水玻璃固化模擬月壤抗壓強度增長機理分析

汪寒艷， 馬芹永*

(1.安徽理工大學土木建筑學院， 淮南 232001； 2.安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心， 淮南 232001)

月球上含有豐富的礦物資源，登月開發(fā)月球、月球基地建設已成為新興航天大國之間的競爭焦點[1]。而月球基地建設需要大量的建筑材料，同時耗費大量的財力資源，故利用月球已有資源尤為重要[2]。近年來，國內外專家對模擬月壤進行大量的研究。劉德赟等[3]制備了不同含水量下的凍土模擬月壤，并進行鉆取試驗。蔡建國等[4]利用放電等離子燒結技術(spark plasma sintering,SPS)實現(xiàn)了模擬月壤的成型,并對其抗壓強度和彈性模量進行研究。文獻[5-6]提出了一種將月壤模擬物進行熔化處理，通過激光熔化技術提高模擬月壤的強度。Khoshnevis等[7]利用富含硫的月壤土生產硫黃混凝土，但硫黃混凝土的耐久性、耐火性效果不好。Taylor等[8]通過聚焦太陽光的高溫光束來固化月球土壤用來覆蓋月球表面，然而材料內部的熱應力會導致月壤板的變形，實際施工中是不理想的。因此需要研制一種在極端條件下具有良好力學性能的月球建筑材料[9-10]。

地聚合物在極端的條件下具有良好的力學性能和耐久性。該材料在反應過程中消耗的水分很少，大部分水均可以循環(huán)利用[11]。Montes等[12]利用JSC-1A模擬月壤制備了一種土聚合物，這種地聚合物具有抗輻射能力。Wang等[13]利用喀麥隆的火山灰制備月壤模擬物，并證實其有較好的抗凍性。Zhou等[14]在高溫蒸養(yǎng)條件下利用NaOH激發(fā)模擬月壤，使得其抗壓強度提高一倍。Alessio等[15]利用K2SiO3和NaOH混合溶液激發(fā)模擬月壤，并研究了模擬月壤的力學性能。王開拓[16]選用不同的堿激發(fā)劑在不同的養(yǎng)護條件下對模擬月壤進行激發(fā)，得出干粉水玻璃激發(fā)模擬月壤的抗壓強度效果最佳。

目前模擬月壤地聚合物的研究主要集中在宏觀力學性能、破壞形態(tài)以及變形等方面，對微觀結構以及能量演化方面研究較少，而實際上模擬月壤材料的破壞是其內部能量耗散和釋放的結果。因此研究不同摻量水玻璃下模擬月壤材料破壞過程中的能量變化，可評估不同摻量水玻璃下模擬月壤抵抗外荷載的能力，進而闡述其強度變化機理。

基于上述研究，選用玄武巖作為模擬月壤材料，進行不同水玻璃摻量和不同養(yǎng)護溫度下的單軸抗壓強度試驗，結合X射線衍射試驗和SEM(scanning electron microscope)試驗，得到水玻璃固化模擬月壤的抗壓強度變化規(guī)律，分析水玻璃固化模擬月壤的能量變化和微觀結構，為水玻璃固化月壤在月球基地建設中提供相應試驗依據。

1 樣品制備及試驗方案

1.1 樣品制備

試驗所用的模擬月壤材料取自南京市六合區(qū)的顆粒狀堿性橄欖玄武巖，其表面為凹凸不平，具有棱角、勾角等不規(guī)則形狀，符合真實月壤的顆粒形態(tài)[17]。真實月壤的絕大部分粒徑分布在30 μm～1 mm，平均粒徑約為70 μm，即月壤的粒徑普遍小于1 mm，取模擬月壤材料玄武巖的主要的化學成分如表1所示，顆粒粒徑分布如圖1所示。主要的礦物成分如圖2所示。

表1 樣品化學成分Table 1 Chemical composition of samples

圖1 模擬月壤的粒徑分布Fig.1 The particle size distribution of simulated lunar soil

圖2 模擬月壤的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of simulated lunar soil

