如何利用地球材料制備月壤

一、引言月球是離地球最近的天體。獨(dú)特的太空環(huán)境和豐富的礦產(chǎn)資源使月球成為深空探索任務(wù)的關(guān)鍵中轉(zhuǎn)站。目前，登月開(kāi)發(fā)月球資源、建設(shè)月球基地已成為各航空航天大國(guó)和新興國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。早在1972年，美國(guó)工程教育學(xué)會(huì)（ASEE）工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究所和休斯敦大學(xué)就提出建立一個(gè)盡可能獨(dú)立于地球的12人月球殖民地，用以開(kāi)發(fā)利用月球資源。中國(guó)也將載人登月和建立月球基地的目標(biāo)納入探月工程遠(yuǎn)景規(guī)劃之中。（一）月球環(huán)境月球的環(huán)境在許多方面都與地球不同。在月球上，最主要的特殊環(huán)境因素是極端的溫度、強(qiáng)烈的輻射以及沒(méi)有大氣層，這些因素都嚴(yán)重給人類(lèi)駐月生存帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。月球基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)于提高月球基地的安全性、功能性和運(yùn)行效率起著至關(guān)重要的作用。月球上的溫度在?233~125°C之間，由于沒(méi)有大氣傳熱，其表面溫度晝夜變化很大（一個(gè)月球日大約相當(dāng)于地球上的一個(gè)月）。由于月球本身具有非常低的熱慣性，它白天的表面溫度主要取決于吸收的太陽(yáng)輻射。在月球赤道，滿月吸收太陽(yáng)輻射產(chǎn)生123°C的月球溫度，且溫度隨緯度增加而降低。流星體是在月球上另一個(gè)威脅人類(lèi)生存安全的因素。幾乎每年都有質(zhì)量為毫克級(jí)別的微流星體撞擊月球設(shè)施的事件發(fā)生。質(zhì)量為10-6

g的隕石可在月球上形成直徑達(dá)500μm的撞擊坑。有記錄的與月球最大的撞擊是1972年7月和1975年5月由約5t的流星體產(chǎn)生的。在1972—1977年的月球地震監(jiān)測(cè)期間，總共觀測(cè)到7次1t或以上的流星體撞擊。雖然撞擊月球的主要流星體質(zhì)量較小，但它們的影響可能是毀滅性的。例如，撞擊引起的地震可能引發(fā)隕石坑壁的滑坡和崩塌。因此，許多研究人員面臨的主要挑戰(zhàn)是建造一個(gè)高強(qiáng)度的月球庇護(hù)所抵抗撞擊。月球表面的輻射主要來(lái)自太陽(yáng)輻射、銀河系輻射和人為輻射。人為輻射，例如，使用放射性能源產(chǎn)生的輻射，相對(duì)來(lái)說(shuō)易于控制。然而，太陽(yáng)輻射和銀河系的輻射更加嚴(yán)重且難以解決。太陽(yáng)高能粒子形式的太陽(yáng)輻射含有超過(guò)10MeV且大于3×107

cm?2的粒子，這種輻射是不可預(yù)測(cè)的，對(duì)駐月人員的健康有害。另外，太陽(yáng)輻射中的高能質(zhì)子會(huì)產(chǎn)生單粒子效應(yīng)，有可能損壞月球探測(cè)器的電子元件。這些高能質(zhì)子還會(huì)使光學(xué)材料電離，導(dǎo)致月球探測(cè)器上的光學(xué)器件發(fā)生故障。如果月球基地長(zhǎng)期存在，可以假設(shè)至少會(huì)經(jīng)歷一次重大的太陽(yáng)活動(dòng)。因此，有必要做好防輻射的準(zhǔn)備。由于月球上的重力很低，表面地形崎嶇不平，還存在月壤揚(yáng)塵，月球車(chē)很難高速行駛。隕石撞擊月表形成盆地和高山，使月表高低起伏。月球表面的浮塵很容易附著在月球車(chē)的太陽(yáng)能電池板上，導(dǎo)致其設(shè)備故障。阿波羅15號(hào)月球車(chē)的最高速度僅為每小時(shí)13km，而玉兔月球車(chē)在中國(guó)的最高速度僅為每小時(shí)0.2km。修建具有堅(jiān)硬表面的月球路面，可以有效提高月球車(chē)的運(yùn)輸速度和安全性，進(jìn)一步提高人員和貨物的運(yùn)輸效率，改善月球科學(xué)研究活動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施。（二）原位資源利用建設(shè)月球基礎(chǔ)設(shè)施月球環(huán)境與地球的差異給人類(lèi)生存帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。但是，地月環(huán)境差異也為未來(lái)空間探索提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)?？紤]到將大宗材料從地球運(yùn)送到月球的高難度和高成本，進(jìn)行月球就地資源利用生產(chǎn)建筑材料變得至關(guān)重要。原位資源利用（ISRU）技術(shù)已成為月球建設(shè)中的熱門(mén)研究課題。月球表面幾乎全部被月壤覆蓋，國(guó)內(nèi)外的研究人員以各種技術(shù)路線利用月壤生產(chǎn)建筑材料。一些研究人員利用富含硫的月壤來(lái)制造硫磺混凝土，在能從月壤中提取硫磺的前提下，以硫磺為膠結(jié)料、大顆粒月壤為骨料制備混凝土。雖然這種方法解決了原料的來(lái)源問(wèn)題，但仍存在一些缺點(diǎn)，主要影響因素是硫磺工作溫度的限制。當(dāng)溫度達(dá)到119°C時(shí)，硫磺混凝土?xí)刍冃?，而月球表面最高溫度可達(dá)125°C，這大大限制了硫磺混凝土的應(yīng)用。此外，高低溫交變環(huán)境下的低耐久性也限制了硫磺混凝土在月球上的應(yīng)用。月球上很容易獲取玄武巖風(fēng)化層。提出了一種生產(chǎn)建筑材料的方法，即把月球玄武巖在1300~1350°C的溫度下熔化，然后將其倒入轉(zhuǎn)筒中在一定溫度和壓力作用下結(jié)晶，然后倒入預(yù)制模具中硬化成型。鑄造玄武巖的一個(gè)問(wèn)題是冷卻過(guò)程中的收縮開(kāi)裂。另一個(gè)問(wèn)題是，鑄造的玄武巖脆性較強(qiáng)，給后期使用過(guò)程中的切割或鉆孔帶來(lái)困難。另一種方法是通過(guò)聚焦太陽(yáng)光得到高溫光束來(lái)熔融固化月壤。