Sustainable Concrete of Tongji University

編者按

在月球上建設(shè)各種建筑物，開發(fā)利用各類資源能源，需要用到大量的混凝土等建筑材料。然而，從零起步建設(shè)月球基地、建設(shè)各類設(shè)施甚至建設(shè)所謂的“月球村”，是一項(xiàng)龐大的工程。若混凝土等建筑原料都從地球運(yùn)載，不僅花費(fèi)極其巨大，其效率和安全性也存在巨大的弊端?？茖W(xué)家們提出了以月球原位資源作為主要建筑材料，對(duì)月球基地或“月球村”進(jìn)行建設(shè)，將對(duì)地球原材料的依賴降低到最低程度的方案。月球混凝土（Lunar Concrete或lunarcrete）和月球原位建設(shè)（ISRU）的概念，便在此基礎(chǔ)上被鄭重提出。

在人類古代文明的中，月亮自古有著別樣的意義，特別在我國(guó)古代，月亮的意象更是十分深邃，它是美麗的象征，更是人們情感的載體，他寄托了戀人間的相思，表達(dá)了游子對(duì)故鄉(xiāng)和友人的懷念[1]。從古至今，人們對(duì)月球的向熱情終未變，嫦娥奔月的傳說(shuō)，便是古代人們對(duì)月球無(wú)限向往的佐證。

作為離地球最近的唯一天然衛(wèi)星，隨著世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，登陸月球已由不可能化為現(xiàn)實(shí)，1969年，美國(guó)阿波羅11號(hào)成功登陸月球，指令長(zhǎng)阿姆斯特朗在其表面留下了人類的第一個(gè)腳印。50年來(lái)，為了更加深入地了解世界各科技強(qiáng)國(guó)都就探月工程開啟了一系列航空探測(cè)任務(wù)。而從新世紀(jì)開始，各國(guó)對(duì)月球的探索熱情依然不見退散，開啟了諸如歐洲航天局的MORO計(jì)劃，EuroMoon2000計(jì)劃，日本的Hite計(jì)劃，以及中國(guó)的嫦娥工程等多個(gè)探月任務(wù)。

而背后最主要的推動(dòng)力，是因?yàn)榈厍蚰茉吹目焖傧摹?1世紀(jì)以來(lái)，能源緊缺的問題變得愈發(fā)嚴(yán)峻，在地球內(nèi)部資源利用達(dá)到飽和后，人們便把目光投向了月球。月球上具有大量的可利用資源，其表面被一層5-20m厚的月壤風(fēng)化層所覆蓋，太陽(yáng)風(fēng)粒子的長(zhǎng)期注入使得月壤富含稀有氣體組分。這可為人類社會(huì)提供長(zhǎng)期，穩(wěn)定，廉價(jià)和潔凈的核聚變?cè)稀?jù)估算 ,月壤中氦-3的資源總量可達(dá)100萬(wàn)-500萬(wàn)噸，全世界年總發(fā)電量大約消耗100t氦-3。換言之,月壤中的氦-3可滿足地球能源需求達(dá)萬(wàn)年以上[2]。另外，月球上蘊(yùn)藏有大量的金屬礦產(chǎn)資源，諸如鉻、鎳、鉀、鈉、鎂、硅、銅金屬儲(chǔ)備量十分豐富。通過(guò)計(jì)算，僅在風(fēng)暴洋區(qū)克里普巖中稀土元素的資源量約為225億～450億噸，是未來(lái)人類開發(fā)利用的重要礦產(chǎn)之一。

由于宇宙過(guò)于浩瀚，在月球上建立基地和空間站，將其作為探測(cè)其他行星的中轉(zhuǎn)基地，進(jìn)行航天器發(fā)射，檢修和燃料補(bǔ)充，以此作為跳板飛向宇宙深處是必須的過(guò)程[3]。我國(guó)在2006-2020年《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中，將探月工程列為16個(gè)重大專項(xiàng)之一，列為我國(guó)科技發(fā)展的重中之重。中科院公布的“中國(guó)2050年科技發(fā)展路線圖”也指出，我國(guó)將在2030年前后實(shí)現(xiàn)載人登月，建立月球基地；并在2050年前后，載人飛行從月球基地飛向更遠(yuǎn)的行星，并具備載人登火星能力。

在月球上建設(shè)各種建筑物，開發(fā)利用各類資源能源，需要用到大量的混凝土等建筑材料。然而，從零起步建設(shè)月球基地、建設(shè)各類設(shè)施甚至建設(shè)所謂的“月球村”，是一項(xiàng)龐大的工程。若混凝土等建筑原料都從地球運(yùn)載，不僅花費(fèi)極其巨大，其效率和安全性也存在巨大的弊端[4]。在這樣的背景下，科學(xué)家們提出了以月球原位資源作為主要建筑材料，對(duì)月球基地或“月球村”進(jìn)行建設(shè)，將對(duì)地球原材料的依賴降低到最低程度的方案[5]。月球混凝土（Lunar Concrete或lunarcrete）和月球原位建設(shè)（ISRU）的概念，便在此基礎(chǔ)上被鄭重提出。

月球及其環(huán)境介紹

月球的基本物理特性數(shù)據(jù)如表所示，其平均密度為3.342g/cm3，它比由巖石構(gòu)成的行星密度小，但比絕大多數(shù)天然衛(wèi)星更大，據(jù)此可以推測(cè)，月球主要是由硅酸鹽物質(zhì)構(gòu)成。月球內(nèi)部是一個(gè)層狀結(jié)構(gòu)，如圖所示，主要由月殼（表面至60km），月幔（60km延伸至約1000km的深度）和月核（半徑大小600-800km）三部分構(gòu)成[6]。

