一种混凝土材料、制备方法及其应用

1.本发明涉及混凝土领域，具体涉及一种混凝土材料、制备方法及其应用。


背景技术：

2.月球混凝土是建设月球基地重要的建筑材料，主要由月球表层月壤和少量胶凝材料形成。月球混凝土的配置需要添加一种能激发月壤活性、耐高温、耐低温、抗热震性能高、低温可水化的胶凝材料。磷酸镁水泥(magnesium phosphate cement，mpc)是一种良好的3d打印材料，具有低水胶比(低至0.1)、﹣20℃仍可水化、凝结时间短、早期强度高、环境温度适应性强、变形小、耐磨性和抗冻性等优点，尤其适应月球的独特环境。据分析美国“阿波罗”系列任务中获得的月壤样本，得知月壤的主要化学组分与粉煤灰(fly ash，fa)和火山灰组分类似，且具有更高的活性。已有的研究表明：fa在mpc体系中除了存在活性效应，还存在对磷酸根离子的吸附效应。这几种效应不但可以改善mpc的孔结构，使结构更致密，还可以进一步减少mpc的用水量，并改善其工作性能。因此mpc是配制月球混凝土的较理想的胶凝材料。
3.目前世界上比较成熟的模拟月壤主要有：中国科学院的cas系列、clrs系列、吉林大学研制的jlu系列、北京航空航天大学的gvs和bh-1系列模拟月壤，美国的jsc-1、mls-1、mls-2模拟月壤，日本的mks-1和fjs-1模拟月壤和英国的ssc系列模拟月壤。jlu系列模拟月壤由吉林大学工程仿生教育部重点实验室研制，初始物质为吉林省境内辉南新生代火山的火山灰。
4.月面环境与地面环境不同，高真空环境容易造成月球混凝土拌和用水的快速蒸发，因此在制造月球混凝土时需要考虑这一瓶颈问题，减少月球混凝土的水分蒸发，是制备月球混凝土的关键技术指标。综上，本发明提供一种工作性能优异、适用于建造月球基地的混凝土材料、制备方法及其应用。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中的不足，提供一种混凝土材料、制备方法及其应用。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一方面，本发明提供一种混凝土材料，包括以下组分：氧化镁、磷酸盐、模拟月壤、减水剂、缓凝剂和冰沙，其中氧化镁包括活性氧化镁和死烧氧化镁；
8.上述组分的占比如下：
9.冰沙与固体的质量比0.18～0.24，固体包括氧化镁、磷酸盐、模拟月壤和缓凝剂；
10.模拟月壤和氧化镁的质量比为1/3～1；
11.氧化镁和磷酸盐的摩尔比为4～12；
12.缓凝剂占氧化镁的质量分数为4％～10％；
13.活性氧化镁和死烧氧化镁的质量比为0.08～0.12；
14.减水剂占磷酸镁水泥的质量分数为5％～8％，磷酸镁水泥包括氧化镁和磷酸盐；
15.减水剂和磷酸盐的质量比为1/8～1/3。
16.进一步地，所述活性氧化镁的烧结温度为800℃～1000℃，所述死烧氧化镁的烧结温度为1500℃～1700℃，氧化镁的粒径在5～80μm之间。
17.进一步地，所述磷酸盐为kh2po4、nah2po4或nh4h2po4中的至少一种，为减少磷酸盐难以完全反应，以及混凝土表面出现白霜现象，将磷酸盐在60℃烘箱中烘干，冷却后再放入球磨机中球磨5min，使其细度(0.080mm筛余率)小于10％。
18.进一步地，所述模拟月壤为下述材料中的任一种：ilu-2模拟月壤、cas系列模拟月壤、clrs系列模拟月壤、gvs系列模拟月壤、bh-1系列模拟月壤、jsc-1模拟月壤、mls-1模拟月壤、mls-2模拟月壤、mks-1模拟月壤、fjs-1模拟月壤、ssc系列模拟月壤。
19.进一步地，所述死烧氧化镁和磷酸盐的摩尔比为4：12。
20.进一步地，所述减水剂包括表面活性剂和十二水合磷酸氢二钠，添加减水剂的目的是增加混凝土的流动性，减少水分的用量，减少水分在低真空环境下的快速蒸发。
