汪寒艷， 馬芹永*

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院， 淮南 232001； 2.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心， 淮南 232001)

月球上含有豐富的礦物資源，登月開發(fā)月球、月球基地建設(shè)已成為新興航天大國之間的競爭焦點(diǎn)[1]。而月球基地建設(shè)需要大量的建筑材料，同時耗費(fèi)大量的財力資源，故利用月球已有資源尤為重要[2]。近年來，國內(nèi)外專家對模擬月壤進(jìn)行大量的研究。劉德赟等[3]制備了不同含水量下的凍土模擬月壤，并進(jìn)行鉆取試驗。蔡建國等[4]利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)(spark plasma sintering,SPS)實(shí)現(xiàn)了模擬月壤的成型,并對其抗壓強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[5-6]提出了一種將月壤模擬物進(jìn)行熔化處理，通過激光熔化技術(shù)提高模擬月壤的強(qiáng)度。Khoshnevis等[7]利用富含硫的月壤土生產(chǎn)硫黃混凝土，但硫黃混凝土的耐久性、耐火性效果不好。Taylor等[8]通過聚焦太陽光的高溫光束來固化月球土壤用來覆蓋月球表面，然而材料內(nèi)部的熱應(yīng)力會導(dǎo)致月壤板的變形，實(shí)際施工中是不理想的。因此需要研制一種在極端條件下具有良好力學(xué)性能的月球建筑材料[9-10]。

地聚合物在極端的條件下具有良好的力學(xué)性能和耐久性。該材料在反應(yīng)過程中消耗的水分很少，大部分水均可以循環(huán)利用[11]。Montes等[12]利用JSC-1A模擬月壤制備了一種土聚合物，這種地聚合物具有抗輻射能力。Wang等[13]利用喀麥隆的火山灰制備月壤模擬物，并證實(shí)其有較好的抗凍性。Zhou等[14]在高溫蒸養(yǎng)條件下利用NaOH激發(fā)模擬月壤，使得其抗壓強(qiáng)度提高一倍。Alessio等[15]利用K2SiO3和NaOH混合溶液激發(fā)模擬月壤，并研究了模擬月壤的力學(xué)性能。王開拓[16]選用不同的堿激發(fā)劑在不同的養(yǎng)護(hù)條件下對模擬月壤進(jìn)行激發(fā)，得出干粉水玻璃激發(fā)模擬月壤的抗壓強(qiáng)度效果最佳。

目前模擬月壤地聚合物的研究主要集中在宏觀力學(xué)性能、破壞形態(tài)以及變形等方面，對微觀結(jié)構(gòu)以及能量演化方面研究較少，而實(shí)際上模擬月壤材料的破壞是其內(nèi)部能量耗散和釋放的結(jié)果。因此研究不同摻量水玻璃下模擬月壤材料破壞過程中的能量變化，可評估不同摻量水玻璃下模擬月壤抵抗外荷載的能力，進(jìn)而闡述其強(qiáng)度變化機(jī)理。

基于上述研究，選用玄武巖作為模擬月壤材料，進(jìn)行不同水玻璃摻量和不同養(yǎng)護(hù)溫度下的單軸抗壓強(qiáng)度試驗，結(jié)合X射線衍射試驗和SEM(scanning electron microscope)試驗，得到水玻璃固化模擬月壤的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，分析水玻璃固化模擬月壤的能量變化和微觀結(jié)構(gòu)，為水玻璃固化月壤在月球基地建設(shè)中提供相應(yīng)試驗依據(jù)。

1 樣品制備及試驗方案

1.1 樣品制備

試驗所用的模擬月壤材料取自南京市六合區(qū)的顆粒狀堿性橄欖玄武巖，其表面為凹凸不平，具有棱角、勾角等不規(guī)則形狀，符合真實(shí)月壤的顆粒形態(tài)[17]。真實(shí)月壤的絕大部分粒徑分布在30 μm～1 mm，平均粒徑約為70 μm，即月壤的粒徑普遍小于1 mm，取模擬月壤材料玄武巖的主要的化學(xué)成分如表1所示，顆粒粒徑分布如圖1所示。主要的礦物成分如圖2所示。

表1 樣品化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of samples

圖1 模擬月壤的粒徑分布Fig.1 The particle size distribution of simulated lunar soil

圖2 模擬月壤的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of simulated lunar soil

