如何利用地球材料制備月壤

一、引言月球是離地球最近的天體。獨特的太空環(huán)境和豐富的礦產(chǎn)資源使月球成為深空探索任務的關鍵中轉站。目前，登月開發(fā)月球資源、建設月球基地已成為各航空航天大國和新興國家競爭的焦點。早在1972年，美國工程教育學會（ASEE）工程系統(tǒng)設計研究所和休斯敦大學就提出建立一個盡可能獨立于地球的12人月球殖民地，用以開發(fā)利用月球資源。中國也將載人登月和建立月球基地的目標納入探月工程遠景規(guī)劃之中。（一）月球環(huán)境月球的環(huán)境在許多方面都與地球不同。在月球上，最主要的特殊環(huán)境因素是極端的溫度、強烈的輻射以及沒有大氣層，這些因素都嚴重給人類駐月生存帶來了極大的挑戰(zhàn)。月球基礎設施建設對于提高月球基地的安全性、功能性和運行效率起著至關重要的作用。月球上的溫度在?233~125°C之間，由于沒有大氣傳熱，其表面溫度晝夜變化很大（一個月球日大約相當于地球上的一個月）。由于月球本身具有非常低的熱慣性，它白天的表面溫度主要取決于吸收的太陽輻射。在月球赤道，滿月吸收太陽輻射產(chǎn)生123°C的月球溫度，且溫度隨緯度增加而降低。流星體是在月球上另一個威脅人類生存安全的因素。幾乎每年都有質(zhì)量為毫克級別的微流星體撞擊月球設施的事件發(fā)生。質(zhì)量為10-6

g的隕石可在月球上形成直徑達500μm的撞擊坑。有記錄的與月球最大的撞擊是1972年7月和1975年5月由約5t的流星體產(chǎn)生的。在1972—1977年的月球地震監(jiān)測期間，總共觀測到7次1t或以上的流星體撞擊。雖然撞擊月球的主要流星體質(zhì)量較小，但它們的影響可能是毀滅性的。例如，撞擊引起的地震可能引發(fā)隕石坑壁的滑坡和崩塌。因此，許多研究人員面臨的主要挑戰(zhàn)是建造一個高強度的月球庇護所抵抗撞擊。月球表面的輻射主要來自太陽輻射、銀河系輻射和人為輻射。人為輻射，例如，使用放射性能源產(chǎn)生的輻射，相對來說易于控制。然而，太陽輻射和銀河系的輻射更加嚴重且難以解決。太陽高能粒子形式的太陽輻射含有超過10MeV且大于3×107

cm?2的粒子，這種輻射是不可預測的，對駐月人員的健康有害。另外，太陽輻射中的高能質(zhì)子會產(chǎn)生單粒子效應，有可能損壞月球探測器的電子元件。這些高能質(zhì)子還會使光學材料電離，導致月球探測器上的光學器件發(fā)生故障。如果月球基地長期存在，可以假設至少會經(jīng)歷一次重大的太陽活動。因此，有必要做好防輻射的準備。由于月球上的重力很低，表面地形崎嶇不平，還存在月壤揚塵，月球車很難高速行駛。隕石撞擊月表形成盆地和高山，使月表高低起伏。月球表面的浮塵很容易附著在月球車的太陽能電池板上，導致其設備故障。阿波羅15號月球車的最高速度僅為每小時13km，而玉兔月球車在中國的最高速度僅為每小時0.2km。修建具有堅硬表面的月球路面，可以有效提高月球車的運輸速度和安全性，進一步提高人員和貨物的運輸效率，改善月球科學研究活動基礎設施。（二）原位資源利用建設月球基礎設施月球環(huán)境與地球的差異給人類生存帶來了巨大挑戰(zhàn)。但是，地月環(huán)境差異也為未來空間探索提供了獨特的機會。考慮到將大宗材料從地球運送到月球的高難度和高成本，進行月球就地資源利用生產(chǎn)建筑材料變得至關重要。原位資源利用（ISRU）技術已成為月球建設中的熱門研究課題。月球表面幾乎全部被月壤覆蓋，國內(nèi)外的研究人員以各種技術路線利用月壤生產(chǎn)建筑材料。一些研究人員利用富含硫的月壤來制造硫磺混凝土，在能從月壤中提取硫磺的前提下，以硫磺為膠結料、大顆粒月壤為骨料制備混凝土。雖然這種方法解決了原料的來源問題，但仍存在一些缺點，主要影響因素是硫磺工作溫度的限制。當溫度達到119°C時，硫磺混凝土會熔化變形，而月球表面最高溫度可達125°C，這大大限制了硫磺混凝土的應用。此外，高低溫交變環(huán)境下的低耐久性也限制了硫磺混凝土在月球上的應用。月球上很容易獲取玄武巖風化層。提出了一種生產(chǎn)建筑材料的方法，即把月球玄武巖在1300~1350°C的溫度下熔化，然后將其倒入轉筒中在一定溫度和壓力作用下結晶，然后倒入預制模具中硬化成型。鑄造玄武巖的一個問題是冷卻過程中的收縮開裂。另一個問題是，鑄造的玄武巖脆性較強，給后期使用過程中的切割或鉆孔帶來困難。另一種方法是通過聚焦太陽光得到高溫光束來熔融固化月壤。然而，燒結過程中材料內(nèi)部的熱應力會導致月壤發(fā)生變形開裂，使大規(guī)模應用成為困難。（三）模擬月壤綜述從月球采集帶回的真實月壤數(shù)量十分有限。