馬芹永鮑曉璇

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

水、冰資源[1-2]作為深空探索活動(dòng)特別是載人探索活動(dòng)的重要物質(zhì),其應(yīng)用貫穿于能源和再生生命保障系統(tǒng)的主要分系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié),其重要性不言而喻。因此,月球極區(qū)資源開發(fā)利用,特別是水、冰資源,將是探月活動(dòng)的重要研究?jī)?nèi)容。月球上蘊(yùn)含豐富的礦產(chǎn)資源以及地球上未發(fā)展的新礦物,為有效開發(fā)利用月球資源提供思路,因此研究月壤土的力學(xué)特性是必要的。

Cesaretti 等[3]提出在月球建立人類居住地的幾種選擇,如利用月壤原位制作水泥或混凝土、從地球運(yùn)輸建造材料或完整的裝配模板以及通過(guò)月表挖掘建造地下棲息地。然而,將材料從地球運(yùn)輸?shù)皆虑虻某杀臼鞘职嘿F的,進(jìn)行月球基地建設(shè)應(yīng)當(dāng)遵循現(xiàn)場(chǎng)資源利用的原則[4]。Fisher 等[5]從反射率和溫度測(cè)量的角度證明月球極區(qū)含有水、冰資源,其中在最高溫度低于110 K(-163.15 ℃)時(shí)月球南極的反射率增強(qiáng),這表明可能存在廣泛的地表水冰。Li 等[6]利用月球礦物繪圖儀獲得的反射光譜和永久陰影區(qū)的間接光照,檢測(cè)水冰的近紅外吸收特征。這是月球上存在大量水和其他揮發(fā)物的最有力證據(jù)。

月球月壤的物理力學(xué)性質(zhì)是關(guān)系月球基地建設(shè)并長(zhǎng)期運(yùn)行的關(guān)鍵。Pitcher 等[7]對(duì)月球極區(qū)風(fēng)化層月壤模擬物的性質(zhì)進(jìn)行研究,利用NULHT-2M 模擬月壤進(jìn)行大量的試驗(yàn),研究不同含水量對(duì)滲透阻力和單軸抗壓強(qiáng)度的影響。Atkinson等[8]研究發(fā)現(xiàn),飽和JSC-1A 模擬月壤的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度略低(25 ～40 MPa),試驗(yàn)過(guò)程中將試驗(yàn)溫度預(yù)冷至-196.15 ℃,并在-40 ℃冷凍環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn),以最大程度減少試樣升溫。Atkinson 等[9]研究了JSC-1A 模擬月壤在低溫、低壓和一系列冰飽和條件下的滲透和松弛行為,并使用改進(jìn)貫入儀推斷出月球表面風(fēng)化層含冰量。劉德赟等[10]開展了凍土模擬月壤采樣技術(shù)試驗(yàn)研究,制備不同含水量的凍土模擬月壤,開展鉆取試驗(yàn),初步總結(jié)凍土類模擬月壤鉆進(jìn)特性。唐鈞躍[11]以我國(guó)探月工程(三期)月面鉆取采樣為研究背景,開展高密實(shí)度模擬月壤自適應(yīng)鉆進(jìn)取芯特性研究。何立臣等[12]基于提出的水資源提取新方法搭建了含冰模擬月壤水提取實(shí)驗(yàn)裝置,并以CUG-1A 模擬月壤為原料開展了試驗(yàn)研究。楊智穎[13]選取硬度接近于月巖的兩種類巖石材料紅磚、砂巖進(jìn)行試驗(yàn)及仿真,研究鉆具的沖擊參數(shù)對(duì)于破碎巖石效率的影響?，F(xiàn)有研究多以無(wú)水模擬月壤為主要試驗(yàn)對(duì)象,而對(duì)于月球極區(qū)含有水冰的月壤研究鮮有報(bào)道[14]。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)模擬月壤的研究主要集中于常溫下的工程靜力學(xué)特性上,其負(fù)溫下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究較少。隨著我國(guó)深空探索活動(dòng)的開展,嫦娥四號(hào)成功在月球南極艾特肯盆地實(shí)現(xiàn)軟著陸,月球極區(qū)月壤的研究具有重要價(jià)值。美國(guó)月球隕坑觀測(cè)和遙感衛(wèi)星(LCROSS)任務(wù)探測(cè)結(jié)果顯示,月球極區(qū)永久陰影區(qū)存在水冰資源,水冰賦存區(qū)月壤含水率在5% ～10%。月面晝夜溫差為310 ℃,對(duì)于溫度變化過(guò)程中水冰賦存區(qū)模擬月壤動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的研究是具有一定意義。在實(shí)驗(yàn)室條件下,開展不同含水率(5%、8%、10%)、不同負(fù)溫(-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃)下模擬月壤的SHPB 試驗(yàn),能為后續(xù)月球基地建設(shè)并保證長(zhǎng)期運(yùn)行提供動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)。

1 單軸沖擊壓縮試驗(yàn)

1.1 SHPB 試驗(yàn)裝置

采用安徽理工大學(xué)直徑37 mm 的分離式Hopkinson 壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試凍結(jié)模擬月壤的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性[15]。試樣尺寸采用φ37 mm×18.5 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體,SHPB 入射桿和透射桿均采用同種鋁制材料,桿長(zhǎng)分別為2 m、1 m,撞擊桿長(zhǎng)為0.4 m。桿的密度為2.7 g/cm3,彈性模量為70 GPa,縱波波速為5 090 m/s。

