CN112939520B - 一种超重力离心3d打印的月壤混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超重力离心3D打印的月壤混凝土，以重量份数计，月壤混凝土的原材料包括非晶态火山土30‑100、高地土砂100‑450、平原土砂15‑120和JSC‑1土50‑100，原材料通过激发剂加工或煅烧后水化后得到月壤混凝土。本发明还公开了月壤混凝土的制备方法：将月壤土投入月壤进口装置经过提炼筛分装置得到原材料；将原材料在配料混合装置进行激发剂加工或煅烧后水化后形成流塑态月壤混凝土后送入到打印装置进行打印挤出成型；挤出成型的月壤混凝土在离心装置内堆叠成型；筋材在堆叠成型过程中定位置入，在离心装置的作用下装配组合成增强结构构件；结合打印、配筋工序分阶段多次离心。该月壤混凝土及其制备方法解决了现实建造环境中真空和失重环境对月壤混凝土的影响。

Description

一种超重力离心3D打印的月壤混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于航天、航空、太空基站建筑等技术领域，特别涉及一种超重力离心3D打印的月壤混凝土及其制备方法。
背景技术
月球蕴含着丰富的资源，月壤中蕴含有100-500万吨的氦-3，可供人类作为清洁能源长期使用，月球富含铁钛矿，还有超过70万亿吨的TiO2储备，蕴含丰富的钾、铀、磷和稀土元素，合理利用月球资源，将对地球人类社会与文明的发展与进步产生极大促进。为了实现月球资料的研究、开发和利用，在完成登月计划之后，建立稳固安全适用的月球基地采集利用丰富的矿产资源成为人类的下一个进取的科研目标。
由于环境限制，3D打印技术将成为月球基地建造中必不可少的要素，如何在现有的材料和工艺上，根据月壤成分和力学性能，考虑月球环境下结构建造的技术难点和功能需求，整合当前建造设备、建筑材料和施工工艺上的最新技术并予以技术改进和探索，是现阶段探月工程技术核心问题。月球结构由表层、月壳、月幔、月核组成，表层是3-20m覆盖月表的广义月壤层。月壤的力学特性由其物理特性决定，包括颗粒形态、粒径分布、颗粒比重、相对密度等，其中粒径对混凝土原材料的水化和硬化影响较为显著，月壤根据颗粒形态和粒径等参数分为月岩(直径≥1cm)、狭义月壤(直径<1cm)和月尘(直径<20μm)。根据其物理成分和细度分布，可以看出月壤中含有天然高比例的类地球水泥原材料，月表丰富的含铁月玄武岩，即保障了粗骨料和刚性增强材料的来源，并且月球冰储备量达到0.1亿-3亿吨，这使就地取材用于建造月球混凝土结构作为空间研究基地成为可行技术。
月球表面的温差在-190℃到+137℃之间，以昼(14d)夜(14d)温变循环。月球每年发生月震约300次，其震级较小(最大为4级)，且重力加速度只有地球表面的1/6，对建筑物的力学性能可不特殊考虑。月球没有大气层和足够的磁场以阻止各类陨石和带电粒子对月球表面的撞击，各类陨石坠落速度高达 20-40m/s。月球表面存在各类放射线。因此，月球空间环境下对混凝土提出如下技术要求：(1)生产能耗应低于钢材、铝材；(2)性能可适应-150～+120℃温度变化的真空环境；(3)能够吸收伽玛射线。
目前国内外主要有两种技术思路进行月球混凝土配合比设计：一种是水拌模式，这与地球混凝土相似；另一种是干拌模式，分为常温碱激发与高温蒸压拌合，以树脂沥青及其改性物、硫磺或者低熔点金属为骨料粘结剂。1986年TD Lin提出了热熔分离月壤，提取水泥成分采用175-203摄氏度高温蒸压拌合的工艺。2018 年Jaeho Lee等采用月壤配合比，在实验室模拟月球环境下采用热压工艺制造了月球混凝土块体，强度在2-5MPa.采用硫磺作为热熔剂，加热温度130-140摄氏度制作的硫磺混凝土，其强度通过添加金属纤维最高可达到43MPa，但耐火性差，造价高。在月球上发现足够的冰储备之后，水拌模式的研究日益得到重视。 