由于自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的原因，月球總是以一面正對(duì)著地球，而另一面一直隱匿在黑暗之中，月球表面都是裸露的巖壤，且不存在大氣層，故其晝夜溫差極大，白天最高溫可達(dá)137℃，夜晚最低溫低至-190℃。但是有趣的是，距離地表1m以下的環(huán)境溫度十分穩(wěn)定，為-30℃左右，科學(xué)家們認(rèn)為，在月球地表以下建設(shè)基地可以很好地解決環(huán)境溫度問題[7]。月球上沒有空氣，不存在氣壓，因此，若人類想要在月球上生存，必須對(duì)生活環(huán)境進(jìn)行預(yù)先加壓。沒有大氣也就意味著沒有輻射和隕石撞擊防護(hù)，月球上宇宙射線，太陽(yáng)耀斑等放射線很多，而隕石墜落速度可達(dá)20-40m/s，因此月球建設(shè)中防輻射和隕石撞擊也是重要的一環(huán)。另外，由   于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，月球上經(jīng)常發(fā)生月震，一年約300余次，周期約為兩周，但震級(jí)很小，一般約為2-3級(jí)，對(duì)基地建設(shè)的影響很小。根據(jù)月球球的質(zhì)量和體積，可得它的重力大小約為地球的1/6，故在建筑強(qiáng)度方面的需求并不苛刻，但對(duì)混凝土拌合過(guò)程產(chǎn)生了很大的不確定性。

月球的表面分為撞擊隕石坑，月球高地，月海，風(fēng)化層。由于月球表面流星體的通量很高，對(duì)其表面進(jìn)行了大量的撞擊，形成了許多坑和高地。撞擊坑又分為簡(jiǎn)單坑和復(fù)雜坑，簡(jiǎn)單坑數(shù)量較多，最大直徑達(dá)15km，最大深度可達(dá)2-3km，復(fù)雜坑的直徑大于10-20km，相對(duì)較淺，有明顯的中央凸峰，底部呈現(xiàn)如多環(huán)特征的大盆地。月球高地是明亮區(qū)，具有很高的反射率，具有豐富的斜長(zhǎng)輝長(zhǎng)巖。月海集中在月球近側(cè)，有些月海位于大型環(huán)行撞擊盆地里，其為寬闊的平地，在高地和和撞擊盆地形成后由噴發(fā)的玄武巖熔漿構(gòu)成。由于月球表面受到強(qiáng)烈的撞擊和輻射，月壤巖石分裂破碎并發(fā)生一定程度的融合，聚變，不斷變細(xì)并形成了一層3-20m厚的類似土壤，具有微弱粘性的碎片覆蓋物，我們稱之為月壤風(fēng)化層。

月壤及其模擬物

月壤指的是月球表面表層巖 的細(xì)顆粒部分（小于1cm），它具有有5種基本的顆粒類型：礦物碎片、原始結(jié)晶巖碎片、角礫巖碎片、不同種類的玻璃體和膠結(jié)物。月壤不同于地球上任何自然產(chǎn)生的物質(zhì)，它的形成主要有兩個(gè)作用過(guò)程其一是簡(jiǎn)單的分散或巖石的破裂，礦物由于沖擊被分解成小顆粒；其二是凝結(jié)過(guò)程，由于小隕星體的撞擊使得巖石和礦物碎片熔接在一起。

宏觀上看，月壤具有黏性，顆粒非常細(xì)小，是由玄武巖和輝長(zhǎng)石演變而來(lái)的松散顆粒，平均粒徑為40～800微米。從微觀角度，月壤樣品微觀結(jié)構(gòu)存在膠結(jié)物顆粒，這些顆粒是月壤重要的組成部分。膠結(jié)物顆粒具有分支的組織形態(tài)和封閉的氣泡，并且有金屬鐵珠存在[8]。

由于月壤樣品十分稀有，不可能大量用于實(shí)驗(yàn)，于是根據(jù)月壤的成分組成，各宇航局都依據(jù)自己的標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)出了各類月壤模擬物（Lunar Regolith Simulant），最常用的就是NASA所屬的約翰遜航天中心制備的的JSC-1月壤模擬物，我國(guó)也研制了模擬月壤CAS-1和高低模擬月壤NAO-1等。下表為月壤樣品和JSC-1月壤模擬物的主要成分對(duì)比。

水泥-水-骨料模式

在最初的探索階段，科學(xué)家們提出了用傳統(tǒng)水泥混凝土模式建設(shè)月球基地，認(rèn)為月壤和月巖可以作為粗細(xì)骨料摻加進(jìn)混凝土中，T.D.Lin曾利用從NASA獲得的月壤樣品（粒徑0.1-0.8mm，表觀密度1.37g/cm3，孔隙率45％，比重2.5 g/cm3）作為細(xì)骨料，以及鋁酸鈣水泥和蒸餾水對(duì)成型砂漿進(jìn)行力學(xué)性能研究（配比為砂：水泥：水=1.75：1：0.485），下表為月壤粒徑分布[9]。

