月球用水泥及混凝土的探索和设计.pdf

全国中文核心期刊 新 建巍 粉 月球用水泥及混凝士的探索和设计 叶青 “ ， 杨慧 ， 马成畅 ( 1 浙江工业大学 建筑工程学院， 浙江 杭州3 1 0 0 1 4 ； 2 浙江 工业大学浙西分校 建筑工程系， 浙江 衙 州3 2 4 0 0 0 ) 摘要： 在总结现有研究的基础上， 设想在月球环境下制造水泥及其混凝土。 结合月球实际， 设想利用月球表面的硅质材料， 通过 干拌蒸汽养护或蒸压养护法 和碱性激 发材料 ( 硅 酸盐水泥 、 石灰 、 氧化钠 、 硅酸钠等) 激发 ， 探索和设计 适用于月球的蒸压养护大掺 量硅质材料 的硅酸盐水泥混凝 土、 蒸压养护硅酸盐混凝土和蒸汽养护或蒸压养护土聚水泥混凝土 ， 为未来月球基地建设服务。 关键词 ： 月球水泥； 月球混凝土； 干拌蒸压养护法； 硅质材料； 碱性激发材料 中图分 类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 0 ) 0 5 0 0 1 6 0 4 Ex p i o r a t i o n a n d d e s i g n o f c e me n t a n d c o n c r e t e f o r t he l u n a r e n v i r o n me n t Y E Q i ， Y A N G H u i 1 , M A C h e n g c h a n f ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Z h i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， Z h e j i a n g ， C h i n a ： 2 D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， We s t B r a n c h o f Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， Q u z h o u 3 2 4 0 0 0 ， Z h e j i a n g ， C h i n a ) Abs t r a c t ： On t h e b a s i s o f r e v i e wi n g s o me e x i s t i n g r e s e a r c h e s ， t h e p r o d uc i n g o f c e me n t a n d c o n c r e t e i n l u n ar e n v i r o n me n t i s a s s u me d I n c o mbi n a t i o n wi t h t h e a c t u a l c o n d i t i o n o f l u n a r e n v i r o n me n t ， wi t h t h e ass u mp t i o n o f ma k i n g u s e o f t h e s i l i c e o u s m a t e ri als o n t h e l u n ar s u r f a c e ， a n d t h r o u g h d r y mi x s t e a m i n j e c t i o n o r a u t o c l a v e c u r i n g a n d alk al i - a c t i v a t e d m a t e ri a l s ( P o r t l and c e me n t ， l i me， s o d i u m o x i d e a n d s o d i u m s i l i c a t e a n d S O o n ) a c t i v a t i n g ， a u t o c l a v e d Po rtl a n d c e me n t c