利用原位資源利用進行月球基地建設技術研究需要大量消耗月壤進行試驗。因此，利用地球材料制備與真實月壤相似的模擬月壤十分必要。世界各地的研究人員一直致力于模擬月壤的開發(fā)研究。目前，典型的模擬月壤包括約翰遜航天中心（JSC）-1、明尼蘇達（MLS）-1、日本富士（FJK）-1、中國科學院（CAS）-1和同濟（TJ）-1等。一類模擬月壤并不能滿足所有科研需求。針對特定的研究目的開發(fā)不同類型的模擬月壤能達到更好的模擬效果，主要包括力學性質(zhì)的模擬和化學組分的模擬。例如，世界首個模擬月壤JSC，在土力學性質(zhì)方面與真實月壤高度相似，是由美國約翰遜航天中心的大衛(wèi)·卡利博士為研究月壤取樣鉆探而研發(fā)的。然而，JSC模擬月壤在礦物成分、化學組成等方面與真實月壤差異極大。1993年，JSC-1模擬月壤問世，它富含玻璃和玄武巖，與真實月壤的主要化學成分和礦物學特征相近。值得注意的是，月球不同區(qū)域的土壤通常在化學和礦物成分以及粒徑分布上存在顯著差異。因此，聲明模擬月壤的參考物質(zhì)來自月球的哪個區(qū)域變得至關重要，而這在許多研究中都是模棱兩可的。另一些研究者把研究重點放在了月壤某一特定成分的相似性模擬上。例如，阿波羅11號帶回地球的月壤樣品中二氧化鈦（TiO2）含量極高（質(zhì)量分數(shù)大于20%）。MLS-1使用美國德盧斯采石場的玄武巖作為原材料，因為其擁有地球上最高的TiO2含量。其他典型模擬月壤的主要特征總結如表1所示。

表1典型模擬月壤綜述

（四）利用模擬月壤制備地聚物研究表明，月壤是一種富含硅元素和鋁元素的無機礦物材料。近年來，隨著對地聚合物材料反應機理和性能的深入研究，以模擬月壤制備地聚合物成為了生產(chǎn)月球建筑材料的新方案。地聚合物是在20世紀80年代發(fā)現(xiàn)的一種新型無機高分子膠凝材料，它是由富含硅和鋁的前驅體材料經(jīng)堿激發(fā)合成的具有共價鍵合聚合物結構的硅鋁酸鹽材料，具有高力學強度、耐高低溫、抗輻射、抗凍融、高耐久、低收縮率等優(yōu)點。此外，月球極地地區(qū)可能存在的水冰也可以提供地聚合反應所需的水分子。因此，利用地聚合技術進行月球原位建筑材料制備是可行的。國內(nèi)外的研究人員使用模擬月壤制備地聚合物。使用JSC-1A模擬月壤制備了一種地聚合物，并證明了材料具有抗輻射的能力。利用喀麥隆的火山灰制備了模擬月壤，并研究了其地聚合物的抗凍融性?；谠虑虻鼐酆衔锘旌鲜褂媚蛩刈鳛槌芑瘎┯糜诮ㄖ?D打印。利用模擬月壤制備地聚合物已成為月球基地建設的研究熱點。然而，利用月壤制備地聚合物仍然存在一些挑戰(zhàn)。其中最主要的挑戰(zhàn)之一是由于月壤顆粒的粗粒徑而導致的低力學強度。月壤的平均粒徑在42~105μm之間。阿波羅14號收集的月壤平均粒徑為802μm?，F(xiàn)有研究中制備的地聚合物抗壓強度低于20MPa，不足以作為建筑材料抵御月球上的流星體。另外，在以前的研究中，實驗條件沒有模擬月球溫度。養(yǎng)護溫度對地聚合物的力學強度有很大的影響。如果能利用月球的自然溫度環(huán)境對月壤的地聚合物進行養(yǎng)護將大大降低成本。另一個問題是，鋁元素在月壤及模擬月壤中的稀缺。月壤中氧化鋁的質(zhì)量分數(shù)小于20%，而一般地聚合物原料（如F級粉煤灰）中的氧化鋁含量可高達40%。原料中硅元素和鋁元素的摩爾比（以下稱硅鋁比）對地聚合物的強度發(fā)展有很大的影響。一般來說，硅鋁比小于2的原材料具有高反應活性。然而月壤的硅鋁比約為4，導致月壤的地聚合反應活性較低，進而導致月壤地聚合物的力學強度較低。（五）堿激發(fā)模擬月壤漿體流變學研究除了提高力學強度外，作為建筑材料的堿激發(fā)月壤想要進一步應用，還取決于地聚合物漿體在泵送、注射、攤鋪、成型和壓實過程中的流變特性。流變性是指物質(zhì)在外力作用下的變形和流動特性。流變學是研究流體流動中剪切應力與剪切速率之間關系的學科，這種關系被稱為流體的流變特性。在已發(fā)表的文獻中，對堿激發(fā)的真實月壤或模擬月壤的流變學研究很少。漿體流變學的研究材料多采用與模擬月壤地聚合物漿體類似的水泥、粉煤灰地聚合物、磷渣地聚合物和偏高嶺土地聚合物等。地聚合物漿體通常是一種非均質(zhì)混合物，其中大多數(shù)表現(xiàn)出復雜的非牛頓流體特性。大多數(shù)研究人員使用塑性流體的概念對其進行描述。目前應用最廣、適應性最好的模型是Bingham模型。雖然線性的Bingham模型在膠凝材料中應用最廣泛，但一些漿體也表現(xiàn)出非線性特征。其他流變模型，如冪律模型、Casson模型、改進的Bingham模型和Herschel-Bulkley模型也被用于描述地聚合物漿體的流變特性。