測(cè)得其3.5d抗壓強(qiáng)度可達(dá)10970psi， 靜彈性模量為1.8×106psi，最大荷載泊松比為0.39，破裂模數(shù)為1244psi，動(dòng)彈性模量為3.12×106psi，線膨脹系數(shù)可達(dá)2.9×10-6/華氏度，月壤砂漿孔隙率約為8％，各力學(xué)性能均可達(dá)到作為建筑材料的要求，說(shuō)明用月壤和月巖作為混凝土骨料的方法是可行的。對(duì)其表面進(jìn)行剖析，發(fā)現(xiàn)沒有氣孔與顆粒直接接觸，但有趣的是抗壓測(cè)試下形成的裂縫總是從顆粒中穿過(guò)，他們認(rèn)為月壤顆粒的膠合和微裂縫不會(huì)影響膠砂強(qiáng)度。

雖然當(dāng)今一些科學(xué)家利用探測(cè)手段“證實(shí)”了月球的極夜面隕石坑內(nèi)極有可能存在冰與水[10]。但是由于未親眼證實(shí)，科學(xué)家們?nèi)愿鼉A向于月球上沒有水的存在。另外，在月球真空和微重力的環(huán)境條件下濕拌也可能會(huì)存在預(yù)想不到的困難。于是科學(xué)家們提出了干拌蒸壓養(yǎng)護(hù)混凝土的模式（Concrete With Dry- Mix/Steam-Injection Method，DMSIMC），即先將膠凝材料和骨料按配合比干拌均勻后，投入高壓定型蒸汽鍋內(nèi)進(jìn)行成型，并通入高溫高壓蒸汽（一般為105-200℃的飽和蒸汽）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，這種方法成型和養(yǎng)護(hù)的試件不僅強(qiáng)度發(fā)展快，一般1d即可達(dá)到極限強(qiáng)度的90％以上，最重要的是需水量極少，可極大緩解月球上水匱乏的窘境。另外，王偉鋒等學(xué)者認(rèn)為月球上存在的硅質(zhì)材料，采用干混蒸壓養(yǎng)護(hù)法可以制備大摻量非晶態(tài)硅質(zhì)材料的水泥硬化漿體，砂漿和混凝土[11]。實(shí)驗(yàn)得到，干混蒸壓養(yǎng)護(hù)法在減少水泥用量，提高試塊強(qiáng)度方面具有良好的優(yōu)點(diǎn)，例如在火山巖摻量為20％，40％，60％時(shí)，砂漿試件的強(qiáng)度分別可達(dá)118.6MPa，100.7MPa ，80.1MPa，他們認(rèn)為其最佳摻量在20％左右。

科學(xué)家們對(duì)阿波羅號(hào)帶回的月巖和月壤樣品進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)其比表面積可達(dá)300-500m2/kg，且含有大量的SiO2，CaO和Al2O3[12]，這些均為水泥熟料的重要組成成分。因此，科學(xué)家們相信月壤可以用于進(jìn)行水泥熟料的生產(chǎn)。T.D.Lin曾提出了一種制備膠凝材料工藝設(shè)想[13]：

如圖展示了玄武巖中各組分的冷凝溫度，常用膠凝材料元素如Ca，Si，Al，Mg，F(xiàn)e的冷凝溫度均高于1400K，而非膠凝組分與膠凝材料存在一個(gè)較寬（200K）的冷凝溫度斷層，利用這種獨(dú)特的性質(zhì)，若將原料加熱到適合的溫度區(qū)間內(nèi)保持穩(wěn)定進(jìn)行熔融，再將其進(jìn)行分離，即可得到所需的膠凝材料組分。然而，此過(guò)程中元素蒸發(fā)需要3000K以上的高溫，這可能對(duì)選擇適合的容器造成一定程度的困難。另外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，將含有CaO，SiO2，Al2O3等組分的廢渣加熱至2000K以上進(jìn)行選礦，可以得到與商品用高鋁水泥極其相似的組成產(chǎn)品。

月球的真空環(huán)境會(huì)給水泥-水-骨料模式的混凝土拌合成型帶來(lái)一定的麻煩，但Hatice S. Cullingford等學(xué)者實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，真空環(huán)境并不會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度造成可觀察的損害。并測(cè)得其干燥速率為常數(shù)，蒸發(fā)系數(shù)為1.59*10-7，因而他們認(rèn)為不需要對(duì)混凝土強(qiáng)度設(shè)置富余量來(lái)應(yīng)對(duì)真空環(huán)境可能帶來(lái)的不利影響[14]。

在月球超低溫（最低可達(dá)－190℃）環(huán)境下，普通水泥混凝土對(duì)其表現(xiàn)出較為良好的適用性能。蔣正武等學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在恒定低溫條件下，混凝土的強(qiáng)度相對(duì)于常溫下的混凝土強(qiáng)度有所提升，且隨著溫度的降低、含水量和含氣量的增加而大幅度提高[15]，他們認(rèn)為混凝土在超低溫下的力學(xué)性能增強(qiáng)機(jī)理主要是：其一，超低溫下混凝土孔隙水結(jié)冰，混凝土結(jié)構(gòu)不斷致密，中斷了毛細(xì)孔和結(jié)構(gòu)孔的連續(xù)性，降低了應(yīng)力集中區(qū)從而使自身強(qiáng)度增強(qiáng)；其二，冰的強(qiáng)度隨溫度降低而升高，冰與混凝土粘接成整體并不斷密實(shí)兩部分所致。

