月球混凝土研究进展.pdf
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1、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
2、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
3、 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 ,
4、 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
5、 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
6、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
7、 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
8、 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
9、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
10、 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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、 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
17、 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
18、, 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,
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