然而，燒結(jié)過(guò)程中材料內(nèi)部的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致月壤發(fā)生變形開(kāi)裂，使大規(guī)模應(yīng)用成為困難。（三）模擬月壤綜述從月球采集帶回的真實(shí)月壤數(shù)量十分有限。利用原位資源利用進(jìn)行月球基地建設(shè)技術(shù)研究需要大量消耗月壤進(jìn)行試驗(yàn)。因此，利用地球材料制備與真實(shí)月壤相似的模擬月壤十分必要。世界各地的研究人員一直致力于模擬月壤的開(kāi)發(fā)研究。目前，典型的模擬月壤包括約翰遜航天中心（JSC）-1、明尼蘇達(dá)（MLS）-1、日本富士（FJK）-1、中國(guó)科學(xué)院（CAS）-1和同濟(jì)（TJ）-1等。一類(lèi)模擬月壤并不能滿足所有科研需求。針對(duì)特定的研究目的開(kāi)發(fā)不同類(lèi)型的模擬月壤能達(dá)到更好的模擬效果，主要包括力學(xué)性質(zhì)的模擬和化學(xué)組分的模擬。例如，世界首個(gè)模擬月壤JSC，在土力學(xué)性質(zhì)方面與真實(shí)月壤高度相似，是由美國(guó)約翰遜航天中心的大衛(wèi)·卡利博士為研究月壤取樣鉆探而研發(fā)的。然而，JSC模擬月壤在礦物成分、化學(xué)組成等方面與真實(shí)月壤差異極大。1993年，JSC-1模擬月壤問(wèn)世，它富含玻璃和玄武巖，與真實(shí)月壤的主要化學(xué)成分和礦物學(xué)特征相近。值得注意的是，月球不同區(qū)域的土壤通常在化學(xué)和礦物成分以及粒徑分布上存在顯著差異。因此，聲明模擬月壤的參考物質(zhì)來(lái)自月球的哪個(gè)區(qū)域變得至關(guān)重要，而這在許多研究中都是模棱兩可的。另一些研究者把研究重點(diǎn)放在了月壤某一特定成分的相似性模擬上。例如，阿波羅11號(hào)帶回地球的月壤樣品中二氧化鈦（TiO2）含量極高（質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%）。MLS-1使用美國(guó)德盧斯采石場(chǎng)的玄武巖作為原材料，因?yàn)槠鋼碛械厍蛏献罡叩腡iO2含量。其他典型模擬月壤的主要特征總結(jié)如表1所示。

表1典型模擬月壤綜述

（四）利用模擬月壤制備地聚物研究表明，月壤是一種富含硅元素和鋁元素的無(wú)機(jī)礦物材料。近年來(lái)，隨著對(duì)地聚合物材料反應(yīng)機(jī)理和性能的深入研究，以模擬月壤制備地聚合物成為了生產(chǎn)月球建筑材料的新方案。地聚合物是在20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的一種新型無(wú)機(jī)高分子膠凝材料，它是由富含硅和鋁的前驅(qū)體材料經(jīng)堿激發(fā)合成的具有共價(jià)鍵合聚合物結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽材料，具有高力學(xué)強(qiáng)度、耐高低溫、抗輻射、抗凍融、高耐久、低收縮率等優(yōu)點(diǎn)。此外，月球極地地區(qū)可能存在的水冰也可以提供地聚合反應(yīng)所需的水分子。因此，利用地聚合技術(shù)進(jìn)行月球原位建筑材料制備是可行的。國(guó)內(nèi)外的研究人員使用模擬月壤制備地聚合物。使用JSC-1A模擬月壤制備了一種地聚合物，并證明了材料具有抗輻射的能力。利用喀麥隆的火山灰制備了模擬月壤，并研究了其地聚合物的抗凍融性?；谠虑虻鼐酆衔锘旌鲜褂媚蛩刈鳛槌芑瘎┯糜诮ㄖ?D打印。利用模擬月壤制備地聚合物已成為月球基地建設(shè)的研究熱點(diǎn)。然而，利用月壤制備地聚合物仍然存在一些挑戰(zhàn)。其中最主要的挑戰(zhàn)之一是由于月壤顆粒的粗粒徑而導(dǎo)致的低力學(xué)強(qiáng)度。月壤的平均粒徑在42~105μm之間。阿波羅14號(hào)收集的月壤平均粒徑為802μm?，F(xiàn)有研究中制備的地聚合物抗壓強(qiáng)度低于20MPa，不足以作為建筑材料抵御月球上的流星體。另外，在以前的研究中，實(shí)驗(yàn)條件沒(méi)有模擬月球溫度。養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)地聚合物的力學(xué)強(qiáng)度有很大的影響。如果能利用月球的自然溫度環(huán)境對(duì)月壤的地聚合物進(jìn)行養(yǎng)護(hù)將大大降低成本。另一個(gè)問(wèn)題是，鋁元素在月壤及模擬月壤中的稀缺。月壤中氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%，而一般地聚合物原料（如F級(jí)粉煤灰）中的氧化鋁含量可高達(dá)40%。原料中硅元素和鋁元素的摩爾比（以下稱硅鋁比）對(duì)地聚合物的強(qiáng)度發(fā)展有很大的影響。一般來(lái)說(shuō)，硅鋁比小于2的原材料具有高反應(yīng)活性。然而月壤的硅鋁比約為4，導(dǎo)致月壤的地聚合反應(yīng)活性較低，進(jìn)而導(dǎo)致月壤地聚合物的力學(xué)強(qiáng)度較低。（五）堿激發(fā)模擬月壤漿體流變學(xué)研究除了提高力學(xué)強(qiáng)度外，作為建筑材料的堿激發(fā)月壤想要進(jìn)一步應(yīng)用，還取決于地聚合物漿體在泵送、注射、攤鋪、成型和壓實(shí)過(guò)程中的流變特性。流變性是指物質(zhì)在外力作用下的變形和流動(dòng)特性。流變學(xué)是研究流體流動(dòng)中剪切應(yīng)力與剪切速率之間關(guān)系的學(xué)科，這種關(guān)系被稱為流體的流變特性。在已發(fā)表的文獻(xiàn)中，對(duì)堿激發(fā)的真實(shí)月壤或模擬月壤的流變學(xué)研究很少。漿體流變學(xué)的研究材料多采用與模擬月壤地聚合物漿體類(lèi)似的水泥、粉煤灰地聚合物、磷渣地聚合物和偏高嶺土地聚合物等。地聚合物漿體通常是一種非均質(zhì)混合物，其中大多數(shù)表現(xiàn)出復(fù)雜的非牛頓流體特性。大多數(shù)研究人員使用塑性流體的概念對(duì)其進(jìn)行描述。目前應(yīng)用最廣、適應(yīng)性最好的模型是Bingham模型。雖然線性的Bingham模型在膠凝材料中應(yīng)用最廣泛，但一些漿體也表現(xiàn)出非線性特征。