流變試驗模型擬合分析的地聚合物漿體的主要流變特性包括屈服應力、流動指數(shù)和觸變參數(shù)，這些參數(shù)表征了和易性、剪切變稀或增稠行為和剪切后的恢復性。進一步研究這些參數(shù)隨時間的變化，可以得到漿體的施工時限。（六）本文研究目標本研究的目的是研制一種化學成分和礦物成分均與真實月壤相似的新型北航(BH)-1模擬月壤，并利用BH-1模擬月壤在模擬月球溫度下養(yǎng)護，制備高強度地聚合物。研究了添加額外鋁源對BH-1模擬月壤地聚合物強度的增強作用，并測定了堿激發(fā)BH-1模擬月壤漿體的流變性能。本文共分為四部分：第一部分介紹基于月球原位資源利用的月球基地建設研究；第二部分介紹實驗設計，包括原料選擇、漿體制備、試驗方法等；第三部分介紹本研究的結果；第四部分陳述結論。本文重點介紹三個關鍵內(nèi)容：BH-1與真實月壤的相似性，氧化鋁和偏高嶺土對BH-1地聚合物漿體流變行為和硬化地聚合物力學強度的影響，以及鋁源對月壤基地聚物強度的增強機理分析。二、實驗設計（一）原材料如前所述，現(xiàn)有研究中，由模擬月壤制成的地聚合物的抗壓強度不超過20MPa，這可能是由于月壤粒徑較大反應不充分所致。Apollo所有批次采集的月壤樣本的中值粒徑均超過74μm（等于膠凝材料常用粒徑200目）。阿波羅14號采集的月壤樣本的中值粒徑為800μm。阿波羅17號帶回的71501號月壤樣品的粒度分布如圖1所示，超過50%的月壤粒徑大于74μm，這被認為是地聚合物原料或水泥類膠凝材料的顆粒粒徑上限。大顆粒粒徑導致了堿激發(fā)劑和月壤顆粒之間的接觸面積減小，地聚合反應速度較慢。然而，月壤的鋁硅酸鹽含量很高。火山灰的成分與月壤的成分相似，火山灰地聚合物抗壓強度可以超過60MPa。因此，可以推斷，減小粒徑可以提高地聚合反應活性，獲得具有更高力學強度的地聚合物，從而提高月球庇護所的安全性和可靠性。其他許多研究人員也使用了同樣的方法。使用了DeNoArtri（DNA）-1模擬月壤，其中值粒徑（d50）為43.55μm。研磨了JSC-1A模擬月壤，其平均粒徑為28μm，并將所得地聚合物的抗壓強度提高了18MPa。圖1阿波羅17號采集真實月壤和BH-1模擬月壤的粒徑分布曲線。為了驗證這一假設，對火山渣進行開采、干燥、粉碎后過200目篩，以獲得BH-1模擬月壤。火山渣采自吉林省輝南縣金川鎮(zhèn)金龍頂子火山渣錐。中國科學院地球化學研究所研發(fā)的CAS-1模擬月壤和東北大學研發(fā)的東北大學（NEU）-1模擬月壤均取自同一地點。通過壓汞實驗（MIP,AutoPoreIV9500，美國）測試火山灰的體積密度為1.6747g?cm?3，該值處在月壤平均密度（1.45~1.9g?cm?3）范圍內(nèi)。利用激光粒度分析儀（Mastersizer-2000,Malvern,英國）對BH-1模擬月壤粒徑進行了分析。圖1中BH-1的粒徑累積分布曲線表明，BH-1的d50為38.22μm。粉碎使BH-1的平均粒徑減小為阿波羅17號真實月壤樣品的1/8，如圖1所示。為了驗證BH-1的化學成分和礦物成分與真實月壤的相似性開展了各項測試，包括X射線衍射光譜（XRD）、X射線熒光光譜（XRF）、反射光譜和掃描電子顯微鏡（SEM）（見第2.3節(jié)）。本研究所用的堿激發(fā)劑由氫氧化鈉（NaOH）和工業(yè)級水玻璃組成。氫氧化鈉為分析純，有效成分的質(zhì)量分數(shù)超過99%。水玻璃[SiO2：25.3%~26.2%（質(zhì)量分數(shù)）；Na2O：7.5%~8.5%（質(zhì)量分數(shù)）]密度為1.374g?mL?1，含水量為65%（質(zhì)量分數(shù)）。為了避免雜質(zhì)離子對試驗結果的影響，本研究采用蒸餾水制備地聚合物漿體。根據(jù)之前的研究，月壤地聚合物由于缺乏鋁而具有較低的力學強度。本研究以偏高嶺土（德國巴斯夫的Metamax）和氧化鋁（中國北京化工廠的Al2O3）為地聚合反應的外加鋁源。偏高嶺土和分析純Al2O3的XRD譜圖如圖2所示。結果表明，偏高嶺土的XRD圖譜沒有明顯的衍射峰，在2θ的20°～30°范圍內(nèi)有明顯的寬漫峰，說明其主要由無定形物質(zhì)組成。相比之下，Al2O3顯示出尖銳的衍射峰。偏高嶺土的XRF分析如表2所示。以氧化物形式存在的鋁約占質(zhì)量的一半，充足的鋁含量使偏高嶺土可能作為合適的鋁源。圖2XRD圖譜。（a）偏高嶺土；（b）分析純Al2O3；CPS：每秒計數(shù)；2θ：散射角。

表2偏高嶺土的化學組成