Gladstone等[18]和Colaprete等[19]證實(shí)了月球極區(qū)有水資源存在，且水分含量在5.6%～11.5%。取不同含水率(3%、5%、7.5%、10%)進(jìn)行初步抗壓強(qiáng)度試驗，通過含水率試驗，可知當(dāng)含水率為7.5%時模擬月壤的抗壓強(qiáng)度最大。在此基礎(chǔ)上摻入不同摻量水玻璃研究模擬月壤的力學(xué)特性，水玻璃的模數(shù)為1.2，質(zhì)量摻量比分別為1%、3%、5%、7%。按照以下過程制備試樣：將烘干后的玄武巖試樣進(jìn)行篩分試驗，然后根據(jù)試驗配比向試樣中均勻噴灑預(yù)定質(zhì)量的水玻璃溶液并確保攪拌均勻。隨后采用分層擊實(shí)法[20]將土樣擊實(shí)，先將已擊實(shí)的土樣進(jìn)行刨毛，然后加入第二層土樣，依次反復(fù)，直至完成直徑50 mm，高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣的制備。將制備好的試樣用保鮮膜密封包裹，分別放入已經(jīng)恒定的25、50、85、120 ℃的溫度環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)12 h，再放入室溫下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28、14、7、3 d。

1.2 試驗方案

試驗在安徽理工大學(xué)力學(xué)性能試驗室的WDW-200微機(jī)控制電子萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行。試驗機(jī)加載速率為1 mm/min。試驗方案為不同試樣養(yǎng)護(hù)溫度25、50、85、120 ℃，不同的水玻璃質(zhì)量摻量1%、3%、5%、7%固化模擬月壤抗壓強(qiáng)度試驗,每個齡期16組48個試樣,共192個試樣(每個試驗工況3個平行試樣)。在恒定的變形速率下進(jìn)行單軸加載至20%的應(yīng)變后停止試驗。

2 單軸抗壓試驗結(jié)果分析

2.1 抗壓強(qiáng)度分析

模擬月壤的抗壓強(qiáng)度是其最基本的力學(xué)特性，它不僅與模擬月壤本身的物理性質(zhì)有關(guān)，還與養(yǎng)護(hù)條件和堿激發(fā)劑密切相關(guān)。

2.1.1 抗壓強(qiáng)度隨水玻璃摻量變化

模擬月壤的抗壓強(qiáng)度隨水玻璃摻量的變化如圖3所示。

不同齡期試樣的抗壓強(qiáng)度較未摻水玻璃的試樣(抗壓強(qiáng)度為90 kPa)有大幅增加。從圖3可以看出：①不同齡期的模擬月壤抗壓強(qiáng)度隨水玻璃摻量的變化趨勢一致，隨水玻璃摻量增加，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，水玻璃摻量為5%時，強(qiáng)度最大；②隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈增大趨勢，當(dāng)水玻璃摻量為5%時，28 d抗壓強(qiáng)度較14、7、3 d分別提高30%、56%、65%。

圖3 抗壓強(qiáng)度隨水玻璃摻量變化Fig.3 The compressive strength varies with the content of sodium silicate

模擬月壤抗壓強(qiáng)度隨水玻璃摻量的增加先增大后減小，說明添加的水玻璃并非越多越好，當(dāng)超過某一摻量后，由于過多的水玻璃沉積不能充分與玄武巖反應(yīng)等原因，導(dǎo)致二者之間反應(yīng)不完全，從而引起抗壓強(qiáng)度降低。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，聚合反應(yīng)更充分，生成的水化產(chǎn)物越多，從而模擬月壤的抗壓強(qiáng)度越高。

2.1.2 抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度變化

圖4為在不同的溫度下養(yǎng)護(hù)12 h，再放在室溫下養(yǎng)護(hù)14 d的模擬月壤強(qiáng)度變化特征。

從圖4可以看出，在養(yǎng)護(hù)齡期為14 d條件下，短期的高溫養(yǎng)護(hù)對抗壓強(qiáng)度的提高有較大影響：①不同摻量下水玻璃隨短期養(yǎng)護(hù)溫度的變化趨勢一致，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后減小，峰值點(diǎn)位于養(yǎng)護(hù)溫度為85 ℃處；②經(jīng)過12 h的短期高溫養(yǎng)護(hù)，模擬月壤強(qiáng)度均呈現(xiàn)不同程度的提高，在水玻璃摻量均為5%時，抗壓強(qiáng)度最大提高了175%。

圖4 模擬月壤強(qiáng)度和養(yǎng)護(hù)溫度的關(guān)系Fig.4 The relationship between simulated lunar soil strength and curing temperature

