月球混凝土研究进展.pdf

2 0 1 1 年 第 9期 (总 第 2 6 3 期 ) Nu mb e r 9i n 2 0 1 1 ( T o t a l N o 2 6 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEOR ETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 9 0 0 4 月球混凝土研究进展 李丽华 一，唐辉明 ，刘数华 。 ，肖衡林 ( 1 湖北工业大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 4 3 0 0 6 8 ；2 中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 ； 3 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 ) 摘要： 月球混凝土是月球基地建设、 矿产开采等工程建设的最佳建筑材料， 将为我国月球资源开发提供条件。 通过评述月球混凝土的 起源、 当前国际研究现状及进展， 并指出了研究中存在的不足以及急需开展的研究方向， 将为我国月球混凝土的研制提供参考。 关键词 ： 月球混凝土 ；起源 ；研究现状 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 1 2 0 3 Re v i ew on l una r c onc r e t e LI Li - h u a 一 T ANG Hu i - mi n gz , LI U S h u - hu a 3 , XI A O He n g - l i n ( 1 S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n dA r c h i t e c t ure ， H u b e i U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， Wu h a n4 3 0 0 6 8 ， C h i n a ； 2 F a c u l t y o f E n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s ity o f Ge o s c i e n c e s ， Wu h an 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a ； 3 S t a t e Ke yL a b o r a t o r yo f Wa t e r Re s o u r c e s a n dH y d r o p o we r E n g i n e e r i n g S c i e n c e ， Wu h a nUn i v e r s i ty， Wu h a n4 3 0 0 7 2 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： L u n a r c o n c r e t e i s t h e b e s t b u i l d i n g ma t e ri a l i n the l u n a r b a s e c o n s t r u c t i o n， mi n e r a l e x t r a c t i o n a n d o t h e r p r o j e c t s ， w h i c h wi l l p r o v i d e t h e c o n d i t i o ns f o r the d e v e l o p me n t o f l u n a r r e s o u r c e s Th e o rig i n o f l u n a r c o n c r e t e， c u r r e n t s t a t us a n d p r o g r e s s o f i n t e r n a t i o n a l r e s e a r c h we r e i n v e s t i g a t e d， a n d i t p o i n t s o u t th e s ho r t c o mi n g s o f t h e r e s e a r c h d i r e c t i o ns ， wh i c h wi l l b e b e n e fi t t o t h e d e v e l o p me n t o f l u n a r c o nc r e t e i n Ch i na Ke ywor ds ： l u n a r c O n c r e t e； o r i g i n； s t a t e o f t h efie l d 1 月球 混凝土的起 源 月球的能源资源和矿产资源丰富， 蕴藏着丰富的钛、 铁、 铀、 钍、 稀土等矿产 ， 富含由太阳风粒子积累而形成的气体， 如氢、 氦、 氖、 氩、 氮等多种有用气体。 据估算， 氦一 3的资源总量可达 1 0 0 万 5 0 0 万 t 。 而建设一个 5 0 0 MW 的氘一 氦一 3核聚变发电站， 每年消耗的氦一 3 仅 5 0 。 我国年发电总量仅需 8 t 氦一 3 ， 全世界 年发电总量约消耗 1 0 0 t 氦一 3 。 