樣整體均勻度較好，可以滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

1.2 測(cè)試儀器與測(cè)試方法

本研究中使用凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的ISOMET 2114 熱性能分析儀測(cè)試凍結(jié)模擬月壤導(dǎo)熱系數(shù)。圖3（a）為熱性能分析儀主體。測(cè)試時(shí)，首先將測(cè)試探頭與凍結(jié)模擬月壤表面接觸，如圖3（b）所示，待測(cè)試探頭溫度與試樣溫度穩(wěn)定后，對(duì)凍結(jié)模擬月壤導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。圖3（c）為測(cè)試完成后試樣外觀(guān)照片，由圖3（c）可以看出，測(cè)試完成后試樣表面仍保持平整，表明傳感器在試驗(yàn)過(guò)程中與試樣緊密貼合，測(cè)試精度較高。本研究測(cè)試了6 種含水率模擬月壤在-5 ℃、-10 ℃、-14 ℃、-19 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，具體見(jiàn)表2。

表2 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試試樣制備Table 2 Sample list of thermal conductivity test.

圖3 模擬月壤導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試過(guò)程Fig.3 Test process of thermal conductivity with simulated lunar soil

凍結(jié)模擬月壤單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試在凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的可控溫萬(wàn)能加載試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該儀器荷載控制精度為±0.0001 N，位移控制精度為±0.001 mm。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)試樣呈脆性破壞，試樣長(zhǎng)徑比為2∶1，以減小試樣端部約束對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。為減小試樣控溫難度，制備Φ39.1 mm×80 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行力學(xué)測(cè)試。

由于極區(qū)陰影區(qū)溫度極低，常規(guī)的控溫手段無(wú)法達(dá)到模擬極區(qū)環(huán)境溫度要求，本研究使用液氮冷卻法實(shí)現(xiàn)-196 ℃的試驗(yàn)環(huán)境溫度。具體操作方法為：將試樣在-20 ℃快速凍結(jié)并恒溫12 h，后將試樣浸入液氮中，同時(shí)將埋有熱電偶溫度傳感器的相同含水率、相同干密度的同尺寸試樣置入同一個(gè)液氮槽中作為陪樣，對(duì)陪樣溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以確定加載試樣溫度。待試樣溫度在-196 ℃保持穩(wěn)定后對(duì)試樣加載，加載過(guò)程中保持測(cè)試樣完全被液氮浸沒(méi)；為減小偶然誤差，每一加載條件測(cè)試點(diǎn)同時(shí)同批次制備3 個(gè)測(cè)試樣，2 個(gè)備用樣；加載過(guò)程中先對(duì)3 個(gè)測(cè)試樣依次進(jìn)行加載并及時(shí)處理數(shù)據(jù)，若3 個(gè)試樣測(cè)試結(jié)果差異較大，則對(duì)2 個(gè)備用試樣進(jìn)行測(cè)試，若2個(gè)備用試樣測(cè)試結(jié)果與3 個(gè)試樣中的1 個(gè)數(shù)據(jù)較為接近，則使用3 個(gè)接近的試樣數(shù)據(jù)作為真值；若3 個(gè)試樣測(cè)試結(jié)果中的2 個(gè)數(shù)據(jù)較為接近，則依次對(duì)備用試樣進(jìn)行加載測(cè)試，直到出現(xiàn)3 個(gè)試樣的測(cè)試結(jié)果較為相似為止，若每一測(cè)試點(diǎn)5 個(gè)試樣的測(cè)試結(jié)果差異均較大，則對(duì)該測(cè)試點(diǎn)重新制樣、測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍結(jié)模擬月壤導(dǎo)熱系數(shù)變化

2.1.1 含水率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

為了探究?jī)鼋Y(jié)月壤導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的變化規(guī)律，對(duì)同一溫度條件下不同含水率凍結(jié)模擬月壤導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。由圖4 可以看出，凍結(jié)模擬月壤導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率增大而增大，本試驗(yàn)測(cè)試的溫度范圍內(nèi)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)均隨著含水率線(xiàn)性增大。固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般為干密度、含水（冰）量和溫度的函數(shù)，并與材料的礦物成分密切相關(guān)。凍結(jié)月壤是由固體顆粒、冰、液態(tài)水和氣體四種基本成分組成的非均質(zhì)、各項(xiàng)異性的四相復(fù)合體，每一種成分的性質(zhì)以及它們之間的比例關(guān)系和相互作用決定著凍結(jié)月壤的熱學(xué)性質(zhì)。凍結(jié)模擬月壤導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)含水率變化極其敏感，由圖4 中可以看出24% 含水率試樣的導(dǎo)熱系數(shù)約為3% 含水率試樣的4倍。