從圖4中可以看出，熱養(yǎng)護(hù)模擬月壤可以促進(jìn)體系反應(yīng)的發(fā)生，形成更多的地聚合物凝膠，提高試件的強(qiáng)度。但熱養(yǎng)護(hù)的溫度過高時，由于適當(dāng)?shù)母邷仞B(yǎng)護(hù)使基體內(nèi)的活性組分已完全反應(yīng)，過高的養(yǎng)護(hù)溫度會使體系內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而促使裂縫的產(chǎn)生，抗壓強(qiáng)度也會下降[21-22]。文獻(xiàn)[23]發(fā)現(xiàn)在堿激發(fā)火山灰的體系中，高溫養(yǎng)護(hù)溫度存在一個臨界值，過高的養(yǎng)護(hù)溫度會破壞地聚合物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且在過量的堿環(huán)境中試件容易出現(xiàn)裂紋，強(qiáng)度有所下降。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

由于模擬月壤應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)表現(xiàn)較相似，因此選取水玻璃質(zhì)量摻量比為5%和養(yǎng)護(hù)14 d為例，其單軸抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。

比較圖5(a)和圖5(b)可知，模擬月壤應(yīng)力-應(yīng)變曲線受養(yǎng)護(hù)溫度和水玻璃摻量影響較顯著。在相同摻量水玻璃條件下，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線由“扁平”逐漸演變?yōu)椤罢荨保f明在合適的溫度范圍內(nèi)，養(yǎng)護(hù)溫度越高，試樣獲得較大的單軸抗壓強(qiáng)度和較高的彈性模量。在養(yǎng)護(hù)溫度為85 ℃時，應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值最大；在同一養(yǎng)護(hù)溫度條件下，當(dāng)水玻璃摻量為5%時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)“窄瘦”型，說明試樣獲得較高的彈性模量，此時試樣同樣獲得較高的強(qiáng)度。高溫養(yǎng)護(hù)和摻水玻璃并沒有明顯改變模擬月壤的破壞形式，所有的試樣均呈現(xiàn)脆性破壞。

圖5 不同溫度和不同水玻璃摻量應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curve of different temperature and different sodium silicate content

如圖6所示，雖然高溫養(yǎng)護(hù)和摻水玻璃對試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀有所影響，但試樣的破壞形式均相似，破壞過程大致分為以下階段：壓實(shí)階段(OA);線彈性階段(AB);塑性屈服階段(BC)和破壞階段(CD)。

圖6 模擬月壤應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其破壞形式Fig.6 Stress-strain curve of simulated lunar soil and its failure form

2.3 單軸壓縮過程中能量特征

2.3.1 能量計算

模擬月壤變形破壞過程本質(zhì)上是能量輸入、耗散和釋放過程。在壓力機(jī)加載過程中，不斷向試塊輸入能量，在達(dá)到應(yīng)力峰值前試樣吸收能量，在峰值破壞后則不斷釋放彈性能。輸入的能量主要是壓力機(jī)加載中對模擬月壤試樣做的功，其中大部分以可釋放彈性能的形式存在于試樣內(nèi)部，另一部分以裂隙，變形破壞等形式耗散掉，同時少量以摩擦熱能釋放到外界[24-25]。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律[26]，壓力機(jī)對模擬月壤試樣加載過程所做的功Q為

Q=Qd+Qe

(1)

式(1)中：Q為壓力機(jī)所做的功；Qd為耗散能；Qe為彈性能，MJ/m3。

模擬月壤試樣在單軸壓縮過程中，Q、Qd、Qe計算公式分別為

(2)

(3)

Qd=Q-Qe

(4)

式中：σ0和ε0分別表示模擬月壤的應(yīng)力和應(yīng)變值；E為應(yīng)力-應(yīng)變曲線中直線段的斜率[27]。

2.3.2 能量演化特征

通過對不同養(yǎng)護(hù)溫度和不同摻量水玻璃作用下的模擬月壤進(jìn)行單軸抗壓試驗，得到單軸壓縮過程中試樣能量-養(yǎng)護(hù)溫度以及能量-水玻璃摻量關(guān)系曲線(養(yǎng)護(hù)齡期14 d)如圖7、圖8所示。

圖7 模擬月壤能量參數(shù)與養(yǎng)護(hù)溫度的關(guān)系Fig.7 The relationship between simulated lunar soil energy parameters and curing temperature

圖8 模擬月壤能量參數(shù)與水玻璃摻量的關(guān)系Fig.8 The relationship between simulated lunar soil energy parameters and sodium silicate content

