CN109626953B

CN109626953B - 一种耐温度循环的硫磺混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN109626953B
Application number: CN201910141680.1A
Authority: CN
Inventors: 任俊儒; 周凌; 郭小青; 王健琪; 雍子豪; 曹岩; 刘云辉
Original assignee: Army Service Academy of PLA
Current assignee: Army Service Academy of PLA
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2021-07-20
Anticipated expiration: 2039-02-26
Also published as: CN109626953A

Abstract

本发明属于高分子材料技术领域，公开了一种耐温度循环的硫磺混凝土及其制备方法，所述耐温度循环的硫磺混凝土按质量百分数由硫磺30％～40％、外加剂0.5％～0.8％、月壤60％～70％和纤维0.9％～1.6％组成。本发明通过加入外加剂预先对硫磺进行改性，使硫磺混凝土中硫磺与月壤集料的热膨胀系数差异减小、粘接力提高，并通过添加少量的聚乙烯纤维进一步缓解混凝土伸缩开裂，提升硫磺混凝土的耐温度循环性能，并增强混凝土对月球表面所存在大量宇宙射线的屏蔽性能。将硫磺改性工艺融入硫磺混凝土制备工艺中，技术简单易操作、建造效率高，便于月球等外太空环境下的生产使用。

Description

一种耐温度循环的硫磺混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，尤其涉及一种耐温度循环的硫磺混凝土及其制备方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：本世纪初叶，各国宇宙开发的目标之一是建立月球基地，以便为科学探测者长期在基地生活和工作积累经验，并弄清长期滞留宇宙所面临的问题，为载人探测火星等星体创造条件。人类若想实现载人探测宇宙天体，首要的也是最现实的一步就是必须长期居住月球的经验。长期居住月球作为一种可行的试验，可摸清人类所面临的一些问题。建设月球基地确有必要，但最大的问题是巨额的经费，只有研制出低成本的建设施工方式，月球基地的建设才可能实现。为了建设月球基地，考虑建设的成本和技术复杂度要求，应当尽可能就地利用月球材料进行建设，并具有技术简便可行的特点。月球上富含大量的陨硫铁矿FeS，可以提炼出硫磺，硫磺是月球上储量第11丰富的矿产资源，利用硫磺制备混凝土相比传统混凝土不需要用水，在极度缺水的月球上具有巨大的优势，骨料也可以利用筛分后的月岩和月壤，因此，利用硫磺混凝土可以基本实现原材料的就地取材，节约庞大的原材料运输成本，且不需要长时间的养护，建造效率高，具有非常广阔的应用前景。硫磺在约119℃时会开始融化，到148℃时变为十分粘稠的液体。而月球赤道附近的环境温度为-180℃～123℃，平均温度为-20℃，极地附近的环境温度为-60℃～-220℃。研究表明，传统硫磺混凝土经历20℃至-191℃的80个温度循环后，强度将从35MPa降低至7MPa，强度降低十分明显，并伴随着混凝土开裂等劣化现象。硫磺混凝土耐温度循环不良的缺点，将严重制约其在月球环境下的工程服役性能。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的硫磺混凝土耐温度循环不良的缺点，将严重制约其在月球环境下的工程服役性能。

解决上述技术问题的难度和意义：

从地面向月球运送1kg建筑原材料的运输成本约1百万美元，硫磺混凝土的两个最主要的成分硫磺和骨料都可以取材自月球表面，可以实现就地取材从而节约昂贵的原材料运输成本，大幅降低月球基地建设周期和费用。但是，月球表面-200℃～123℃温度循环条件下传统硫磺混凝土严重的强度劣化现象，严重制约其在月球基地中的应用，有效提高硫磺混凝土在耐温度循环性能，是月球基地建设用混凝土最大限度利用月球现地资源必须解决的问题，是月球基地长期服役性能的重要保证。但有效提高硫磺混凝土耐温度循环性能，需要从化学成分组分方面对硫磺组分的性能进行分析和改进，尽可能提高硫磺组分和骨料的温度变形的协调性，同时研制满足月球环境下的制备工艺，尽量使制备工艺条件得到降低，且制备流程简化，因此，制备过程中的改性物质的选择是解决问题的关键，并需要通过大量试验研究确定配比、温度、加热时间等关键工艺参数。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种耐温度循环的硫磺混凝土及其制备方法。