21.进一步地，所述缓凝剂包括硼酸、硼砂、氯化钙或氯化镁中的至少一种，缓凝剂有助于降低磷酸镁水泥基材料的水化速度和水化热，延长凝结时间。
22.进一步地，所述冰沙为-20℃左右的冰块经碎冰机破碎后的冰沙。
23.另一方面，本发明提供一种上述混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
24.步骤一、将氧化镁、磷酸盐、模拟月壤、减水剂、缓凝剂真空环境干拌2分钟以上，直到拌和均匀，获得混合粉体；
25.步骤二、在真空环境下将冰沙加入步骤一中混合好的粉体中，拌和2分钟直至拌和均匀，得到适于月球环境的混凝土材料；
26.步骤三、测量混凝土材料净浆硬化体抗压强度的试块尺寸为40mm
×
40mm
×
40mm，试件成型1h后脱模，然后放在室内自然养护至各龄期，测其力学性能，每组试件3个，结果取其平均值。
27.再一方面，本发明提供上述混凝土材料在建造月球基地方面的应用，选取月球纬度45～60度的区域3d打印月球基地。
28.本发明的有益效果是：
29.(1)本发明提供的月球混凝土能够将凝结时间调控在15min～50min内，能够满足3d打印施工队对施工时间的要求，解决了在月球建造基地过程中，高真空环境容易造成月球混凝土拌和用水的快速蒸发的问题；
30.(2)本发明提供的月球混凝土中的模拟月壤不仅是月球混凝土的集料，同时模拟月壤的活性也会被磷酸镁水泥激发，模拟月壤的铝硅质玻璃相在ph为中性的mkpc水化产物内部发生溶解，并生成硅铝相物质，从而提高基体的密实度和耐久性。
附图说明
31.图1为模拟月壤粒径分布曲线；
32.图2为模拟月壤颗粒形貌扫描电镜；
33.图3为真空高低温空间环境实验设备；
34.图4为真空高低温空间环境实验数据图。
具体实施方式
35.一、实验原料
36.活性氧化镁和死烧氧化镁为工业级，生产厂家为辽宁洋洋高科技材料有限公司，产地为辽宁省大石桥市，其纯度大于95％，活性氧化镁的烧结温度为800℃～1000℃，活性51.37％，重烧氧化镁的烧结温度为1500℃～1700℃，活性12.5％，具体成分组成见表1。
37.表1氧化镁成分表
[0038][0039]
磷酸盐为分析纯，白色晶体，其中kh2po4含量大于99％，先在60℃烘箱中将其烘干，待其冷却后，再放入qm-3sp4(4l)行星式球磨机中球磨5min，其细度(0.080mm筛余率)为9.8％；模拟月壤为吉林大学制备的以吉林省辉南县金川镇的孤山黑灰色火山渣为原材料的ilu-2型模拟月壤，其粒径分布和形貌分别见图1和图2；十二水合磷酸氢二钠和硼酸为分析纯，含量大于99％，均由上海久亿化学试剂有限公司提供；表面活性剂产品名：tergitol ca-60表面活性剂、无色或黄色液体、ph值5.0-7.5(1wt％水溶液)。
[0040]
二、实验方法
[0041]
步骤一、将氧化镁(活性氧化镁和死烧氧化镁)、磷酸盐(kh2po4)、ilu-2型模拟月壤、减水剂(十二水合磷酸氢二钠和tergitol ca-60表面活性剂)、缓凝剂(硼酸)真空环境干拌2分钟以上，直到拌和均匀，获得混合粉体；
[0042]
步骤二、在真空环境下将-20℃左右的冰沙加入步骤一中混合好的粉体中，拌和2分钟直至拌和均匀，得到适于月球环境的混凝土材料，其中各组分配比范围见表2，具体的样品配比见表3。
[0043]
表2各组分配比
[0044]
i/sl/mm/pblm/mwrn 0.18～0.241/3～14～124％～10％0.08～0.125％～8％1/8～1/3
[0045]
i/s：冰沙与固体的质量比0.18～0.24，
[0046]
固体包括氧化镁、磷酸盐、模拟月壤和缓凝剂；
[0047]
l/m：模拟月壤和氧化镁的质量比为1/3～1；