由圖7可得到以下結(jié)論。

(1)在單軸抗壓試驗中，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，總能量和耗散能均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。在養(yǎng)護(hù)溫度為50 ℃時，總能量和耗散能均達(dá)到最大，分別為0.020 1、0.014 8 MJ/m3。

(2)彈性能在養(yǎng)護(hù)溫度為85 ℃時達(dá)到最大值，為0.013 8 MJ/m3。

(3)整體來看，耗散能占總能量的比例較大，在85 ℃養(yǎng)護(hù)條件下，彈性能和耗散能的占比幾乎一樣。養(yǎng)護(hù)溫度大于85 ℃時，耗散能占比上升，彈性能占比下降。

由圖8可知：

(1)隨著水玻璃摻量的增加，總能量和彈性能均呈先增大后減小趨勢。在水玻璃摻量為5%時，總能量和彈性能達(dá)到最大，分別為0.031 3，0.019 5 MJ/m3。

(2)耗散能整體上呈現(xiàn)上升趨勢。

(3)在水玻璃摻量為5%時，彈性能占比大于耗散能占比，摻量大于5%后，彈性能占比下降，耗散能占比上升。

綜上分析，在合適的養(yǎng)護(hù)溫度下，適量的水玻璃摻入模擬月壤中能有效提高彈性能，減少耗散能的損失。原因在于，水玻璃的摻入能有效減少模擬月壤內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展，改善應(yīng)力集中現(xiàn)象；適當(dāng)?shù)母邷仞B(yǎng)護(hù)能加速水化反應(yīng)的發(fā)生，生成的凝膠物質(zhì)進(jìn)一步加強(qiáng)顆粒之間的黏結(jié)。

3 微觀結(jié)構(gòu)特征分析

3.1 X射線衍射分析

X射線衍射是分析晶體礦物成分組成的一種重要方法。對模擬月壤，水玻璃摻量為5%的模擬月壤試樣(養(yǎng)護(hù)時間14 d，養(yǎng)護(hù)溫度85 ℃)進(jìn)行X射線衍射分析。從而探討在水玻璃堿激發(fā)作用下生成物的化學(xué)成分。

圖9為模擬月壤和水玻璃摻量5%模擬月壤的X射線衍射譜圖，根據(jù)各組分衍射峰位置分布，可以明顯觀察出模擬月壤的主要礦物成分主要為鈣長石、鈉長石和輝石等。摻入5%水玻璃后，部分礦物衍射強(qiáng)度發(fā)生改變，鈣長石衍射強(qiáng)度升高，且有密集的非晶體物質(zhì)增加[28]。在2θ<50°區(qū)域內(nèi)有明顯的硅鋁酸鹽聚合物凝膠(N—A—S—H)生成。王東星等[29]研究發(fā)現(xiàn)，堿激發(fā)劑能有效激發(fā)硅鋁質(zhì)地聚合物的活性組分，引起玻璃體結(jié)構(gòu)中Si—O鍵和Al—O鍵的斷裂，重新聚合生成N—A—S—H凝膠。與此同時，在5%摻量水玻璃的模擬月壤試樣中，發(fā)現(xiàn)有AFt衍射峰形成。簡文彬等[30]研究表明，硅鋁質(zhì)地聚合物的水化反應(yīng)前期產(chǎn)物主要有AFt和水化硅酸鈣凝膠。

圖9 水玻璃固化模擬月壤XRD圖Fig.9 XRD pattern of simulated lunar soil solidified by sodium silicate

3.2 SEM掃描電鏡分析

通過掃描電鏡試驗，觀察模擬月壤微觀形貌。圖10(a)是模擬月壤SEM圖像，圖10(b)和圖10(c)分別是摻量為1%和5%水玻璃的模擬月壤SEM圖像。從圖像圖10(a)上可以看出，模擬月壤的骨架顆粒以單粒為主，孔隙的形狀不規(guī)則，孔隙間無填充物。模擬月壤顆粒間呈現(xiàn)點(diǎn)接觸，顆粒間排列亂雜且離散性大。通過摻入水玻璃，顆粒表面出現(xiàn)絮狀膠凝產(chǎn)物，顆粒間被緊密接觸，孔隙被膠凝物質(zhì)填充，整體結(jié)構(gòu)看起來更加密實(shí)，宏觀上表現(xiàn)模擬月壤地聚合物強(qiáng)度增強(qiáng)。

圖10 水玻璃固化模擬月壤SEM圖(14 d，85 ℃)Fig.10 SEM image of simulated lunar soil solidified by sodium silicate (14 d, 85 ℃)