（二）地聚合物漿體制備根據(jù)前期大量試驗，確定對照組（Cg）NaOH與BH-1模擬月壤的質(zhì)量比為9%，水玻璃與BH-1的質(zhì)量比為10%。在此基礎上，分別加入與模擬月壤質(zhì)量比為3%、5%和10%的Al2O3及質(zhì)量比為5%和10%的偏高嶺土。水由水玻璃中的水和額外添加的蒸餾水組成，水膠比為0.28。NaOH、水玻璃、偏高嶺土、Al2O3和BH-1的質(zhì)量用mSH、mSS、mkao、mAl和mBH表示。具體配合比設計見表3。表3配合比設計

首先將NaOH與蒸餾水按設計比例混合制備NaOH溶液。將NaOH溶液冷卻至室溫，然后與水玻璃混合以獲得堿激發(fā)劑。將堿激發(fā)劑冷卻至室溫，并在24h后使用。然后通過將BH-1與堿激發(fā)劑使用砂漿攪拌機混合，制成BH-1基地聚合物漿體。攪拌步驟為先以(140±5)r?min－1的速度低速攪拌120s，然后以(285±10)r?min－1的速度高速攪拌120s。（三）試驗方法為了驗證BH-1模擬月壤與真實月壤之間的相似性，采用以下實驗方法進行驗證：XRD(D8AdvanceX,Bruker，德國)、XRF(XRF-1800,Shimadzu，日本)、反射光譜與手持式可見光近紅外分光輻射譜儀（Handhold2,ASDFieldSpec，英國）和SEM(SU8020，日立，日本)。將BH-1模擬月壤的檢測結果與美國阿波羅計劃采集的真實月壤樣本及其他研究人員制作的模擬月壤進行了比較，以證明BH-1與月壤的相似性。通過對BH-1漿體屈服應力、流動指數(shù)（n）和剪切變稀指數(shù)（TI）的計算，確定了堿激發(fā)BH-1漿體的流變性能。為了研究堿激發(fā)劑對BH-1漿體流變性能的影響，在表3中的試驗組中加入了一組由水和BH-1模擬月壤制備的漿體，水膠比為0.28，該實驗組為空白對照組（blankCg）。試驗設備為旋轉流變儀（MCR702MultiDrive,AntonPaar，奧地利），測試溫度為(25±5)°C，數(shù)據(jù)評估使用RheoCompass軟件（AntonPaar，奧地利）。測量在FlexibleCupHolder系統(tǒng)（AntonPaar，奧地利）中進行，系統(tǒng)上安裝了一個直徑為42mm的標準量杯來儲存漿體。測量轉子為ST30-4V-40圓柱主軸，直徑為30mm，長度為40mm。根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）標準D2196-18，試驗過程包括在100s?1下進行120s預剪切，剪切速率在90s內(nèi)從0增加到100s?1，然后在90s內(nèi)從100s?1減少到0s?1。每秒鐘記錄一次流變參數(shù)，包括剪切速率、剪切應力和表觀黏度。為制備試塊以檢測模擬月壤地聚合物的力學性能，將漿體澆注至40mm×40mm×160mm不銹鋼三聯(lián)模具中，用刮刀鏟平，在振動臺上振動2min，消除澆注過程中產(chǎn)生的氣泡。澆注后，樣品在20°C下養(yǎng)護24h并脫模。然后用塑料薄膜包裹試塊，并在20°C下養(yǎng)護，直到取出進行測試。養(yǎng)護溫度由月球勘測軌道飛行器（LRO）上的月球探測輻射計實驗采集的亮度溫度確定。根據(jù)先前的研究，模擬月壤地聚合物的力學強度隨著養(yǎng)護溫度的升高而增加。特別是在40°C的養(yǎng)護溫度下，模擬月壤地聚合物可以形成超過40MPa的28天抗壓強度，而在20°C時，28天的最高抗壓強度僅為18.5MPa。然而，根據(jù)Divener測得的月球表面溫度（圖3），只有赤道和緯度30°之間的地區(qū)才能達到40°C以上的溫度，而緯度60°的月球表面溫度長期保持在20°C左右。因此，本研究設定養(yǎng)護溫度為20℃，以探討Al2O3和偏高嶺土在較低溫度下對BH-1基地聚合物力學強度的增強作用。圖3由Diviner探測器測量的月表溫度。依據(jù)GB/T17671—1999規(guī)范，采用TYE-3000型水泥膠砂抗折抗壓試驗機（中國建儀儀器機械有限公司）對BH-1地聚合物試塊進行力學性能測試，養(yǎng)護期齡為7天和28天，分別測試抗折強度和抗壓強度，如圖4（b）和（c）所示。將三個試塊試驗的平均值記錄為抗折強度，加載速率為(50±10)N?s?1；將六個試塊試驗的平均值記錄為抗壓強度，加載速率為(2400±200)N?s?1。圖4流變試驗和強度實驗設置。（a）流變試驗；（b）抗折強度試驗；（c）抗壓強度試驗。將養(yǎng)護期齡為28天的地聚合物在60°C下干燥1h，并研磨成粒徑≤75μm的細粉，用于微觀測試。采用XRD分析反應前后物相結構變化。用KBr顆粒法在NicoletIS10紅外光譜儀進行傅里葉紅外光譜（FTIR）測試。采用BrukerAVANCEIII600M(BrukerBioSpin,Germany)進行27Al魔角旋轉核磁共振分析，諧振頻率設為104.23MHz，探頭旋轉頻率為5kHz，脈沖持續(xù)時間為1.9s，循環(huán)時間為15s。并使用掃描電鏡-能譜儀（SEM-EDS）測試（SU8020，日立，日本）分析了BH-1地聚合物的微觀形貌和元素組成。三、結果與討論

