Sustainable Concrete of Tongji University

编者按

在月球上建设各种建筑物，开发利用各类资源能源，需要用到大量的混凝土等建筑材料。然而，从零起步建设月球基地、建设各类设施甚至建设所谓的“月球村”，是一项庞大的工程。若混凝土等建筑原料都从地球运载，不仅花费极其巨大，其效率和安全性也存在巨大的弊端。科学家们提出了以月球原位资源作为主要建筑材料，对月球基地或“月球村”进行建设，将对地球原材料的依赖降低到最低程度的方案。月球混凝土（Lunar Concrete或lunarcrete）和月球原位建设（ISRU）的概念，便在此基础上被郑重提出。

在人类古代文明的中，月亮自古有着别样的意义，特别在我国古代，月亮的意象更是十分深邃，它是美丽的象征，更是人们情感的载体，他寄托了恋人间的相思，表达了游子对故乡和友人的怀念[1]。从古至今，人们对月球的向热情终未变，嫦娥奔月的传说，便是古代人们对月球无限向往的佐证。

作为离地球最近的唯一天然卫星，随着世界科学技术的发展，登陆月球已由不可能化为现实，1969年，美国阿波罗11号成功登陆月球，指令长阿姆斯特朗在其表面留下了人类的第一个脚印。50年来，为了更加深入地了解世界各科技强国都就探月工程开启了一系列航空探测任务。而从新世纪开始，各国对月球的探索热情依然不见退散，开启了诸如欧洲航天局的MORO计划，EuroMoon2000计划，日本的Hite计划，以及中国的嫦娥工程等多个探月任务。

而背后最主要的推动力，是因为地球能源的快速消耗。21世纪以来，能源紧缺的问题变得愈发严峻，在地球内部资源利用达到饱和后，人们便把目光投向了月球。月球上具有大量的可利用资源，其表面被一层5-20m厚的月壤风化层所覆盖，太阳风粒子的长期注入使得月壤富含稀有气体组分。这可为人类社会提供长期，稳定，廉价和洁净的核聚变原料。据估算 ,月壤中氦-3的资源总量可达100万-500万吨，全世界年总发电量大约消耗100t氦-3。换言之,月壤中的氦-3可满足地球能源需求达万年以上[2]。另外，月球上蕴藏有大量的金属矿产资源，诸如铬、镍、钾、钠、镁、硅、铜金属储备量十分丰富。通过计算，仅在风暴洋区克里普岩中稀土元素的资源量约为225亿～450亿吨，是未来人类开发利用的重要矿产之一。

由于宇宙过于浩瀚，在月球上建立基地和空间站，将其作为探测其他行星的中转基地，进行航天器发射，检修和燃料补充，以此作为跳板飞向宇宙深处是必须的过程[3]。我国在2006-2020年《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，将探月工程列为16个重大专项之一，列为我国科技发展的重中之重。中科院公布的“中国2050年科技发展路线图”也指出，我国将在2030年前后实现载人登月，建立月球基地；并在2050年前后，载人飞行从月球基地飞向更远的行星，并具备载人登火星能力。

在月球上建设各种建筑物，开发利用各类资源能源，需要用到大量的混凝土等建筑材料。然而，从零起步建设月球基地、建设各类设施甚至建设所谓的“月球村”，是一项庞大的工程。若混凝土等建筑原料都从地球运载，不仅花费极其巨大，其效率和安全性也存在巨大的弊端[4]。在这样的背景下，科学家们提出了以月球原位资源作为主要建筑材料，对月球基地或“月球村”进行建设，将对地球原材料的依赖降低到最低程度的方案[5]。月球混凝土（Lunar Concrete或lunarcrete）和月球原位建设（ISRU）的概念，便在此基础上被郑重提出。

月球及其环境介绍

月球的基本物理特性数据如表所示，其平均密度为3.342g/cm3，它比由岩石构成的行星密度小，但比绝大多数天然卫星更大，据此可以推测，月球主要是由硅酸盐物质构成。月球内部是一个层状结构，如图所示，主要由月壳（表面至60km），月幔（60km延伸至约1000km的深度）和月核（半径大小600-800km）三部分构成[6]。

由于自转和公转的原因，月球总是以一面正对着地球，而另一面一直隐匿在黑暗之中，月球表面都是裸露的岩壤，且不存在大气层，故其昼夜温差极大，白天最高温可达137℃，夜晚最低温低至-190℃。但是有趣的是，距离地表1m以下的环境温度十分稳定，为-30℃左右，科学家们认为，在月球地表以下建设基地可以很好地解决环境温度问题[7]。月球上没有空气，不存在气压，因此，若人类想要在月球上生存，必须对生活环境进行预先加压。没有大气也就意味着没有辐射和陨石撞击防护，月球上宇宙射线，太阳耀斑等放射线很多，而陨石坠落速度可达20-40m/s，因此月球建设中防辐射和陨石撞击也是重要的一环。另外，由   于地质结构的独特性，月球上经常发生月震，一年约300余次，周期约为两周，但震级很小，一般约为2-3级，对基地建设的影响很小。根据月球球的质量和体积，可得它的重力大小约为地球的1/6，故在建筑强度方面的需求并不苛刻，但对混凝土拌合过程产生了很大的不确定性。