o n c r e t e wi t h l a r g e a mo u n t o f s i l i c e o u s ma t e ri als ， a u t o c l a v e d P o rt l a n d c o n c r e t e a n d s t e am i n j e c t i o n a u t o c l a v e d g e o p o l y me ri c c e me n t c o n c r e t e a p p l i e a b l e f o r l u n a r e n v i ro n me n t we r e e x p l o r e d a nd d e s i g n e d， p r o v i d i n g s e r v i c e s for f u t u r e l u n a r b as e c o n s t r uc t i o n Ke y wo r d s ： l u n ar c e me n t ： l u n a r c o n c r e t e ； d ry m i x s t e am i n j e c t i o n me t h o d ； s i l i c eou s m a t e ri al： al k ali - a c t i v a t e d ma t e ri a l s 0 前言 1 国内外研究现状及发展动态分析 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。 建立月球基地， 为科学探索与研究者长期在基地 生活创造条件。 只有研制出低成本的建设施工方法， 月球基地 的建设才有可能实现。对月球环境下的水泥及混凝土的研究 表明 ， 混凝土是一种有可能适应月球环境的材料。预计若 干年以后， 在月球上正式建设建筑工程时离不开混凝土。 因此， 现在的研究， 对将来的应用一定会起到承前启后的作用。 本文 在总结现有研究的基础上，探索和设计在月球环境下制造水 泥及其混凝土。 收稿 日期： 2 0 0 9 0 9 1 9 作者简介： 叶青 ， 男 ， 1 9 6 0年生， 浙江 嘉善人 ， 工学博士， 教授 ， 主要从 事水泥和混凝土材料的研究。电话 ： 0 5 7 1 8 5 8 1 6 0 6 1 。 1 6 新型建筑材料 2 0 1 0 5 1 1 月球环境的概况 地貌3 1 ( 或月貌) ： 月球的地形可分为平原、 高地和山脉。 在月球上， 平原约占月球的5 5 ， 大部分面向地球， 适于建造 居住设施。 基地适宜建在南极地区。 地层： 月球的地层由表层、 地壳、 地幔、 地核组成， 表层覆盖着厚度达几米到几十米的细 沙( 砂) ( 本文作者认为这些细砂具有火山灰活性的可能性很 大) 。地质： 岩石部分大多数为玄武岩、 橄榄石、 斜长石及钛铁 矿等， 其强度和地球上的同类岩石相同。月震： 月球上每年发 生 地震约 3 0 0 次， 1 4 d 为 1 个周期。一般“ 地震” 为2 - 3 级， 最大“ 地震” 也只有4 级左右， 释放的能量较小， 对月球建筑结 构设计没有影响。 重力： 月球上的重力加速度是地球上的1 6 ， 构筑物的自重或荷载因而也为 1 6 。真空： 月球上没有空气， 处于超真空状态，需要在住宅内加压后才适于人类居住。此 外， 因为是真空状态， 液体会很快挥发。温度： 白昼 1 4 d ， 黑夜 也是1 4 d ， 由于没有空气， 昼夜温差非常大( 一 1 9 0 1 3 7 ) ， 但 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 叶青， 等： 月球用水泥及混凝土的探索和设计 距地表 1 m以下的温度很稳定， 在一 3 0 左右。 如果在地下建 设建筑物， 可以解决低温问题。 放射线： 月球上的宇宙线、 太阳 风等放射线很多， 为了防御辐射， 必须将构筑物盖上2 i n 厚的 土。陨石： 月球上没有空气， 大小各异的陨石没有燃尽就会落 下来， 其坠落速度为2 0 4 0 m s 。 