Gladstone等[18]和Colaprete等[19]證實了月球極區(qū)有水資源存在，且水分含量在5.6%～11.5%。取不同含水率(3%、5%、7.5%、10%)進行初步抗壓強度試驗，通過含水率試驗，可知當含水率為7.5%時模擬月壤的抗壓強度最大。在此基礎上摻入不同摻量水玻璃研究模擬月壤的力學特性，水玻璃的模數(shù)為1.2，質量摻量比分別為1%、3%、5%、7%。按照以下過程制備試樣：將烘干后的玄武巖試樣進行篩分試驗，然后根據試驗配比向試樣中均勻噴灑預定質量的水玻璃溶液并確保攪拌均勻。隨后采用分層擊實法[20]將土樣擊實，先將已擊實的土樣進行刨毛，然后加入第二層土樣，依次反復，直至完成直徑50 mm，高100 mm的標準圓柱體試樣的制備。將制備好的試樣用保鮮膜密封包裹，分別放入已經恒定的25、50、85、120 ℃的溫度環(huán)境下進行養(yǎng)護12 h，再放入室溫下進行養(yǎng)護28、14、7、3 d。

1.2 試驗方案

試驗在安徽理工大學力學性能試驗室的WDW-200微機控制電子萬能材料試驗機上進行。試驗機加載速率為1 mm/min。試驗方案為不同試樣養(yǎng)護溫度25、50、85、120 ℃，不同的水玻璃質量摻量1%、3%、5%、7%固化模擬月壤抗壓強度試驗,每個齡期16組48個試樣,共192個試樣(每個試驗工況3個平行試樣)。在恒定的變形速率下進行單軸加載至20%的應變后停止試驗。

2 單軸抗壓試驗結果分析

2.1 抗壓強度分析

模擬月壤的抗壓強度是其最基本的力學特性，它不僅與模擬月壤本身的物理性質有關，還與養(yǎng)護條件和堿激發(fā)劑密切相關。

2.1.1 抗壓強度隨水玻璃摻量變化

模擬月壤的抗壓強度隨水玻璃摻量的變化如圖3所示。

不同齡期試樣的抗壓強度較未摻水玻璃的試樣(抗壓強度為90 kPa)有大幅增加。從圖3可以看出：①不同齡期的模擬月壤抗壓強度隨水玻璃摻量的變化趨勢一致，隨水玻璃摻量增加，抗壓強度先增大后減小，水玻璃摻量為5%時，強度最大；②隨著養(yǎng)護齡期增加，無側限抗壓強度均呈增大趨勢，當水玻璃摻量為5%時，28 d抗壓強度較14、7、3 d分別提高30%、56%、65%。

圖3 抗壓強度隨水玻璃摻量變化Fig.3 The compressive strength varies with the content of sodium silicate

模擬月壤抗壓強度隨水玻璃摻量的增加先增大后減小，說明添加的水玻璃并非越多越好，當超過某一摻量后，由于過多的水玻璃沉積不能充分與玄武巖反應等原因，導致二者之間反應不完全，從而引起抗壓強度降低。隨著養(yǎng)護齡期的增長，聚合反應更充分，生成的水化產物越多，從而模擬月壤的抗壓強度越高。

2.1.2 抗壓強度隨養(yǎng)護溫度變化

圖4為在不同的溫度下養(yǎng)護12 h，再放在室溫下養(yǎng)護14 d的模擬月壤強度變化特征。

從圖4可以看出，在養(yǎng)護齡期為14 d條件下，短期的高溫養(yǎng)護對抗壓強度的提高有較大影響：①不同摻量下水玻璃隨短期養(yǎng)護溫度的變化趨勢一致，隨著養(yǎng)護溫度的升高，無側限抗壓強度先增大后減小，峰值點位于養(yǎng)護溫度為85 ℃處；②經過12 h的短期高溫養(yǎng)護，模擬月壤強度均呈現(xiàn)不同程度的提高，在水玻璃摻量均為5%時，抗壓強度最大提高了175%。

圖4 模擬月壤強度和養(yǎng)護溫度的關系Fig.4 The relationship between simulated lunar soil strength and curing temperature