（一）BH-1模擬月壤表征對比如上所述，單獨使用一種模擬月壤難以模仿真實月壤的所有特性。根據(jù)制備地聚合物的研究目標，BH-1模擬月壤模擬了真實月壤的礦物組成和化學特性。將BH-1的XRD測試結果與國際衍射數(shù)據(jù)中心保存的粉末衍射文件數(shù)據(jù)庫進行對比分析BH-1的礦物成分，如圖5所示，并與阿波羅16號月壤樣品的XRD圖譜進行比較。BH-1的礦物組成以鈉長石、中長石、鈣長石、拉長石為主。鈣長石與阿波羅16號月壤樣本的主要礦物成分相符。與阿波羅16號月壤相比，BH-1中鈉長石、中長石和拉長石是不同的礦物，但它們都屬于長石族礦物，在地聚合反應中表現(xiàn)出相似的特征。同時，將BH-1的礦物組成與其他模擬月壤的礦物組成進行了比較。與預期相同，BH-1的礦物成分與CAS-1和NEU-1模擬月壤的礦物成分非常相似，主要礦物成分均為鈣長石，因為它們是從同一地點收集的。然而，BH-1的礦物成分與最廣泛應用的模擬月壤JSC-1不同，JSC-1礦物成分包括斜長石、斜輝石、橄欖石和玻璃。JSC-1是根據(jù)阿波羅14號帶回的月壤樣本研制的，而BH-1是基于阿波羅16號月壤樣本研制的，不同的采樣點導致不同批次取回的月壤樣品呈現(xiàn)出不同的礦物特征。圖5BH-1模擬月壤和阿波羅16號月壤樣品的XRD譜圖。用XRF表征BH-1模擬月壤的氧化物成分如表4所示，表中還包括了阿波羅12號、14號、15號和16號月壤樣本的數(shù)據(jù)以供比較。BH-1的主要氧化物包括SiO2、FeO和Al2O3，總量為76.5%（質(zhì)量分數(shù)）。硅鋁比為4.45，與阿波羅16號月壤（5.44）相近。月壤的組成在月球的不同區(qū)域各不相同。結果表明，BH-1中SiO2和Al2O3含量均在阿波羅月壤樣品的對應含量范圍內(nèi)，分別為：SiO2

42.20%~48.10%，Al2O3

12.90%~17.40%。Na2O和K2O含量分別為3.8%和3.3%。然而，在表4所示的所有真實月壤中，Na2O和K2O的含量都很低。其他模擬月壤（JSC-1和CAS-1）也無法與真實月壤中如此低的Na2O和K2O含量相匹配。考慮到影響地聚合物形成的主要元素是鋁和硅，這種差異是可以接受的。此外，所有模擬月壤的另一個共同特征是TiO2含量低，Taylor等也說明了這一點。然而，只有阿波羅12號采集的月壤中TiO2含量較高（7.80%）。其他月壤樣品和模擬月壤的TiO2含量較低，小于或等于3.00%。由于鈦對地聚合反應的影響很小，因此本研究不考慮月壤中可能存在的高鈦含量。表4BH-1、JSC-1、DNA-1和CAS-1模擬月壤和阿波羅采集的真實月壤的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

此外，月球表面不同位置的地表反射光譜可以作為表征月球風化層的有效方法。圖6將CAS-1和BH-1模擬月壤的反射光譜特性于阿波羅觀測的真實月壤反射光譜進行了對比。可以看出BH-1模擬月壤的反射光譜與編號為10084的真實月壤反射光譜相似。圖6CAS-1、BH-1模擬月壤和真實月壤樣品的反射光譜。阿波羅月壤樣品的形貌與BH-1模擬月壤的原料（火山渣）的SEM形貌顯示出明顯的相似性，如圖7所示。阿波羅月壤樣品和火山渣樣品都具有疏松多孔的微觀形貌。用粒度分析軟件NanoMeasurer1.2進行孔徑分析，實際月壤的孔徑在21.74～60.39μm之間，火山渣的孔徑在20.97～111.11μm之間，與真實月壤的孔隙數(shù)量級相當。值得注意的是，火山渣的孔隙結構在磨細后會被破壞。然而，火山渣與真實月壤相似的孔隙結構和大小仍可以作為未來研究的重要發(fā)現(xiàn)，如利用模擬月壤制備性能受孔隙結構影響較大的保溫材料。圖7SEM圖像和孔徑分析。（a）阿波羅月壤樣品（NASA照片S87-39605）；（b）BH-1模擬月壤原材料。BH-1的另一個優(yōu)勢是它對中國研究人員的可用性。目前大約有10tBH-1模擬月壤可供分配給研究人員。目前，材料存放在北京航空航天大學。若有研究人員希望得到一部分該材料用于月球科學研究，可以向本文的作者提出請求?？