其他流變模型，如冪律模型、Casson模型、改進(jìn)的Bingham模型和Herschel-Bulkley模型也被用于描述地聚合物漿體的流變特性。流變?cè)囼?yàn)?zāi)Ｐ蛿M合分析的地聚合物漿體的主要流變特性包括屈服應(yīng)力、流動(dòng)指數(shù)和觸變參數(shù)，這些參數(shù)表征了和易性、剪切變稀或增稠行為和剪切后的恢復(fù)性。進(jìn)一步研究這些參數(shù)隨時(shí)間的變化，可以得到漿體的施工時(shí)限。（六）本文研究目標(biāo)本研究的目的是研制一種化學(xué)成分和礦物成分均與真實(shí)月壤相似的新型北航(BH)-1模擬月壤，并利用BH-1模擬月壤在模擬月球溫度下養(yǎng)護(hù)，制備高強(qiáng)度地聚合物。研究了添加額外鋁源對(duì)BH-1模擬月壤地聚合物強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，并測(cè)定了堿激發(fā)BH-1模擬月壤漿體的流變性能。本文共分為四部分：第一部分介紹基于月球原位資源利用的月球基地建設(shè)研究；第二部分介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，包括原料選擇、漿體制備、試驗(yàn)方法等；第三部分介紹本研究的結(jié)果；第四部分陳述結(jié)論。本文重點(diǎn)介紹三個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容：BH-1與真實(shí)月壤的相似性，氧化鋁和偏高嶺土對(duì)BH-1地聚合物漿體流變行為和硬化地聚合物力學(xué)強(qiáng)度的影響，以及鋁源對(duì)月壤基地聚物強(qiáng)度的增強(qiáng)機(jī)理分析。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（一）原材料如前所述，現(xiàn)有研究中，由模擬月壤制成的地聚合物的抗壓強(qiáng)度不超過(guò)20MPa，這可能是由于月壤粒徑較大反應(yīng)不充分所致。Apollo所有批次采集的月壤樣本的中值粒徑均超過(guò)74μm（等于膠凝材料常用粒徑200目）。阿波羅14號(hào)采集的月壤樣本的中值粒徑為800μm。阿波羅17號(hào)帶回的71501號(hào)月壤樣品的粒度分布如圖1所示，超過(guò)50%的月壤粒徑大于74μm，這被認(rèn)為是地聚合物原料或水泥類(lèi)膠凝材料的顆粒粒徑上限。大顆粒粒徑導(dǎo)致了堿激發(fā)劑和月壤顆粒之間的接觸面積減小，地聚合反應(yīng)速度較慢。然而，月壤的鋁硅酸鹽含量很高?；鹕交业某煞峙c月壤的成分相似，火山灰地聚合物抗壓強(qiáng)度可以超過(guò)60MPa。因此，可以推斷，減小粒徑可以提高地聚合反應(yīng)活性，獲得具有更高力學(xué)強(qiáng)度的地聚合物，從而提高月球庇護(hù)所的安全性和可靠性。其他許多研究人員也使用了同樣的方法。使用了DeNoArtri（DNA）-1模擬月壤，其中值粒徑（d50）為43.55μm。研磨了JSC-1A模擬月壤，其平均粒徑為28μm，并將所得地聚合物的抗壓強(qiáng)度提高了18MPa。圖1阿波羅17號(hào)采集真實(shí)月壤和BH-1模擬月壤的粒徑分布曲線。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，對(duì)火山渣進(jìn)行開(kāi)采、干燥、粉碎后過(guò)200目篩，以獲得BH-1模擬月壤?；鹕皆勺约质≥x南縣金川鎮(zhèn)金龍頂子火山渣錐。中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所研發(fā)的CAS-1模擬月壤和東北大學(xué)研發(fā)的東北大學(xué)（NEU）-1模擬月壤均取自同一地點(diǎn)。通過(guò)壓汞實(shí)驗(yàn)（MIP,AutoPoreIV9500，美國(guó)）測(cè)試火山灰的體積密度為1.6747g?cm?3，該值處在月壤平均密度（1.45~1.9g?cm?3）范圍內(nèi)。利用激光粒度分析儀（Mastersizer-2000,Malvern,英國(guó)）對(duì)BH-1模擬月壤粒徑進(jìn)行了分析。圖1中BH-1的粒徑累積分布曲線表明，BH-1的d50為38.22μm。粉碎使BH-1的平均粒徑減小為阿波羅17號(hào)真實(shí)月壤樣品的1/8，如圖1所示。為了驗(yàn)證BH-1的化學(xué)成分和礦物成分與真實(shí)月壤的相似性開(kāi)展了各項(xiàng)測(cè)試，包括X射線衍射光譜（XRD）、X射線熒光光譜（XRF）、反射光譜和掃描電子顯微鏡（SEM）（見(jiàn)第2.3節(jié)）。本研究所用的堿激發(fā)劑由氫氧化鈉（NaOH）和工業(yè)級(jí)水玻璃組成。氫氧化鈉為分析純，有效成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)99%。水玻璃[SiO2：25.3%~26.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；Na2O：7.5%~8.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）]密度為1.374g?mL?1，含水量為65%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。為了避免雜質(zhì)離子對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本研究采用蒸餾水制備地聚合物漿體。根據(jù)之前的研究，月壤地聚合物由于缺乏鋁而具有較低的力學(xué)強(qiáng)度。本研究以偏高嶺土（德國(guó)巴斯夫的Metamax）和氧化鋁（中國(guó)北京化工廠的Al2O3）為地聚合反應(yīng)的外加鋁源。偏高嶺土和分析純Al2O3的XRD譜圖如圖2所示。結(jié)果表明，偏高嶺土的XRD圖譜沒(méi)有明顯的衍射峰，在2θ的20°～30°范圍內(nèi)有明顯的寬漫峰，說(shuō)明其主要由無(wú)定形物質(zhì)組成。相比之下，Al2O3顯示出尖銳的衍射峰。偏高嶺土的XRF分析如表2所示。以氧化物形式存在的鋁約占質(zhì)量的一半，充足的鋁含量使偏高嶺土可能作為合適的鋁源。圖2XRD圖譜。（a）偏高嶺土；（b）分析純Al2O3；CPS：每秒計(jì)數(shù)；2θ：散射角。