在-196～20℃溫度范圍內(nèi)，混凝土抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量隨溫度降低而提高，其主要取決于含水率。含水率越高，提高程度則越大。高強(qiáng)砂漿在-110℃的超低溫下與常溫抗壓強(qiáng)度比和抗折強(qiáng)度比在2-4之間，其壓折比小于常溫下壓折比，說(shuō)明砂漿在超低溫環(huán)境下的脆性降低。另外，高強(qiáng)砂漿在超低溫下抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均與超低溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間成指數(shù)關(guān)系，且含水率越高，相關(guān)性越大。高強(qiáng)砂漿在超低溫下抗壓強(qiáng)度增加值和抗折強(qiáng)度增加值與其含水率成二次函數(shù)關(guān)系。含水率對(duì)超低溫下抗折強(qiáng)度影響大于其對(duì)超低溫下抗壓強(qiáng)度的影響[16]。

月球上的溫度變化極為劇烈，對(duì)建筑材料凍融循環(huán)的研究也就顯得極為重要。有意思的是，多個(gè)研究表明普通水泥混凝土在凍融循環(huán)后性能會(huì)發(fā)生較為明顯的損失。但有的學(xué)者發(fā)現(xiàn)，只有飽和或幾乎飽和的混凝土凍融循環(huán)后才會(huì)受到內(nèi)部破壞，而對(duì)于濕度小的干燥混凝土則幾乎沒有強(qiáng)度損失。

硫磺混凝土

由于月球上普遍被認(rèn)為不存在水，即使存在水也有著很大的開發(fā)和利用難題?？茖W(xué)家們一直致力于尋找新的月球建筑材料來(lái)取代傳統(tǒng)的水泥-水-骨料生產(chǎn)模式。在持續(xù)的研究下，科學(xué)家們提出了以硫磺作為膠凝材料生產(chǎn)月球建筑材料的硫磺混凝土方案。硫磺混凝土主要由硫磺和粗、細(xì)骨料（骨料）組成，并加入少量的增韌劑。在成型過(guò)程中，硫磺先被加熱融化到120℃以上后與骨料等其他組成材料拌合均勻后澆筑成型，然后冷卻硬化產(chǎn)生強(qiáng)度，在使用模具成型時(shí)，需要將模具先預(yù)熱，避免溫差過(guò)大導(dǎo)致溫度應(yīng)力破壞[17]。它具有良好的耐蝕性和密實(shí)性，可在負(fù)溫下澆筑，強(qiáng)度發(fā)展較快，澆筑半小時(shí)抗壓強(qiáng)度就可達(dá)到極限強(qiáng)度的65%，24h抗壓強(qiáng)度可達(dá)極限強(qiáng)度的70％-80％，48h抗壓強(qiáng)度可達(dá)40MPa以上。

硫元素在月球上的含量較為豐富，相對(duì)于從月壤中提取硅酸鹽水泥，硫的提取相對(duì)簡(jiǎn)便許多，學(xué)者們?cè)褂梦⒕◤脑氯阑炷林刑崛〕隽肆蚧牵涣硗?，?duì)礦物中的FeS進(jìn)行氧化也可以得到Fe3O4和SO2；根據(jù)阿波羅15和16號(hào)的月壤樣品進(jìn)行硫的提取實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在真空條件下，只需將其加熱到合適的溫度（1000-1200℃），月壤中的硫元素即可揮發(fā)出85-95％[18]。在使用富含鈦鐵礦的月壤提取氧氣時(shí)，硫也會(huì)作為副產(chǎn)物被產(chǎn)出，其質(zhì)量占氧氣的10％左右。

Husam A.Omar在報(bào)告《Production Of Lunar Concrete Using Molten Sulfer》[19]中對(duì)不同硫磺摻量的硫磺混凝土性能作了較為詳細(xì)的敘述：

在拌合物工作性方面：當(dāng)硫磺百分比用量在0.3以下時(shí)，硫磺混凝土拌合物幾乎不流動(dòng)，沒有工作性；當(dāng)硫磺百分比用量在0.3-0.4時(shí)，硫磺混凝土拌合物具有一定的流動(dòng)度，整體較干，成型需要壓緊密實(shí)，相當(dāng)于普通水泥混凝土水膠比為0.4左右；當(dāng)硫磺百分比用量在0.4以上，硫磺混凝土拌合物流動(dòng)性較好，相當(dāng)于普通水泥混凝土水膠比≥0.55。

在硬化硫磺混凝土力學(xué)性能方面：硫磺混凝土抗拉、壓折強(qiáng)度和疲勞壽命要優(yōu)于普通硅酸鹽水泥混凝土。對(duì)素硫磺混凝土，最大抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)在0.35硫磺百分比用量處，其值為33.8MPa?？估瓘?qiáng)度大約為抗壓強(qiáng)度的0.1-0.15倍。二者均呈脆性破壞，且試件在抗壓測(cè)試過(guò)程中不斷有碎片剝落。

對(duì)纖維硫磺混凝土，玻璃纖維的摻加會(huì)對(duì)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，而金屬纖維可以增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)得出，在0.02金屬纖維摻量下，最大抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)在0.35硫磺百分比用量處，強(qiáng)度大小為43.0MPa，而強(qiáng)度最大相對(duì)增長(zhǎng)量出現(xiàn)在0.40硫磺百分比用量處，相對(duì)增長(zhǎng)幅度達(dá)到了0.37。硫磺用量越高，硫磺混凝土凝結(jié)硬化速度越快。更快的凝結(jié)時(shí)間可以預(yù)防硫磺混凝土硬化前在月球極端環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間暴露可能存在的潛在隱患。