[0048]
m/p：氧化镁和磷酸盐的质量比为4～12；
[0049]
死烧氧化镁和磷酸盐的摩尔比为4：12
[0050]
b：缓凝剂占氧化镁的质量分数为4％～10％；
[0051]
lm/m：活性氧化镁和死烧氧化镁的质量比为0.08～0.12；
[0052]
wr：减水剂占磷酸镁水泥的质量分数为5％～8％，
[0053]
磷酸镁水泥包括氧化镁和磷酸盐；
[0054]
n：减水剂(十二水合磷酸氢二钠)和磷酸盐的质量比为1/8～1/3；
[0055]
表3不同配比的样品
[0056][0057]
步骤三、测量混凝土材料净浆硬化体抗压强度的试块尺寸为40mm
×
40mm
×
40mm，试件成型1h后脱模，然后放在室内自然养护至各龄期，测其力学性能，每组试件3个，结果取其平均值。
[0058]
三、实验结果
[0059]
六个样品的具体物理指标如表4所示。六个样品分别改变了减水剂掺量、活性氧化镁掺量、硼酸掺量、镁磷比掺量(m/p)、壤镁比掺量(l/m)、冰固比(i/s)，以验证不同因素对月壤混凝土的影响。
[0060]
样品二和样品一的区别在于：改变减水剂和冰固比掺量，验证减水剂对混凝土的影响，实验结果表明：增加十二水磷酸二氢钠和表面活性剂组成的减水剂，能有效增加混凝土的流动性，即使“冰固比”降低流动性依然增加。
[0061]
样品三和样品一的区别在于：改变活性氧化镁的掺量，验证活性氧化镁对混凝土的影响，实验结果表明：用少量活性氧化镁取代死烧氧化镁能提高混凝土的强度，缩短终凝时间，但是对混凝土的流动性影响不大。
[0062]
样品四和样品一的区别在于：改变硼酸掺量，验证硼酸对混凝土的影响，实验结果表明：增加硼酸能延长混凝土的终凝时间，但是会降低混凝土的强度。
[0063]
样品五和样品一的区别在于：改变镁磷比，验证镁磷比对混凝土的影响，实验结果表明：将镁磷比提高一倍后，混凝土的强度提高。
[0064]
样品六和样品一的区别在于：改变壤镁比，验证壤镁比对混凝土的影响，实验结果表明：增加壤镁比，混凝土的强度降低，但是流动性和终凝时间有所增加。
[0065]
表4六个样品的物理指标
[0066]
[0067]
为了添加对比，本发明进一步添加了样品七，样品七为普通c40混凝土，其各项参数见表5。
[0068]
表5样品七的各项参数
[0069][0070][0071]
样品七为普通c40混凝土，养护28d后的强度为45mpa，而比样品三仅3d的强度就已经达到45mpa。可见用磷酸镁水泥制备的月壤混凝土更适合3d打印建造月球基地的需求。
[0072]
最后，进行真空高低温空间环境实验。真空高低温空间环境实验设备的具体指标：极限压力：≤5
×
10-6
pa，温度：-60℃～100℃，动态真空：≤1
×
10-2
pa(负载工作气体流量80sccm)，四极质谱探测有机物特征峰总分压不得超过总压的2％，设备见图3。
[0073]
实验结果表明，高低温30次后，测试普通c40混凝土和样品三月壤混凝土，经过高低温试验后普通c40混凝土的抗压强度明显降低，其抗压强度降低了51％，而样品三的月壤混凝土仅降低了4.5％，具体见表6和图4。
[0074]
表6样品三和样品七物理指标以及高低温后实验的强度指标
[0075][0076]
将上述制备的月球混凝土用于建造月球基地。赤道处的温度约为-160℃～117℃，极地温度约为-210℃～-120℃。考虑到mpc的水化温度需要高于-20℃以及mpc内部水化产物的在高于100℃容易分解的问题，选择适合mpc温度的纬度地区进行月球混凝土的施工。选择月球纬度在45～60度的地区，月球纬度45度地区的温度为-209℃～80℃，月球纬度60度地区的温度为-20℃～45℃，最高温度均低于100℃，在这些地区施工可避免mpc的高温易分解问题。此外，该类地区每个月大约有12～15天的温度保持在-20℃以上，由于mpc具有快硬、早强的优点，10多天的时间足以满足月球混凝土的施工。