如果构筑物盖上2 m厚的土， 可以防御小块陨石， 但大块陨石仍可能损坏构筑物。 1 2 月球表面物质的化学成分 从1 9 6 9 年到1 9 7 2 年， 美国共进行了多 阿波罗” 飞行， 对月球表面进行广泛考察， 搜集了大量月球岩石、 土壤标本， 其中从月球上带回地球的岩石样品就达4 4 0 k g 。对许多月球 土壤样品进行化学分析， 主要成分为S i O ： 、 A I 2 0 和C a O等( 见 表1 口 】) 。 月球表层土 主要为矿物碎屑、 早期原始岩石碎屑、 角 砾岩碎屑、 非晶态火山灰和月球独有的凝聚体颗粒， 部分表层 土比表面积达3 0 0 5 0 0 m 2 k g 。 由于缺少真实的月球表面土，许多研究者只能利用由美 国航空和航天局所属的约翰逊航天中心生产的月球表土模拟 土， 即J S C 一 1 土5 1 。利用它可以进行当今的系列研究， 如利用 J S C 一 1 土制成玻璃， 并用于稳定核废料， 还可制成陶瓷等材料。 表 1 月球表面部分物质的化学成分 项目 S i O 2 A 1 2 0 3 C a O F e O F e 2 0 3 Ms O T i O 2 平 原 土砂 4 2 1 6 1 3 6 0 l 1 9 4 1 5 3 4 7 7 6 7 7 5 高地土砂 4 4 7 7 2 8 4 8 l 6 8 7 4 1 7 4 9 2 0 4 4 非晶态火 山土4 4 8 7 2 5 4 8 l 4 5 2 5 7 5 8 1 1 0 5 1 J S C 一 1 土 4 7 7 0 1 5 0 2 1 0 4 2 7 3 5 3 4 4 9 0 l 1 5 9 1 3 美国的月球水泥 1 9 8 6 年， 华裔美国科学家林博士( T D L i n ) 在北京中国建 筑材料研究院作了有关“ 到月球去生产水泥” 的学术报告， 报 告称， 根据月球地表物质的化学成分， 在月球能制造出相当于 现在用的铝酸盐水泥， 而且他为此已做了长达l 5 年的研究。 从月球岩石中分离出水泥主要成分的方法有许多种。林 博士的建议方法为， 将含有水泥成分的月球岩石， 加热到离水 泥成分熔融温度低2 0 0 左右，使水泥成分以外的成分先熔 融， 再将这些成分分离并加热到 1 7 2 7 以上， 就可以得到近 似于市场上销售的铝酸盐水泥。 除此以外， 还有将月球岩石加 热到3 0 0 0 熔融后提取水泥成分的方法或反复熔融的方法。 1 4 干拌蒸压养护砂浆和混凝土的制作 2 0 世纪9 0年代， 针对月球上可能没有水， 美国进行了干 拌蒸压养护硅酸盐水泥砂浆和混凝土制作的研究2 1 。其工艺 为先干拌适当比例的水泥和砂石， 再放入蒸汽定型锅内， 以高 温高压蒸汽( 1 0 5 2 0 0 的饱和蒸汽) 养护、 不到 l d 即可水化 和固化， 其混凝土强度可达到5 0 7 0 M P a ， 比传统混凝土提高 l 倍左右， 而所需的水泥量只有传统混凝土的l 2 。尽管干拌 蒸压养护法最初是被设计用于月球混凝土的合成，但是它在 减少水泥用量，缩短硬化时间和增强混凝土强度方面都具有 优势。 我国的台湾学者 N a n S u 和Y a w n a n P e n g 悯 与T D L i n 等 合作进行了月球水泥的研制和月球混凝土制作工艺的研究， 并对采用硅酸盐水泥制作的干拌蒸压养护砂浆和混凝土的水 化机理、 蒸压时间和工程性能进行了比较全面的研究。 1 5 月球混凝土的系列研究 美国混凝土协会议题为“ 月球混凝土” 的1 2 5 次会议内容 涉及水泥生产、 混凝土拌合、 混凝土浇注、 结构设计及月球的 环境印 。但将这些设想付诸实施还需进行一系列的基础研究。 例如， T D L i n的报告 月球土壤作为混凝土细集料的研究 是 实施过程的第 1 步， 内容包括一些数据提供的科学依据， 证明 月球土壤能用于生产合格的混凝土。 美国A l a b a m a 大学的研究者f 7 】 已开始了月球混凝土的基 础研究， 以解决微小重力下硅酸盐水泥水化的有关问题。 