向硫磺混凝土中摻加硅質(zhì)材料可提高硫磺混凝土的抗壓強(qiáng)度，但是也會(huì)提高它的脆性。摻加DCP（二環(huán)戊二烯）會(huì)對(duì)硫磺混凝土強(qiáng)度造成損害，但其在低溫下的強(qiáng)度較室溫發(fā)生一定的增長(zhǎng)[20]。

硫磺混凝土密實(shí)性好，耐腐蝕性好，Vlahovic等學(xué)者曾對(duì)在20％HCL，10％H2SO4，以及3％NACL的侵蝕性溶液中不同摻合料（滑石粉，粉煤灰，鋁粉，硅粉）的硫磺混凝土的耐久性（質(zhì)量損失，強(qiáng)度損失，表面孔隙率增量）進(jìn)行了研究[21]。他們認(rèn)為，在HCL和H2SO4的酸性溶液中，摻加滑石粉和粉煤灰的硫磺混凝土具有更好的耐久性；而在NACL的鹽溶液中，摻加鋁粉和硅粉的硫磺混凝土耐久性更佳。摻合料的種類并不會(huì)對(duì)硫磺混凝土的強(qiáng)度損失程度造成不同影響，但與侵蝕性環(huán)境有關(guān)，HCL中的強(qiáng)度損失速率大于H2SO4，而NACL溶液中的強(qiáng)度損失基本可以忽略。不同溶液中表面孔隙率增長(zhǎng)速率關(guān)系為HCL＞H2SO4＞NACL,其變化規(guī)律與強(qiáng)度損失規(guī)律相對(duì)應(yīng)。

雖然硫磺混凝土相較于普通水泥混凝土存在諸多優(yōu)點(diǎn)，但其也存在一些固有的缺陷和難以解決的詬病。硫磺需要在120℃以上才會(huì)融化，但是溫度達(dá)148℃以上卻又會(huì)變得粘稠并失去流動(dòng)性，故其適宜的成型溫度范圍很窄，為130-140℃[17]。在真空環(huán)境中硫磺會(huì)不斷升華，其升華速率隨溫度的升高不斷加快，而在月球最低溫度時(shí)幾乎不發(fā)生。另外，硫磺在加熱融化拌合后冷卻過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷晶型轉(zhuǎn)變，在114℃時(shí)冷卻固化為單斜硫Sβ，體積收縮約7％；而96℃時(shí)單斜硫Sβ轉(zhuǎn)化為斜方硫Sα，體積收縮約6％。這種性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致硫磺混凝土在熱溫度循環(huán)過(guò)程中體積不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞[22]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，雖然從-27℃到室溫的循環(huán)或恒定-27℃的低溫并不會(huì)對(duì)硫磺混凝土造成明顯的強(qiáng)度損失，但是在更大的溫差范圍內(nèi)循環(huán)（-191℃--室溫80次），硫磺混凝土?xí)霈F(xiàn)明顯的強(qiáng)度損失[23]，如圖所示，循環(huán)組硫磺混凝土的抗壓強(qiáng)度僅為7MPa，而定溫下抗壓強(qiáng)度約為35MPa，約為循環(huán)的5倍。

煅燒成型混凝土

由于從地球運(yùn)送建筑材料到月球經(jīng)濟(jì)和安全成本過(guò)高，效率十分低下，未來(lái)月球計(jì)劃中最理想的方案是使用極少量地球原料或直接全部使用月球原位材料（ISRU）進(jìn)行月球基地建設(shè)。月球表面風(fēng)化層的各項(xiàng)膠凝成分和水泥原料有一定的相似之處，因此有的科學(xué)家對(duì)直接使用月壤作為膠凝材料的可能性進(jìn)行了研究。

Stephen J. Indyk[24]采用月壤模擬物JSC-1A作為原材料，在超過(guò)1100℃的溫度條件下對(duì)孔隙率分別為1.44％和11.78％的月壤進(jìn)行了煅燒成型。如圖所示，其28d平均抗壓強(qiáng)度分別可達(dá)218.8MPa和84.6MPa，試件孔隙率越高，所得試件的抗壓強(qiáng)度越低。雖然在測(cè)試過(guò)程中有一部分試件在測(cè)試過(guò)程中發(fā)生了初始破壞（initial failure），但是其仍可以達(dá)到非常可觀的強(qiáng)度水平，因此，燒結(jié)月壤混凝土被認(rèn)為是當(dāng)?shù)刈顝?qiáng)的月球建筑材料之一。如果煅燒過(guò)程中摻加纖維和鋼筋，煅燒月壤混凝土能類似于普通鋼筋混凝土提高其抗拉強(qiáng)度和抗折能力。

另外，若控制環(huán)境條件，在1100℃的真空環(huán)境下煅燒CLRS-1月壤模擬物，可以得到密度為1.19g/cm3的多孔建筑材料[25]，其在月球表面白晝溫度和地球室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.265W×m-1×k-1和0.395W×m-1×k-1，具有很好的保溫絕熱性能。這是由于Mg這類低熔點(diǎn)的礦物在煅燒過(guò)程中的快速蒸發(fā)，從而形成了這類宏觀孔，故而使其質(zhì)地疏松多孔。除了保溫絕熱效果外，多孔的結(jié)構(gòu)也具有很好的防沖擊和緩震性能，可以作為月球防隕石沖擊盾的理想建造材料。