月球的表面分为撞击陨石坑，月球高地，月海，风化层。由于月球表面流星体的通量很高，对其表面进行了大量的撞击，形成了许多坑和高地。撞击坑又分为简单坑和复杂坑，简单坑数量较多，最大直径达15km，最大深度可达2-3km，复杂坑的直径大于10-20km，相对较浅，有明显的中央凸峰，底部呈现如多环特征的大盆地。月球高地是明亮区，具有很高的反射率，具有丰富的斜长辉长岩。月海集中在月球近侧，有些月海位于大型环行撞击盆地里，其为宽阔的平地，在高地和和撞击盆地形成后由喷发的玄武岩熔浆构成。由于月球表面受到强烈的撞击和辐射，月壤岩石分裂破碎并发生一定程度的融合，聚变，不断变细并形成了一层3-20m厚的类似土壤，具有微弱粘性的碎片覆盖物，我们称之为月壤风化层。

月壤及其模拟物

月壤指的是月球表面表层岩 的细颗粒部分（小于1cm），它具有有5种基本的颗粒类型：矿物碎片、原始结晶岩碎片、角砾岩碎片、不同种类的玻璃体和胶结物。月壤不同于地球上任何自然产生的物质，它的形成主要有两个作用过程其一是简单的分散或岩石的破裂，矿物由于冲击被分解成小颗粒；其二是凝结过程，由于小陨星体的撞击使得岩石和矿物碎片熔接在一起。

宏观上看，月壤具有黏性，颗粒非常细小，是由玄武岩和辉长石演变而来的松散颗粒，平均粒径为40～800微米。从微观角度，月壤样品微观结构存在胶结物颗粒，这些颗粒是月壤重要的组成部分。胶结物颗粒具有分支的组织形态和封闭的气泡，并且有金属铁珠存在[8]。

由于月壤样品十分稀有，不可能大量用于实验，于是根据月壤的成分组成，各宇航局都依据自己的标准研发出了各类月壤模拟物（Lunar Regolith Simulant），最常用的就是NASA所属的约翰逊航天中心制备的的JSC-1月壤模拟物，我国也研制了模拟月壤CAS-1和高低模拟月壤NAO-1等。下表为月壤样品和JSC-1月壤模拟物的主要成分对比。

水泥-水-骨料模式

在最初的探索阶段，科学家们提出了用传统水泥混凝土模式建设月球基地，认为月壤和月岩可以作为粗细骨料掺加进混凝土中，T.D.Lin曾利用从NASA获得的月壤样品（粒径0.1-0.8mm，表观密度1.37g/cm3，孔隙率45％，比重2.5 g/cm3）作为细骨料，以及铝酸钙水泥和蒸馏水对成型砂浆进行力学性能研究（配比为砂：水泥：水=1.75：1：0.485），下表为月壤粒径分布[9]。

测得其3.5d抗压强度可达10970psi， 静弹性模量为1.8×106psi，最大荷载泊松比为0.39，破裂模数为1244psi，动弹性模量为3.12×106psi，线膨胀系数可达2.9×10-6/华氏度，月壤砂浆孔隙率约为8％，各力学性能均可达到作为建筑材料的要求，说明用月壤和月岩作为混凝土骨料的方法是可行的。对其表面进行剖析，发现没有气孔与颗粒直接接触，但有趣的是抗压测试下形成的裂缝总是从颗粒中穿过，他们认为月壤颗粒的胶合和微裂缝不会影响胶砂强度。

虽然当今一些科学家利用探测手段“证实”了月球的极夜面陨石坑内极有可能存在冰与水[10]。但是由于未亲眼证实，科学家们仍更倾向于月球上没有水的存在。另外，在月球真空和微重力的环境条件下湿拌也可能会存在预想不到的困难。于是科学家们提出了干拌蒸压养护混凝土的模式（Concrete With Dry- Mix/Steam-Injection Method，DMSIMC），即先将胶凝材料和骨料按配合比干拌均匀后，投入高压定型蒸汽锅内进行成型，并通入高温高压蒸汽（一般为105-200℃的饱和蒸汽）进行养护，这种方法成型和养护的试件不仅强度发展快，一般1d即可达到极限强度的90％以上，最重要的是需水量极少，可极大缓解月球上水匮乏的窘境。另外，王伟锋等学者认为月球上存在的硅质材料，采用干混蒸压养护法可以制备大掺量非晶态硅质材料的水泥硬化浆体，砂浆和混凝土[11]。实验得到，干混蒸压养护法在减少水泥用量，提高试块强度方面具有良好的优点，例如在火山岩掺量为20％，40％，60％时，砂浆试件的强度分别可达118.6MPa，100.7MPa ，80.1MPa，他们认为其最佳掺量在20％左右。