[0077]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种混凝土材料，其特征在于，包括以下组分：氧化镁、磷酸盐、模拟月壤、减水剂、缓凝剂和冰沙，其中氧化镁包括活性氧化镁和死烧氧化镁；上述组分的占比如下：冰沙与固体的质量比0.18～0.24，固体包括氧化镁、磷酸盐、模拟月壤和缓凝剂；模拟月壤和氧化镁的质量比为1/3～1；氧化镁和磷酸盐的摩尔比为4～12；缓凝剂占氧化镁的质量分数为4％～10％；活性氧化镁和死烧氧化镁的质量比为0.08～0.12；减水剂占磷酸镁水泥的质量分数为5％～8％，磷酸镁水泥包括氧化镁和磷酸盐；减水剂和磷酸盐的质量比为1/8～1/3。2.根据权利要求1所述的一种混凝土材料，其特征在于，所述活性氧化镁的烧结温度为800℃～1000℃，所述死烧氧化镁的烧结温度为1500℃～1700℃，氧化镁的粒径在5～80μm之间。3.根据权利要求1所述的一种混凝土材料，其特征在于，所述磷酸盐为kh2po4、nah2po4或nh4h2po4中的至少一种，磷酸盐的细度小于10％。4.根据权利要求1所述的一种混凝土材料，其特征在于，所述模拟月壤为下述材料中的任一种：ilu-2模拟月壤、cas系列模拟月壤、clrs系列模拟月壤、gvs系列模拟月壤、bh-1系列模拟月壤、jsc-1模拟月壤、mls-1模拟月壤、mls-2模拟月壤、mks-1模拟月壤、fjs-1模拟月壤、ssc系列模拟月壤。5.根据权利要求1所述的一种混凝土材料，其特征在于，所述死烧氧化镁和磷酸盐的摩尔比为4：12。6.根据权利要求1所述的一种混凝土材料，其特征在于，所述减水剂包括表面活性剂和十二水合磷酸氢二钠。7.根据权利要求1所述的一种混凝土材料，其特征在于，所述缓凝剂包括硼酸、硼砂、氯化钙或氯化镁中的至少一种。8.根据权利要求1所述的一种混凝土材料，其特征在于，所述冰沙为-20℃左右的冰块经碎冰机破碎后的冰沙。9.一种如权利要求1～8任一项所述的混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将氧化镁、磷酸盐、模拟月壤、减水剂、缓凝剂在真空环境干拌2分钟以上，直到拌和均匀，获得混合粉体；步骤二、在真空环境下将冰沙加入步骤一中混合好的粉体中，拌和2分钟直至拌和均匀，得到适于月球环境的混凝土材料。10.如权利要求1～8任一项所述的混凝土材料在建造月球基地方面的应用，其特征在于，选取月球纬度45～60度的区域施工建造。

技术总结
本发明提供一种混凝土材料，包括以下组分：氧化镁、磷酸盐、模拟月壤、减水剂、缓凝剂和冰沙，其中氧化镁包括活性氧化镁和死烧氧化镁；冰沙与固体的质量比0.18～0.24，固体包括氧化镁、磷酸盐、模拟月壤和缓凝剂；模拟月壤和氧化镁的质量比为1/3～1；氧化镁和磷酸盐的摩尔比为4～12；缓凝剂占氧化镁的质量分数为4％～10％；活性氧化镁和死烧氧化镁的质量比为0.08～0.12；减水剂占磷酸镁水泥的质量分数为5％～8％，磷酸镁水泥包括氧化镁和磷酸盐；减水剂和磷酸盐的质量比为1/8～1/3。本发明中模拟月壤不仅是月球混凝土的集料，同时其活性也会被磷酸镁水泥激发，模拟月壤铝硅质玻璃相在pH中性的MKPC水化产物内部发生溶解，并生成硅铝相物质，从而提高基体的密实度和耐久性。从而提高基体的密实度和耐久性。从而提高基体的密实度和耐久性。


技术研发人员：马好霞 刘志峰 黄冬辉 梁献超 姜昊天 王艳芳 金辰华
受保护的技术使用者：金陵科技学院
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/14