本发明是这样实现的，一种耐温度循环的硫磺混凝土，所述耐温度循环的硫磺混凝土按质量百分数由硫磺30％～40％、外加剂0.5％～0.8％、月壤60％～70％和纤维0.9％～1.6％组成。

进一步，所述外加剂为硫磺的改性组分，包含亚磷酸酯、甲基丙烯酸、氟化聚苯乙烯、六溴对二甲苯，采用按质量配比依次为2:4:5:3混合而成，外加剂添加量为硫磺质量的1.2％～2.7％。

进一步，所述月壤为月球表面实际月壤。

进一步，所述纤维采用聚乙烯纤维；按质量分数计，添加量为硫磺的3％～4％。

本发明的另一目的在于提供一种由所述耐温度循环的硫磺混凝土的制备方法，所述耐温度循环的硫磺混凝土的制备方包括以下步骤：

步骤一，按配比称取相应质量各组分；

步骤二，加热模具至145℃，保证硫磺加入模具后能够快速升温，提高施工效率；

步骤三，将硫磺加入至模具中使其完全融化；

步骤四，将外加剂加入至融化的硫磺中，搅拌均匀后将混合物温度升高至180℃～210℃，保温30～40分钟，此时外加剂与硫磺分子进行反应，生成环化的大分子量硫磺分子；

步骤五，待步骤四中的混合物温度降低至130℃～140℃时，将月壤集料倒入至混合物中并搅拌60s，此温度下硫磺组分的流动性较好，利于与集料拌合均匀，较好保证浇筑作业的施工质量；

步骤六，将硫磺混凝土拌合物在55℃～70℃下保温30分钟，使环化的大分子量硫磺分子得以有效存留在混凝土中，完成后待表面温度降低至20℃以下时拆模。

本发明的另一目的在于提供一种包含所述耐温度循环的硫磺混凝土的月球基地建筑材料。

本发明的另一目的在于提供一种包含所述耐温度循环的硫磺混凝土的建筑材料。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：对硫磺组分进行改性是提高硫磺混凝土耐温度循环性能的重要环节之一，以提高硫磺中环化大分子量硫磺分子的含量，较少小分子量硫磺分子的含量，使硫磺混凝土中硫磺与月壤集料的热膨胀系数差异减小、粘接力提高。现有的类似硫磺改性方法需要的改性反应温度条件为250～300℃，恒温反应时间一般为60～120min，本发明采用特定配比的亚磷酸酯、甲基丙烯酸、氟化聚苯乙烯、六溴对二甲苯作为外加剂改性组分，大幅降低了反应温度至180℃～210℃，缩短恒温时间至30～40min，有效减小了制备过程中的能量消耗，降低制造成本。另一方面，本发明通过添加少量的聚乙烯纤维进一步缓解混凝土伸缩开裂，提升硫磺混凝土的耐温度循环性能，并增强混凝土对月球表面所存在大量宇宙射线的屏蔽性能。且将硫磺改性工艺融入硫磺混凝土制备工艺中，技术简单易操作、建造效率高，便于月球环境下的生产使用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的耐温度循环的硫磺混凝土的制备方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有的硫磺混凝土耐温度循环不良的缺点，将严重制约其在月球环境下的工程服役性能的问题；本发明提供一种月球基地用耐温度循环的硫磺混凝土及其制备方法。在硫磺混凝土制备过程中添加硫磺改性组分和纤维组分，减少硫磺混凝土开裂现象，提高抗压强度等力学性能耐温度循环的能力。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明实施例提供的耐温度循环的硫磺混凝土按质量百分数由硫磺30％～40％、外加剂0.5％～0.8％、月壤60％～70％和纤维0.9％～1.6％组成。