科学家们对阿波罗号带回的月岩和月壤样品进行成分分析，发现其比表面积可达300-500m2/kg，且含有大量的SiO2，CaO和Al2O3[12]，这些均为水泥熟料的重要组成成分。因此，科学家们相信月壤可以用于进行水泥熟料的生产。T.D.Lin曾提出了一种制备胶凝材料工艺设想[13]：

如图展示了玄武岩中各组分的冷凝温度，常用胶凝材料元素如Ca，Si，Al，Mg，Fe的冷凝温度均高于1400K，而非胶凝组分与胶凝材料存在一个较宽（200K）的冷凝温度断层，利用这种独特的性质，若将原料加热到适合的温度区间内保持稳定进行熔融，再将其进行分离，即可得到所需的胶凝材料组分。然而，此过程中元素蒸发需要3000K以上的高温，这可能对选择适合的容器造成一定程度的困难。另外实验证实，将含有CaO，SiO2，Al2O3等组分的废渣加热至2000K以上进行选矿，可以得到与商品用高铝水泥极其相似的组成产品。

月球的真空环境会给水泥-水-骨料模式的混凝土拌合成型带来一定的麻烦，但Hatice S. Cullingford等学者实验发现，真空环境并不会对混凝土的强度造成可观察的损害。并测得其干燥速率为常数，蒸发系数为1.59*10-7，因而他们认为不需要对混凝土强度设置富余量来应对真空环境可能带来的不利影响[14]。

在月球超低温（最低可达－190℃）环境下，普通水泥混凝土对其表现出较为良好的适用性能。蒋正武等学者通过实验，发现在恒定低温条件下，混凝土的强度相对于常温下的混凝土强度有所提升，且随着温度的降低、含水量和含气量的增加而大幅度提高[15]，他们认为混凝土在超低温下的力学性能增强机理主要是：其一，超低温下混凝土孔隙水结冰，混凝土结构不断致密，中断了毛细孔和结构孔的连续性，降低了应力集中区从而使自身强度增强；其二，冰的强度随温度降低而升高，冰与混凝土粘接成整体并不断密实两部分所致。

在-196～20℃温度范围内，混凝土抗压强度和动弹性模量随温度降低而提高，其主要取决于含水率。含水率越高，提高程度则越大。高强砂浆在-110℃的超低温下与常温抗压强度比和抗折强度比在2-4之间，其压折比小于常温下压折比，说明砂浆在超低温环境下的脆性降低。另外，高强砂浆在超低温下抗压强度和抗折强度均与超低温养护时间成指数关系，且含水率越高，相关性越大。高强砂浆在超低温下抗压强度增加值和抗折强度增加值与其含水率成二次函数关系。含水率对超低温下抗折强度影响大于其对超低温下抗压强度的影响[16]。

月球上的温度变化极为剧烈，对建筑材料冻融循环的研究也就显得极为重要。有意思的是，多个研究表明普通水泥混凝土在冻融循环后性能会发生较为明显的损失。但有的学者发现，只有饱和或几乎饱和的混凝土冻融循环后才会受到内部破坏，而对于湿度小的干燥混凝土则几乎没有强度损失。

硫磺混凝土

由于月球上普遍被认为不存在水，即使存在水也有着很大的开发和利用难题。科学家们一直致力于寻找新的月球建筑材料来取代传统的水泥-水-骨料生产模式。在持续的研究下，科学家们提出了以硫磺作为胶凝材料生产月球建筑材料的硫磺混凝土方案。硫磺混凝土主要由硫磺和粗、细骨料（骨料）组成，并加入少量的增韧剂。在成型过程中，硫磺先被加热融化到120℃以上后与骨料等其他组成材料拌合均匀后浇筑成型，然后冷却硬化产生强度，在使用模具成型时，需要将模具先预热，避免温差过大导致温度应力破坏[17]。它具有良好的耐蚀性和密实性，可在负温下浇筑，强度发展较快，浇筑半小时抗压强度就可达到极限强度的65%，24h抗压强度可达极限强度的70％-80％，48h抗压强度可达40MPa以上。

硫元素在月球上的含量较为丰富，相对于从月壤中提取硅酸盐水泥，硫的提取相对简便许多，学者们曾使用微菌法从月壤混凝土中提取出了硫磺；另外，对矿物中的FeS进行氧化也可以得到Fe3O4和SO2；根据阿波罗15和16号的月壤样品进行硫的提取实验，科学家们发现在真空条件下，只需将其加热到合适的温度（1000-1200℃），月壤中的硫元素即可挥发出85-95％[18]。在使用富含钛铁矿的月壤提取氧气时，硫也会作为副产物被产出，其质量占氧气的10％左右。

Husam A.Omar在报告《Production Of Lunar Concrete Using Molten Sulfer》[19]中对不同硫磺掺量的硫磺混凝土性能作了较为详细的叙述：