微小 重力或无重力环境下普通混凝土的搅拌及养护确实存在问 题。 初步将这个研究项目分为4 个阶段。 第1 阶段是确定微小 重力下搅拌砂浆或混凝土的可能性，包括选择做实验的运载 工具。第2 阶段是研究设计微小重力下砂浆和混凝土的搅拌 室。 第3 阶段是在航空航天局的运载工具上做混凝土试验。 第 4阶段是测量微小重力下混凝土养护的特性，以便确定将来 的研究方向。 1 6 在失重和真空环境下混凝土的力学性能研究 日 本学者网 对混凝土和重力的关系进行了长时间的研究。 该试验用灰浆代替混凝土， 在 l 6 重力加速度的环境中， 灰浆 的抗压强度相当于地球上灰浆强度的9 0 。据此推测， 重力 对月球混凝土的影响不大。对暴露于真空中的混凝土所做的 基础性试验结果表明， 灰浆强度并未降低， 如果充分养护， 其 强度还可提高。但是， 在真空环境下 干燥收缩量特别大， 出现 干燥裂纹的可能性很大。 为了防止出现干燥裂纹， 采用预应力 混凝土大概可行。 2 月球用水泥和混凝土的设计 在月球上欲建类似“ 两磨一烧” 的水泥厂极不容易， 从近 期的研究论文可以推断， 在初次建基地时， 美国还是将使用从 地球上带去的硅酸盐水泥。 从地球带硅酸盐水泥到月球，运费相当昂贵， 1 t 水泥大 概能制得3 m 混凝土。建设 1 个3 m x 3 m x 3 m的立方体建 筑， 在壁厚为0 2 5 m时， 需要约 l 1 5 m 混凝土， 大约需要 4 t 水泥。 只有研制出低成本的建设施工方法， 月球基地的建设才 有可能实现。通过采用月球自 然环境下材料制造符合要求的 NE W BUI L DI NG M ATE RI AL S 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 叶青， 等： 月球用水泥及混凝土的探索和设计 水泥及其混凝土是降低费用的有效方法。 2 1 采用干拌蒸压养护法生产掺石英质掺和料的 硅酸盐水泥混凝土 由C a O S i O 一 H 2 0相图8 - 9 可知， 由于硅酸盐水泥的C a O S i O 2 ( 摩尔比) 一般为2 3 ， 它在 1 0 0 以下会水化形成C S H 凝胶。当蒸压养护温度在 1 0 0 2 0 0 o C 时，会形成水化产物 C 2 S H( A ) ， 由于它的晶粒粗大对强度贡献小。 若能将原始物料 的C a O S i O 减小到1 ， 最终就不会形成C 2 S H( A ) ， 而形成托勃 莫来石( C 5 S 6 H ) 或硬硅钙石( C 6 S q ) 等， 从而有较高的强度。 如 在硅酸盐水泥中掺加3 0 4 0 的磨细石英砂， 会有很好的效 果。 这在C 8 0 混凝土管桩蒸压养护的生产中得到证实。 同理， 非晶态的火山灰物质也会有较好的效果。在加水湿拌的条件 下，蒸压养护生产大掺量掺和料的硅酸盐水泥混凝土制品的 工艺是成熟的工艺， 能生产出高强度等级的混凝土。 在上述理论和实践的基础上，若能在月球上找到含大量 石英的岩石( 如地球上可找到的中酸性岩、 酸性岩、 超酸性岩， 典型的如白岗岩、 石英斑岩、 流纹岩、 石英霏细岩等) ， 并进行 粉磨， 再与带上去的硅酸盐水泥混合， 采用干混蒸压养护法就 可生产掺石英质掺和料的硅酸盐水泥混凝土。 据另外的研究成果19 1 ， 钙长石( C a O A 1 0 3 2 S i 0 2 ) 在中性环 境中是不水化的，但掺入2 0 石灰并在2 0 3 o C 下蒸压养护8 h ， 试件抗压强度可达5 0 M P a 。钠长石( N a 2 0 A 1 0 3 6 S i 0 2 ) 在 中性环境中也是不水化的，但掺入4 0 石灰并在2 0 3 下蒸 压养护 8 h ， 能生成如C 2 S H( A ) 的水化硅酸钙和水石榴石， 随 着蒸压养护时间的延长， 石灰可全部结合， 并产生如C S H ( B ) 的低碱性水化硅酸钙。 