不同负温和含水率模拟月壤SHPB试验与分析

2023-01-17马芹永鲍晓璇

矿业科学学报 2023年1期

马芹永鲍晓璇

1.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心,安徽淮南 232001;2.安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南 232001

水、冰资源[1-2]作为深空探索活动特别是载人探索活动的重要物质,其应用贯穿于能源和再生生命保障系统的主要分系统和关键技术环节,其重要性不言而喻。因此,月球极区资源开发利用,特别是水、冰资源,将是探月活动的重要研究内容。月球上蕴含丰富的矿产资源以及地球上未发展的新矿物,为有效开发利用月球资源提供思路,因此研究月壤土的力学特性是必要的。

Cesaretti 等[3]提出在月球建立人类居住地的几种选择,如利用月壤原位制作水泥或混凝土、从地球运输建造材料或完整的装配模板以及通过月表挖掘建造地下栖息地。然而,将材料从地球运输到月球的成本是十分昂贵的,进行月球基地建设应当遵循现场资源利用的原则[4]。Fisher 等[5]从反射率和温度测量的角度证明月球极区含有水、冰资源,其中在最高温度低于110 K(-163.15 ℃)时月球南极的反射率增强,这表明可能存在广泛的地表水冰。Li 等[6]利用月球矿物绘图仪获得的反射光谱和永久阴影区的间接光照,检测水冰的近红外吸收特征。这是月球上存在大量水和其他挥发物的最有力证据。

月球月壤的物理力学性质是关系月球基地建设并长期运行的关键。Pitcher 等[7]对月球极区风化层月壤模拟物的性质进行研究,利用NULHT-2M 模拟月壤进行大量的试验,研究不同含水量对渗透阻力和单轴抗压强度的影响。Atkinson等[8]研究发现,饱和JSC-1A 模拟月壤的无侧限抗压强度略低(25 ～40 MPa),试验过程中将试验温度预冷至-196.15 ℃,并在-40 ℃冷冻环境中进行试验,以最大程度减少试样升温。Atkinson 等[9]研究了JSC-1A 模拟月壤在低温、低压和一系列冰饱和条件下的渗透和松弛行为,并使用改进贯入仪推断出月球表面风化层含冰量。刘德赟等[10]开展了冻土模拟月壤采样技术试验研究,制备不同含水量的冻土模拟月壤,开展钻取试验,初步总结冻土类模拟月壤钻进特性。唐钧跃[11]以我国探月工程(三期)月面钻取采样为研究背景,开展高密实度模拟月壤自适应钻进取芯特性研究。何立臣等[12]基于提出的水资源提取新方法搭建了含冰模拟月壤水提取实验装置,并以CUG-1A 模拟月壤为原料开展了试验研究。杨智颖[13]选取硬度接近于月岩的两种类岩石材料红砖、砂岩进行试验及仿真,研究钻具的冲击参数对于破碎岩石效率的影响。现有研究多以无水模拟月壤为主要试验对象,而对于月球极区含有水冰的月壤研究鲜有报道[14]。

目前,国内外对模拟月壤的研究主要集中于常温下的工程静力学特性上,其负温下的动态力学特性研究较少。随着我国深空探索活动的开展,嫦娥四号成功在月球南极艾特肯盆地实现软着陆,月球极区月壤的研究具有重要价值。美国月球陨坑观测和遥感卫星(LCROSS)任务探测结果显示,月球极区永久阴影区存在水冰资源,水冰赋存区月壤含水率在5% ～10%。月面昼夜温差为310 ℃,对于温度变化过程中水冰赋存区模拟月壤动态力学特性的研究是具有一定意义。在实验室条件下,开展不同含水率(5%、8%、10%)、不同负温(-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃)下模拟月壤的SHPB 试验,能为后续月球基地建设并保证长期运行提供动态力学参数。

1 单轴冲击压缩试验

1.1 SHPB 试验装置

采用安徽理工大学直径37 mm 的分离式Hopkinson 压杆(SHPB)实验系统测试冻结模拟月壤的动态力学特性[15]。试样尺寸采用φ37 mm×18.5 mm 的标准圆柱体,SHPB 入射杆和透射杆均采用同种铝制材料,杆长分别为2 m、1 m,撞击杆长为0.4 m。杆的密度为2.7 g/cm3,弹性模量为70 GPa,纵波波速为5 090 m/s。

