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月球混凝土研究进展及展望(2) 发布时间:2019-06-17   浏览量:2262次

然而,值得注意的是,硫磺混凝土在技术方面仍存在一定的局限性。在硫磺混凝土施工成型的过程中,硫磺(S)由熔融液态冷却至固态状态时,会发生β晶型(单斜硫)向α晶型(斜方硫)转变的过程,这一过程造成较大的固相体积收缩,晶粒间产生的内应力会导致微裂纹。包含有较多微裂纹的硫磺混凝土在应用中受力可能发生脆性破坏。研究表明,添加硫磺增塑剂或某些改性剂,会一定程度上降低硫磺混凝土的脆性,但在将硫磺加热至130 ℃-140 ℃使其熔化的过程中,添加硫磺增塑剂或改性剂又会产生有害气体,污染环境并影响人体健康。硫磺混凝土的强度不高,当硫磺混凝土中的硫磺用量达35%时,即使掺加2%的金属纤维,试件抗压强度仍只有43.0 MPa。硫磺混凝土试件成性养护完成后,若暴露热循环环境下中,其耐久性会很差。硫磺的熔融温度较低(130 ℃-140 ℃),所以硫磺混凝土的耐火性差,若将其暴露在明火之中,其表面的硫磺将被燃烧掉。因此,若想安全地应用硫磺混凝土,还需对其进行增强、增韧,并采取有效的防火措施。


3.3 月球环境对混凝土的影响

 

当科学家们宣布已探测到月球南北两极有相当的冰储备量(0.1亿t-3亿t),人们有理由相信,月球混凝土的生产用水问题应该能够得到一定程度的解决。在这种情况下,月球混凝土的研制路线又回到了“骨料+水泥+水”的传统混凝土模式。


但是,月球失重状况下,水泥的水化进程是否会受到影响?水泥水化产物的结构和形貌如何?水泥混凝土强度发展如何?这些问题激发了人们更大的研究兴趣。


为了解月球失重状态对混凝土内部水泥水化进程的影响, 德国慕尼黑工业大学 Plank J教授课题组的Meier M R等在以抛物线飞行模式飞行的飞机上进行了微小重力条件对水泥早期水化影响的研究试验,抛物线飞行的模式如图3所示。0时刻时,飞机开始上升。在飞机上升过程中,超重力(1.8 g)阶段约为20 s。当上升角达到47°时,飞机发动机处于空转状态,飞机漂浮22 s,执行抛物线飞行,此时舱内属于微重力状态。当角度达到42°时,飞机退出抛物线,重新回到水平飞行位置。机舱内在试验装置如图4所示,它由三个注射器组成,其中一个装有5 g水泥,一个装有5 mL去离子水,另一个装有10 mL丙酮。试验中,当力为0 g时,立即将水注入装有水泥的注射器内,并通过轻微摇动使悬浮液混合均匀。10s后,将水从浆液中压出,转动阀门,注入丙酮,并与脱水水泥混合以终止其水化作用。整个试验过程必须在超重力开始前20 s内完成。

 

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图3 飞机抛物线飞行模式

 

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图4 机舱内的试验装置

 

试验结果发现,在微重力条件下水泥浆体内形成的钙矾石晶体的长径比更大,微重力似乎阻碍了钙矾石侧面的生成,这可能是由于在这种环境中没有对流所造成的。由于离子转移到晶体表面的速度较慢以及晶体生长速度减慢,本体溶液在较长时间内保持着过饱和状态。因此,在微重力条件下,均匀成核的持续时间较长,形成了更多晶核。然而,由于过饱和度迅速降低,这些晶核不能持续生长,晶体的平均尺寸较小。在掺加聚羧酸系减水剂(PCE)的情况下,产物钙矾石晶体的长径比发生了显着的变化,表明特定晶面通过吸附PCE可部分地阻止其生长。他们认为这可以通过PCE占据的表面和数量不同来解释。在微重力条件下,所有PCE(即使是阴离子电荷较低)对钙矾石晶体生长的影响均较强,而在正常情况下,只有电荷量较大的阴离子聚合物才会对其产生强烈的影响。因此,低阴离子电荷的PCE在没有重力的情况下更多地影响钙矾石的尺寸并显示出“强失重效应”,如图5所示。而对钙矾石有强烈吸附作用的PCE,其在地面和微重力条件下都能显着抑制钙矾石晶体的生长。晶体生长动力学已被“强PCE效应”减速时,微重力的附加效应对晶体生长已没有太大影响。

 

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图5 重力和PCE吸附对离子向钙矾石晶核表面迁移的影响

 

4 展望

 

人类对月球(甚至火星)等可能让生物生存的探索力度越来越大,步伐也在加快。尽快创造条件建设月球基地(甚至移民到火星),是各国的伟大梦想,也引起21世纪世界大国间的科技之争。建设月球基地首先要解决建筑材料,月球混凝土将在其中扮演至关重要的角色。


月球混凝土的概念并非新奇,然而在研究的过程中仍有许多问题亟待解决,例如月球混凝土材料、结构与性能之间关系的理论体系,微小重力条件下搅拌、成型和养护问题。微小重力条件下水泥的水化、硬化和强度建立问题等。


虽已有关于微小重力条件对水泥早期水化的影响的些许研究成果,但在未来的研究工作中,应该必须延长到更长的时间段,在混凝土的整个塑性阶段和硬化阶段内观察钙矾石、氢氧化钙和水化硅酸钙的生长,以获得更多关于硬化水泥浆体微观结构发展的信息。真空环境下混凝土的干燥收缩量将会特别大,产生干燥收缩裂纹的可能性也会很大,如何防止其产生干燥裂纹需要我们慎重考虑。


还有,在月球表面如何正确检测和评价水泥、骨料、混凝土及其他建筑材料的性能,似乎也应该提上议事议程了。


不管有多难,人类建设月球基地,甚至移民到火星的梦想终将实现!希望更多土木工程材料研究工作者引领和参与到月球混凝土、火星混凝土的研究工作中。


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