Lin T D等利用Apollo 16月壤样品配制月球混凝土，搅拌成型后蒸汽养护后砂浆抗压强度可达75MPa，将其反复暴露于真空，剩余强度仍在80％以上。Toutanji H等采用JSC-1模拟月壤进行小规模室内试验，并获得较好结果。而Happel J A 和Ruess F等调查总结后发现在室内试验条件下，这种月球混凝土性能优良，抗压强度可达39～75.7MPa，弹性模量为21.4GPa，表观密度为2 600kg/m3，温度变形系数为5.4×10-6/℃。我国学者基于月壤配置混凝土强度也可达到结构建造标准。CN110256039 A提出一种月壤混凝土及其制备方法，将月壤与氧化镁、氯化镁与水采用挤出成型技术制备月壤混凝土。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超重力离心3D打印的月壤混凝土及其制备方法，解决了现实建造环境中真空和失重环境对月壤混凝土的影响。
本发明的技术解决方案是：
一种超重力离心3D打印的月壤混凝土，以重量份数计，所述月壤混凝土的原材料包括非晶态火山土30-100、高地土砂100-450、平原土砂15-120和JSC-1 土50-100，所述原材料通过激发剂加工或煅烧后水化后得到月壤混凝土。
所述激发剂选自月球冰、碱金属溶液、树脂沥青及其改性物、硫磺、铝、锌、高分子聚合物中的一种或至少两种的组合。
采用煅烧后水化时，材料加工温度为1350-1450摄氏度，水化温度为20-80 摄氏度；
采用激发剂加工时：当激发剂为碱金属溶液，加工温度为-20-100摄氏度；当激发剂为硫磺、树脂沥青及其改性物，加工温度为130-203摄氏度；当激发剂为锌金属，加工温度为400-500摄氏度；当激发剂为铝金属，加工温度为575-680 摄氏度。
所述月壤混凝土包括轻质高强的增强成分，所述增强成分选自高强高模量复合纤维、金属纤维或高分子聚合物纤维中的一种或至少两种的组合。
所述的超重力离心3D打印的月壤混凝土，可与增强筋材形成增强混凝土结构。增强筋材的材质选自高强高模量复合纤维、金属或高分子聚合物纤维中的一种或至少两种的组合。
本发明还提供了一种超重力离心3D打印的月壤混凝土的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将开采出的月壤土投入月壤进口装置，经过提炼筛分装置得到月壤混凝土的原材料；
(2)将月壤混凝土的原材料在配料混合装置进行激发剂加工或煅烧后水化后得到月壤混凝土，形成流塑态月壤混凝土；
(3)将流塑态月壤混凝土送入到打印装置进行打印挤出成型；
(4)挤出成型的月壤混凝土在离心装置内依靠离心力克服失重环境进行堆叠成型；
(5)筋材在堆叠成型后置入，在离心装置的作用下装配组合成增强结构构件；
(6)结合打印、配筋工序分阶段完成后，将结构构件进行分阶段多次离心，成型、压实、加密以提高混凝土的强度。
优选的，所述配料混合装置包括月壤进口、混合装置绞龙和激发剂进口。
优选的，所述打印装置包括打印伸缩臂、打印支承臂、打印挤出绞龙和打印喷嘴，通过调节打印伸缩臂和打印支承臂定位打印装置。
优选的，所述离心装置包括水平移动装置及位于水平移动装置上的离心筒，所述离心筒通过离心电动机(具有转速、方向、转动制动控制功能)带动；所述离心筒中布设挡板。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)该方法可适用于多种方式激发制备月壤混凝土成型技术，适用于地上、地下各种月球基地建造需求；
(2)该方法使用打印挤出混凝土材料，并通过离心力挤压3D打印混凝土成型，通过超重力离心力形成结构具有高强度高密度；
(3)根据强度和屏蔽辐射要求确定转速和挤料速度比，混凝土制作加工过程连续，精准可控；
(4)该混凝土制备成型方法可与3D打印技术、离心成型技术及其他传统结构配筋增强建造工艺兼容，形成太空数字建造结构成套技术。