從圖4中可以看出，熱養(yǎng)護模擬月壤可以促進體系反應的發(fā)生，形成更多的地聚合物凝膠，提高試件的強度。但熱養(yǎng)護的溫度過高時，由于適當?shù)母邷仞B(yǎng)護使基體內的活性組分已完全反應，過高的養(yǎng)護溫度會使體系內產生熱應力，從而促使裂縫的產生，抗壓強度也會下降[21-22]。文獻[23]發(fā)現(xiàn)在堿激發(fā)火山灰的體系中，高溫養(yǎng)護溫度存在一個臨界值，過高的養(yǎng)護溫度會破壞地聚合物的內部結構，且在過量的堿環(huán)境中試件容易出現(xiàn)裂紋，強度有所下降。

2.2 應力-應變曲線特征

由于模擬月壤應力-應變曲線形態(tài)表現(xiàn)較相似，因此選取水玻璃質量摻量比為5%和養(yǎng)護14 d為例，其單軸抗壓應力-應變曲線如圖5所示。

比較圖5(a)和圖5(b)可知，模擬月壤應力-應變曲線受養(yǎng)護溫度和水玻璃摻量影響較顯著。在相同摻量水玻璃條件下，隨著養(yǎng)護溫度的升高，應力-應變曲線由“扁平”逐漸演變?yōu)椤罢荨保f明在合適的溫度范圍內，養(yǎng)護溫度越高，試樣獲得較大的單軸抗壓強度和較高的彈性模量。在養(yǎng)護溫度為85 ℃時，應力應變曲線的峰值最大；在同一養(yǎng)護溫度條件下，當水玻璃摻量為5%時，應力-應變曲線呈現(xiàn)“窄瘦”型，說明試樣獲得較高的彈性模量，此時試樣同樣獲得較高的強度。高溫養(yǎng)護和摻水玻璃并沒有明顯改變模擬月壤的破壞形式，所有的試樣均呈現(xiàn)脆性破壞。

圖5 不同溫度和不同水玻璃摻量應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curve of different temperature and different sodium silicate content

如圖6所示，雖然高溫養(yǎng)護和摻水玻璃對試樣的應力-應變曲線的形狀有所影響，但試樣的破壞形式均相似，破壞過程大致分為以下階段：壓實階段(OA);線彈性階段(AB);塑性屈服階段(BC)和破壞階段(CD)。

圖6 模擬月壤應力-應變曲線及其破壞形式Fig.6 Stress-strain curve of simulated lunar soil and its failure form

2.3 單軸壓縮過程中能量特征

2.3.1 能量計算

模擬月壤變形破壞過程本質上是能量輸入、耗散和釋放過程。在壓力機加載過程中，不斷向試塊輸入能量，在達到應力峰值前試樣吸收能量，在峰值破壞后則不斷釋放彈性能。輸入的能量主要是壓力機加載中對模擬月壤試樣做的功，其中大部分以可釋放彈性能的形式存在于試樣內部，另一部分以裂隙，變形破壞等形式耗散掉，同時少量以摩擦熱能釋放到外界[24-25]。

根據熱力學第一定律[26]，壓力機對模擬月壤試樣加載過程所做的功Q為

Q=Qd+Qe

(1)

式(1)中：Q為壓力機所做的功；Qd為耗散能；Qe為彈性能，MJ/m3。

模擬月壤試樣在單軸壓縮過程中，Q、Qd、Qe計算公式分別為

(2)

(3)

Qd=Q-Qe

(4)

式中：σ0和ε0分別表示模擬月壤的應力和應變值；E為應力-應變曲線中直線段的斜率[27]。

2.3.2 能量演化特征

通過對不同養(yǎng)護溫度和不同摻量水玻璃作用下的模擬月壤進行單軸抗壓試驗，得到單軸壓縮過程中試樣能量-養(yǎng)護溫度以及能量-水玻璃摻量關系曲線(養(yǎng)護齡期14 d)如圖7、圖8所示。

圖7 模擬月壤能量參數(shù)與養(yǎng)護溫度的關系Fig.7 The relationship between simulated lunar soil energy parameters and curing temperature

圖8 模擬月壤能量參數(shù)與水玻璃摻量的關系Fig.8 The relationship between simulated lunar soil energy parameters and sodium silicate content