紤]到真實的月壤樣本非常珍貴，BH-1將有助于月球科學的相關研究。綜合上述結果表明，BH-1模擬月壤在礦物組成、化學成分、反射光譜特征和微觀形貌方面均與真實月壤相似。因此，它適合作為模擬月壤地聚合物反應的材料。（二）流變特性——屈服應力、流動指數(shù)和剪切變稀指數(shù)了解漿體的流變特性對于確定其穩(wěn)定性和工作性至關重要。本文研究了堿激發(fā)劑和不同添加劑對BH-1漿體流變性能的影響。圖8顯示了上行和下行階段剪切應力隨剪切速率的變化（流動曲線）。流變上行曲線，即剪切速率由小到大變化時，剪切應力隨剪切速率變化的關系；流變下行曲線，即剪切速率由大到小變化時，剪切應力隨剪切速率變化的關系。結果表明，不添加堿激發(fā)劑的BH-1漿體（blankCg）的上行曲線與下行曲線基本重合，說明剪切作用對流動阻力沒有顯著影響。加入堿激發(fā)劑、偏高嶺土和Al2O3后，上行曲線和下行曲線不重合，形成觸變環(huán)。上行流變曲線位于下行曲線上方，表明Cg、Al3、Al5、Al10、Kao5和Kao10的漿體是觸變流體，剪切作用導致流動阻力減小。觸變環(huán)面積表示觸變強度，觸變環(huán)面積越大，剪切力對流體結構破壞的影響越顯著。可以得出結論，添加10%偏高嶺土作為添加劑的BH-1漿體具有所有組中的最大觸變環(huán)面積，表明其存在最大觸變性，如圖8（c）所示。圖8含有不同添加劑的BH-1模擬月壤地聚合物漿體的流動曲線。（a）添加和不添加堿激發(fā)劑；（b）添加5%偏高嶺土；（c）添加10%偏高嶺土；（d）添加3%氧化鋁；（e）添加5%氧化鋁；（f）添加10%氧化鋁。所有漿體均為非牛頓流體，即剪切應力與剪切應變率呈非線性關系。剪切應力隨剪切速率的變化通過確定數(shù)學流變模型來表征材料的流變行為。如圖9所示，堿激發(fā)BH-1漿體下行曲線中的剪切應力和剪切速率之間的關系與所有試驗組R2>0.99的Herschel-Bulkley模型[式（1）]高度吻合。式中，τ、τ0、k和n分別為剪應力、屈服應力、黏度系數(shù)和流動指數(shù)。先前的研究表明，用水玻璃和氫氧化鈉激發(fā)的磷渣制備的地聚合物漿體可以很好地用Herschel-Bulkley模型進行擬合。根據(jù)規(guī)范-18，剪切變稀指數(shù)（TI）由低剪切速率下的黏度與剪切速率下10倍的表觀黏度之比計算得出。由式（2）得出TI的演化，其中，η10和η100分別是剪切速度為10s-1和100s-1時的表觀黏度。τ0、n和TI的結果如圖9所示。圖9不同BH-1漿體的流變參數(shù)。根據(jù)prENISO3219-1標準，屈服應力是最小剪切應力值。高于該值時，材料表現(xiàn)出液體特性，低于該值時，材料表現(xiàn)出固體特性。對于混凝土或砂漿材料，材料的屈服應力代表攪拌漿體所需的剪切力。屈服點越高，材料就越難攪拌或泵送。如圖9所示，無堿激發(fā)劑的空白對照組漿體屈服應力最低。加入堿激發(fā)劑后，漿體的屈服應力從6.79Pa增加至17.00Pa，隨著3%Al2O3的增加，屈服應力繼續(xù)增大，并隨Al2O3含量的增加而增大。屈服應力值的增加可能是由于在Al3、Al5、Al10漿體中，BH-1的可溶性硅酸鹽離子與激發(fā)劑中的Na+離子相互作用，從而形成更多的地聚合物凝膠所致。偏高嶺土進一步提高了Kao5和Kao10的屈服應力，分別達到157.05Pa和269.62Pa。自身礦物成分以無定形為主的偏高嶺土比Al2O3溶解得更快，導致更劇烈的地聚合反應發(fā)生。加入偏高嶺土的漿體具有更高的屈服應力的另一個原因可能是，與BH-1和Al2O3相比，偏高嶺土具有更細的粒徑和更大的比表面積。流動指數(shù)用來描述流體的行為如下：剪切變?。╪＜1）、牛頓流體（n＝1）、剪切增稠（n＞1）。對于剪切變稀流體，黏度隨剪切速率的增加而減少，而對于剪切增稠流體，其黏度隨剪切速率的增加而增大。如圖9所示，所有試驗組的流動指數(shù)均低于1。由此推出，BH-1漿體表現(xiàn)為剪切變稀流體，降低剪切速率會導致黏度增加。與空白對照組相比，堿激發(fā)劑和Al2O3使流動指數(shù)降低，表明堿激發(fā)劑和Al2O3增強了剪切變稀行為。相反，偏高嶺土降低了BH-1漿體的剪切變稀的效果，表現(xiàn)為流動指數(shù)增加。將低轉速下的表觀黏度除以高出10倍轉速下的黏度來計算剪切變稀指數(shù)，如式（2）所示。表示在該轉速范圍內(nèi)的剪切變稀程度，較高的比率表示更大程度的剪切變稀。通過對比圖9中的空白對照組和對照組，可以觀察到加入堿激發(fā)劑后BH-1漿體的TI值增加，表現(xiàn)出更強的剪切變稀行為。