圖10(b)可以看出，摻入適量水玻璃后，部分模擬月壤顆粒表面及周圍有白色凝膠出現(xiàn)，根據(jù)周恒宇等[31]研究結(jié)果初步判定該白色膠凝物質(zhì)是N—A—S—H凝膠。此時顆粒被凝膠包裹，表面相對光滑，同時顆粒由原來松散狀態(tài)變?yōu)閳F(tuán)聚結(jié)構(gòu)，骨架之間有效搭接。將水玻璃摻量提高至5%，如圖10(c)所示，模擬月壤顆粒周圍以及內(nèi)部有大量的針刺狀和柱狀晶體生成，根據(jù)文獻(xiàn)[28]研究發(fā)現(xiàn)，硅鋁質(zhì)地聚合物的早期水化產(chǎn)物主要為AFt。這是模擬月壤地聚合物早期強(qiáng)度增強(qiáng)的主要原因，此時顆粒之間通過這些纖維狀晶體完成了膠結(jié)形成網(wǎng)路，直到顆粒完全被包裹，此時模擬月壤地聚合物的強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。

4 水玻璃固化機(jī)理分析

(1)水玻璃對模擬月壤的堿激發(fā)作用。模擬月壤的主要化學(xué)成分是SiO2和Al2O3，大部分為玻璃體結(jié)構(gòu)。水玻璃溶液經(jīng)水解后產(chǎn)生NaOH和硅酸，NaOH為反應(yīng)體系提供OH-，促進(jìn)模擬月壤玻璃體中的Si—O和Al—O鍵斷裂；硅酸提供了大量的活性硅，從而使體系中硅離子、鋁離子與堿性硅鋁酸鹽發(fā)生縮聚反應(yīng)，水化生成N—A—S—H凝膠和AFt等產(chǎn)物。

(2)水玻璃與模擬月壤顆粒中的長石、輝石等礦物存在吸附作用。模擬月壤中的鈣、硅、鋁等元素溶出與水玻璃發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣凝膠。同時硅酸鹽離子和硅膠吸附在模擬月壤顆粒表面，形成大的膠粒團(tuán)，由于硅氧和硅鋁四面體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定易發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成具有高聚合度的硅酸鹽凝膠共存網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)物，沉積在顆?？紫吨g，且有大量凝膠體通過吸附作用包裹在骨架顆粒表面[如圖10(b)]。

(3)水玻璃摻量對強(qiáng)度的影響。水玻璃的摻量決定了SiO2和Na2O的濃度，當(dāng)水玻璃摻量為1%時，SiO2和Na2O含量較少，起不到有效的激發(fā)作用，從而水化反應(yīng)玻璃體表面溶出的產(chǎn)物較少，對強(qiáng)度提高效果不明顯；當(dāng)水玻璃摻量為5%時，體系內(nèi)SiO2和Na2O含量有所提高，激發(fā)作用明顯提升，玻璃體表面溶出物質(zhì)增多，且水化生成了大量的水化硅酸鈣，AFt和N—A—S—H凝膠等產(chǎn)物，對模擬月壤地聚合物強(qiáng)度提高明顯；當(dāng)水玻璃摻量大于5%時，SiO2和Na2O含量過高，在提高激發(fā)速度外還生成了大量的凝膠，并包裹未反應(yīng)部分進(jìn)而阻止反應(yīng)進(jìn)行。

5 結(jié)論

(1)單軸抗壓強(qiáng)度試驗表明：水玻璃摻量和養(yǎng)護(hù)條件對提高模擬月壤強(qiáng)度有明顯影響。當(dāng)摻量由1%增加到7%時，模擬月壤的強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，在摻量為5%時，模擬月壤的抗壓強(qiáng)度最大；當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度由25 ℃增加到120 ℃時，模擬月壤的強(qiáng)度先增大后減小，在養(yǎng)護(hù)溫度為85 ℃時，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。

(2)模擬月壤破壞過程實(shí)際上是內(nèi)部能量的釋放和耗散，摻量為5%的水玻璃摻入模擬月壤中能有效提高其彈性能，減少耗散能的損失。

(3)微觀試驗表明：在水玻璃激發(fā)作用下，模擬月壤的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。水玻璃的堿激發(fā)作用和水玻璃與模擬月壤顆粒中的長石和礦物等存在吸附作用致使生成N—A—S—H凝膠，AFt等產(chǎn)物，使得原本松散的模擬月壤顆粒通過凝膠而黏結(jié)成一個緊密的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高了模擬月壤的抗壓強(qiáng)度。