由圖7可得到以下結論。

(1)在單軸抗壓試驗中，隨著養(yǎng)護溫度的升高，總能量和耗散能均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。在養(yǎng)護溫度為50 ℃時，總能量和耗散能均達到最大，分別為0.020 1、0.014 8 MJ/m3。

(2)彈性能在養(yǎng)護溫度為85 ℃時達到最大值，為0.013 8 MJ/m3。

(3)整體來看，耗散能占總能量的比例較大，在85 ℃養(yǎng)護條件下，彈性能和耗散能的占比幾乎一樣。養(yǎng)護溫度大于85 ℃時，耗散能占比上升，彈性能占比下降。

由圖8可知：

(1)隨著水玻璃摻量的增加，總能量和彈性能均呈先增大后減小趨勢。在水玻璃摻量為5%時，總能量和彈性能達到最大，分別為0.031 3，0.019 5 MJ/m3。

(2)耗散能整體上呈現(xiàn)上升趨勢。

(3)在水玻璃摻量為5%時，彈性能占比大于耗散能占比，摻量大于5%后，彈性能占比下降，耗散能占比上升。

綜上分析，在合適的養(yǎng)護溫度下，適量的水玻璃摻入模擬月壤中能有效提高彈性能，減少耗散能的損失。原因在于，水玻璃的摻入能有效減少模擬月壤內部裂縫的擴展，改善應力集中現(xiàn)象；適當?shù)母邷仞B(yǎng)護能加速水化反應的發(fā)生，生成的凝膠物質進一步加強顆粒之間的黏結。

3 微觀結構特征分析

3.1 X射線衍射分析

X射線衍射是分析晶體礦物成分組成的一種重要方法。對模擬月壤，水玻璃摻量為5%的模擬月壤試樣(養(yǎng)護時間14 d，養(yǎng)護溫度85 ℃)進行X射線衍射分析。從而探討在水玻璃堿激發(fā)作用下生成物的化學成分。

圖9為模擬月壤和水玻璃摻量5%模擬月壤的X射線衍射譜圖，根據各組分衍射峰位置分布，可以明顯觀察出模擬月壤的主要礦物成分主要為鈣長石、鈉長石和輝石等。摻入5%水玻璃后，部分礦物衍射強度發(fā)生改變，鈣長石衍射強度升高，且有密集的非晶體物質增加[28]。在2θ<50°區(qū)域內有明顯的硅鋁酸鹽聚合物凝膠(N—A—S—H)生成。王東星等[29]研究發(fā)現(xiàn)，堿激發(fā)劑能有效激發(fā)硅鋁質地聚合物的活性組分，引起玻璃體結構中Si—O鍵和Al—O鍵的斷裂，重新聚合生成N—A—S—H凝膠。與此同時，在5%摻量水玻璃的模擬月壤試樣中，發(fā)現(xiàn)有AFt衍射峰形成。簡文彬等[30]研究表明，硅鋁質地聚合物的水化反應前期產物主要有AFt和水化硅酸鈣凝膠。

圖9 水玻璃固化模擬月壤XRD圖Fig.9 XRD pattern of simulated lunar soil solidified by sodium silicate

3.2 SEM掃描電鏡分析

通過掃描電鏡試驗，觀察模擬月壤微觀形貌。圖10(a)是模擬月壤SEM圖像，圖10(b)和圖10(c)分別是摻量為1%和5%水玻璃的模擬月壤SEM圖像。從圖像圖10(a)上可以看出，模擬月壤的骨架顆粒以單粒為主，孔隙的形狀不規(guī)則，孔隙間無填充物。模擬月壤顆粒間呈現(xiàn)點接觸，顆粒間排列亂雜且離散性大。通過摻入水玻璃，顆粒表面出現(xiàn)絮狀膠凝產物，顆粒間被緊密接觸，孔隙被膠凝物質填充，整體結構看起來更加密實，宏觀上表現(xiàn)模擬月壤地聚合物強度增強。

圖10 水玻璃固化模擬月壤SEM圖(14 d，85 ℃)Fig.10 SEM image of simulated lunar soil solidified by sodium silicate (14 d, 85 ℃)