在拌合物工作性方面：当硫磺百分比用量在0.3以下时，硫磺混凝土拌合物几乎不流动，没有工作性；当硫磺百分比用量在0.3-0.4时，硫磺混凝土拌合物具有一定的流动度，整体较干，成型需要压紧密实，相当于普通水泥混凝土水胶比为0.4左右；当硫磺百分比用量在0.4以上，硫磺混凝土拌合物流动性较好，相当于普通水泥混凝土水胶比≥0.55。

在硬化硫磺混凝土力学性能方面：硫磺混凝土抗拉、压折强度和疲劳寿命要优于普通硅酸盐水泥混凝土。对素硫磺混凝土，最大抗压强度出现在0.35硫磺百分比用量处，其值为33.8MPa。抗拉强度大约为抗压强度的0.1-0.15倍。二者均呈脆性破坏，且试件在抗压测试过程中不断有碎片剥落。

对纤维硫磺混凝土，玻璃纤维的掺加会对混凝土的力学性能产生不利影响，而金属纤维可以增强混凝土的力学性能，实验得出，在0.02金属纤维掺量下，最大抗压强度出现在0.35硫磺百分比用量处，强度大小为43.0MPa，而强度最大相对增长量出现在0.40硫磺百分比用量处，相对增长幅度达到了0.37。硫磺用量越高，硫磺混凝土凝结硬化速度越快。更快的凝结时间可以预防硫磺混凝土硬化前在月球极端环境下长时间暴露可能存在的潜在隐患。

向硫磺混凝土中掺加硅质材料可提高硫磺混凝土的抗压强度，但是也会提高它的脆性。掺加DCP（二环戊二烯）会对硫磺混凝土强度造成损害，但其在低温下的强度较室温发生一定的增长[20]。

硫磺混凝土密实性好，耐腐蚀性好，Vlahovic等学者曾对在20％HCL，10％H2SO4，以及3％NACL的侵蚀性溶液中不同掺合料（滑石粉，粉煤灰，铝粉，硅粉）的硫磺混凝土的耐久性（质量损失，强度损失，表面孔隙率增量）进行了研究[21]。他们认为，在HCL和H2SO4的酸性溶液中，掺加滑石粉和粉煤灰的硫磺混凝土具有更好的耐久性；而在NACL的盐溶液中，掺加铝粉和硅粉的硫磺混凝土耐久性更佳。掺合料的种类并不会对硫磺混凝土的强度损失程度造成不同影响，但与侵蚀性环境有关，HCL中的强度损失速率大于H2SO4，而NACL溶液中的强度损失基本可以忽略。不同溶液中表面孔隙率增长速率关系为HCL＞H2SO4＞NACL,其变化规律与强度损失规律相对应。

虽然硫磺混凝土相较于普通水泥混凝土存在诸多优点，但其也存在一些固有的缺陷和难以解决的诟病。硫磺需要在120℃以上才会融化，但是温度达148℃以上却又会变得粘稠并失去流动性，故其适宜的成型温度范围很窄，为130-140℃[17]。在真空环境中硫磺会不断升华，其升华速率随温度的升高不断加快，而在月球最低温度时几乎不发生。另外，硫磺在加热融化拌合后冷却过程中会经历晶型转变，在114℃时冷却固化为单斜硫Sβ，体积收缩约7％；而96℃时单斜硫Sβ转化为斜方硫Sα，体积收缩约6％。这种性质会导致硫磺混凝土在热温度循环过程中体积不稳定，从而导致结构的破坏[22]。根据实验，虽然从-27℃到室温的循环或恒定-27℃的低温并不会对硫磺混凝土造成明显的强度损失，但是在更大的温差范围内循环（-191℃--室温80次），硫磺混凝土会出现明显的强度损失[23]，如图所示，循环组硫磺混凝土的抗压强度仅为7MPa，而定温下抗压强度约为35MPa，约为循环的5倍。

煅烧成型混凝土

由于从地球运送建筑材料到月球经济和安全成本过高，效率十分低下，未来月球计划中最理想的方案是使用极少量地球原料或直接全部使用月球原位材料（ISRU）进行月球基地建设。月球表面风化层的各项胶凝成分和水泥原料有一定的相似之处，因此有的科学家对直接使用月壤作为胶凝材料的可能性进行了研究。

Stephen J. Indyk[24]采用月壤模拟物JSC-1A作为原材料，在超过1100℃的温度条件下对孔隙率分别为1.44％和11.78％的月壤进行了煅烧成型。如图所示，其28d平均抗压强度分别可达218.8MPa和84.6MPa，试件孔隙率越高，所得试件的抗压强度越低。虽然在测试过程中有一部分试件在测试过程中发生了初始破坏（initial failure），但是其仍可以达到非常可观的强度水平，因此，烧结月壤混凝土被认为是当地最强的月球建筑材料之一。如果煅烧过程中掺加纤维和钢筋，煅烧月壤混凝土能类似于普通钢筋混凝土提高其抗拉强度和抗折能力。