添加Al2O3后，TI值略有變化。相比之下，偏高嶺土減弱了漿體的剪切變稀行為，表現(xiàn)為TI的減小。（三）力學性能分析圖10顯示了BH-1地聚合物在養(yǎng)護齡期為7天和28天的抗折強度和抗壓強度。對照組中不添加額外鋁元素的試塊力學性能最差，28天抗壓強度為20.7MPa，抗折強度為3.8MPa。如表4所示，BH-1的硅鋁比為4.45，是典型的匱鋁材料。已有研究表明，當原料的硅鋁比低于2時，可以提供足夠的鋁元素參與地聚合反應。由于鋁原子的半徑與硅原子的半徑相似，因此鋁原子可以在硅氧四面體中隨機地取代硅原子，并以氧橋的形式與相鄰的硅原子連接。然而，BH-1和真實月壤的化學成分中鋁含量都較低，反應活性較弱。圖10BH-1模擬月壤地聚合物7天和28天強度；ηm為質(zhì)量強度效率；和分別為7天抗折強度和7天抗壓強度的質(zhì)量強度效率；和分別為28天抗折強度和28天抗壓強度的質(zhì)量強度效率。與對照組相比，在BH-1地聚合物中添加Al2O3和偏高嶺土均能使抗壓強度和抗折強度有顯著提高。在抗折強度方面，添加10%（質(zhì)量分數(shù)）的偏高嶺土時，28天最大抗折強度達到6.0MPa，比對照組提高了57.9%。當Al2O3含量為5%（質(zhì)量分數(shù)）時，即Al5在添加氧化鋁的三組中抗折強度最大，為5.3MPa，比對照組高39.5%。抗壓強度方面，當添加5%（質(zhì)量分數(shù)）的Al2O3和偏高嶺土時，28天抗壓強度分別比對照組提高45.9%和78.7%。添加10%（質(zhì)量分數(shù)）的Al2O3和偏高嶺土時，28天抗壓強度分別比對照組提高46.0%和100.8%。Al2O3直接增加了鋁元素，偏高嶺土中的氧化鋁含量為46.16%（表2），二者都為地聚反應提供了鋁源，降低了反應前驅體的硅鋁比，最終提高了地聚合產(chǎn)物的力學強度。值得注意的是，盡管添加相同質(zhì)量比例的Al2O3時，Al2O3中的Al含量高于偏高嶺土中的Al含量，添加偏高嶺土比添加Al2O3對地聚合物力學性能的提高作用更顯著。這主要是由于偏高嶺土的礦物組成和顆粒細度。地聚合反應的第一步是溶解。在堿性環(huán)境下，原料中的Si?O?Si、Al?O?Al和Al?O?Si化學鍵被破壞，形成和單體。無定形物質(zhì)比結晶相物質(zhì)更易溶解。偏高嶺土中主要的無定形物質(zhì)能迅速溶解在堿體系中，提高反應物濃度和反應速率。且偏高嶺土的粒徑相對較?。▓D1）。大多數(shù)反應發(fā)生在顆粒-液體界面。粒徑越細，比表面積越大，材料的反應性越強。在建造月球基地時，應盡量減少從地球上攜帶的物質(zhì)質(zhì)量，以節(jié)太空運輸成本。定義質(zhì)量強度效率（MSE）指標，標記為ηm，定義如公式（3）所示，以對比外加劑的質(zhì)量節(jié)省效益。ηm是形成1MPa強度的堿激發(fā)劑和外加劑質(zhì)量之和與月壤的質(zhì)量比的倒數(shù)。ηm越大，形成地聚合物單位強度的非月球物質(zhì)總質(zhì)量越小，即從地球上攜帶的物質(zhì)質(zhì)量就越小。式中，f代表抗折強度或抗壓強度。養(yǎng)護齡期為7天和28天時的抗折強度和抗壓強度如圖10所示?？梢杂^察到，所有試驗組7天的ηm值均低于28天的ηm值，這意味著偏高嶺土和Al2O3對強度的持續(xù)增加有更顯著的影響?？紤]到月球的實際應用場景，材料需要具有較高的早期強度，以提高施工效率；因此，每個試驗組7天抗折強度和7天抗壓強度值所對應的ηm值分別標記為和，是關鍵的評估指標。與對照組值為0.12MPa及值為0.79MPa相比，Al2O3和偏高嶺土的加入使ηm值增大。其中，添加5%的偏高嶺土組的抗折強度和抗壓強度值最高：Kao5的值為0.21MPa，比對照組高了75%；Kao5組的值為1.13MPa，比對照組高43%。對于28天養(yǎng)護齡期，添加5%Al2O3和5%偏高嶺土分別具有最大ηm抗折強度和抗壓強度。如圖10（a）所示，當Al2O3含量從5%增加到10%時，值降低，甚至低于對照組。在此基礎上，28天抗折強度的增加也十分微小。對于28天抗壓強度，隨著Al2O3含量的增加，值變化不大。因此，雖然當Al2O3含量為10%時，強度達到最大值，但低ηm值表示強度增強效率并不理想。相比之下，5%的Al2O3可以在強度增強和經(jīng)濟效率之間取得平衡。從圖10（b）可以看出，Kao5的明顯高于其他組。上述結果表明，5%的偏高嶺土添加量可作為所有試驗組中的最佳添加劑。在本研究中，Kao5的值是用NaOH和NaAlO2活化Campi-Flegrei地區(qū)的火山灰制備的地聚合物的1.5倍以上。