外加剂为硫磺的改性组分，包含亚磷酸酯、甲基丙烯酸、氟化聚苯乙烯、六溴对二甲苯，采用按质量配比依次为2:4:5:3混合而成，外加剂添加量为硫磺质量的1.2％～2.7％，通过将硫磺改性提高长链硫磺分子含量，缩小硫磺组分与月壤集料间的热膨胀系数差异，提高硫磺与集料间的粘接力，提升硫磺混凝土的耐温度循环性能；月壤为月球表面实际月壤，在地面可采用模拟月壤，如美国模拟月壤JSC-1、中国模拟月壤CLRS-1等；纤维采用聚乙烯纤维，按质量分数计，添加量为硫磺的3％～4％，可以提高混凝土抗拉强度，缓解混凝土伸缩开裂，还能提高混凝土对月球表面所存在大量宇宙射线的屏蔽性能且不会产生二次辐射。

如图1所示，本发明实施例提供的耐温度循环的硫磺混凝土的制备方包括以下步骤：

S101：按设计配比称取相应质量各组分；

S102：加热模具至145℃；

S103：将硫磺加入至模具中使其完全融化；

S104：将外加剂加入至融化的硫磺中，搅拌均匀后将混合物温度升高至180℃～210℃，保温30～40分钟；

S105：待S104中的混合物温度降低至130℃～140℃时，将月壤集料倒入至混合物中并搅拌60s；

S106：将硫磺混凝土拌合物在55℃～70℃下保温30分钟，完成后待表面温度降低至20℃以下时拆模。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例1：

本发明实施例提供的耐温度循环的硫磺混凝土按质量百分比计，硫磺35％，外加剂0.6％，月壤集料63％，聚乙烯纤维1.4％。外加剂为亚磷酸酯:甲基丙烯酸:氟化聚苯乙烯:六溴对二甲苯＝2:4:5:3质量比混合而成，外加剂用量约为硫磺质量的1.7％。月壤集料采用中国科学院贵阳地球化学研究所与国家天文台合作研制的低钛模拟月壤(CLRS-1)。

本发明实施例提供的耐温度循环的硫磺混凝土的制备方法包括以下步骤：

步骤一：按设计配比称取相应质量各组分；

步骤二：加热模具至145℃；

步骤三：将硫磺加入至模具中使其完全融化；

步骤四：将外加剂加入至融化的硫磺中，搅拌均匀后将混合物温度升高至190℃，保温30分钟；

步骤五：待步骤四中的混合物温度降低至135℃时，将月壤集料倒入至混合物中并搅拌60s；

步骤六：将硫磺混凝土拌合物在60℃下保温30分钟，完成后待表面温度降低至20℃以下时拆模。

下面结合测试对本发明的应用效果作详细的描述。

将上述实施例所制得的耐温度循环硫磺混凝土进行性能测试，与普通市售硫磺混凝土制备的样品作为对比例进行性能对比。温度循环试验中的样品规格为25.4mm×25.4mm×25.4mm的立方体试样，温度循环试验前，实施例的抗压强度测试平均值为31.0MPa，对比例的抗压强度测试平均值为29.7MPa；室温20℃至液氮-191℃的80个温度循环(每个温度循环大约400分钟)后，实施例的抗压强度测试平均值为21.7MPa，对比例的抗压强度测试平均值为7.4MPa。温度循环后，实施例的抗压强度明显高于对比例。对比实施例和对比例的测试结果，本发明涉及的一种耐温度循环混凝土及其制备方法，能够显著提高硫磺混凝土耐温度循环的性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种耐温度循环的硫磺混凝土，其特征在于，所述耐温度循环的硫磺混凝土按质量百分数由硫磺30％～40％、外加剂0.5％～0.8％、月壤集料60％～70％和纤维0.9％～1.6％组成，上述组分用量之和满足100%；

所述外加剂为硫磺的改性组分，包含亚磷酸酯、甲基丙烯酸、氟化聚苯乙烯、六溴对二甲苯，采用按质量配比依次为2:4:5:3混合而成，外加剂添加量为硫磺质量的1.2％～2.7％；

所述月壤为模拟月壤。

2.如权利要求1所述的耐温度循环的硫磺混凝土，其特征在于，所述纤维采用聚乙烯纤维；按质量分数计，添加量为硫磺的3％～4％。

3.一种包含权利要求1～2任意一项所述耐温度循环的硫磺混凝土的建筑材料。