月球用水泥及混凝土的探索和设计

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发布时间：2021-09-05

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月球用水泥及混凝士的探索和设计
叶青“ ，杨慧，马成畅
(1．浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州310014；
2．浙江工业大学浙西分校建筑工程系，浙江衙州324000)
摘要：在总结现有研究的基础上，设想在月球环境下制造水泥及其混凝土。结合月球实际，设想利用月球表面的硅质材料，通过
干拌蒸汽养护或蒸压养护法和碱性激发材料(硅酸盐水泥、石灰、氧化钠、硅酸钠等)激发，探索和设计适用于月球的蒸压养护大掺
量硅质材料的硅酸盐水泥混凝土、蒸压养护硅酸盐混凝土和蒸汽养护或蒸压养护土聚水泥混凝土，为未来月球基地建设服务。
关键词：月球水泥；月球混凝土；干拌蒸压养护法；硅质材料；碱性激发材料
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1001—702X(2010)05—0016—04
Expioration and design of cement and concrete for the lunar environment
YE Qi ，YANG Hui1,MA Chengchanf
(1．College of Civil Engineering，Zh~iang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China：
2．Department of Civil Engineering，West Branch of Zhejiang University of Technology，Quzhou 324000，Zhejiang，China)
Abstract：On the basis of reviewing some existing researches，the producing of cement and concrete in lunar environment is
assumed．In combination with the actual condition of lunar environment，with the assumption of making use of the siliceous
materials on the lunar surface，and through dry mix／steam injection or autoclave curing and alkali-activated materials (Portland
cement，lime，sodium oxide and sodium silicate and SO on) activating，autoclaved Portland cement concrete with large amount of
siliceous materials，autoclaved Portland concrete and steam injection／autoclaved geopolymeric cement concrete applieable for lunar
environment were explored and designed，providing services for future lunar base construction．
Key words：lunar cement：lunar concrete；dry——mix／steam ——injection method；siliceous material：alkali—-activated materials
0 前言 1 国内外研究现状及发展动态分析
月球具有可供人类开发和利用的各种独特资源，是对地
球资源的重要补充和储备，将对人类社会的可持续发展产生
深远的影响。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。
收稿日期：2009—09—19
作者简介：叶青，男，1960年生，浙江嘉善人，工学博士，教授，主要从
事水泥和混凝土材料的研究。电话：0571—85816061。
·16· 新型建筑材料 2010．5
1．1 月球环境的概况
地貌[31(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，14 d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14 d，黑夜
也是14 d，由于没有空气，昼夜温差非常大(一190～137℃)，但
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叶青，等：月球用水泥及混凝土的探索和设计
距地表1 m以下的温度很稳定，在一30℃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2in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 40 m／s。如果构筑物盖上2 m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 月球表面物质的化学成分
从1969年到1972年，美国共进行了多阿波罗”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440 kg。对许多月球
土壤样品进行化学分析，主要成分为SiO：、AI20 和CaO等(见
表1口】)。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300 500 m2／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一1土[51。利用它可以进行当今的系列研究，如利用
JSC一1土制成玻璃，并用于稳定核废料，还可制成陶瓷等材料。
表1 月球表面部分物质的化学成分％
项目 SiO2 A1203 CaO FeO Fe203 MsO TiO2
平原土砂 42．16 13．60 l 1．94 15．34 7．76 7．75
高地土砂 44．77 28．48 l6．87 4．17 4．92 0．44
非晶态火山土44．87 25．48 l4．52 5．75 8．1 1 0．51
JSC一1土 47．70 15．02 10．42 7．35 3．44 9．0l 1．59
1．3 美国的月球水泥
1986年，华裔美国科学家林博士(TD Lin)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l5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 干拌蒸压养护砂浆和混凝土的制作
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[21。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l d即可水化
和固化，其混凝土强度可达到50 70 MPa，比传统混凝土提高
l倍左右，而所需的水泥量只有传统混凝土的l／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Nan Su和Yawnan Peng悯与TD Lin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 月球混凝土的系列研究
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
环境印。但将这些设想付诸实施还需进行一系列的基础研究。
例如，TD Lin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f7】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 在失重和真空环境下混凝土的力学性能研究
日本学者网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l／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 月球用水泥和混凝土的设计
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，1 t水泥大
概能制得3 m 混凝土。建设1个3 mx3 mx3 m的立方体建
筑，在壁厚为0．25 m时，需要约l1．5 m 混凝土，大约需要4 t
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