也就是说 ， 月球的氦一 3可满足地球 能源需求达万年以上 。 进入2 1 世纪， 能源紧缺问题 日益尖锐。 世 界各国正在为开发利用月球的能源和资源做出不懈的努力， 尤其 是美国、 日本等发达国家加大了对月球资源的开发力度。 我国在 2 0 0 6 2 0 2 0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 1 6 个重大专项之一， “ 列为我国科技发展的重中之重” 。 初步制定 2 0 3 0 年实现载人登月， 建立月球基地， 2 0 5 0 年载人飞 行从月球基地飞向更远的行星， 具备载人登火星能力。 月球的矿产资源、 能源资源和特殊资源将对人类社会的可 持续发展发挥长期稳定的支撑作用， 在月球上建立永久性基地， 是人类向外层空间发展的第一个目标2 。 月球基地是人类唯一 的、 庞大而稳固的“ 天然空间站” ， 是人类征服太阳系、 开展深空 探测的前哨阵地和转运站。 为了建设月球基地( 图 1 ) ， 进而在月 球上进行矿产开采( 图2 ) 等活动， 就必须解决建筑材料的问题， 应当尽可能就地就近利用材料开展各种工程建设。 图 1 月球基地设想 图 图 2 月球矿产开采设想 图 材料科学家和航天科学家很早就开始关注各类月球工程 建设的材料问题。 2 0世纪 7 0年代 ， 材料科学家对阿波罗飞船取 回的月球岩石和月壤样品进行了分析和试验。 研究表明， 建设月 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ 0 3 _ 2 8 基金项目：中国博士后科学基金面上项目( 2 0 0 9 0 4 6 1 0 0 2 ) ； 中国博士后基金特别资助项 目( 2 0 1 0 0 3 5 0 3 ) 1 2 球基地所需的主要材料在月球上大都可以找到， 包括铁 、 铝、 玻 璃以及制造大型太阳能电池板的硅材料等。 对于月球各类工程 的建设， 尤其需要用到大量的混凝土。 材料科学家利用航天员带 回地面的月球样品， 在实验室初步制成了能够用作建筑材料的 “ 混凝土” 。 而且 ， 这些样品中含有大量的 S i O ： 、 C a O和 Al 0， ， 它 们是水泥的主要成分， 能够用于煅烧水泥。 因此， 配制混凝土的 骨料和水泥都能在月球就地生产， 可以解决就地利用月壤制造 混凝土的问题。 另外 ， 就月球环境而言， 混凝土也是一种完全可 能适应月球恶劣环境的建筑材料。 目前， 耗资 5 0 0 亿美元的国际 空间站计划 已经启动。 月球混凝土是月球基地建设的首选材 料， 作为先行者月球混凝土将在未来的太空建设中起着举足轻 重的作用。 月球没有大气层的保护以免受宇宙辐射 、 太阳风、 微陨星 撞击等的破坏作用， 所有的探月活动工作环境非常恶劣_3 1。 在月 球上进行各类工程建设时， 必须考虑恶劣环境的影响。 混凝土是 当前地球上应用最广、 用量最大的建筑材料， 除了能够满足结 构的强度要求， 混凝土还具有以下优点 ： 可以加工成各种形状； 在高温和低温下均具有较高的强度； 屏蔽辐射； 耐磨损 ， 可使建 筑物免受陨石碎片的破坏； 与真空环境具有很好的适应性； 经济， 混凝土生产能耗较低。 正是由于混凝土具有这些无与伦比的优 点， 能够应对月球上的恶劣环境 ， 使其成为月球工程建设的最 佳建筑材料 。 数十亿年前， 月球只是一个固化的岩石躯壳在围绕地球旋 转 ， 月表的岩石受到小天体频繁撞击 、 破碎 、 溅射和太阳的辐 射 ， 形成厚 3 - - 2 0m覆盖月表的月壤层。 因而从地质结构来讲 ， 可 以分为月岩和月壤。 广义的月壤( L u n a r R e g o l i t h ) 是指覆盖在月 球基岩之上的所有月表风化物质， 甚至包括直径为几米的岩石。 而 狭义的月壤则是根据月球样品的分类来定义的： 直径1 c m的团 块作为岩石进行处理和研究， 称为月岩( L una r R o c k s ) ； 直径 1 c m 的颗粒才是狭义上的月壤( L u n a r S o i l ) ； 而月尘( L u n a r F i n e s ) 则是指月壤中直径 2 0 Ix m 的颗粒。 研究中通常将月岩破碎筛 分后用作粗骨料和细骨料 ， 将月壤( 包括月尘 ) 筛分后用作细 骨料和粉体材料， 采用这些材料配制的混凝土即为月球混凝土 ( L u n a r C o n c r e t e或 L u n a r c r e t e ) 。 2 月球混凝 土的研 究现状及进展 月球混凝土的想法最早由美国匹兹堡大学 L a r r y A B e y e r 教授于 1 9 8 5年提出 。 随后， 各国专家又提出了月球混凝土的 两种实现途径 ： 一种是“ 骨料 + 水泥 + 水” 模式， 这与传统混凝土 相似 ； 另一种是“ 骨料 + 硫磺” 模式 ， 也称硫磺混凝土， 它是一种 用硫磺代 替水泥浆作胶结料 的混凝 土 ， 是将加热 的骨料与熔化 的硫磺相拌合， 冷却后所得的产物。 两种实现模式中， 骨料均采 用筛分后的月岩和月壤。 由于一度认为月球上没有水 ，因而专 家们从一开始就主要采用后一模式来研制月球混凝土。 在众多“ 骨料 + 硫磺” 模式月球混凝土研究当中， H u s a m A O ma r 博士在提交给美国国家航空航天局( N AS A) 的研究报告 ( ( P r o d u c t i o n o f L una r C o n c r e t e U s i n g Mo l t e n S u l f u r 最具代表性 ， 报告中详细分析了硫磺混凝土用作月球混凝土的可能性， 并介 绍了它的制备工艺和产品性能【 5 _ 。 