另外，若控制环境条件，在1100℃的真空环境下煅烧CLRS-1月壤模拟物，可以得到密度为1.19g/cm3的多孔建筑材料[25]，其在月球表面白昼温度和地球室温下的导热系数分别为0.265W×m-1×k-1和0.395W×m-1×k-1，具有很好的保温绝热性能。这是由于Mg这类低熔点的矿物在煅烧过程中的快速蒸发，从而形成了这类宏观孔，故而使其质地疏松多孔。除了保温绝热效果外，多孔的结构也具有很好的防冲击和缓震性能，可以作为月球防陨石冲击盾的理想建造材料。

地聚合物混凝土

除了通过煅烧的方式对月壤进行成型外，使用碱激发剂对月壤进行地聚合激发成型也是一个重要途径。地聚合物是硅铝质无机原料通过矿物缩聚生成的一种以离子键和共价键为主，范德华键为辅，由共用氧交替键合的硅、铝氧四面体组成的铝-氧-硅酸盐无定形网状结构的胶凝材料，地聚合物的水化反应是在碱性激发剂的作用下，硅氧键和铝氧键发生断裂-重组反应，再聚合生成地聚合物的过程[26]。国外Alessio Alexiadis等学者[27]使用NaOH分别对月壤模拟物JSC LUNAR-1A和火星土壤模拟物JSC MARS-1A进行地聚合成型，结果发现，月壤模拟物JSC LUNAR-1A可轻松发生地聚合反应，生成坚硬的岩石状材料，在NaOH浓度为8M时，其密度约为2.6g/cm3，28d抗压和抗拉强度分别可达18.4和13.0MPa，均优于参比水泥混凝土。而火星土壤模拟物JSC MARS-1A需先将其球磨成小颗粒，才能顺利进行地聚合反应，所得成型材料密度约为1.8g/cm3，它的力学行为与普通混凝土有着较大区别，其28d抗拉强度相比于参比水泥混凝土相差不大，但抗压强度低，约为3.5MPa，与砖体类似。

国内Lixiong Cai等学者以Ca（OH）2作为激发剂和钙源，直接使用玄武岩月壤模拟物作为胶凝组分，采用预压制成型和蒸压工艺制备混凝土[28]。并对Ca（OH）2用量比，月壤模拟物细度，预压成型强度，以及蒸压工艺对混凝土力学性能和孔隙结构的影响做了系统的探究。

他们发现，在同样的配比和工艺条件下，Ca（OH）2比纯水泥熟料成型的试件力学性能更佳（在其掺量均为10％时，二者强度分别为26.79MPa和6.53MPa），且随着Ca（OH）2含量的增加，试样抗压强度明显提高，掺量为20％时可达到49.63MPa。而月壤模拟物的细度越高，会导致内部孔隙率越大，试件强度越低。

在预压成型阶段，压制强度的增大可显著降低试件孔隙率，增大试件密度，并界面荷载能力有所提升，故而试件力学性能有所增强。另外，蒸压持续时间的延长也可以提高试件抗压强度，16h的蒸压时间所得试件强度可达36.36MPa，比4h强度提高了44.3％。根据微观分析，其主要原因是生成了CSH（B）和托勃莫来石。

另外，月壤不仅可以直接用作胶凝材料，也可以作为生产玻璃纤维的原料。Dennis Tucker等学者[29]将JSC-1模拟月壤煅烧到1450-1600℃以上并保持30min至1h后，对熔融物进行拔丝即可得玻璃纤维，或者在600℃退火成型可得玻璃棒状物，成形后，需立即在其表面覆盖一层高分子膜以保持其力学性能。

月壤地聚合混凝土仅需从地球运载极少量的碱激发剂即可完成大规模的生产和建设，但养护过程中受环境的影响很大。Gabrielle Davis等学者[30]将成型的月壤地聚合混凝土分别置于月球平均白昼温度，真空条件以及耦合环境下进行养护，发现真空条件下养护的地聚合混凝土是唯一28d抗压强度大于1d的组别（常温压不参与讨论），约为9MPa，且其抗压强度呈现不断下降的趋势。而在月球平均白昼温度和真空条件下养护的地聚合混凝土甚至无法得到28d抗压强度，因为在养护过程中试件就已经碎裂，根据变化局势图像推测其强度约为3.42MPa。

根据傅里叶红外光谱，除了高温+真空耦合条件下地聚合混凝土可观察到与典型地聚合反应（波数从900cm-1移向1000 cm-1）类似的峰移动，其余条件组均出现了峰倒退的情况（包括常温压）。尽管如此，常温压组依然观察到了地聚合反应。下图分别为常温常压条件下和高温和真空耦合条件下扫描电子显微镜图像，相比于常温常压条件，高温和真空耦合条件下养护的地聚合混凝土基本都成脆性的锯齿状结构，真空养护条件下能观察到裂纹存在，这可能是混凝土抗压强度的下降的主要原因之一。