地聚合物混凝土

除了通過(guò)煅燒的方式對(duì)月壤進(jìn)行成型外，使用堿激發(fā)劑對(duì)月壤進(jìn)行地聚合激發(fā)成型也是一個(gè)重要途徑。地聚合物是硅鋁質(zhì)無(wú)機(jī)原料通過(guò)礦物縮聚生成的一種以離子鍵和共價(jià)鍵為主，范德華鍵為輔，由共用氧交替鍵合的硅、鋁氧四面體組成的鋁-氧-硅酸鹽無(wú)定形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膠凝材料，地聚合物的水化反應(yīng)是在堿性激發(fā)劑的作用下，硅氧鍵和鋁氧鍵發(fā)生斷裂-重組反應(yīng)，再聚合生成地聚合物的過(guò)程[26]。國(guó)外Alessio Alexiadis等學(xué)者[27]使用NaOH分別對(duì)月壤模擬物JSC LUNAR-1A和火星土壤模擬物JSC MARS-1A進(jìn)行地聚合成型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，月壤模擬物JSC LUNAR-1A可輕松發(fā)生地聚合反應(yīng)，生成堅(jiān)硬的巖石狀材料，在NaOH濃度為8M時(shí)，其密度約為2.6g/cm3，28d抗壓和抗拉強(qiáng)度分別可達(dá)18.4和13.0MPa，均優(yōu)于參比水泥混凝土。而火星土壤模擬物JSC MARS-1A需先將其球磨成小顆粒，才能順利進(jìn)行地聚合反應(yīng)，所得成型材料密度約為1.8g/cm3，它的力學(xué)行為與普通混凝土有著較大區(qū)別，其28d抗拉強(qiáng)度相比于參比水泥混凝土相差不大，但抗壓強(qiáng)度低，約為3.5MPa，與磚體類似。

國(guó)內(nèi)Lixiong Cai等學(xué)者以Ca（OH）2作為激發(fā)劑和鈣源，直接使用玄武巖月壤模擬物作為膠凝組分，采用預(yù)壓制成型和蒸壓工藝制備混凝土[28]。并對(duì)Ca（OH）2用量比，月壤模擬物細(xì)度，預(yù)壓成型強(qiáng)度，以及蒸壓工藝對(duì)混凝土力學(xué)性能和孔隙結(jié)構(gòu)的影響做了系統(tǒng)的探究。

他們發(fā)現(xiàn)，在同樣的配比和工藝條件下，Ca（OH）2比純水泥熟料成型的試件力學(xué)性能更佳（在其摻量均為10％時(shí)，二者強(qiáng)度分別為26.79MPa和6.53MPa），且隨著Ca（OH）2含量的增加，試樣抗壓強(qiáng)度明顯提高，摻量為20％時(shí)可達(dá)到49.63MPa。而月壤模擬物的細(xì)度越高，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部孔隙率越大，試件強(qiáng)度越低。

在預(yù)壓成型階段，壓制強(qiáng)度的增大可顯著降低試件孔隙率，增大試件密度，并界面荷載能力有所提升，故而試件力學(xué)性能有所增強(qiáng)。另外，蒸壓持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)也可以提高試件抗壓強(qiáng)度，16h的蒸壓時(shí)間所得試件強(qiáng)度可達(dá)36.36MPa，比4h強(qiáng)度提高了44.3％。根據(jù)微觀分析，其主要原因是生成了CSH（B）和托勃莫來(lái)石。

另外，月壤不僅可以直接用作膠凝材料，也可以作為生產(chǎn)玻璃纖維的原料。Dennis Tucker等學(xué)者[29]將JSC-1模擬月壤煅燒到1450-1600℃以上并保持30min至1h后，對(duì)熔融物進(jìn)行拔絲即可得玻璃纖維，或者在600℃退火成型可得玻璃棒狀物，成形后，需立即在其表面覆蓋一層高分子膜以保持其力學(xué)性能。

月壤地聚合混凝土僅需從地球運(yùn)載極少量的堿激發(fā)劑即可完成大規(guī)模的生產(chǎn)和建設(shè)，但養(yǎng)護(hù)過(guò)程中受環(huán)境的影響很大。Gabrielle Davis等學(xué)者[30]將成型的月壤地聚合混凝土分別置于月球平均白晝溫度，真空條件以及耦合環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，發(fā)現(xiàn)真空條件下養(yǎng)護(hù)的地聚合混凝土是唯一28d抗壓強(qiáng)度大于1d的組別（常溫壓不參與討論），約為9MPa，且其抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)。而在月球平均白晝溫度和真空條件下養(yǎng)護(hù)的地聚合混凝土甚至無(wú)法得到28d抗壓強(qiáng)度，因?yàn)樵陴B(yǎng)護(hù)過(guò)程中試件就已經(jīng)碎裂，根據(jù)變化局勢(shì)圖像推測(cè)其強(qiáng)度約為3.42MPa。