表2偏高嶺土的化學(xué)組成

（二）地聚合物漿體制備根據(jù)前期大量試驗(yàn)，確定對(duì)照組（Cg）NaOH與BH-1模擬月壤的質(zhì)量比為9%，水玻璃與BH-1的質(zhì)量比為10%。在此基礎(chǔ)上，分別加入與模擬月壤質(zhì)量比為3%、5%和10%的Al2O3及質(zhì)量比為5%和10%的偏高嶺土。水由水玻璃中的水和額外添加的蒸餾水組成，水膠比為0.28。NaOH、水玻璃、偏高嶺土、Al2O3和BH-1的質(zhì)量用mSH、mSS、mkao、mAl和mBH表示。具體配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。表3配合比設(shè)計(jì)

首先將NaOH與蒸餾水按設(shè)計(jì)比例混合制備N(xiāo)aOH溶液。將NaOH溶液冷卻至室溫，然后與水玻璃混合以獲得堿激發(fā)劑。將堿激發(fā)劑冷卻至室溫，并在24h后使用。然后通過(guò)將BH-1與堿激發(fā)劑使用砂漿攪拌機(jī)混合，制成BH-1基地聚合物漿體。攪拌步驟為先以(140±5)r?min－1的速度低速攪拌120s，然后以(285±10)r?min－1的速度高速攪拌120s。（三）試驗(yàn)方法為了驗(yàn)證BH-1模擬月壤與真實(shí)月壤之間的相似性，采用以下實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證：XRD(D8AdvanceX,Bruker，德國(guó))、XRF(XRF-1800,Shimadzu，日本)、反射光譜與手持式可見(jiàn)光近紅外分光輻射譜儀（Handhold2,ASDFieldSpec，英國(guó)）和SEM(SU8020，日立，日本)。將BH-1模擬月壤的檢測(cè)結(jié)果與美國(guó)阿波羅計(jì)劃采集的真實(shí)月壤樣本及其他研究人員制作的模擬月壤進(jìn)行了比較，以證明BH-1與月壤的相似性。通過(guò)對(duì)BH-1漿體屈服應(yīng)力、流動(dòng)指數(shù)（n）和剪切變稀指數(shù)（TI）的計(jì)算，確定了堿激發(fā)BH-1漿體的流變性能。為了研究堿激發(fā)劑對(duì)BH-1漿體流變性能的影響，在表3中的試驗(yàn)組中加入了一組由水和BH-1模擬月壤制備的漿體，水膠比為0.28，該實(shí)驗(yàn)組為空白對(duì)照組（blankCg）。試驗(yàn)設(shè)備為旋轉(zhuǎn)流變儀（MCR702MultiDrive,AntonPaar，奧地利），測(cè)試溫度為(25±5)°C，數(shù)據(jù)評(píng)估使用RheoCompass軟件（AntonPaar，奧地利）。測(cè)量在FlexibleCupHolder系統(tǒng)（AntonPaar，奧地利）中進(jìn)行，系統(tǒng)上安裝了一個(gè)直徑為42mm的標(biāo)準(zhǔn)量杯來(lái)儲(chǔ)存漿體。測(cè)量轉(zhuǎn)子為ST30-4V-40圓柱主軸，直徑為30mm，長(zhǎng)度為40mm。根據(jù)美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)D2196-18，試驗(yàn)過(guò)程包括在100s?1下進(jìn)行120s預(yù)剪切，剪切速率在90s內(nèi)從0增加到100s?1，然后在90s內(nèi)從100s?1減少到0s?1。每秒鐘記錄一次流變參數(shù)，包括剪切速率、剪切應(yīng)力和表觀黏度。為制備試塊以檢測(cè)模擬月壤地聚合物的力學(xué)性能，將漿體澆注至40mm×40mm×160mm不銹鋼三聯(lián)模具中，用刮刀鏟平，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)2min，消除澆注過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡。澆注后，樣品在20°C下養(yǎng)護(hù)24h并脫模。然后用塑料薄膜包裹試塊，并在20°C下養(yǎng)護(hù)，直到取出進(jìn)行測(cè)試。養(yǎng)護(hù)溫度由月球勘測(cè)軌道飛行器（LRO）上的月球探測(cè)輻射計(jì)實(shí)驗(yàn)采集的亮度溫度確定。根據(jù)先前的研究，模擬月壤地聚合物的力學(xué)強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而增加。特別是在40°C的養(yǎng)護(hù)溫度下，模擬月壤地聚合物可以形成超過(guò)40MPa的28天抗壓強(qiáng)度，而在20°C時(shí)，28天的最高抗壓強(qiáng)度僅為18.5MPa。然而，根據(jù)Divener測(cè)得的月球表面溫度（圖3），只有赤道和緯度30°之間的地區(qū)才能達(dá)到40°C以上的溫度，而緯度60°的月球表面溫度長(zhǎng)期保持在20°C左右。因此，本研究設(shè)定養(yǎng)護(hù)溫度為20℃，以探討Al2O3和偏高嶺土在較低溫度下對(duì)BH-1基地聚合物力學(xué)強(qiáng)度的增強(qiáng)作用。圖3由Diviner探測(cè)器測(cè)量的月表溫度。依據(jù)GB/T17671—1999規(guī)范，采用TYE-3000型水泥膠砂抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)（中國(guó)建儀儀器機(jī)械有限公司）對(duì)BH-1地聚合物試塊進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，養(yǎng)護(hù)期齡為7天和28天，分別測(cè)試抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，如圖4（b）和（c）所示。將三個(gè)試塊試驗(yàn)的平均值記錄為抗折強(qiáng)度，加載速率為(50±10)N?s?1；將六個(gè)試塊試驗(yàn)的平均值記錄為抗壓強(qiáng)度，加載速率為(2400±200)N?s?1。圖4流變?cè)囼?yàn)和強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)設(shè)置。