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1 引言

從1969年7月20日阿姆斯特朗在月球表面邁出的一小步（圖1）開(kāi)始，人類(lèi)就從未停下邁向月球的腳步。月球具有可供人類(lèi)開(kāi)發(fā)和利用的各種獨特資源，是對地球資源的重要補充和儲備，將對人類(lèi)社會(huì )的可持續發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。我國在2006-2020年《國家中長(cháng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規劃綱要》中，將探月工程列為16個(gè)重大專(zhuān)項之一，列為我國科技發(fā)展的重中之重。中科院公布的“中國2050年科技發(fā)展路線(xiàn)圖”也指出，我國將在2030年前后實(shí)現載人登月，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的行星，具備載人登火星能力。

圖1 從1969年7月20日，美國宇航員阿姆斯特朗借助“阿波羅11號”宇宙飛船，成為人類(lèi)史上第一個(gè)登上月球的人

在月球上建設各種構筑物，需要用到大量的混凝土和鋼筋混凝土。然而，從零起步，建設月球基地、建設各種設施甚至建設所謂的“月球村”，是一項龐大的工程。若混凝土原材料和鋼筋等只能從地球運載過(guò)去，花費之巨可能令人望而卻步。因此，月球構筑物建設必須盡可能地就地取材，將其對地球原材料的依賴(lài)降低到最低程度。“月球混凝土（Lunar Concrete或Lunarcrete）”的概念，就是在這種背景下被鄭重提出的。

月球混凝土在國際上是一個(gè)具有重大理論意義和處于科學(xué)前沿的問(wèn)題，也是當前各國頂尖科學(xué)家們最感興趣的技術(shù)問(wèn)題。應國內同行要求，本文介紹月球表面環(huán)境特點(diǎn)及月球混凝土的適用性，以及月球的混凝土進(jìn)展，期待國內有更多學(xué)者開(kāi)展這方面的研究工作。

2 月球表面環(huán)境特點(diǎn)及月球混凝土適用性

相較于地球環(huán)境，月球表面環(huán)境極其惡劣。月球表面為真空，物體呈失重狀態(tài)（月球表面的重力加速度只有地球表面的1/6）。盡管美國科學(xué)家最近借助衛星數據分析認為，月球表面火山沉積物中可能含有水分，但并非親眼所見(jiàn)，人們更愿意暫且相信月球表面極有可能沒(méi)有水份。由于沒(méi)有空氣，月球表面的晝夜溫差非常大，溫度會(huì )在-190℃到+137℃之間變化。當各類(lèi)隕石落向月球時(shí)，墜落速度高達20 m/s-40 m/s。除此之外，月球上每年發(fā)生月震約300次，14d為1個(gè)周期。月球沒(méi)有足夠的磁場(chǎng)以阻止帶電粒子對月球表面的直接撞擊，宇宙線(xiàn)、太陽(yáng)風(fēng)等放射線(xiàn)很多，具體如表1所示。

表1 月球表面帶電粒子環(huán)境

可幸的是，通過(guò)技術(shù)方面的努力，應該能夠讓混凝土材料適應月球表面十分惡劣的環(huán)境。混凝土材料除了能夠滿(mǎn)足通常結構的強度要求，在+300℃以下的高溫和-200℃以上的低溫下，強度不會(huì )有太大的變化，甚至超低溫情況下，由于孔內冰的強度的提高，混凝土的整體強度會(huì )有所增加。

研究表明，距離月球表層1 m以下的部位，其溫度較為穩定，在-30℃左右。所以，若設計在月球地表下建設建筑物，可避免超低溫對材料和結構的不利影響。

雖月球上的月震頻繁，但其震級較小（一般只有2-3級，最大為4級左右），對月球表面的建筑結構的破壞力可忽略。

研究認為，若在建筑物（或構筑物）上加蓋2 m厚的土（或砂礫），可使建筑物免受隕石碎片的破壞，同時(shí)還可起到屏蔽輻射的作用。這一點(diǎn)極大地增強了人們在月球表面大力建設并實(shí)現居住夢(mèng)想的信心。

3 月球混凝土的研究進(jìn)展

3.1 月球表面土壤和巖石化學(xué)成分分析

從1969年到1972年，美國進(jìn)行了多次所謂的“阿波羅”宇航行動(dòng)。據稱(chēng)，通過(guò)這些史無(wú)前例的“宇航行動(dòng)”，美國科學(xué)家們對月球表面土壤和巖石進(jìn)行了“廣泛而深入”的考察，從月球表面取回了大量有代表性的土壤和巖石樣品（僅巖石樣品就達440 kg）。

通過(guò)化學(xué)分析，美國科學(xué)家發(fā)現，月球表面土壤和巖石的主要成分與地球表面土壤相似，均包含SiO2，A12O3，CaO和FeO等。這些也正是我們生產(chǎn)硅酸鹽系列水泥所必需的原材料，如表2所示。

表2 月球表面典型土壤和巖石的化學(xué)成分

3.2 利用月球表面土壤和巖石制備混凝土所需水泥和骨料

華裔美國科學(xué)家TD Lin曾提出通過(guò)加熱熔融的方法從月球表面巖石中分離出水泥主要成分的建議。其主要技術(shù)路線(xiàn)為：1）將含水泥化學(xué)成分的月球巖石加熱到比水泥化學(xué)成分熔融溫度低200 ℃左右的某個(gè)溫度，使制備水泥所需化學(xué)成分以外的成分先熔融；2）將制備水泥所需化學(xué)成分以外的成分分離出去；3）將所剩有效成分加熱到1700℃以上，急冷后便可得到鋁酸鹽水泥。