根據(jù)傅里葉紅外光譜，除了高溫+真空耦合條件下地聚合混凝土可觀察到與典型地聚合反應(yīng)（波數(shù)從900cm-1移向1000 cm-1）類似的峰移動(dòng)，其余條件組均出現(xiàn)了峰倒退的情況（包括常溫壓）。盡管如此，常溫壓組依然觀察到了地聚合反應(yīng)。下圖分別為常溫常壓條件下和高溫和真空耦合條件下掃描電子顯微鏡圖像，相比于常溫常壓條件，高溫和真空耦合條件下養(yǎng)護(hù)的地聚合混凝土基本都成脆性的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，真空養(yǎng)護(hù)條件下能觀察到裂紋存在，這可能是混凝土抗壓強(qiáng)度的下降的主要原因之一。

高分子聚合物混凝土

為了解決月球上極可能不存在水的窘境，除了以硫磺作為月球混凝土的膠結(jié)材料外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們也在致力于尋找和發(fā)展其他種類的無(wú)水膠凝材料。

一些學(xué)者認(rèn)為高分子聚合物熔點(diǎn)與月球表面溫度較為契合，是一種理想的混凝土膠結(jié)材料。高溫下聚合物熔融后，可以將月壤和其他組分混合，膠結(jié)于一體并在常溫下硬化形成固體基，從而產(chǎn)生強(qiáng)度。

Tai Sik Lee等學(xué)者[31]使用少量聚乙烯（polyethene）等熱塑性高分子聚合物作為膠結(jié)材料（摻量?jī)H占混凝土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10％，其余為月壤模擬物），在月球模擬真空和高溫的耦合環(huán)境下預(yù)熱（123℃）拌合后再在230℃溫度頂盤下養(yǎng)護(hù)硬化（加熱方向由上而下，Top Down法），如圖所示：

根據(jù)測(cè)試，在將月壤模擬物預(yù)熱到123℃時(shí)，Top Down法所成型試件在5h內(nèi)硬化深度可達(dá)49.5cm，抗壓強(qiáng)度可達(dá)12.6-12.9MPa，而非預(yù)熱成型的混凝土試件強(qiáng)度明顯更低。另外，這種成型方法會(huì)使試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)分布不均勻，靠近熱源的上部相較于中部和下部的孔隙率明顯更小。

在由上而下的Top Down法加熱成型高分子聚合物混凝土的基礎(chǔ)上，Jaeho Lee等學(xué)者[32]提出了由下而上的Bottom Up加熱成型方法，相較于Top Down法，Bottom Up法熱源僅需200℃，低于Top Down法的230℃，加熱時(shí)間僅需3-4h，約為Top Down法的一半，故而Bottom Up 法更加節(jié)約能量和時(shí)間。唯一的不足的是所得的最大抗壓強(qiáng)度為5.7MPa，僅為Top Down法的二分之一。

Tzehan Chen等學(xué)者[33]采用超低摻量的熱固性高分子聚合物和固化劑作為膠結(jié)劑（環(huán)氧樹脂epoxy resin，環(huán)氧樹脂：固化劑=5：1，摻量為0.02-0.05），JSC-1月壤模擬物作為骨料，在高壓下成型硬化，所得混凝土試件抗折強(qiáng)度可達(dá)30-40MPa，并且在-200℃-130℃的溫度范圍內(nèi)氣密性和強(qiáng)度等力學(xué)性能表現(xiàn)良好。隨著環(huán)氧樹脂摻量的提高，試件的氣密性越好，抗折強(qiáng)度也線性增加，并在摻量為10％時(shí)趨向飽和，提高加壓成型壓力和延長(zhǎng)加壓成型時(shí)間都會(huì)對(duì)時(shí)間抗折強(qiáng)度的提高產(chǎn)生積極影響。

對(duì)其成型模型進(jìn)行分析，如圖所示，在高壓下，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷致密，并使膠結(jié)劑大液滴不斷分散成小液滴，隨著壓力繼續(xù)增大，毛細(xì)壓力促使膠結(jié)劑液滴在顆粒接觸點(diǎn)周圍擴(kuò)散分布，最終形成聚合物的微觀凝聚體，便達(dá)到了超低摻量膠結(jié)劑成型高分子聚合物月壤混凝土的結(jié)果。

月球建設(shè)

要在月球上構(gòu)建適宜人類居住的月球基地，除了需要從建筑材料上進(jìn)行考量和選擇，月球資源和原料的勘測(cè)，基地的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及基地建造的工藝也是亟須解決的課題。

月壤被認(rèn)為既可作為月球混凝土的骨料，也可作為膠凝材料，但其在實(shí)際建造過(guò)程中的運(yùn)輸工作確實(shí)一大難題，由于月球表面處于真空狀態(tài)，內(nèi)燃機(jī)無(wú)法使用，光能發(fā)電也受地點(diǎn)和時(shí)段的限制。為了最大程度的節(jié)省能源，很多科學(xué)家都在思索新的低能耗運(yùn)輸系統(tǒng)。Hiroyuki Kawamoto等學(xué)者[34]提出了采用靜電輸送機(jī)來(lái)運(yùn)輸月壤模擬物的方案，如圖所示，其原理是將月壤顆粒帶上電荷，利用靜電行波提供輸送力，以達(dá)到移動(dòng)月壤顆粒的目的。

根據(jù)測(cè)試，當(dāng)靜電行波運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸寬度為100mm時(shí)，在空氣中的輸送速率可達(dá)到13.5g/min，且其運(yùn)輸系統(tǒng)功耗很低，平均每平方米僅為10W。根據(jù)模擬，輸送機(jī)在真空和低重力環(huán)境下系統(tǒng)的表現(xiàn)也可達(dá)到近似的效果。由于運(yùn)輸機(jī)以靜電力wei驅(qū)動(dòng)力，其輸送路線可以進(jìn)行各類自定。如圖所示，傾斜，平直，曲線，分徑等各類運(yùn)輸路線均可完成，并且管道傳輸和散亂顆粒的自行堆積也基本可以做到。