高分子聚合物混凝土

为了解决月球上极可能不存在水的窘境，除了以硫磺作为月球混凝土的胶结材料外，国内外学者们也在致力于寻找和发展其他种类的无水胶凝材料。

一些学者认为高分子聚合物熔点与月球表面温度较为契合，是一种理想的混凝土胶结材料。高温下聚合物熔融后，可以将月壤和其他组分混合，胶结于一体并在常温下硬化形成固体基，从而产生强度。

Tai Sik Lee等学者[31]使用少量聚乙烯（polyethene）等热塑性高分子聚合物作为胶结材料（掺量仅占混凝土质量分数的10％，其余为月壤模拟物），在月球模拟真空和高温的耦合环境下预热（123℃）拌合后再在230℃温度顶盘下养护硬化（加热方向由上而下，Top Down法），如图所示：

根据测试，在将月壤模拟物预热到123℃时，Top Down法所成型试件在5h内硬化深度可达49.5cm，抗压强度可达12.6-12.9MPa，而非预热成型的混凝土试件强度明显更低。另外，这种成型方法会使试件内部孔隙结构分布不均匀，靠近热源的上部相较于中部和下部的孔隙率明显更小。

在由上而下的Top Down法加热成型高分子聚合物混凝土的基础上，Jaeho Lee等学者[32]提出了由下而上的Bottom Up加热成型方法，相较于Top Down法，Bottom Up法热源仅需200℃，低于Top Down法的230℃，加热时间仅需3-4h，约为Top Down法的一半，故而Bottom Up 法更加节约能量和时间。唯一的不足的是所得的最大抗压强度为5.7MPa，仅为Top Down法的二分之一。

Tzehan Chen等学者[33]采用超低掺量的热固性高分子聚合物和固化剂作为胶结剂（环氧树脂epoxy resin，环氧树脂：固化剂=5：1，掺量为0.02-0.05），JSC-1月壤模拟物作为骨料，在高压下成型硬化，所得混凝土试件抗折强度可达30-40MPa，并且在-200℃-130℃的温度范围内气密性和强度等力学性能表现良好。随着环氧树脂掺量的提高，试件的气密性越好，抗折强度也线性增加，并在掺量为10％时趋向饱和，提高加压成型压力和延长加压成型时间都会对时间抗折强度的提高产生积极影响。

对其成型模型进行分析，如图所示，在高压下，混凝土内部结构不断致密，并使胶结剂大液滴不断分散成小液滴，随着压力继续增大，毛细压力促使胶结剂液滴在颗粒接触点周围扩散分布，最终形成聚合物的微观凝聚体，便达到了超低掺量胶结剂成型高分子聚合物月壤混凝土的结果。

月球建设

要在月球上构建适宜人类居住的月球基地，除了需要从建筑材料上进行考量和选择，月球资源和原料的勘测，基地的结构设计以及基地建造的工艺也是亟须解决的课题。

月壤被认为既可作为月球混凝土的骨料，也可作为胶凝材料，但其在实际建造过程中的运输工作确实一大难题，由于月球表面处于真空状态，内燃机无法使用，光能发电也受地点和时段的限制。为了最大程度的节省能源，很多科学家都在思索新的低能耗运输系统。Hiroyuki Kawamoto等学者[34]提出了采用静电输送机来运输月壤模拟物的方案，如图所示，其原理是将月壤颗粒带上电荷，利用静电行波提供输送力，以达到移动月壤颗粒的目的。

根据测试，当静电行波运输机的运输宽度为100mm时，在空气中的输送速率可达到13.5g/min，且其运输系统功耗很低，平均每平方米仅为10W。根据模拟，输送机在真空和低重力环境下系统的表现也可达到近似的效果。由于运输机以静电力wei驱动力，其输送路线可以进行各类自定。如图所示，倾斜，平直，曲线，分径等各类运输路线均可完成，并且管道传输和散乱颗粒的自行堆积也基本可以做到。

水作为生命之源，人类生存离不开水，普通水泥混凝土的拌合成型过程中水也是不可或缺的。受限于勘察手段，科学家们一直未探明月球表层下是否存在水分。Ted L. Roush学者[35]认为在在月球上进行钻井勘探过程中，深层的挥发性物质会跟随一起到达月球表面，根据水和冰的两个光谱特征，大约2000和3000nm的波长，可以用于检测水和冰的存在与否。

根据水分和JSC-1月壤模拟物的模拟实验，当挥发物来到表面时，光谱分析仪可以检测到它的存在，且可根据动态统计，分析仪能够实时将样品传输给相应设备进行更多细节分析。