（a）流變?cè)囼?yàn)；（b）抗折強(qiáng)度試驗(yàn)；（c）抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。將養(yǎng)護(hù)期齡為28天的地聚合物在60°C下干燥1h，并研磨成粒徑≤75μm的細(xì)粉，用于微觀測(cè)試。采用XRD分析反應(yīng)前后物相結(jié)構(gòu)變化。用KBr顆粒法在NicoletIS10紅外光譜儀進(jìn)行傅里葉紅外光譜（FTIR）測(cè)試。采用BrukerAVANCEIII600M(BrukerBioSpin,Germany)進(jìn)行27Al魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振分析，諧振頻率設(shè)為104.23MHz，探頭旋轉(zhuǎn)頻率為5kHz，脈沖持續(xù)時(shí)間為1.9s，循環(huán)時(shí)間為15s。并使用掃描電鏡-能譜儀（SEM-EDS）測(cè)試（SU8020，日立，日本）分析了BH-1地聚合物的微觀形貌和元素組成。三、結(jié)果與討論

（一）BH-1模擬月壤表征對(duì)比如上所述，單獨(dú)使用一種模擬月壤難以模仿真實(shí)月壤的所有特性。根據(jù)制備地聚合物的研究目標(biāo)，BH-1模擬月壤模擬了真實(shí)月壤的礦物組成和化學(xué)特性。將BH-1的XRD測(cè)試結(jié)果與國(guó)際衍射數(shù)據(jù)中心保存的粉末衍射文件數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比分析BH-1的礦物成分，如圖5所示，并與阿波羅16號(hào)月壤樣品的XRD圖譜進(jìn)行比較。BH-1的礦物組成以鈉長(zhǎng)石、中長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石、拉長(zhǎng)石為主。鈣長(zhǎng)石與阿波羅16號(hào)月壤樣本的主要礦物成分相符。與阿波羅16號(hào)月壤相比，BH-1中鈉長(zhǎng)石、中長(zhǎng)石和拉長(zhǎng)石是不同的礦物，但它們都屬于長(zhǎng)石族礦物，在地聚合反應(yīng)中表現(xiàn)出相似的特征。同時(shí)，將BH-1的礦物組成與其他模擬月壤的礦物組成進(jìn)行了比較。與預(yù)期相同，BH-1的礦物成分與CAS-1和NEU-1模擬月壤的礦物成分非常相似，主要礦物成分均為鈣長(zhǎng)石，因?yàn)樗鼈兪菑耐坏攸c(diǎn)收集的。然而，BH-1的礦物成分與最廣泛應(yīng)用的模擬月壤JSC-1不同，JSC-1礦物成分包括斜長(zhǎng)石、斜輝石、橄欖石和玻璃。JSC-1是根據(jù)阿波羅14號(hào)帶回的月壤樣本研制的，而B(niǎo)H-1是基于阿波羅16號(hào)月壤樣本研制的，不同的采樣點(diǎn)導(dǎo)致不同批次取回的月壤樣品呈現(xiàn)出不同的礦物特征。圖5BH-1模擬月壤和阿波羅16號(hào)月壤樣品的XRD譜圖。用XRF表征BH-1模擬月壤的氧化物成分如表4所示，表中還包括了阿波羅12號(hào)、14號(hào)、15號(hào)和16號(hào)月壤樣本的數(shù)據(jù)以供比較。BH-1的主要氧化物包括SiO2、FeO和Al2O3，總量為76.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。硅鋁比為4.45，與阿波羅16號(hào)月壤（5.44）相近。月壤的組成在月球的不同區(qū)域各不相同。結(jié)果表明，BH-1中SiO2和Al2O3含量均在阿波羅月壤樣品的對(duì)應(yīng)含量范圍內(nèi)，分別為：SiO2

42.20%~48.10%，Al2O3

12.90%~17.40%。Na2O和K2O含量分別為3.8%和3.3%。然而，在表4所示的所有真實(shí)月壤中，Na2O和K2O的含量都很低。其他模擬月壤（JSC-1和CAS-1）也無(wú)法與真實(shí)月壤中如此低的Na2O和K2O含量相匹配。考慮到影響地聚合物形成的主要元素是鋁和硅，這種差異是可以接受的。此外，所有模擬月壤的另一個(gè)共同特征是TiO2含量低，Taylor等也說(shuō)明了這一點(diǎn)。然而，只有阿波羅12號(hào)采集的月壤中TiO2含量較高（7.80%）。其他月壤樣品和模擬月壤的TiO2含量較低，小于或等于3.00%。由于鈦對(duì)地聚合反應(yīng)的影響很小，因此本研究不考慮月壤中可能存在的高鈦含量。表4BH-1、JSC-1、DNA-1和CAS-1模擬月壤和阿波羅采集的真實(shí)月壤的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

此外，月球表面不同位置的地表反射光譜可以作為表征月球風(fēng)化層的有效方法。圖6將CAS-1和BH-1模擬月壤的反射光譜特性于阿波羅觀測(cè)的真實(shí)月壤反射光譜進(jìn)行了對(duì)比?？梢钥闯鯞H-1模擬月壤的反射光譜與編號(hào)為10084的真實(shí)月壤反射光譜相似。圖6CAS-1、BH-1模擬月壤和真實(shí)月壤樣品的反射光譜。阿波羅月壤樣品的形貌與BH-1模擬月壤的原料（火山渣）的SEM形貌顯示出明顯的相似性，如圖7所示。阿波羅月壤樣品和火山渣樣品都具有疏松多孔的微觀形貌。用粒度分析軟件NanoMeasurer1.2進(jìn)行孔徑分析，實(shí)際月壤的孔徑在21.74～60.39μm之間，火山渣的孔徑在20.97～111.11μm之間，與真實(shí)月壤的孔隙數(shù)量級(jí)相當(dāng)。值得注意的是，火山渣的孔隙結(jié)構(gòu)在磨細(xì)后會(huì)被破壞。然而，火山渣與真實(shí)月壤相似的孔隙結(jié)構(gòu)和大小仍可以作為未來(lái)研究的重要發(fā)現(xiàn)，如利用模擬月壤制備性能受孔隙結(jié)構(gòu)影響較大的保溫材料。圖7SEM圖像和孔徑分析。（a）阿波羅月壤樣品（NASA照片S87-39605）；（b）BH-1模擬月壤原材料。BH-1的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它對(duì)中國(guó)研究人員的可用性。目前大約有10tBH-1模擬月壤可供分配給研究人員。目前，材料存放在北京航空航天大學(xué)。若有研究人員希望得到一部分該材料用于月球科學(xué)研究，可以向本文的作者提出請(qǐng)求。