水作為生命之源，人類生存離不開水，普通水泥混凝土的拌合成型過(guò)程中水也是不可或缺的。受限于勘察手段，科學(xué)家們一直未探明月球表層下是否存在水分。Ted L. Roush學(xué)者[35]認(rèn)為在在月球上進(jìn)行鉆井勘探過(guò)程中，深層的揮發(fā)性物質(zhì)會(huì)跟隨一起到達(dá)月球表面，根據(jù)水和冰的兩個(gè)光譜特征，大約2000和3000nm的波長(zhǎng)，可以用于檢測(cè)水和冰的存在與否。

根據(jù)水分和JSC-1月壤模擬物的模擬實(shí)驗(yàn)，當(dāng)揮發(fā)物來(lái)到表面時(shí)，光譜分析儀可以檢測(cè)到它的存在，且可根據(jù)動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)，分析儀能夠?qū)崟r(shí)將樣品傳輸給相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行更多細(xì)節(jié)分析。

地球上的人類生活在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，但月球表面是幾乎真空的，因此，月球基地需進(jìn)行預(yù)先加壓后才適宜人類居住，但混凝土的抗壓強(qiáng)度雖高，但抗拉強(qiáng)度卻較為薄弱，一般僅為抗壓強(qiáng)度的10％到15％[36]。為了解決這個(gè)問題，T. D. Lin提出了采用弧形墻面的設(shè)計(jì)思路[37]，整體墻面由帶有一定弧度的預(yù)制混凝土板組成，每塊混凝土板的凹面朝外，凸面朝內(nèi)，且直徑對(duì)應(yīng)的兩塊板間用鋼索拉緊，這樣一來(lái)，板材在室內(nèi)氣壓下將承受壓應(yīng)力，避免了強(qiáng)度不足的隱患，最后再將外部墻面使用月壤和反凹混凝土板填充成圓形以抵抗隕石沖擊。具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如圖所示。

而中國(guó)宇航局也在積極推進(jìn)月球基地的設(shè)計(jì)和建設(shè)，在玄武月球基地[38]的理論建設(shè)中，科學(xué)家們提出了采用自動(dòng)智能機(jī)器人，使用預(yù)制建筑磚體進(jìn)行建設(shè)的方案。玄武月球基地也采用弓形材料組裝以抵抗外界沖擊，設(shè)計(jì)概念圖和細(xì)節(jié)圖如其所示。

根據(jù)測(cè)試，在地球上利用自動(dòng)化智能機(jī)器人，使用預(yù)制建筑磚體建造一個(gè)長(zhǎng)2.8m，寬0.8m，高1.1m的基地僅需要約8.5h即可完成。

當(dāng)今科學(xué)界，3D打印技術(shù)是研究熱點(diǎn)，如果能夠解決原材料、能源、3D 建筑打印機(jī)等問題，利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)月球基地的建設(shè)工作將成為可能。

Shannon L. Taylor等學(xué)者[39]曾將月壤模擬物與聚合物粘接劑混合成打印劑后擠出打印，然后除去聚合物粘接劑，隨后進(jìn)行燒結(jié)成型建筑支柱。支柱的密實(shí)度和相對(duì)密度隨著煅燒溫度（1050℃到1100℃）的提高而提高，支柱強(qiáng)度隨燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)（4到24h）而增大?？諝庵羞M(jìn)行燒結(jié)比氫氣中燒結(jié)有更高的相對(duì)密度，線性收縮和強(qiáng)度，這是因?yàn)橐合酂Y(jié)形成了一種玻璃態(tài)相。隨著燒結(jié)氧化的進(jìn)行，氫氣組燒結(jié)成型的支柱具有明顯的磁性，原因是其內(nèi)部生成了金屬鐵粒子，而空氣中燒結(jié)的支柱磁性則會(huì)弱許多。

而A.Meurisse學(xué)者[40]采用匯聚陽(yáng)光和氙燈能量的方法，對(duì)月壤模擬物進(jìn)行3D打印并燒結(jié)成型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示。

預(yù)先沉積0.1mm厚的風(fēng)化層，可在5h內(nèi)成型磚狀大小的成品，成品試件層間連接很弱，因而強(qiáng)度很低，低于5MPa，現(xiàn)階段難以用做建筑材料，使用X射線斷層掃描對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)除開相鄰層間的不連續(xù)性，還有大量的開孔和閉孔，這是由于月壤顆粒歷經(jīng)變化范圍過(guò)大導(dǎo)致的。但這有改善方法：縮短相鄰連續(xù)層的燒結(jié)時(shí)間，進(jìn)而降低溫度梯度和溫度應(yīng)力，即可提升層間連接力。

基于月球原位資源獲取的局限性，混凝土建筑制造難度高，以及成形建筑的可靠性等問題，實(shí)現(xiàn)月球基地的建設(shè)還得需要進(jìn)行大量的模擬實(shí)驗(yàn)，包括用于打印的月壤材料的制備、基于月球表面3D打印設(shè)備的研制以及混凝土結(jié)構(gòu)性能的研究等[41]。

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