地球上的人类生活在一个标准大气压下，但月球表面是几乎真空的，因此，月球基地需进行预先加压后才适宜人类居住，但混凝土的抗压强度虽高，但抗拉强度却较为薄弱，一般仅为抗压强度的10％到15％[36]。为了解决这个问题，T. D. Lin提出了采用弧形墙面的设计思路[37]，整体墙面由带有一定弧度的预制混凝土板组成，每块混凝土板的凹面朝外，凸面朝内，且直径对应的两块板间用钢索拉紧，这样一来，板材在室内气压下将承受压应力，避免了强度不足的隐患，最后再将外部墙面使用月壤和反凹混凝土板填充成圆形以抵抗陨石冲击。具体设计细节如图所示。

而中国宇航局也在积极推进月球基地的设计和建设，在玄武月球基地[38]的理论建设中，科学家们提出了采用自动智能机器人，使用预制建筑砖体进行建设的方案。玄武月球基地也采用弓形材料组装以抵抗外界冲击，设计概念图和细节图如其所示。

根据测试，在地球上利用自动化智能机器人，使用预制建筑砖体建造一个长2.8m，宽0.8m，高1.1m的基地仅需要约8.5h即可完成。

当今科学界，3D打印技术是研究热点，如果能够解决原材料、能源、3D 建筑打印机等问题，利用3D打印技术实现月球基地的建设工作将成为可能。

Shannon L. Taylor等学者[39]曾将月壤模拟物与聚合物粘接剂混合成打印剂后挤出打印，然后除去聚合物粘接剂，随后进行烧结成型建筑支柱。支柱的密实度和相对密度随着煅烧温度（1050℃到1100℃）的提高而提高，支柱强度随烧结时间延长（4到24h）而增大。空气中进行烧结比氢气中烧结有更高的相对密度，线性收缩和强度，这是因为液相烧结形成了一种玻璃态相。随着烧结氧化的进行，氢气组烧结成型的支柱具有明显的磁性，原因是其内部生成了金属铁粒子，而空气中烧结的支柱磁性则会弱许多。

而A.Meurisse学者[40]采用汇聚阳光和氙灯能量的方法，对月壤模拟物进行3D打印并烧结成型，结构设计如图所示。

预先沉积0.1mm厚的风化层，可在5h内成型砖状大小的成品，成品试件层间连接很弱，因而强度很低，低于5MPa，现阶段难以用做建筑材料，使用X射线断层扫描对其进行分析，发现除开相邻层间的不连续性，还有大量的开孔和闭孔，这是由于月壤颗粒历经变化范围过大导致的。但这有改善方法：缩短相邻连续层的烧结时间，进而降低温度梯度和温度应力，即可提升层间连接力。

基于月球原位资源获取的局限性，混凝土建筑制造难度高，以及成形建筑的可靠性等问题，实现月球基地的建设还得需要进行大量的模拟实验，包括用于打印的月壤材料的制备、基于月球表面3D打印设备的研制以及混凝土结构性能的研究等[41]。

【参考文献】

[1]        李儒国, 张远喜. 中国古典诗词咏月意象解读 [J]. 湖北广播电视大学学报, 2008, 28(7): 54-55.

[2]        欧阳自远, 邹永廖. 月球的地质特征和矿产资源及我国月球探测的科学目标 [J]. 国土资源情报, 2004, 01: 36-39.

[3]        登月50年:何日与君再相见? [J]. 军事文摘, 2019, 18: 10-15.

[4]        孙振平, 黎碧云, 庞敏, 等. 月球混凝土研究进展及展望 [J]. 混凝土世界

, 2019, 05): 26-32.

[5]        KHITAB A, ANWAR W, MEHMOOD I, et al. Lunar concrete: Prospects and challenges [J]. Astronomy Reports, 2016, 60(2): 306-312.

[6]        肖福根, 庞贺伟. 月球地质形貌及其环境概述 [J]. 航天器环境工程, 2003, 02: 5-14.

[7]        叶青, 杨慧, 马成畅. 月球用水泥及混凝土的探索和设计 [J]. 新型建筑材料, 2010, 37(5): 16-19.

[8]        李丽华, 唐辉明, 刘数华, 等. 月壤及模拟月壤微观结构的研究 [J]. 岩土力学, 2012, 33(1): 35-38.

[9]        LIN T D, LOVE H, STARK D J L C. Physical Properties of Concrete made with Apollo 16 Lunar Soil Sample [J]. Lpi contributions, 1992, -1(483.

[10]       LAWRENCE D J. Water on the Moon [J]. Nature Geoscience, 2011, 4(9): 586-588.

[11]       王伟锋. 非晶态硅质材料对由干混蒸压养护法制得混凝土性能的影响 [D]; 浙江工业大学, 2012: Pages.

[12]       李丽华, 唐辉明, 刘数华, et al. 月球混凝土研究进展 [J]. 混凝土, 2011, 9: 12-14.

[13]       LIN T D. Concrete for Lunar Base Construction [J]. Lunar Bases Space Activities of Century Houston, 1987.

[14]       CULLINGFORD H S, KELLER M D. Lunar concrete for construction [J]. 1988.

[15]       蒋正武, 张楠, 李雄英, 等. 国外超低温下混凝土性能的研究进展评述 [J]. 材料导报, 2011, 25(13): 1-4.