考慮到真實(shí)的月壤樣本非常珍貴，BH-1將有助于月球科學(xué)的相關(guān)研究。綜合上述結(jié)果表明，BH-1模擬月壤在礦物組成、化學(xué)成分、反射光譜特征和微觀形貌方面均與真實(shí)月壤相似。因此，它適合作為模擬月壤地聚合物反應(yīng)的材料。（二）流變特性——屈服應(yīng)力、流動(dòng)指數(shù)和剪切變稀指數(shù)了解漿體的流變特性對(duì)于確定其穩(wěn)定性和工作性至關(guān)重要。本文研究了堿激發(fā)劑和不同添加劑對(duì)BH-1漿體流變性能的影響。圖8顯示了上行和下行階段剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化（流動(dòng)曲線）。流變上行曲線，即剪切速率由小到大變化時(shí)，剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的關(guān)系；流變下行曲線，即剪切速率由大到小變化時(shí)，剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的關(guān)系。結(jié)果表明，不添加堿激發(fā)劑的BH-1漿體（blankCg）的上行曲線與下行曲線基本重合，說(shuō)明剪切作用對(duì)流動(dòng)阻力沒(méi)有顯著影響。加入堿激發(fā)劑、偏高嶺土和Al2O3后，上行曲線和下行曲線不重合，形成觸變環(huán)。上行流變曲線位于下行曲線上方，表明Cg、Al3、Al5、Al10、Kao5和Kao10的漿體是觸變流體，剪切作用導(dǎo)致流動(dòng)阻力減小。觸變環(huán)面積表示觸變強(qiáng)度，觸變環(huán)面積越大，剪切力對(duì)流體結(jié)構(gòu)破壞的影響越顯著?？梢缘贸鼋Y(jié)論，添加10%偏高嶺土作為添加劑的BH-1漿體具有所有組中的最大觸變環(huán)面積，表明其存在最大觸變性，如圖8（c）所示。圖8含有不同添加劑的BH-1模擬月壤地聚合物漿體的流動(dòng)曲線。（a）添加和不添加堿激發(fā)劑；（b）添加5%偏高嶺土；（c）添加10%偏高嶺土；（d）添加3%氧化鋁；（e）添加5%氧化鋁；（f）添加10%氧化鋁。所有漿體均為非牛頓流體，即剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變率呈非線性關(guān)系。剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化通過(guò)確定數(shù)學(xué)流變模型來(lái)表征材料的流變行為。如圖9所示，堿激發(fā)BH-1漿體下行曲線中的剪切應(yīng)力和剪切速率之間的關(guān)系與所有試驗(yàn)組R2>0.99的Herschel-Bulkley模型[式（1）]高度吻合。式中，τ、τ0、k和n分別為剪應(yīng)力、屈服應(yīng)力、黏度系數(shù)和流動(dòng)指數(shù)。先前的研究表明，用水玻璃和氫氧化鈉激發(fā)的磷渣制備的地聚合物漿體可以很好地用Herschel-Bulkley模型進(jìn)行擬合。根據(jù)規(guī)范-18，剪切變稀指數(shù)（TI）由低剪切速率下的黏度與剪切速率下10倍的表觀黏度之比計(jì)算得出。由式（2）得出TI的演化，其中，η10和η100分別是剪切速度為10s-1和100s-1時(shí)的表觀黏度。τ0、n和TI的結(jié)果如圖9所示。圖9不同BH-1漿體的流變參數(shù)。根據(jù)prENISO3219-1標(biāo)準(zhǔn)，屈服應(yīng)力是最小剪切應(yīng)力值。高于該值時(shí)，材料表現(xiàn)出液體特性，低于該值時(shí)，材料表現(xiàn)出固體特性。對(duì)于混凝土或砂漿材料，材料的屈服應(yīng)力代表攪拌漿體所需的剪切力。屈服點(diǎn)越高，材料就越難攪拌或泵送。如圖9所示，無(wú)堿激發(fā)劑的空白對(duì)照組漿體屈服應(yīng)力最低。加入堿激發(fā)劑后，漿體的屈服應(yīng)力從6.79Pa增加至17.00Pa，隨著3%Al2O3的增加，屈服應(yīng)力繼續(xù)增大，并隨Al2O3含量的增加而增大。屈服應(yīng)力值的增加可能是由于在Al3、Al5、Al10漿體中，BH-1的可溶性硅酸鹽離子與激發(fā)劑中的Na+離子相互作用，從而形成更多的地聚合物凝膠所致。偏高嶺土進(jìn)一步提高了Kao5和Kao10的屈服應(yīng)力，分別達(dá)到157.05Pa和269.62Pa。自身礦物成分以無(wú)定形為主的偏高嶺土比Al2O3溶解得更快，導(dǎo)致更劇烈的地聚合反應(yīng)發(fā)生。加入偏高嶺土的漿體具有更高的屈服應(yīng)力的另一個(gè)原因可能是，與BH-1和Al2O3相比，偏高嶺土具有更細(xì)的粒徑和更大的比表面積。流動(dòng)指數(shù)用來(lái)描述流體的行為如下：剪切變稀（n＜1）、牛頓流體（n＝1）、剪切增稠（n＞1）。對(duì)于剪切變稀流體，黏度隨剪切速率的增加而減少，而對(duì)于剪切增稠流體，其黏度隨剪切速率的增加而增大。如圖9所示，所有試驗(yàn)組的流動(dòng)指數(shù)均低于1。由此推出，BH-1漿體表現(xiàn)為剪切變稀流體，降低剪切速率會(huì)導(dǎo)致黏度增加。與空白對(duì)照組相比，堿激發(fā)劑和Al2O3使流動(dòng)指數(shù)降低，表明堿激發(fā)劑和Al2O3增強(qiáng)了剪切變稀行為。相反，偏高嶺土降低了BH-1漿體的剪切變稀的效果，表現(xiàn)為流動(dòng)指數(shù)增加。將低轉(zhuǎn)速下的表觀黏度除以高出10倍轉(zhuǎn)速下的黏度來(lái)計(jì)算剪切變稀指數(shù)，如式（2）所示。表示在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的剪切變稀程度，較高的比率表示更大程度的剪切變稀。通過(guò)對(duì)比圖9中的空白對(duì)照組和對(duì)照組，可以觀察到加入堿激發(fā)劑后BH-1漿體的TI值增加，表現(xiàn)出更強(qiáng)的剪切變稀行為。添加Al2O3后，TI值略有變化。相比之下，偏高嶺土減弱了漿體的剪切變稀行為，表現(xiàn)為T(mén)I的減小。（三）力學(xué)性能分析圖10顯示了BH-1地聚合物在養(yǎng)護(hù)齡期為7天和28天的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。