圖10(b)可以看出，摻入適量水玻璃后，部分模擬月壤顆粒表面及周圍有白色凝膠出現(xiàn)，根據周恒宇等[31]研究結果初步判定該白色膠凝物質是N—A—S—H凝膠。此時顆粒被凝膠包裹，表面相對光滑，同時顆粒由原來松散狀態(tài)變?yōu)閳F聚結構，骨架之間有效搭接。將水玻璃摻量提高至5%，如圖10(c)所示，模擬月壤顆粒周圍以及內部有大量的針刺狀和柱狀晶體生成，根據文獻[28]研究發(fā)現(xiàn)，硅鋁質地聚合物的早期水化產物主要為AFt。這是模擬月壤地聚合物早期強度增強的主要原因，此時顆粒之間通過這些纖維狀晶體完成了膠結形成網路，直到顆粒完全被包裹，此時模擬月壤地聚合物的強度進一步增強。

4 水玻璃固化機理分析

(1)水玻璃對模擬月壤的堿激發(fā)作用。模擬月壤的主要化學成分是SiO2和Al2O3，大部分為玻璃體結構。水玻璃溶液經水解后產生NaOH和硅酸，NaOH為反應體系提供OH-，促進模擬月壤玻璃體中的Si—O和Al—O鍵斷裂；硅酸提供了大量的活性硅，從而使體系中硅離子、鋁離子與堿性硅鋁酸鹽發(fā)生縮聚反應，水化生成N—A—S—H凝膠和AFt等產物。

(2)水玻璃與模擬月壤顆粒中的長石、輝石等礦物存在吸附作用。模擬月壤中的鈣、硅、鋁等元素溶出與水玻璃發(fā)生反應，生成水化硅酸鈣凝膠。同時硅酸鹽離子和硅膠吸附在模擬月壤顆粒表面，形成大的膠粒團，由于硅氧和硅鋁四面體結構不穩(wěn)定易發(fā)生縮聚反應，形成具有高聚合度的硅酸鹽凝膠共存網狀結構產物，沉積在顆粒孔隙之間，且有大量凝膠體通過吸附作用包裹在骨架顆粒表面[如圖10(b)]。

(3)水玻璃摻量對強度的影響。水玻璃的摻量決定了SiO2和Na2O的濃度，當水玻璃摻量為1%時，SiO2和Na2O含量較少，起不到有效的激發(fā)作用，從而水化反應玻璃體表面溶出的產物較少，對強度提高效果不明顯；當水玻璃摻量為5%時，體系內SiO2和Na2O含量有所提高，激發(fā)作用明顯提升，玻璃體表面溶出物質增多，且水化生成了大量的水化硅酸鈣，AFt和N—A—S—H凝膠等產物，對模擬月壤地聚合物強度提高明顯；當水玻璃摻量大于5%時，SiO2和Na2O含量過高，在提高激發(fā)速度外還生成了大量的凝膠，并包裹未反應部分進而阻止反應進行。

5 結論

(1)單軸抗壓強度試驗表明：水玻璃摻量和養(yǎng)護條件對提高模擬月壤強度有明顯影響。當摻量由1%增加到7%時，模擬月壤的強度呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，在摻量為5%時，模擬月壤的抗壓強度最大；當養(yǎng)護溫度由25 ℃增加到120 ℃時，模擬月壤的強度先增大后減小，在養(yǎng)護溫度為85 ℃時，抗壓強度達到最大。

(2)模擬月壤破壞過程實際上是內部能量的釋放和耗散，摻量為5%的水玻璃摻入模擬月壤中能有效提高其彈性能，減少耗散能的損失。

(3)微觀試驗表明：在水玻璃激發(fā)作用下，模擬月壤的內部微觀結構發(fā)生變化。水玻璃的堿激發(fā)作用和水玻璃與模擬月壤顆粒中的長石和礦物等存在吸附作用致使生成N—A—S—H凝膠，AFt等產物，使得原本松散的模擬月壤顆粒通過凝膠而黏結成一個緊密的空間網狀結構，從而提高了模擬月壤的抗壓強度。