圖4 不同溫度模擬月壤導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率變化Fig.4 Variation of thermal conductivity of different temperature lunar soil with with water content

理論上，凍結(jié)月壤中基質(zhì)顆粒-水-冰-氣四組分處于如圖5（a）所示的分布狀態(tài)。隨著試樣含水率的增大，試樣中氣態(tài)部分減少，而液態(tài)水和固體冰增多。由于冰和液態(tài)水的導(dǎo)熱系數(shù)約為氣態(tài)組分的幾十倍，凍結(jié)月壤的導(dǎo)熱系數(shù)迅速增大。當(dāng)含水率較小時(shí)，月壤通過(guò)顆粒間點(diǎn)接觸傳熱。隨著月壤含水率增大，包裹月壤的未凍水膜厚度增大，月壤顆粒接觸范圍增大，形成圖5（b）所示的頸縮區(qū)，增大了月壤顆粒間的傳熱能力。

圖5 凍結(jié)月壤中組分分布及熱傳導(dǎo)示意圖Fig.5 Schematic diagram of component distribution and heat conduction in frozen lunar soil

2.1.2 溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

本研究中模擬月壤干密度為1.42 g·cm-3，試樣飽和含水率約為24%，測(cè)試過(guò)程中試樣最低溫度為-18.5 ℃。通常，凍土導(dǎo)熱系數(shù)具有顯著的溫度依賴(lài)性，冰的導(dǎo)熱系數(shù)約為水的4 倍，隨著溫度降低，凍土中未凍水逐漸相變成冰，冰含量增大使凍土導(dǎo)熱系數(shù)增大。和常規(guī)凍土導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律不同，如圖6所示，模擬月壤導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度降低反而減小，與凍結(jié)模擬月壤中的冰晶含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)變化規(guī)律。造成這種現(xiàn)象的原因在于，凍結(jié)月壤可視為包裹未凍水膜的固體顆粒部分與固體顆粒接觸點(diǎn)的頸縮區(qū)串聯(lián)而成的傳熱體，如圖5（b）所示；隨著凍結(jié)月壤溫度降低，月壤中未凍水發(fā)生重分布，分布于月壤顆粒與冰顆粒表面的未凍水含量減少，造成頸縮區(qū)未凍水含量減小，顆粒與顆粒間接觸面積減少，熱傳導(dǎo)能力由此減??；雖然溫度降低形成更多的孔隙冰晶，但孔隙冰與固體顆粒接觸點(diǎn)增多引發(fā)的的導(dǎo)熱能力增加有限，最終由此導(dǎo)致凍結(jié)月壤導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度降低而減小。

圖6 不同含水率凍結(jié)模擬月壤導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化Fig.6 The thermal conductivity of simulated lunar soil with different water content changes with temperature

2.1.3 月球極區(qū)導(dǎo)熱系數(shù)特征

總體上，凍結(jié)模擬月壤的導(dǎo)熱系數(shù)較小，本次試驗(yàn)條件下試樣導(dǎo)熱系數(shù)在0.3～1.2 W·m-1·K-1間，遠(yuǎn)小于相同含水率和干密度條件下凍土的導(dǎo)熱系數(shù)。月表環(huán)境壓力極低，液態(tài)水無(wú)法穩(wěn)定存在，凍結(jié)月壤中的冰顆粒、固體顆粒間以接觸方式傳熱，真實(shí)的月壤導(dǎo)熱能力比模擬月壤更小。另外，月表僅可能在隕石撞擊過(guò)程中短暫的存在過(guò)液態(tài)水［21］，月表環(huán)境下水分以汽態(tài)方式遷移，當(dāng)水分子與月壤顆粒碰撞時(shí)可能被吸附，月壤顆粒間通過(guò)多層吸附形成的“霜狀”冰膠結(jié)，導(dǎo)熱能力比晶體冰要小得多。此外，由于月壤顆粒銳度高、磨圓性極差，顆粒間接觸面積小，這也會(huì)導(dǎo)致月球極區(qū)凍結(jié)月壤的導(dǎo)熱系數(shù)比地球土顆?；|(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)要小得多。

