月球环境下水泥及其混凝土的制造

月球环境下水泥及其混凝土的制造

0基地建设的成本该月有多种可用于人类开发和利用的独特资源。这是对地球资源的重要补充和储备，对人类社会的可持续发展和可持续发展产生了深远影响。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。1国内外现状及发展动态分析1.1建筑物的结构形式地貌(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55%,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300次,14d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14d,黑夜也是14d,由于没有空气,昼夜温差非常大(-190～137℃),但距地表1m以下的温度很稳定,在-30℃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2m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20～40m/s。如果构筑物盖上2m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土壤条件与土石从1969年到1972年,美国共进行了多次“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440kg。对许多月球土壤样品进行化学分析,主要成分为SiO2、Al2O3和CaO等(见表1)。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300～500m2/kg。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JSC-1土。利用它可以进行当今的系列研究,如利用JSC-1土制成玻璃,并用于稳定核废料,还可制成陶瓷等材料。1.3球磨合成铝酸盐的原理1986年,华裔美国科学家林博士(TDLin)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15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200℃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1727℃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3000℃熔融后提取水泥成分的方法或反复熔融的方法。1.4干拌蒸压养护法20世纪90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。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(105～200℃的饱和蒸汽)养护、不到1d即可水化和固化,其混凝土强度可达到50～70MPa,比传统混凝土提高1倍左右,而所需的水泥量只有传统混凝土的1/2。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NanSu和YawnanPeng与TDLin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东北部和美国alabam大学的研究美国混凝土协会议题为“月球混凝土”的125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。但将这些设想付诸实施还需进行一系列的基础研究。例如,TDLin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Alabama大学的研究者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灰浆对混凝土的影响日本学者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1/6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90%。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实现基地建设需要发展的3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,1t水泥大概能制得3m3混凝土。建设1个3m×3m×3m的立方体建筑,在壁厚为0.25m时,需要约11.5m3混凝土,大约需要4t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水泥及其混凝土是降低费用的有效方法。2.1拓展了复合混凝土的生产技术硅酸盐水泥混凝土由CaO-SiO2-H2O相图可知,由于硅酸盐水泥的CaO/SiO2(摩尔比)一般为2～3,它在100℃以下会水化形成C-S-H凝胶。当蒸压养护温度在100～200℃时,会形成水化产物C2SH(A),由于它的晶粒粗大对强度贡献小。若能将原始物料的CaO/SiO2减小到1,最终就不会形成C2SH(A),而形成托勃莫来石(C5S6H5)或硬硅钙石(C6S6H)等,从而有较高的强度。如在硅酸盐水泥中掺加30%～40%的磨细石英砂,会有很好的效果。这在C80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,钙长石(CaO·Al2O3·2SiO2)在中性环境中是不水化的,但掺入20%石灰并在203℃下蒸压养护8h,试件抗压强度可达50MPa。钠长石(Na2O·Al2O3·6SiO2)在中性环境中也是不水化的,但掺入40%石灰并在203℃下蒸压养护8h,能生成如C2SH(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CSH(B)的低碱性水化硅酸钙。还有许多岩石如硅灰石(β-CaO·SiO2)、假硅灰石(α-CaO·SiO2)、硅钙石(3CaO·2SiO2)、蔷薇辉石(例如3CaO·MgO·2SiO2)、橄榄石(例如CaO·MgO·SiO2)、钾长石(K2O·Al2O3·6SiO2)等本身不具有水硬性,但在掺入石灰并在203℃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非晶态火山土的生产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300～500m2/kg,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泥混合,采用干拌蒸压养护法就可生产掺30%～50%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湿拌蒸压养护法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蒸压养护法制备混凝土硅质材料,即含SiO2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300～400m2/kg)中CaO的含量为23%时,通过蒸压养护制得的灰砂混凝土抗压强度可达50～70MPa,在实验室条件下已经制得抗压强度可达150～270MPa的灰砂混凝土。在CaO/SiO2(摩尔比)为0.20～0.25、蒸压养护温度为175～203℃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,这种转化的顺序为:C2SH(A)→CSH(B)→C5S6H5(托勃莫来石)→C6S6H(硬硅钙石)→C2S3H(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粉煤灰的抗压强度土聚水泥和混凝土土聚水泥源于土(含有活性SiO2和Al2O3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%～10%、养护温度75℃或95℃时,BakharevT对粉煤灰中分别掺入NaOH溶液和水玻璃液的浆体进行了研究,得到30d抗压强度可达50MPa以上,强度随Na掺量的增加而增大,使用NaOH激发剂优于水玻璃。在月球上能找到含活性SiO2和Al2O3等的物质,如火山灰(岩)。因此,借助土聚水泥制作工艺,只要由地球上带去占土聚水泥量10%～15%的碱性激发剂(Na2O粉末或速溶水玻璃固体粉末),采用干拌蒸汽或蒸压养护法,就能制作土聚水泥及其砂浆和混凝土。2.6太阳能-电能-微波有研究者利用JSC-1土制成玻璃,并用于稳定核废料,还可制成陶瓷等材料。在月球表面有平原土砂、非晶态火山灰等,它们的化学成分中含有CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3等,低共熔点低于1250℃。只要设法利用太阳能聚焦熔炉或太阳能-电能-微波熔炉,或加入Na2O粉末以降低熔点,就能把月球表土熔化,可用于现浇路面;预制建筑构件;或者预制成玻璃板(铸石板),再用胶粘剂制成夹层玻璃;或直接现场浇筑建筑物。但需要有较低的温度变形,以免产生开裂,现有能耐1250～1400℃高温的纤维织物可作配筋使用。3带上去产生矿质材料的聚合物混凝土利用干拌蒸压养护法由于月球上为真空,故采用干拌成型工艺为好。由于真空又无水,为缩短养护时间,故采用蒸压或蒸气养护法制备混