1.2 试样制备及试验方案

Qian 等[16]将南京六合玄武岩与Apollo月壤样品在物理性质和成分等方面进行比较,验证了六合玄武岩可作为模拟月壤的原材料。所以试验用的模拟月壤选取南京六合玄武岩为原材料,试验样品成分由安徽理工大学分析测试中心X射线衍射仪(Smartlab SE)测得,与月壤样品成分对比见表1。六合玄武岩为碱性橄榄玄武岩,呈灰黑色块状,斑状结构。模拟月壤颗粒级配见表2。

表1 各种模拟月壤与月壤样品成分对比表Table 1 Composition of various lunar soil simulant and lunar soil samples%

加;②塑性变形阶段,超过屈服极限后,试样进入塑性变形阶段,曲线呈向下弯曲的下凹型;③破坏阶段,超过峰值强度后,应力急剧下降,进入破坏阶段。

图4 动态应力-应变曲线(-20 ℃)Fig.4 Dynamic stress-strain curve(-20 ℃)

2.3 动态抗压强度

2.3.1 初始含水率对动态抗压强度的影响

不同温度下模拟月壤动态抗压强度与初始含水率的关系如图5所示。温度在-5 ～-15 ℃范围内,动态抗压强度随初始含水率的增加呈先增大后减小的变化趋势,在3 种不同温度下均在初始含水率为8%时达到峰值强度,分别为20.01 MPa(应变率为575.4 s-1)、15.95 MPa(应变率为660.01 s-1)、15.85 MPa(应变率为679.4 s-1)。当温度为-20 ℃时,在同一含水率情况下,冻土模拟月壤的动态抗压强度随着应变率的提高而增大,表明冻结模拟月壤是一种对应变率变化敏感的材料。应变率为564 s-1、606 s-1时,含水率为5%的冻结模拟月壤动态抗压强度分别是应变率为390 s-1时的1.14 倍、1.66 倍,含水率为8%的冻结模拟月壤动态抗压强度分别是应变率为390 s-1时的1.53 倍、1.90 倍,含水率为10%的冻结模拟月壤动态抗压强度分别是应变率为390 s-1时的1.22 倍、1.44 倍。

图5 模拟月壤动态抗压强度与初始含水率的关系Fig.5 Relationship between dynamic compressive strength and moisture content of lunar soil simulant

随着含水率的增加,在相近应变率的情况下,冻结模拟月壤的动态抗压强度而增大,说明水的存在会提高冻结模拟月壤的动态抗压增强因子。在高气压下,动态抗压强度随含水率增加的增长幅度较低气压下的增长幅度要小。

2.4 模拟月壤动态单轴压缩力学特征参数分析

模拟月壤的动态应力应变曲线为应变软化型,峰值应力的一半与所对应应变的比值为弹性模量[20]。弹性模量可以用来表征模拟月壤抵抗变形的能力。不同负温条件下模拟月壤动弹性模量与平均应变率的关系如图8所示。

图8 模拟月壤动弹性模量与平均应变率的关系Fig.8 Relationship between the elastic modulus and the average strain rate of the lunar soil simulant

由图8可知,在初始含水率为5% 时,动弹性模量在不同温度条件下变化规律差异大,-5 ～-15 ℃时,动弹性模量受平均应变率的影响较小,而在-20 ℃时随着平均应变率的增加呈逐渐减小的变化趋势,这是由于-20 ℃时模拟月壤内不同矿物颗粒在负温下的收缩速率存在差异,使得试样发生强度劣化,表现为动态弹性模量的降低。初始含水率为8% 时,模拟月壤动弹性模量随着平均应变率的增加呈逐渐增大的趋势,且在平均应变率在475 ～675 s-1动态弹性模量增长速率较快;初始含水率为10% 时,变化趋势为先增后减,且在温度-20 ℃时动弹性模量变化幅度最大。