此外，還有在月球上制備水泥的方法，如將月球表面巖石反復熔融，或直接加熱到3000℃，通過(guò)對熔融物按需分離，也可制得水泥。這些方法在理論上是完全可行的，但應注意的是，加熱溫度均比當前我們在地球上生產(chǎn)水泥所需溫度高得多，而且資源消耗量也比較大。

在月球上制備混凝土所需的粗、細骨料，可直接通過(guò)破碎月球表面巖石后，篩分獲得。

3.2 月球混凝土的制備

由于過(guò)去一直認為月球上不存在水，科研工作者致力于能代替地球混凝土“骨料+水泥+水”模式的“無(wú)水拌合混凝土”所謂月球混凝土模式。干拌蒸壓養護混凝土（Concrete with Dry-Mix/Steam-Injection Method，DMSIMC）和硫磺混凝土（Sulfur Concrete，SC）被認為是月球混凝土的最佳選擇。

所謂干拌蒸壓養護混凝土，是指先按設計配合比將水泥和粗、細骨料投入攪拌機，干拌均勻后，將干拌料置入高壓定型鍋內成型，并通入高溫高壓蒸汽（105 ℃-200 ℃的飽和蒸汽）進(jìn)行養護。利用這種方法成型和養護的混凝土，用水量極少，強度發(fā)展快（24h內便可達到極限強度的90%以上），最終抗壓強度80-150MPa，甚至可超過(guò)200MPa。楊慧采用干拌蒸壓養護法制備了普通硅酸鹽水泥硬化漿體，研究了不同養護溫度和養護時(shí)間對漿體力學(xué)性能的影響，并測試了漿體的微觀(guān)結構。其研究結果顯示，在設定的養護溫度范圍（140 ℃-216 ℃）和養護時(shí)間范圍（6 h-12 h）內，隨著(zhù)養護溫度的提高和養護時(shí)間的延長(cháng)，漿體的表觀(guān)密度和抗壓強度增加。隨著(zhù)養護時(shí)間的延長(cháng)，通入的蒸汽量增加，因而漿體的水灰比增大，硬化漿體中非蒸發(fā)水（也即化學(xué)結合水）與水泥質(zhì)量的比值、氫氧化鈣含量都有所增加，這說(shuō)明漿體中水泥的水化程度提高了。王偉鋒注意到月球上存在非晶態(tài)硅質(zhì)材料這一事實(shí)，認為月球混凝土可以摻加非晶態(tài)硅質(zhì)材料以改善性能。為此，他通過(guò)試驗研究了干拌蒸壓養護條件下，非晶態(tài)硅質(zhì)材料（凝灰巖和火山巖）對混凝土性能的影響。研究結果表明，隨著(zhù)非晶態(tài)硅質(zhì)材料摻量的增加，硬化漿體、砂漿和混凝土的抗壓強度均呈先增后減的規律。其中，采用火山巖作為摻和料時(shí)，其最佳摻量為40%，與未摻火山巖的混凝土相比，摻加者抗壓強度提高了18.0%。這一研究結果也說(shuō)明采用干拌蒸壓養護法可以制備摻加大量非晶態(tài)硅質(zhì)材料的水泥硬化漿體、砂漿和混凝土，以節約水泥用量。

硫磺混凝土是一種以硫磺作膠結材料的混凝土，是將加熱的骨料與熔化的硫磺相拌合，澆筑到模具后，經(jīng)冷卻就可得到具有較高強度的構件。Toutanji H A等采用65%的JSC-1模擬物和35%的硫磺制備硫磺混凝土，在室溫下養護24 h后測定了其立方體試件的抗壓強度。結果顯示，硫磺混凝土的抗壓強度為31.0MPa，而同時(shí)期養護28 d的水泥混凝土（水灰比為0.43）的抗壓強度僅為24.4 MPa。

除生產(chǎn)中不需要水這一事實(shí)外，硫磺混凝土最大的優(yōu)點(diǎn)是它在化學(xué)侵蝕性環(huán)境中（例如在接觸鹽或酸溶液情況下）性能非常穩定。Vlahovic M M等比較了硫磺混凝土與硅酸鹽水泥混凝土在HCl、H2SO4和NaCl溶液中的耐腐蝕性。結果發(fā)現，處在酸性溶液和鹽溶液中的硅酸鹽水泥混凝土試件，2個(gè)月后即表現出嚴重的破壞現象，其質(zhì)量損失高達20%，力學(xué)性能完全喪失。相反，硫磺混凝土試件沒(méi)有顯示出任何劣化現象，且其質(zhì)量損失和抗壓強度變化都非常小。在10%HCl的溶液中浸泡2個(gè)月的硅酸鹽水泥混凝土試件和浸泡12個(gè)月后的硫磺混凝土試件的外觀(guān)如圖2所示。

圖2 在10% HCl溶液中浸泡后的試件外觀(guān)：（a）浸泡2個(gè)月的硅酸鹽水泥混凝土試件；（b）浸泡12個(gè)月的硫磺混凝土試件

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