Djobo等制備的一種火山灰基地聚合物，其值為0.93MPa，比本研究中的Kao5組低20%。（四）XRD分析BH-1模擬月壤及地聚合物的XRD圖如圖11所示。與BH-1相比，Al3、Al5和Al10組制備的地聚合物的XRD圖譜中出現(xiàn)了43.3°和57.4°的新衍射峰，通過與PDF標準卡片對比，確定其為沒完全反應的Al2O3。對于所有試驗組，出現(xiàn)在21.75°、28.19°、33.50°、38.15°、42.46°和55.05°處的新峰表示結晶相鋁硅酸鈣和鋁硅酸鈉地聚合物。除此之外，所制備地聚合物的衍射峰位置與原料BH-1相同，說明地聚合反應的主要產(chǎn)物是無定形物質(zhì)，長石族結晶沒有參與地聚合反應。力學強度較高的Kao10組，背景噪聲和峰值在20°～30°最為明顯。XRD分析結果表明，在地聚合反應過程中，晶體沉淀與無定形沉淀相重合?？扇苄訡a2+和Na+參與地聚合反應，形成原子排列規(guī)律的內(nèi)部晶體，填充到地聚合物三維網(wǎng)狀結構的空腔中，使地聚合物的結構更加穩(wěn)定和致密。圖11BH-1模擬月壤和地聚合物XRD譜圖。A：鈉長石；D：中長石；N：鈣長石；L：拉長石；C：鈣鋁硅酸鹽；S：鋁硅酸鈉鹽；O：氧化鋁。（五）FTIR紅外光譜分析紅外光譜可以用于表征BH-1模擬月壤和地聚合物基團晶格振動，如圖12所示。BH-1和地聚合物產(chǎn)物都出現(xiàn)了一些相同的峰值特征。波長介于3434~3447cm?1和1633~1659cm?1之間的寬帶是O?H鍵拉伸振動峰和H?O?H鍵彎曲振動峰，這與制備漿體過程中吸附的大氣水和結合水有關。位于約455~461cm?1的峰反映了強堿環(huán)境中化學惰性的Si?O?Si和O?Si?O鍵。圖12BH-1和地聚合物的FTIR結果。（a）添加Al2O3的試驗組；（b）添加偏高嶺土的試驗組。BH-1與地聚合物FTIR的差異分析如下。波長為1414~1486cm?1的吸收峰僅存在于所得到的地聚合物中，代表O?C?O鍵的伸縮振動峰，表明空氣中的CO2與堿激發(fā)劑中的NaOH反應時形成Na2CO3和NaHCO3。BH-1在1004cm?1波長處的寬漫峰是Si?O?Si的拉伸振動峰，在地聚合反應后向較低波長（985~991cm?1）處移動，這是由于硅氧基團和鋁氧基團的重新排列：BH-1中均勻Si-O-Si鏈結構上原本的SiO4基團被AlO4取代，形成新的無定形硅鋁酸鹽膠凝相。圖5中的XRD分析也證實了這一點。當偏高嶺土含量為10%時，收縮振動峰值波長最小，強度最高，表明聚合度最高。相應的地聚合物也表現(xiàn)出最高的力學強度。還應注意的是，加入Al2O3和偏高嶺土的地聚合物樣品有新的吸收峰出現(xiàn)在波長561.55cm?1、670.63cm?1和754.06cm?1處。在這個范圍內(nèi)，Kao10組的新峰數(shù)量最多。這些峰被認為是Si?O?Si和Al?O?Si對稱收縮峰，這可能是由于無定形硅鋁酸鹽在半晶相轉變階段的反應過程造成的，表明聚合度較高。（六）SEM-EDS微觀形貌和元素分析BH-1模擬月壤及地聚合物的SEM形貌如圖13所示。從圖13（a）和（b）可以觀察到，BH-1中幾乎所有的顆粒都小于80μm，這與激光粒度儀分析結果一致。從圖13（c）和（d）可以看出，BH-1在放大5.00×103倍和2.00×104倍時呈現(xiàn)出邊緣鋒利的棱角形狀，局部呈現(xiàn)層理結構。在不添加額外鋁源進行堿激發(fā)反應后，如圖13（e）所示，未反應的BH-1顆粒與地聚合生成的無定形凝膠材料相互鑲嵌。同時，觀察到許多空隙和裂紋，這是由于反應不夠充分，無定形凝膠沒有形成致密整體，導致對照組地聚合物強度最弱。圖13（f）顯示了對照組中地聚合物的放大詳圖，可以觀察到BH-1模擬月壤表面在堿激發(fā)劑作用下的腐蝕和無定形組織的初始生長。圖13（g）~（i）顯示了添加Al2O3的三個試驗組地聚合物的微觀形態(tài)。結果表明，加入氧化鋁后，地聚合物中新形成的無定形結構含量增加，裂紋減少。三組間進一步比較可以看出，Al3組未反應的BH-1顆粒含量最高，而Al5和Al10組之間的微觀形態(tài)差異較小。這進一步解釋了，在微觀尺度上，Al10組的28天強度小于Al5組。因此，應控制Al2O3的加入量，以保證材料的經(jīng)濟性。圖13（j）和（k）是Kao5和Kao10的SEM顯微圖像。結果表明，其無定形凝膠生長最為完全，因此地聚合物強度最高。如圖13（l）中的放大圖像所示，無定形凝膠是由顆粒與顆粒堆積形成的球形簇狀結構。圖13SEM形貌。（a）~（d）不同放大倍數(shù)下的BH-1模擬月壤；（