尽管硫磺混凝土具有一定的 优势生产过程不需要加水 ， 但其缺陷同样明显 ： 生产过程 中， 需要将硫磺加热至 1 3 0 1 4 0使其熔化， 在添加一些硫磺 增塑剂或改性剂时会产生有害气体 ； 强度不高， 硫磺用量达3 5 并掺有 2 金属纤维的情况下 ， 抗压强度仍只有 4 3 0 MP a ； 产品 制备后， 暴露在热循环的环境下， 其耐久性很差； 耐火性差， 如果 暴露在明火之中， 则表面的硫磺就会慢慢燃烧； 造价较高等。 B e n n e R D F H 于 2 0 0 2年进一步明确了对月球混凝土的 要求： 月球混凝土的生产能耗应低于钢材、 铝材； 一 1 5 0 + 1 2 0 的温度变化对其性能的影响较小； 能够吸收伽玛射线； 长期暴 露在真空中不会影响材料的整体性 ， 自由水可以蒸发， 但化学 结合水损失很小。 显然， 硫磺混凝土不能全部满足以上要求。 1 9 9 2年， R e i c h h a r d t 和Ke r r R A N S rp J I 在权威期刊a t u r e 和( S c i e n c e 证实了月球上存在大量的水， 已探测到南北两极的 冰储备量达 0 1 亿 3亿 t 。 这使生产月球混凝土的用水问题也 得到解决 ， 于是， 月球混凝土又回到了“ 骨料 +水泥 + 水” 的传统 模式。 月球地质学家认为月壤颗粒 由于缺乏大气层和水圈的保 护 ， 承受月球的高温、 强辐射环境以及各种接触 、 摩擦 ， 颗粒表 面经常被太阳风侵蚀等作用 ， 并且具有较高的比表面积， 因此 具有相当大的活性。 正是由于月壤的这些特征 ， 而且具有比较 高的活性 ， 可使利用月壤研制的 昆凝土强度更高， 更能抵御月 球恶劣环境的影响。 例如， L i nTD等【1 l】乖 IJ 用 4 0 g Ap o l l o1 6 月壤样品按照“ 骨料+ 水泥+ 水” 模式配制月球混凝土， 将月壤、 水泥和水搅拌成型后 ， 通过蒸养， 砂浆的抗压强度可达 7 5 MP a ； 反复暴露于真空后， 强度损失在 2 0 以内。 由此可见 ， 与硫磺混凝土相比， 采用传统 混凝土模式配制的月球混凝土能够发挥月壤高活性的作用， 获 得的强度更高。 然而， 月壤样品极其稀缺， 目前国际上对于探月活动的试 验研究 ， 基本上大量用到的都是模拟月壤。 近年来 ， 国外开展了 大量的模拟月壤研究工作， 尤其是美国和 日本， 以 A p o l l o 1 1 和 A p o l l o 1 4两种登月采样点的月壤为 目标， 研制了J S C 一 1 、 ML S 1 、 MK S 1 以及 F J S 1 等多种模拟月壤。 它们在化学成分上与真实 月壤大体相近( 见表 1 t ) ， 并参考真实月壤指标得到预期的颗粒 分布。 我国也研制了模拟月壤 C AS 一 1 t 3 和高地模拟月壤NA O 1 t 4 】 等， 取得了一些的研究成果。 由中国科学院贵阳地球化学研究所 与国家天文台合作研制的低钛模拟月壤( C L RS 1 ) 与高钛模拟 月壤( C L RS 2 ) 样品， 经国家标准化管理委员会 、 全国标准化样 品技术委员会批准， 已获国家标准样品证书。 此模拟月壤样品的 研制成功 ， 为我国探月活动的研究作出了重大贡献。 目前 ， 这两 种标准样品已经向国内相关科研单位提供。 由于月壤样品稀缺， 在月球混凝土的试验研究 中基本上都 是使用模拟月壤， 例如 T o u t a n j i H等 采用 J S C 1 模拟月壤进行 小规模 室 内试 验 ， 并获得较 好结果 。 而 Ha p p e l J A 和 R u e s s F 等i 1 调查总结后发现在室内试验条件下， 这种月球混凝土性能 优 良， 抗压强度可达 3 9 7 5 7 MP a ， 弹性模量为 2 1 4 G P a ， 表观 密度为 2 6 0 0 k g m3 ， 温度变形系数为 5 4 x 1 0 。 而且 ， 月球低 重力场对强度的影响很小 ， 在 1 6 g重力场下， 强度损失在 1 0 以 内。 国内目 前仅在模拟月壤方面开展了一些研制工作 ， 尚未对 月球混凝土的材料 、 结构及性能进行研究。 3 结论与展 望 尽管国际上已经进行了部分前期研究 ， 并取得了一些成果 ， 但仍然存在很多不足 ： 1 3 表 1 月壤样 品和模拟月壤的化学成分对 比 ( 1 ) 由于各国专家试验中使用的模拟月壤存在一些差异 ， 研究方法和试验条件各有不同， 且试验规模较小 ， 使得试验结 果分散， 尚未获得重要的规律性结论。 ( 2 ) 研究仅涉及月球混凝土的强度 、 弹性模量等简单物理 指标 ， 并未对月球混凝土中月壤与水泥的化学作用、 水化特性 等机理问题开展深入研究。 ( 3 ) 所有研究均在室内试验条件下进行， 很少考虑月球恶 劣环境的影响， 更没有研究在这些条件下月球混凝土的微观结 构与宏观性能的演变。 ( 4 ) 研究大多以“ 模拟月壤 + 水 泥+ 水” 的砂浆型式进行， 很 少考虑粗骨料的影响， 难以称作真正的混凝土。 针对以上不足， 在月球混凝土的研究方面， 还需进行系统 研究 ， 真正实现月球混凝土： ( 1 ) 月壤混凝土的水化特性及微结构的演化研究。 ( 2 ) 月球混凝土的配制机理。 ( 3 ) 恶劣环境下 ， 月球混凝土的服役性能及其微结构和性 能的演变。 