还有许多岩石如硅灰石 一 C a O S i 0 2 ) 、 假硅灰石 一 C a O S i 0 2 ) 、 硅钙石( 3 C a O 2 S i O ) 、 蔷薇辉石( 例 如3 C a O M g O 2 S i O ) 、 橄榄石( 例如 C a O M g O S i 0 2 ) 、 钾长石 ( K 2 0 A 1 2 0 3 6 S i 0 2 ) 等本身不具有水硬性， 但在掺入石灰并在 2 0 3 蒸压养护条件下均会生成水化硅酸钙， 产生一定强度。 由此可知， 不仅限于含石英质的岩石， 可放宽到一些含硅 酸盐矿物的岩石，在掺入石灰并在蒸压养护条件下会生成水 化硅酸钙， 具有一定的胶凝性。 而且这类含硅质的岩石在月球 上更易找到。 由于此方法可以节约水泥， 也可用于( 地球) 沙漠中生产 混凝土。 2 2 采用干拌蒸压养护法生产掺火山灰质掺和料的 硅酸盐水泥混凝土 据现有研究成果 ， 月球表层土主要为矿物碎屑、 非晶态 火山灰和月球独有的凝聚体颗粒等，部分表层土的比表面积 达到3 0 0 5 0 0 m 2 k g ， 月球上有非晶态火山土存在。 因此， 只要 在月球上找到非晶态火山土，并与从地球带上去的硅酸盐水 1 8 新型建筑材料 2 0 1 0 5 泥混合， 采用干拌蒸压养护法就可生产掺3 0 5 0 火山灰质 掺和料的硅酸盐水泥混凝土。与上述掺石英质掺和料的混凝 土相比， 此方法较为简便可靠。 2 - 3 采用湿拌蒸压养护法生产掺石英质或 火山灰质掺和料的硅酸盐水泥混凝土 在上述干拌蒸压养护法的基础上，也可采用湿拌蒸压养 护法生产掺石英质或掺火山灰质掺和料的硅酸盐水泥混凝 土。采用此法主要需要克服在真空条件和微小重力条件下混 凝土的拌合、 浇注和捣实问题。 养护还是需要蒸压养护或蒸汽 养护。 2 _ 4 采用干拌蒸压养护法生产石灰和硅质材料 混凝 土 硅质材料， 即含S i O 的材料， 包括含石英矿物多的岩石、 火山灰质材料和含硅酸盐矿物多的岩石( 如含钙长石等) 。 如 上述2 1 、 2 2 中所述， 在月球上有可能找到。硅质材料的磨细 粉与石灰粉， 在地球上可以通过蒸压养护工艺制备硅酸盐混 凝土或灰砂混凝土。当磨细石灰砂胶结材( 比表面积为3 0 0 4 0 0 m 2 k g ) 中C a O的含量为2 3 时， 通过蒸压养护制得的灰 砂混凝土抗压强度可达5 0 7 0 M P a ，在实验室条件下已 经制 得抗压强度可达 1 5 0 2 7 0 M P a 的灰砂混凝土19 1 。 在C a O S i O ( 摩尔比) 为0 2 0 0 2 5 、 蒸压养护温度为 1 7 5 2 0 3 o C 的条件下，硅质材料的磨细粉与石灰粉首先形成高碱 度的水化硅酸钙， 然后分多次转化为低碱度的水化硅酸钙， 这 种转化的顺序9 1 为： C 2 S H( A ) 一C S H( B ) 一C S 6 H ( 托勃莫来石) 一C ( 硬硅 钙石) 一C 2 s ( 白钙沸石) 因此，在月球上可以通过干拌蒸压养护法制备石灰和硅 质材料混凝土。 石灰原料宜采用氢氧化钙粉末， 不宜采用氧化 钙。主要因为氧化钙遇水放热量大并产生体积膨胀，且需要 水。 氢氧化钙粉末和石英质材料或火山灰质材料反应后， 体积 变化小， 需水量也少。 即使在真空条件下氢氧化钙中的结构水 易保存。使用氢氧化钙粉末适宜于干拌蒸压养护法工艺。 2 5 采用干拌蒸压或蒸汽养护法生产 土聚水泥和混凝土 土聚水泥n o _ 3 1 源于土( 含有活性S i O 和A l 等物质， 如 火山灰和偏高岭土) 和碱性激发剂的聚合反应， 现扩展到工业 废渣和碱性激发剂的聚合反应。 其硬化浆体为沸石型凝胶， 具 有早强、 高强、 耐酸、 耐高温性能。 在水胶比为0 - 3 、 碱性激发剂 掺量以钠计为2 1 0 、 养护温度7 5 或9 5 c c 时， B a k h a r e v T 对粉煤灰中分别掺入N a O H溶液和水玻璃液的浆体进行 了研究， 得到3 0 d 抗压强度可达5 0 M P a 以上， 强度随N a 掺 量的增加而增大， 使用N a O H激发剂优于水玻璃。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m