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月球混凝土研究進(jìn)展及展望(2) 發(fā)布時(shí)間:2019-06-17   瀏覽量:2422次

然而,值得注意的是,硫磺混凝土在技術(shù)方面仍存在一定的局限性。在硫磺混凝土施工成型的過(guò)程中,硫磺(S)由熔融液態(tài)冷卻至固態(tài)狀態(tài)時(shí),會(huì )發(fā)生β晶型(單斜硫)向α晶型(斜方硫)轉變的過(guò)程,這一過(guò)程造成較大的固相體積收縮,晶粒間產(chǎn)生的內應力會(huì )導致微裂紋。包含有較多微裂紋的硫磺混凝土在應用中受力可能發(fā)生脆性破壞。研究表明,添加硫磺增塑劑或某些改性劑,會(huì )一定程度上降低硫磺混凝土的脆性,但在將硫磺加熱至130 ℃-140 ℃使其熔化的過(guò)程中,添加硫磺增塑劑或改性劑又會(huì )產(chǎn)生有害氣體,污染環(huán)境并影響人體健康。硫磺混凝土的強度不高,當硫磺混凝土中的硫磺用量達35%時(shí),即使摻加2%的金屬纖維,試件抗壓強度仍只有43.0 MPa。硫磺混凝土試件成性養護完成后,若暴露熱循環(huán)環(huán)境下中,其耐久性會(huì )很差。硫磺的熔融溫度較低(130 ℃-140 ℃),所以硫磺混凝土的耐火性差,若將其暴露在明火之中,其表面的硫磺將被燃燒掉。因此,若想安全地應用硫磺混凝土,還需對其進(jìn)行增強、增韌,并采取有效的防火措施。


3.3 月球環(huán)境對混凝土的影響

 

當科學(xué)家們宣布已探測到月球南北兩極有相當的冰儲備量(0.1億t-3億t),人們有理由相信,月球混凝土的生產(chǎn)用水問(wèn)題應該能夠得到一定程度的解決。在這種情況下,月球混凝土的研制路線(xiàn)又回到了“骨料+水泥+水”的傳統混凝土模式。


但是,月球失重狀況下,水泥的水化進(jìn)程是否會(huì )受到影響?水泥水化產(chǎn)物的結構和形貌如何?水泥混凝土強度發(fā)展如何?這些問(wèn)題激發(fā)了人們更大的研究興趣。


為了解月球失重狀態(tài)對混凝土內部水泥水化進(jìn)程的影響, 德國慕尼黑工業(yè)大學(xué) Plank J教授課題組的Meier M R等在以?huà)佄锞€(xiàn)飛行模式飛行的飛機上進(jìn)行了微小重力條件對水泥早期水化影響的研究試驗,拋物線(xiàn)飛行的模式如圖3所示。0時(shí)刻時(shí),飛機開(kāi)始上升。在飛機上升過(guò)程中,超重力(1.8 g)階段約為20 s。當上升角達到47°時(shí),飛機發(fā)動(dòng)機處于空轉狀態(tài),飛機漂浮22 s,執行拋物線(xiàn)飛行,此時(shí)艙內屬于微重力狀態(tài)。當角度達到42°時(shí),飛機退出拋物線(xiàn),重新回到水平飛行位置。機艙內在試驗裝置如圖4所示,它由三個(gè)注射器組成,其中一個(gè)裝有5 g水泥,一個(gè)裝有5 mL去離子水,另一個(gè)裝有10 mL丙酮。試驗中,當力為0 g時(shí),立即將水注入裝有水泥的注射器內,并通過(guò)輕微搖動(dòng)使懸浮液混合均勻。10s后,將水從漿液中壓出,轉動(dòng)閥門(mén),注入丙酮,并與脫水水泥混合以終止其水化作用。整個(gè)試驗過(guò)程必須在超重力開(kāi)始前20 s內完成。

 

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圖3 飛機拋物線(xiàn)飛行模式

 

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圖4 機艙內的試驗裝置

 

試驗結果發(fā)現,在微重力條件下水泥漿體內形成的鈣礬石晶體的長(cháng)徑比更大,微重力似乎阻礙了鈣礬石側面的生成,這可能是由于在這種環(huán)境中沒(méi)有對流所造成的。由于離子轉移到晶體表面的速度較慢以及晶體生長(cháng)速度減慢,本體溶液在較長(cháng)時(shí)間內保持著(zhù)過(guò)飽和狀態(tài)。因此,在微重力條件下,均勻成核的持續時(shí)間較長(cháng),形成了更多晶核。然而,由于過(guò)飽和度迅速降低,這些晶核不能持續生長(cháng),晶體的平均尺寸較小。在摻加聚羧酸系減水劑(PCE)的情況下,產(chǎn)物鈣礬石晶體的長(cháng)徑比發(fā)生了顯著(zhù)的變化,表明特定晶面通過(guò)吸附PCE可部分地阻止其生長(cháng)。他們認為這可以通過(guò)PCE占據的表面和數量不同來(lái)解釋。在微重力條件下,所有PCE(即使是陰離子電荷較低)對鈣礬石晶體生長(cháng)的影響均較強,而在正常情況下,只有電荷量較大的陰離子聚合物才會(huì )對其產(chǎn)生強烈的影響。因此,低陰離子電荷的PCE在沒(méi)有重力的情況下更多地影響鈣礬石的尺寸并顯示出“強失重效應”,如圖5所示。而對鈣礬石有強烈吸附作用的PCE,其在地面和微重力條件下都能顯著(zhù)抑制鈣礬石晶體的生長(cháng)。晶體生長(cháng)動(dòng)力學(xué)已被“強PCE效應”減速時(shí),微重力的附加效應對晶體生長(cháng)已沒(méi)有太大影響。

 

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圖5 重力和PCE吸附對離子向鈣礬石晶核表面遷移的影響

 

4 展望

 

人類(lèi)對月球(甚至火星)等可能讓生物生存的探索力度越來(lái)越大,步伐也在加快。盡快創(chuàng )造條件建設月球基地(甚至移民到火星),是各國的偉大夢(mèng)想,也引起21世紀世界大國間的科技之爭。建設月球基地首先要解決建筑材料,月球混凝土將在其中扮演至關(guān)重要的角色。


月球混凝土的概念并非新奇,然而在研究的過(guò)程中仍有許多問(wèn)題亟待解決,例如月球混凝土材料、結構與性能之間關(guān)系的理論體系,微小重力條件下攪拌、成型和養護問(wèn)題。微小重力條件下水泥的水化、硬化和強度建立問(wèn)題等。


雖已有關(guān)于微小重力條件對水泥早期水化的影響的些許研究成果,但在未來(lái)的研究工作中,應該必須延長(cháng)到更長(cháng)的時(shí)間段,在混凝土的整個(gè)塑性階段和硬化階段內觀(guān)察鈣礬石、氫氧化鈣和水化硅酸鈣的生長(cháng),以獲得更多關(guān)于硬化水泥漿體微觀(guān)結構發(fā)展的信息。真空環(huán)境下混凝土的干燥收縮量將會(huì )特別大,產(chǎn)生干燥收縮裂紋的可能性也會(huì )很大,如何防止其產(chǎn)生干燥裂紋需要我們慎重考慮。


還有,在月球表面如何正確檢測和評價(jià)水泥、骨料、混凝土及其他建筑材料的性能,似乎也應該提上議事議程了。


不管有多難,人類(lèi)建設月球基地,甚至移民到火星的夢(mèng)想終將實(shí)現!希望更多土木工程材料研究工作者引領(lǐng)和參與到月球混凝土、火星混凝土的研究工作中。


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