1.2 試樣制備及試驗(yàn)方案

Qian 等[16]將南京六合玄武巖與Apollo月壤樣品在物理性質(zhì)和成分等方面進(jìn)行比較,驗(yàn)證了六合玄武巖可作為模擬月壤的原材料。所以試驗(yàn)用的模擬月壤選取南京六合玄武巖為原材料,試驗(yàn)樣品成分由安徽理工大學(xué)分析測(cè)試中心X射線衍射儀(Smartlab SE)測(cè)得,與月壤樣品成分對(duì)比見表1。六合玄武巖為堿性橄欖玄武巖,呈灰黑色塊狀,斑狀結(jié)構(gòu)。模擬月壤顆粒級(jí)配見表2。

表1 各種模擬月壤與月壤樣品成分對(duì)比表Table 1 Composition of various lunar soil simulant and lunar soil samples%

加;②塑性變形階段,超過(guò)屈服極限后,試樣進(jìn)入塑性變形階段,曲線呈向下彎曲的下凹型;③破壞階段,超過(guò)峰值強(qiáng)度后,應(yīng)力急劇下降,進(jìn)入破壞階段。

圖4 動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(-20 ℃)Fig.4 Dynamic stress-strain curve(-20 ℃)

2.3 動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度

2.3.1 初始含水率對(duì)動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響

不同溫度下模擬月壤動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與初始含水率的關(guān)系如圖5所示。溫度在-5 ～-15 ℃范圍內(nèi),動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨初始含水率的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì),在3 種不同溫度下均在初始含水率為8%時(shí)達(dá)到峰值強(qiáng)度,分別為20.01 MPa(應(yīng)變率為575.4 s-1)、15.95 MPa(應(yīng)變率為660.01 s-1)、15.85 MPa(應(yīng)變率為679.4 s-1)。當(dāng)溫度為-20 ℃時(shí),在同一含水率情況下,凍土模擬月壤的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的提高而增大,表明凍結(jié)模擬月壤是一種對(duì)應(yīng)變率變化敏感的材料。應(yīng)變率為564 s-1、606 s-1時(shí),含水率為5%的凍結(jié)模擬月壤動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度分別是應(yīng)變率為390 s-1時(shí)的1.14 倍、1.66 倍,含水率為8%的凍結(jié)模擬月壤動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度分別是應(yīng)變率為390 s-1時(shí)的1.53 倍、1.90 倍,含水率為10%的凍結(jié)模擬月壤動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度分別是應(yīng)變率為390 s-1時(shí)的1.22 倍、1.44 倍。

圖5 模擬月壤動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與初始含水率的關(guān)系Fig.5 Relationship between dynamic compressive strength and moisture content of lunar soil simulant

隨著含水率的增加,在相近應(yīng)變率的情況下,凍結(jié)模擬月壤的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度而增大,說(shuō)明水的存在會(huì)提高凍結(jié)模擬月壤的動(dòng)態(tài)抗壓增強(qiáng)因子。在高氣壓下,動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨含水率增加的增長(zhǎng)幅度較低氣壓下的增長(zhǎng)幅度要小。

2.4 模擬月壤動(dòng)態(tài)單軸壓縮力學(xué)特征參數(shù)分析

模擬月壤的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線為應(yīng)變軟化型,峰值應(yīng)力的一半與所對(duì)應(yīng)應(yīng)變的比值為彈性模量[20]。彈性模量可以用來(lái)表征模擬月壤抵抗變形的能力。不同負(fù)溫條件下模擬月壤動(dòng)彈性模量與平均應(yīng)變率的關(guān)系如圖8所示。

圖8 模擬月壤動(dòng)彈性模量與平均應(yīng)變率的關(guān)系Fig.8 Relationship between the elastic modulus and the average strain rate of the lunar soil simulant

由圖8可知,在初始含水率為5% 時(shí),動(dòng)彈性模量在不同溫度條件下變化規(guī)律差異大,-5 ～-15 ℃時(shí),動(dòng)彈性模量受平均應(yīng)變率的影響較小,而在-20 ℃時(shí)隨著平均應(yīng)變率的增加呈逐漸減小的變化趨勢(shì),這是由于-20 ℃時(shí)模擬月壤內(nèi)不同礦物顆粒在負(fù)溫下的收縮速率存在差異,使得試樣發(fā)生強(qiáng)度劣化,表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)彈性模量的降低。初始含水率為8% 時(shí),模擬月壤動(dòng)彈性模量隨著平均應(yīng)變率的增加呈逐漸增大的趨勢(shì),且在平均應(yīng)變率在475 ～675 s-1動(dòng)態(tài)彈性模量增長(zhǎng)速率較快;初始含水率為10% 時(shí),變化趨勢(shì)為先增后減,且在溫度-20 ℃時(shí)動(dòng)彈性模量變化幅度最大。

3 凍結(jié)模擬月壤沖擊破碎特征

3.1 破碎形態(tài)

凍結(jié)模擬月壤的變形破壞過(guò)程是復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程,應(yīng)力達(dá)到峰值前是土樣不斷從外界吸收能量的過(guò)程,達(dá)到峰值后是不斷向外界釋放能量的過(guò)程[21-22]。凍結(jié)模擬月壤在不同應(yīng)變率條件下的典型破碎形態(tài)如圖9所示。

由圖9可知,在同一含水率下,隨著應(yīng)變率的增加,凍結(jié)模擬月壤的破碎程度隨之增大,高應(yīng)變率下含水率為5% 時(shí)的破碎程度普遍較大,這是由于月壤含有富鎂橄欖石和富鎂斜方輝石礦物,橄欖石和斜方輝石均為硅酸鹽礦物,非親水性礦物,顆