月球混凝土在国际上是一个具有重要理论意义和科学前 沿的问题， 也是当前国际上感兴趣的技术问题。 对我国而言， 还 需建立 自主的月球混凝土材料、 结构与性能理论体系， 研制能 够服役于月球恶劣环境的月球? 昆 凝土， 使研究成果直接应用于 国际上正在进行的月球基地工程前期设计和建设， 直接服务于 我国探月工程和太空资源开发。 参考文献 ： 1 欧阳自远， 邹永廖 月球的地质特种和矿产资源及我国月球探测的 科学目标【 J 】 国土资源情报 ， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 3 6 3 9 2 】H a y m B e n a roy a ， L e o n h a r d B e r n o l d R e v i e w e n g i n e e r i n g o f l u n a r b a s e s 四 A c t a A s t r o n a u t i c a ， 2 0 0 8 ( 6 2 ) ： 2 7 7 2 9 9 【 3 】N o r e e n K h a n - Ma y b e r r y T h e l u n a r e n v i r o n me n t ： d e t e r m i n i n g t h e h e alt h e f f e c t s o f e x p o s u r e t o mo o n d u s t s J A c t a As t r o n a u t i c a ， 2 0 0 8 ( 6 3 ) ： 1 0 0 6 - 1 0 1 4 【4 】B E Y E R L AL u n a r c r e t e - a n o v e l a p p r o a c h t o e x t r a t e r r e s t r i a l c o n s t r u c - t i o n C S p a c e Ma n u f a c t u ri n g 5 ： E n g i n e e r i n g w i t h L u n a r a n d As t e r o d i al Ma t e r i als ， P r o c e e d i n g s o f t h e S e v e n t h P r i n c e t o n AI AM S S I Co n f e r e nc e ， Ed i t e d b y Ba r b a r a F a ug h n a n a n d Gr e g g Ma r y n i a k Ma y 8 - 1 1 ， 1 9 8 5： 1 7 2 5 】OMA R H A P r o d u c t i o n o f l u n a r c o n c r e t e u s i n g m o l t e n s u l f u r R F i hal Re s e a r c h Re p o rt f o r J o Ve NAS A Gr a n t NAG8 2 7 8 】 4 f 6 1 B E N N E T Y D F H “ C o n c r e t e ： t h e ma t e r i al l u n ar c o n c r e t e i n n o v a t i o n s i n c o n c r e t e M T h o ma s T e l f o r d B o o k s ， 2 0 0 2： 8 6 8 8 【 7 】R E I C H HA R D T T N AS A p o n d e r s f a s t e r c h e a p e r w a y t o s e n d s c i e n t ifi c mi s s i o n t o p l u t o J N a t u r e V 3 5 8 ， N O 6 3 8 9 A U G 2 7 ， 1 9 9 2 ： 7 0 1 8 】K E E R R A G e o p h y s i c i s t s t a k e a t o u r aro u n d t h e s o l ar s y s t e m- v e n u s - m o o n - p l u t o J S c i e n c e ， 1 9 9 2 ， 2 5 6 ( 1 9 ) ： 1 6 3 4 【 9 J9 G U s T A F S 0 N R J ， WH I T E B C， G U S T AF S O N M A D e v e l o p m e n t o f a h i g b fi d e l i t y l u n a r s o i l s t i m u l a n t C P r o c e e d i n g s o f S p a c e T e c h n o l o g y a n d Ap l i c a t i o n s I n t e r n a t i o na l F o r u m， 2 0 08： 21 3 -2 2 0 1 0 MAY B E RR Y N K T h e l u n a r e n v i r o n me n t ： d e t e r mi n i n g t h e h e a l t h e f f e c t s o f e x p o s u r e