通過(guò)對(duì)凍結(jié)月壤導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的“反?！北憩F(xiàn)可以看出，凍結(jié)月壤導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的趨勢(shì)與水分分布狀態(tài)有關(guān)，在含水凍結(jié)月壤取樣過(guò)程中應(yīng)控制水分因月壤熱狀態(tài)改變而發(fā)生的水分重分布對(duì)凍結(jié)月壤中水分分布的影響，保證含水月壤試樣“取真”的工程需求。

綜合以上分析，一方面，極區(qū)月壤極差的導(dǎo)熱性能導(dǎo)致鉆探取樣過(guò)程中摩擦熱不易散失，更容易加速鉆頭的磨損和破壞；另一方面，凍結(jié)月壤中賦存的水分因鉆具摩擦生熱而導(dǎo)致賦存狀態(tài)發(fā)生改變，可能存在“取不真”的工程問(wèn)題。

2.2 凍結(jié)月壤抗壓強(qiáng)度

2.2.1 凍結(jié)月壤的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

本試驗(yàn)中使用柔性試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載測(cè)試，當(dāng)試樣荷載達(dá)到破壞強(qiáng)度，試樣的承受能力下降，應(yīng)變加速，儲(chǔ)存在壓機(jī)中的彈性能快速釋放，使得試樣破壞后發(fā)生猛烈的破壞，因此試樣破壞后試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)捕捉到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)為應(yīng)力迅速減小的豎向直線(xiàn)。

圖7 為凍結(jié)模擬月壤在-196 ℃條件下單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。由圖7可以看出，凍結(jié)模擬月壤單軸抗壓強(qiáng)度隨含水率增大而增大，5% 含水率模擬月壤的單軸抗壓強(qiáng)度約為5 MPa，10% 含水率模擬月壤的單軸抗壓強(qiáng)度約為13 MPa，可見(jiàn)凍結(jié)模擬月壤抗壓強(qiáng)度受含水率影響顯著。

圖7 凍結(jié)模擬月壤及凍結(jié)粉土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.7 Stress-strain curve of frozen simulated lunar soil and frozen silt

由圖7 可以看出，對(duì)于凍結(jié)模擬月壤在試樣加載的OA段和OA'段，應(yīng)力增加應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率逐漸減小，即凍結(jié)模擬月壤存在“做功硬化”階段，在做功硬化階段，凍結(jié)模擬月壤中微裂紋在壓應(yīng)力作用下逐漸閉合。從OA段和OA'段的應(yīng)變基本相等可以看出，不同含水率試樣的微裂紋閉合所需應(yīng)變基本相等，即含水率對(duì)凍結(jié)模擬月壤中微裂紋分布的影響較小；但10% 含水率試樣的硬化階段所需應(yīng)力顯著大于5% 含水率試樣，可見(jiàn)含水率越高，凍結(jié)模擬月壤顆粒間的膠結(jié)強(qiáng)度越大。在AB和A'B'段，凍結(jié)模擬月壤應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)接近線(xiàn)性，干密度相等條件下，10%含水率試樣的有效楊氏模量顯著大于5%含水率，且10% 含水率試樣線(xiàn)彈性階段的應(yīng)變量略微大于5% 含水率試樣，表明在-196 ℃的低溫條件下，凍結(jié)模擬月壤顆粒間膠結(jié)作用隨含水率增大而增大。在BC和B'C'段，凍結(jié)模擬月壤應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)呈現(xiàn)下凹的特點(diǎn)，在C點(diǎn)和C'點(diǎn)下凹曲線(xiàn)達(dá)到最大，在該加載階段，凍結(jié)模擬月壤呈現(xiàn)非彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)斜率隨著應(yīng)力的增加逐漸減小到0，即凍結(jié)模擬月壤發(fā)生了“軟化”，表現(xiàn)出塑性過(guò)程；在C點(diǎn)以后，10% 含水率的凍結(jié)模擬月壤出現(xiàn)快速跳躍形式的應(yīng)力增加，隨后迅速破壞，而在C'點(diǎn)以后，5% 含水率試樣應(yīng)力短暫減小、應(yīng)變?cè)黾樱笱杆倨茐?，可?jiàn)5% 含水率試樣塑性略強(qiáng)于10% 含水率試樣。相應(yīng)的凍結(jié)模擬月壤破壞照片如圖8（a）所示，結(jié)合圖7 中凍結(jié)模擬月壤應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，凍結(jié)模擬月壤發(fā)生脆性破壞。