(5)该混凝土制备成型结构型式可选用但不局限于圆柱型、蜂巢型、穹顶型、胶囊型，具有数控加工效率和结构受力合理性。
附图说明
图1为超重力离心3D打印装置结构示意图；
图2为配料混合装置和打印装置结构示意图；
图3为离心装置结构示意图；
其中，1为月壤进口装置，2为提炼筛分装置，3为配料混合装置，4为打印装置，5为离心装置，6为提纯后月壤进口，7为混合装置绞龙，8为激发剂进口， 9为打印伸缩臂，10为打印支承臂，11为打印挤出绞龙，12为打印喷嘴，13为水平移动装置，14为离心筒，15为离心电动机，16为挡板，17为打印混凝土， 18为筋材。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
本发明提供的超重力离心3D打印月壤混凝土及其制备方法的流程为：通过多种筛分方式将机器采集回的月壤土进行加工与分类，利用激发技术将月壤土按一定比例配置成可打印的混凝土材料，按照预设数字文件挤出混凝土置于电机带动的离心筒内，以离心筒的转动和平动实现月球失重状况下的混凝土挤出成型，打印各种不同造型的构件，完成后再采用高功率电机使打印混凝土离心挤压以形成高强度高密度的混凝土结构。
本发明提供的超重力离心3D打印月壤混凝土及其制备方法，包括以下步骤：
(1)筛分选取适用于3D打印的月壤成分，选择适用的激发剂与月壤配置月壤混凝土。
(2)将月壤混凝土搅拌混合至流塑态，挤出打印置于离心筒，开启离心筒均速旋转与水平定位移动打印形成结构，以解决失重下的月壤环境无法堆叠成型的难点。
(3)打印完成后，将离心转速提升为稳定成型速度r1，根据月壤激发方式和成分比例选择离心时间为3-10分钟；
(4)进入3D打印月壤混凝土压实阶段，将离心旋转速度提高到设计速度 r2，根据月壤激发方式和成分比例选择离心时间为1-10分钟。
(5)进入3D打印月壤混凝土高速加密阶段，将离心旋转速度提高到设计速度r3，根据月壤激发方式和成分比例选择离心时间为5-15分钟。
实施例中采用图1-图3所示的超重力离心3D打印装置制备，其中：配料混合装置3包括月壤进口6、混合装置绞龙7和催化剂进口8；打印装置4包括打印伸缩臂9、打印支承臂10、打印挤出绞龙11和打印喷嘴12，通过调节打印伸缩臂9和打印支承臂10定位打印装置4；离心装置5包括水平移动装置13及位于水平移动装置上的离心筒14，离心筒14通过离心电动机15带动；离心筒14 中布设挡板16。
实施例1蜂巢型空心结构制备方法
1、将开采出的月壤土投入月壤进口装置1，经过提炼筛分装置2得到月壤混凝土的原材料：月壤高地土砂340，非晶态火山土60，JCS-1土70，平原土砂30；
2、将月壤混凝土的原材料在配料混合装置高温煅烧冷却后与水150(材料加工温度为1350-1450摄氏度，水化温度为20-80摄氏度)，偏硅酸钠30，氢氧化钠25混合，充分搅拌，形成流塑态月壤混凝土作为打印油墨(以地球相似成分生料比例，相同工艺激发混合后混凝土强度大于35Mpa，流动度183，可适用于3D打印使用)；
3、根据预设正六边形在离心装置5中的离心筒中布设挡板16，通过调节打印装置4中的打印伸缩臂9和打印支承臂10定位打印装置4；
4、将打印油墨从配料混合装置3中泵送至打印装置4，经由打印喷嘴 12挤出成型，在月球的失重环境下通过水平移动装置13平移旋转离心筒14使月壤土(打印油墨)在离心筒14内壁堆叠成型；
5、FRP筋18在堆叠成型外侧混凝土17后置入，继续以离心筒14旋转、通过水平移动装置13平移进行混凝土部分结构的成型。
6、打印、配筋工序分阶段完成后，将打印月壤混凝土结构进行分阶段多次离心，成型、压实、加密以提高混凝土的强度。
实施例2胶囊型空心结构制备方法
1、将开采出的月壤土投入月壤进口装置1，经过提炼筛分装置2得到月壤混凝土的原材料：月壤高地土砂150，非晶态火山土160，JCS-1土170，平原土砂20；