t o m o o n d u s t s J A c t a A s t r o n a u t i c a ， 2 0 0 8 ( 6 3 ) ： 1 0 0 6 1 0 1 4 1 1 L I N T D， L O V E H， S T A R K D P h y s i c al p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e ma d e w i t h a p l l o 1 6 l u n a r s o i l s a m p l e C P r o c e e d i n g s o f T h e S e c o n d C o n f e r e n c e o n L u n a r Ba s e s a n d S p a c e Ac t i v i t i e s o f t h e 21 s t Ce n t u r y Ed i t e d b y Me n d e l l W W NAS A Co n f e r e n c e s P u b l i c a t i o n 3 1 6 6 1 9 9 2： 48 3 4 8 7 1 2 郑永春， 王世杰 模拟月壤研制的初步设想叨 空间科学学报， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 1 ) ： 7 0 7 5 1 3 】 郑永春 ， 王世杰， 冯俊明 ， 等 C A S I 模拟月壤 矿物学报， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 3 4 ) ： 5 7 1 5 7 8 1 4 L I Y o n g q u a n ， L I U J i a n z h o n g ， Y U E Z o n g - y u Na o 一 1 ： l u n a r h i g h l a n d s o i l s t i m u l a n t d e v e l o p e d i n c h i n a f J 1 J o u r n a l o f A e r o s p a c e E n g i n e e ri n g ， 2 0 09： 53 5 7 1 5 T O U T A N J I H， F I S K E M R， B OD I F I RD M P D e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n o f l u n a r c o n c r e t e t o r h a b i t a t s C P r o c e e d i n g s o f 1 0 t h B i e n n i a l I n t e r n a t i o n al Co n f e r e n c e o n En g i n e e r i n g ， Co ns t r u c t i o n， a n d Op e r a t i o n s i n C h al l e n g i n g E n v i r o n me n t s ( E a r t hS p a c e 2 0 0 6 ) a n d 2 n d N A S A A R C AS CE W o r k s h o p o n Gr a n u l ar Ma t e ria l s i n Lu n a r a n d Ma rti a n Ex p l o r a t i o n E d i t e d b y Ra me s h B Ma l l a ， W i e s l a w K Bi n i e n d a， a n d Ar u p K Ma j i H o u s t o n ， T X， Ma r c h 5 - 8 ， 2 0 0 6 ： 1 8 1 6 H AP P E L J A I n d i g e n o u s ma t e ri a l s fo r l u n a r c o n s t r u c t i o n 叨 A p p l i e d Me - c h a n i c s R e v i e w s( A m e ri c a n S o c i e t y o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r s ) ， 1 9 9 3 ， 6 ( 4 6 ) ： 3 1 3 3 2 5 【 1 7 R U E S S F ， s C HA E N z UN J ， B E NA R O YA t t S t ruc t u r a l d e s i g n o f a l u n a r h a b i t a t l J J ，J o u r n a l o f A e r o s p a c e E n n e e n g ( A 珈e r j c a n S o c i e t y o f C i v i l E n g i n e e r s ) ， 2 0 0 6 ， 3 ( 1 9 ) ： 1 3 8 作者简介 联 系地址 ： 联 系电话 李丽华( 1 9 8 0 一 ) ， 女， 博士后， 讲师， 主要从事月球材料等方 向研究。 湖北省武汉市武汉大学水利水电学院建筑材料教研奎 ( 4 3 0 0 7 2 ) 1 8 98 6 l 53 5 2 0