圖8 -196 ℃凍結(jié)模擬月壤及-8 ℃凍結(jié)粉土破壞形貌［22］Fig.8 Damaged sample photos of frozen simulated lunar soil and frozen silt［22］

圖7中凍結(jié)粉土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)為Yang 等［22］在三軸試驗(yàn)儀中以圍壓1 MPa，試樣-8 ℃條件下進(jìn)行加載的凍結(jié)粉土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，由圖7 中可以看出，-8 ℃凍結(jié)粉土發(fā)生塑性破壞。相應(yīng)的試樣破壞照片如圖8（b）所示，可見(jiàn)破壞后的凍結(jié)粉土試樣呈鼓形，且加載過(guò)程中凍結(jié)粉土表現(xiàn)出很強(qiáng)的塑性，而-196 ℃溫度條件下的凍結(jié)模擬月壤呈脆性破壞，可見(jiàn)低溫凍結(jié)月壤與傳統(tǒng)意義上的凍土破壞具有顯著差異，現(xiàn)有凍土力學(xué)本構(gòu)關(guān)系不能表征月表極區(qū)凍結(jié)月壤的力學(xué)行為。

2.2.2 凍結(jié)月壤單軸抗壓強(qiáng)度

月表環(huán)境壓力極低，水分以氣態(tài)或固態(tài)的形式穩(wěn)定存在，本研究通過(guò)將試樣控溫為-196 ℃來(lái)減小未凍水對(duì)凍結(jié)模擬月壤抗壓強(qiáng)度的影響，以最大程度模擬月表凍土真實(shí)的溫度和水分狀態(tài)。結(jié)果表明，-196 ℃溫度條件下，5% 含水率凍結(jié)模擬月壤單軸抗壓強(qiáng)度約為5 MPa，10% 含水率凍結(jié)模擬月壤抗壓強(qiáng)度約為13 MPa。顯然，凍結(jié)模擬月壤抗壓強(qiáng)度隨含水率升高而增大，和凍結(jié)模擬月壤切削強(qiáng)度隨含水率變化的規(guī)律相似［12，23］。結(jié)合圖5 凍結(jié)月壤中水的分布狀態(tài)，我們認(rèn)為，凍結(jié)月壤單軸抗壓強(qiáng)度及切削強(qiáng)度隨含水率增大的主要原因有以下3點(diǎn)：（1）含水率增大提高了月壤顆粒接觸點(diǎn)的黏結(jié)強(qiáng)度；（2）含水率增大使凍結(jié)月壤中冰組分提高，使冰組分承擔(dān)更多荷載；（3）含水率增大也提高了冰顆粒與土顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度。最終使凍結(jié)月壤強(qiáng)度隨含水率增大而增大。

