岩土力学 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (8): 2549-2567.doi: 10.16285/j.rsm.2025.0624CSTR: 32223.14.j.rsm.2025.0624
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吴俊1,周子翰2,姚传芹1, 3,张丰收4
WU Jun1, ZHOU Zi-han2, YAO Chuan-qin1, 3, ZHANG Feng-shou4
摘要: 为应对全球月球基地建设中可持续永久性居所建造的关键战略需求,本研究基于月球原位资源利用理念,选用与嫦娥六号月壤成分相似的模拟物为原料,通过固体硅酸钠激发的“一步法”工艺制备月壤基地质聚合物(lunar regolith based geopolymer,简称LRG),系统探究其在月面极端温度环境(−178~113 ℃)下的力学性能演变规律。重点分析了月壤关键元素组成(Ca/Si及Al/Si)对LRG抗压强度的影响,并借助扫描电镜和能量色散X射线光谱(scanning electron microscopy- energy dispersive X-ray spectroscopy,简称SEM-EDS)、X射线衍射(X-ray Diffraction,简称XRD)、热重分析(thermogravimetric analysis,简称TGA)及氮气吸附脱附(nitrogen adsorption-desorption,简称NAD)测试等微观测试,揭示了月面温变与元素组分耦合作用下LRG的微观结构演化机制。研究结果表明:提高Ca/Si质量比(0.26~0.35,Al/Si=0.34)虽可增强LRG抗压强度,但加剧其超低温敏感性;而提高Al/Si(0.34~0.58,Ca/Si=0.26)则使LRG强度呈先升后降趋势,超低温敏感性呈先降后升特征。当Ca/Si=0.35、Al/Si=0.58时,LRG抗压强度达52.25 MPa,并在经超低温后仍保持较高强度。进一步分析表明,LRG在超低温下的强度劣化机制由内外因耦合所致:内因源于凝胶网络塌陷引起的孔结构劣化,外因则包括孔隙水冻结诱发的低温泵吸效应与凝胶不相容性共同导致孔隙扩张。其中高钙体系劣化由内外因共同作用,而低钙体系则以外因为主。此外,本研究提出月球建造的最佳施工窗口期为月昼高温阶段前约100 h内完成拌合与浇筑。本研究不仅阐明了Ca、Al和Si协同作用对LRG力学性能的调控机制,还揭示了不同元素组分下的超低温劣化规律,为月球原位资源的高效利用与经济可持续地外建造提供重要理论依据与技术支撑。
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