對(duì)照組中不添加額外鋁元素的試塊力學(xué)性能最差，28天抗壓強(qiáng)度為20.7MPa，抗折強(qiáng)度為3.8MPa。如表4所示，BH-1的硅鋁比為4.45，是典型的匱鋁材料。已有研究表明，當(dāng)原料的硅鋁比低于2時(shí)，可以提供足夠的鋁元素參與地聚合反應(yīng)。由于鋁原子的半徑與硅原子的半徑相似，因此鋁原子可以在硅氧四面體中隨機(jī)地取代硅原子，并以氧橋的形式與相鄰的硅原子連接。然而，BH-1和真實(shí)月壤的化學(xué)成分中鋁含量都較低，反應(yīng)活性較弱。圖10BH-1模擬月壤地聚合物7天和28天強(qiáng)度；ηm為質(zhì)量強(qiáng)度效率；和分別為7天抗折強(qiáng)度和7天抗壓強(qiáng)度的質(zhì)量強(qiáng)度效率；和分別為28天抗折強(qiáng)度和28天抗壓強(qiáng)度的質(zhì)量強(qiáng)度效率。與對(duì)照組相比，在BH-1地聚合物中添加Al2O3和偏高嶺土均能使抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度有顯著提高。在抗折強(qiáng)度方面，添加10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的偏高嶺土?xí)r，28天最大抗折強(qiáng)度達(dá)到6.0MPa，比對(duì)照組提高了57.9%。當(dāng)Al2O3含量為5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，即Al5在添加氧化鋁的三組中抗折強(qiáng)度最大，為5.3MPa，比對(duì)照組高39.5%。抗壓強(qiáng)度方面，當(dāng)添加5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Al2O3和偏高嶺土?xí)r，28天抗壓強(qiáng)度分別比對(duì)照組提高45.9%和78.7%。添加10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Al2O3和偏高嶺土?xí)r，28天抗壓強(qiáng)度分別比對(duì)照組提高46.0%和100.8%。Al2O3直接增加了鋁元素，偏高嶺土中的氧化鋁含量為46.16%（表2），二者都為地聚反應(yīng)提供了鋁源，降低了反應(yīng)前驅(qū)體的硅鋁比，最終提高了地聚合產(chǎn)物的力學(xué)強(qiáng)度。值得注意的是，盡管添加相同質(zhì)量比例的Al2O3時(shí)，Al2O3中的Al含量高于偏高嶺土中的Al含量，添加偏高嶺土比添加Al2O3對(duì)地聚合物力學(xué)性能的提高作用更顯著。這主要是由于偏高嶺土的礦物組成和顆粒細(xì)度。地聚合反應(yīng)的第一步是溶解。在堿性環(huán)境下，原料中的Si?O?Si、Al?O?Al和Al?O?Si化學(xué)鍵被破壞，形成和單體。無(wú)定形物質(zhì)比結(jié)晶相物質(zhì)更易溶解。偏高嶺土中主要的無(wú)定形物質(zhì)能迅速溶解在堿體系中，提高反應(yīng)物濃度和反應(yīng)速率。且偏高嶺土的粒徑相對(duì)較?。▓D1）。大多數(shù)反應(yīng)發(fā)生在顆粒-液體界面。粒徑越細(xì)，比表面積越大，材料的反應(yīng)性越強(qiáng)。在建造月球基地時(shí)，應(yīng)盡量減少?gòu)牡厍蛏蠑y帶的物質(zhì)質(zhì)量，以節(jié)太空運(yùn)輸成本。定義質(zhì)量強(qiáng)度效率（MSE）指標(biāo)，標(biāo)記為ηm，定義如公式（3）所示，以對(duì)比外加劑的質(zhì)量節(jié)省效益。ηm是形成1MPa強(qiáng)度的堿激發(fā)劑和外加劑質(zhì)量之和與月壤的質(zhì)量比的倒數(shù)。ηm越大，形成地聚合物單位強(qiáng)度的非月球物質(zhì)總質(zhì)量越小，即從地球上攜帶的物質(zhì)質(zhì)量就越小。式中，f代表抗折強(qiáng)度或抗壓強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)齡期為7天和28天時(shí)的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度如圖10所示?？梢杂^察到，所有試驗(yàn)組7天的ηm值均低于28天的ηm值，這意味著偏高嶺土和Al2O3對(duì)強(qiáng)度的持續(xù)增加有更顯著的影響?？紤]到月球的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，材料需要具有較高的早期強(qiáng)度，以提高施工效率；因此，每個(gè)試驗(yàn)組7天抗折強(qiáng)度和7天抗壓強(qiáng)度值所對(duì)應(yīng)的ηm值分別標(biāo)記為和，是關(guān)鍵的評(píng)估指標(biāo)。與對(duì)照組值為0.12MPa及值為0.79MPa相比，Al2O3和偏高嶺土的加入使ηm值增大。其中，添加5%的偏高嶺土組的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度值最高：Kao5的值為0.21MPa，比對(duì)照組高了75%；Kao5組的值為1.13MPa，比對(duì)照組高43%。對(duì)于28天養(yǎng)護(hù)齡期，添加5%Al2O3和5%偏高嶺土分別具有最大ηm抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。如圖10（a）所示，當(dāng)Al2O3含量從5%增加到10%時(shí)，值降低，甚至低于對(duì)照組。在此基礎(chǔ)上，28天抗折強(qiáng)度的增加也十分微小。對(duì)于28天抗壓強(qiáng)度，隨著Al2O3含量的增加，值變化不大。因此，雖然當(dāng)Al2O3含量為10%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值，但低ηm值表示強(qiáng)度增強(qiáng)效率并不理想。相比之下，5%的Al2O3可以在強(qiáng)度增強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)效率之間取得平衡。