月表環(huán)境壓力極低，液態(tài)水無(wú)法穩(wěn)定存在，本研究中將試樣穩(wěn)定控溫至-196 ℃，力求將模擬月壤中水分全部?jī)鼋Y(jié)，進(jìn)而減小未凍水對(duì)凍結(jié)模擬月壤單軸抗壓強(qiáng)度及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響。地表環(huán)境下，未凍結(jié)含水土壤的土顆粒表面分布有薄膜水，且土樣抗剪強(qiáng)度隨含水率增大而減?。?4］，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)包括內(nèi)摩擦角與黏聚力，胡昕等［25］對(duì)不同含水率煤系土抗剪強(qiáng)度測(cè)試表明，土體內(nèi)摩擦角隨含水率增大而先增大后減小，但變化值不大，土體黏聚力隨含水率增大而大幅減小。由圖1 可以看出，本模擬月壤顆粒分明，與黏土礦物的薄片狀土顆粒不同，與砂土更為相似，王海東等［26］對(duì)非飽和砂土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，認(rèn)為非飽和砂土黏聚力先隨含水率增大而增大后隨含水率增大而迅速減小，內(nèi)摩擦角隨含水率增大而急劇減??；可見(jiàn)土體抗剪強(qiáng)度與土顆粒表面水膜厚度具有顯著影響。沈言忠等［27-28］將壓力作用導(dǎo)致的未凍水含量增加視為試樣“溫度”發(fā)生了改變，認(rèn)為凍土中未凍水含量變化對(duì)凍土強(qiáng)度具有影響；晏長(zhǎng)根等［29］對(duì)非飽和粉土在凍融過(guò)程的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究，認(rèn)為未凍水膜厚度影響了冰對(duì)土顆粒的膠結(jié)強(qiáng)度，凍融過(guò)程中土顆粒表面未凍水膜厚度動(dòng)態(tài)變化，凍土強(qiáng)度隨溫度變化。月表環(huán)境下凍土中不存在液態(tài)水，可見(jiàn)凍結(jié)月壤強(qiáng)度不因未凍水膜厚度變化而變化，因此在地面對(duì)凍結(jié)月壤強(qiáng)度的模擬研究中需避免凍土中未凍水對(duì)強(qiáng)度的影響。本研究將試樣控溫至-196 ℃，可認(rèn)為試樣中可能存在極微量的未凍水［30］，其對(duì)凍結(jié)模擬月壤抗壓強(qiáng)度及應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的影響非常有限，本試驗(yàn)方法可對(duì)月表無(wú)未凍水條件下的凍結(jié)月壤抗壓強(qiáng)度及應(yīng)力-應(yīng)變特征研究。

3 結(jié)論與展望

本研究對(duì)模擬月壤導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)定，得出了快速降溫凍結(jié)的模擬月壤在升溫過(guò)程中的導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律，并從冰水重分布的角度對(duì)出現(xiàn)的反常規(guī)律進(jìn)行了闡釋?zhuān)贸隽瞬煌蕳l件下凍結(jié)模擬月壤的力學(xué)特性參數(shù)。主要得出以下結(jié)論：

（1）隨著凍結(jié)模擬月壤含水率增大，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大；快速凍結(jié)后的模擬月壤升溫過(guò)程中發(fā)生水分重分布，使得凍結(jié)模擬月壤導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度降低而略微減小。

（2）-196 ℃條件下的凍結(jié)模擬月壤單軸抗壓強(qiáng)度受含水率影響顯著，10% 含水率凍結(jié)模擬月壤單軸抗壓強(qiáng)度顯著大于5% 含水率凍結(jié)模擬月壤；含水率越大，線(xiàn)彈性階段的有效楊氏模量越大。

（3）干密度相同的條件下，10% 含水率凍結(jié)模擬月壤與5% 含水率凍結(jié)模擬月壤在加載初期因微裂紋閉合導(dǎo)致的應(yīng)變基本相等，含水率對(duì)凍結(jié)模擬月壤中初始微裂紋分布基本不產(chǎn)生影響；在應(yīng)變“軟化”階段，含水率高的凍結(jié)模擬月壤表現(xiàn)出更強(qiáng)的脆性破壞特征，含水率越低的凍結(jié)模擬月壤延性略強(qiáng)；與“傳統(tǒng)”凍土不同，-196 ℃條件下的凍結(jié)模擬月壤表現(xiàn)出類(lèi)似硬質(zhì)巖石的破壞特征。

月表環(huán)境壓力極低，凍結(jié)月壤中不含液態(tài)水，目前的凍結(jié)模擬月壤地面力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中，均沒(méi)有考慮環(huán)境壓力的影響，始終無(wú)法避免未凍水對(duì)凍結(jié)月壤的物理力學(xué)特性的影響，地面環(huán)境下凍結(jié)模擬月壤力學(xué)研究結(jié)果不可避免會(huì)和真實(shí)月表環(huán)境存在一定差異。本研究?jī)H對(duì)凍結(jié)模擬月壤進(jìn)行了單軸抗壓試驗(yàn)，遠(yuǎn)不足以滿(mǎn)足月球空間探測(cè)及含水月壤鉆取需求，未來(lái)需對(duì)凍結(jié)月壤開(kāi)展更為深入的切削、剪切以及復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)研究。