2、将月壤混凝土的原材料在配料混合装置高温煅烧冷却后与水190(材料加工温度为1350-1450摄氏度，水化温度为20-80摄氏度)，聚羧酸系高效减水剂1.5混合充分搅拌形成流塑态月壤混凝土作为打印油墨(以地球相似成分材料比例，相同工艺混合后的混凝土强度大于45Mpa，流动度179，可适用于3D 打印使用)；
3、根据预设结构的外形在离心装置5中的离心筒中布设变直径挡板16，通过调节打印装置4中的打印伸缩臂9和打印支承臂10定位打印装置4；
4、将打印油墨从配料混合装置3中泵送至打印装置4，经由打印喷嘴 12挤出成型，在月球的失重环境下通过水平移动装置13平移旋转离心筒14使月壤土在离心筒14内壁堆叠成型为胶囊结构；
5、钢筋18在堆叠成型外侧混凝土17后置入，继续以离心筒14旋转、通过水平移动装置13平移进行混凝土部分结构的成型。
6、打印、配筋工序分阶段完成后，将打印月壤混凝土结构进行分阶段多次离心，成型、压实、加密以提高混凝土的强度。

Claims (8)

1.一种超重力离心3D打印的月壤混凝土的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将开采出的月壤土投入月壤进口装置，经过提炼筛分装置得到月壤混凝土的原材料；
(2)将月壤混凝土的原材料在配料混合装置进行激发剂加工或煅烧后水化后得到月壤混凝土，形成流塑态月壤混凝土；
(3)将流塑态月壤混凝土送入到打印装置进行打印挤出成型，打印装置包括打印伸缩臂、打印支承臂、打印挤出绞龙和打印喷嘴；
(4)挤出成型的月壤混凝土在离心装置内依靠离心力克服失重环境进行堆叠成型：离心装置包括水平移动装置及位于水平移动装置上的离心筒；
(5)筋材在堆叠成型过程中定位置入，在离心装置的作用装配组合成增强结构构件；
(6)结合打印、配筋工序分阶段多次离心，成型、压实、加密以提高混凝土的强度，增强筋材与混凝土的粘结；
其中，在步骤(4)中，月壤混凝土自打印喷嘴挤出置于离心筒，通过水平装置平移和离心筒旋转使月壤混凝土在离心筒内壁堆叠成型，打印装置通过调节打印伸缩臂和打印支承臂定位。
2.根据权利要求1所述的超重力离心3D打印的月壤混凝土的制备方法，其特征在于，所述配料混合装置包括月壤进口、混合装置绞龙和激发剂进口。
3.根据权利要求1所述的超重力离心3D打印的月壤混凝土的制备方法，其特征在于，所述离心筒中布设挡板。
4.根据权利要求1所述的超重力离心3D打印的月壤混凝土的制备方法，其特征在于，以重量份数计，所述月壤混凝土的原材料包括非晶态火山土30-100、高地土砂100-450、平原土砂15-120和JSC-1土50-100，所述原材料通过激发剂加工或煅烧后水化后得到月壤混凝土。
5.根据权利要求4所述的超重力离心3D打印的月壤混凝土的制备方法，其特征在于，所述激发剂选自月球冰、碱金属溶液、树脂沥青及其改性物、硫磺、铝、锌、高分子聚合物中的一种或至少两种的组合。
6.根据权利要求5所述的超重力离心3D打印的月壤混凝土的制备方法，其特征在于，
采用煅烧后水化时，材料加工温度为1350-1450摄氏度，水化温度为20-80摄氏度；
采用激发剂加工时，当激发剂为碱金属溶液，加工温度为-20-100摄氏度；当激发剂为硫磺、树脂沥青及其改性物，加工温度为130-203摄氏度；当激发剂为锌金属，加工温度为400-500摄氏度；当激发剂为铝金属，加工温度为575-680摄氏度。
7.根据权利要求4-6任一所述的超重力离心3D打印的月壤混凝土的制备方法，其特征在于，所述月壤混凝土包括轻质高强的增强成分，所述增强成分选自高强高模量复合纤维、金属纤维或高分子聚合物纤维中的一种或至少两种的组合。
8.根据权利要求4-6任一所述的超重力离心3D打印的月壤混凝土的制备方法，其特征在于，所述月壤混凝土与增强筋材形成增强混凝土结构，所述增强筋材的材质选自高强高模量复合纤维、金属或高分子聚合物纤维中的一种或至少两种的组合。
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