從圖10（b）可以看出，Kao5的明顯高于其他組。上述結(jié)果表明，5%的偏高嶺土添加量可作為所有試驗(yàn)組中的最佳添加劑。在本研究中，Kao5的值是用NaOH和NaAlO2活化Campi-Flegrei地區(qū)的火山灰制備的地聚合物的1.5倍以上。Djobo等制備的一種火山灰基地聚合物，其值為0.93MPa，比本研究中的Kao5組低20%。（四）XRD分析BH-1模擬月壤及地聚合物的XRD圖如圖11所示。與BH-1相比，Al3、Al5和Al10組制備的地聚合物的XRD圖譜中出現(xiàn)了43.3°和57.4°的新衍射峰，通過(guò)與PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片對(duì)比，確定其為沒(méi)完全反應(yīng)的Al2O3。對(duì)于所有試驗(yàn)組，出現(xiàn)在21.75°、28.19°、33.50°、38.15°、42.46°和55.05°處的新峰表示結(jié)晶相鋁硅酸鈣和鋁硅酸鈉地聚合物。除此之外，所制備地聚合物的衍射峰位置與原料BH-1相同，說(shuō)明地聚合反應(yīng)的主要產(chǎn)物是無(wú)定形物質(zhì)，長(zhǎng)石族結(jié)晶沒(méi)有參與地聚合反應(yīng)。力學(xué)強(qiáng)度較高的Kao10組，背景噪聲和峰值在20°～30°最為明顯。XRD分析結(jié)果表明，在地聚合反應(yīng)過(guò)程中，晶體沉淀與無(wú)定形沉淀相重合?？扇苄訡a2+和Na+參與地聚合反應(yīng)，形成原子排列規(guī)律的內(nèi)部晶體，填充到地聚合物三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的空腔中，使地聚合物的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定和致密。圖11BH-1模擬月壤和地聚合物XRD譜圖。A：鈉長(zhǎng)石；D：中長(zhǎng)石；N：鈣長(zhǎng)石；L：拉長(zhǎng)石；C：鈣鋁硅酸鹽；S：鋁硅酸鈉鹽；O：氧化鋁。（五）FTIR紅外光譜分析紅外光譜可以用于表征BH-1模擬月壤和地聚合物基團(tuán)晶格振動(dòng)，如圖12所示。BH-1和地聚合物產(chǎn)物都出現(xiàn)了一些相同的峰值特征。波長(zhǎng)介于3434~3447cm?1和1633~1659cm?1之間的寬帶是O?H鍵拉伸振動(dòng)峰和H?O?H鍵彎曲振動(dòng)峰，這與制備漿體過(guò)程中吸附的大氣水和結(jié)合水有關(guān)。位于約455~461cm?1的峰反映了強(qiáng)堿環(huán)境中化學(xué)惰性的Si?O?Si和O?Si?O鍵。圖12BH-1和地聚合物的FTIR結(jié)果。（a）添加Al2O3的試驗(yàn)組；（b）添加偏高嶺土的試驗(yàn)組。BH-1與地聚合物FTIR的差異分析如下。波長(zhǎng)為1414~1486cm?1的吸收峰僅存在于所得到的地聚合物中，代表O?C?O鍵的伸縮振動(dòng)峰，表明空氣中的CO2與堿激發(fā)劑中的NaOH反應(yīng)時(shí)形成Na2CO3和NaHCO3。BH-1在1004cm?1波長(zhǎng)處的寬漫峰是Si?O?Si的拉伸振動(dòng)峰，在地聚合反應(yīng)后向較低波長(zhǎng)（985~991cm?1）處移動(dòng)，這是由于硅氧基團(tuán)和鋁氧基團(tuán)的重新排列：BH-1中均勻Si-O-Si鏈結(jié)構(gòu)上原本的SiO4基團(tuán)被AlO4取代，形成新的無(wú)定形硅鋁酸鹽膠凝相。圖5中的XRD分析也證實(shí)了這一點(diǎn)。當(dāng)偏高嶺土含量為10%時(shí)，收縮振動(dòng)峰值波長(zhǎng)最小，強(qiáng)度最高，表明聚合度最高。相應(yīng)的地聚合物也表現(xiàn)出最高的力學(xué)強(qiáng)度。還應(yīng)注意的是，加入Al2O3和偏高嶺土的地聚合物樣品有新的吸收峰出現(xiàn)在波長(zhǎng)561.55cm?1、670.63cm?1和754.06cm?1處。在這個(gè)范圍內(nèi)，Kao10組的新峰數(shù)量最多。這些峰被認(rèn)為是Si?O?Si和Al?O?Si對(duì)稱收縮峰，這可能是由于無(wú)定形硅鋁酸鹽在半晶相轉(zhuǎn)變階段的反應(yīng)過(guò)程造成的，表明聚合度較高。（六）SEM-EDS微觀形貌和元素分析BH-1模擬月壤及地聚合物的SEM形貌如圖13所示。從圖13（a）和（b）可以觀察到，BH-1中幾乎所有的顆粒都小于80μm，這與激光粒度儀分析結(jié)果一致。從圖13（c）和（d）可以看出，BH-1在放大5.00×103倍和2.00×104倍時(shí)呈現(xiàn)出邊緣鋒利的棱角形狀，局部呈現(xiàn)層理結(jié)構(gòu)。在不添加額外鋁源進(jìn)行堿激發(fā)反應(yīng)后，如圖13（e）所示，未反應(yīng)的BH-1顆粒與地聚合生成的無(wú)定形凝膠材料相互鑲嵌。同時(shí)，觀察到許多空隙和裂紋，這是由于反應(yīng)不夠充分，無(wú)定形凝膠沒(méi)有形成致密整體，導(dǎo)致對(duì)照組地聚合物強(qiáng)度最弱。圖13（f）顯示了對(duì)照組中地聚合物的放大詳圖，可以觀察到BH-1模擬月壤表面在堿激發(fā)劑作用下的腐蝕和無(wú)定形組織的初始生長(zhǎng)。圖13（g）~（i）顯示了添加Al2O3的三個(gè)試驗(yàn)組地聚合物的微觀形態(tài)。結(jié)果表明，加入氧化鋁后，地聚合物中新形成的無(wú)定形結(jié)構(gòu)含量增加，裂紋減少。三組間進(jìn)一步比較可以看出，Al3組未反應(yīng)的BH-1顆粒含量最高，而Al5和Al10組之間的微觀形態(tài)差異較小。這進(jìn)一步解釋了，在微觀尺度上，Al10組的28天強(qiáng)度小于Al5組。因此，應(yīng)控制Al2O3的加入量，以保證材料的經(jīng)濟(jì)性。圖13（j）和（k）是Kao5和Kao10的SEM顯微圖像。結(jié)果表明，其無(wú)定形凝膠生長(zhǎng)最為完全，因此地聚合物強(qiáng)度最高。如圖13（l）中的放大圖像所示，無(wú)定形凝膠是由顆粒與顆粒堆積形成的球形簇狀結(jié)構(gòu)。圖13SEM形貌。（a）~（d）不同放大倍數(shù)下的BH-1模擬月壤；（