[16]       蒋正武, 李雄英, 张楠. 超低温下高强砂浆强度发展 [J]. 硅酸盐学报, 2011, 39(4): 703-707.

[17]       GRUGEL R N. Sulfur 'Concrete' for Lunar Applications - Environmental Considerations [J]. 2008.

[18]       GRACIA V, CASANOVA I. Sulfur Concrete: A Viable Alternative for Lunar Construction; proceedings of the Space, F, 1998 [C].

[19]       OMAR H A. Production Of Lunar Concrete Using Molten Sulfur [J]. 1993.

[20]       TOUTANJI H, GLENN-LOPER B, SCHRAYSHUEN B. Strength and Durability Performance of Waterless Lunar Concrete; proceedings of the Aiaa Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, F, 2013 [C].

[21]       VLAHOVIC M M, MARTINOVIC S P, BOLJANAC T D, et al. Durability of sulfur concrete in various aggressive environments [J]. Construction and Building Materials, 2011, 25(10): 3926-3934.

[22]       TOUTANJI H A, EVANS S, GRUGEL R N. Performance of lunar sulfur concrete in lunar environments [J]. Construction and Building Materials, 2012, 29(444-448).

[23]       GRUGEL R N. Integrity of sulfur concrete subjected to simulated lunar temperature cycles [J]. Advances in Space Research, 2012, 50(9): 1294-1299.

[24]       INDYK S J, BENAROYA H. A structural assessment of unrefined sintered lunar regolith simulant [J]. Acta Astronautica, 2017, 140(517-536.

[25]       SONG L, XU J, FAN S, et al. Vacuum sintered lunar regolith simulant: Pore-forming and thermal conductivity [J]. Ceramics International, 2019, 45(3): 3627-3633.

[26]       曹向阳, 杨建森. 地聚合物及其混凝土的胶凝性质概述 [J]. 硅酸盐通报, 2019, 38(07): 2095-2103.

[27]       ALEXIADIS A, ALBERINI F, MEYER M E. Geopolymers from lunar and Martian soil simulants [J]. Advances in Space Research, 2017, 59(1): 490-495.

[28]       CAI L, DING L, LUO H, et al. Preparation of autoclave concrete from basaltic lunar regolith simulant: Effect of mixture and manufacture process [J]. Construction and Building Materials, 2019, 207, 373-386.

[29]       TUCKER D, ETHRIDGE E, TOUTANJI H. Production of Glass Fibers for Reinforcement of Lunar Concrete [M]. 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 2006.

[30]       DAVIS G, MONTES C, EKLUND S. Preparation of lunar regolith based geopolymer cement under heat and vacuum [J]. Advances in Space Research, 2017, 59(7): 1872-1885.

[31]       SIK LEE T, LEE J, YONG ANN K. Manufacture of polymeric concrete on the Moon [J]. Acta Astronautica, 2015, 114, 60-64.

[32]       LEE J, ANN K Y, LEE T S, et al. Bottom-up heating method for producing polyethylene lunar concrete in lunar environment [J]. Advances in Space Research, 2018, 62(1): 164-173.

[33]       CHEN T, CHOW B J, ZHONG Y, et al. Formation of polymer micro-agglomerations in ultralow-binder-content composite based on lunar soil simulant [J]. Advances in Space Research, 2018, 61(3): 830-836.

[34]       KAWAMOTO H, SHIRAI K. Electrostatic Transport of Lunar Soil for In Situ Resource Utilization [J]. Journal of Aerospace Engineering, 2012, 25(1): 132-138.

[35]       ROUSH T L, COLAPRETE A, COOK A M, et al. Volatile monitoring of soil cuttings during drilling in cryogenic, water-doped lunar simulant [J]. Advances in Space Research, 2018, 62(5): 1025-1033.

[36]       YOUNG J F. Concrete and Other Cement-Based Composites for Lunar Base Construction [J]. Lunar Bases Space Activities of Century, 1985.

[37]       LIN T D, SENSENEY J, ARP L D, et al. Concrete Lunar Base Investigation; proceedings of the Conference on Lunar Bases & Space Activities of the Century, F, 1988 [C].

[38]       ZHOU C, CHEN R, XU J, et al. In-situ construction method for lunar habitation: Chinese Super Mason [J]. Automation in Construction, 2019, 104, 66-79.

[39]       TAYLOR S L, JAKUS A E, KOUBE K D, et al. Sintering of micro-trusses created by extrusion-3D-printing of lunar regolith inks [J]. Acta Astronautica, 2018, 143, 1-8.

[40]       MEURISSE A, MAKAYA A, WILLSCH C, et al. Solar 3D printing of lunar regolith [J]. Acta Astronautica, 2018, 152, 800-810.

[41]       魏帅帅, 宋波, 陈华雄, 等. 月球表面3D打印技术畅想 [J]. 精密成形工程, 2019, 11(03): 76-87.