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然而，值得注意的是，硫磺混凝土在技術(shù)方面仍存在一定的局限性。在硫磺混凝土施工成型的過程中，硫磺（S）由熔融液態(tài)冷卻至固態(tài)狀態(tài)時，會發(fā)生β晶型（單斜硫）向α晶型（斜方硫）轉(zhuǎn)變的過程，這一過程造成較大的固相體積收縮，晶粒間產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會導(dǎo)致微裂紋。包含有較多微裂紋的硫磺混凝土在應(yīng)用中受力可能發(fā)生脆性破壞。研究表明，添加硫磺增塑劑或某些改性劑，會一定程度上降低硫磺混凝土的脆性，但在將硫磺加熱至130 ℃-140 ℃使其熔化的過程中，添加硫磺增塑劑或改性劑又會產(chǎn)生有害氣體，污染環(huán)境并影響人體健康。硫磺混凝土的強(qiáng)度不高，當(dāng)硫磺混凝土中的硫磺用量達(dá)35%時，即使摻加2%的金屬纖維，試件抗壓強(qiáng)度仍只有43.0 MPa。硫磺混凝土試件成性養(yǎng)護(hù)完成后，若暴露熱循環(huán)環(huán)境下中，其耐久性會很差。硫磺的熔融溫度較低（130 ℃-140 ℃），所以硫磺混凝土的耐火性差，若將其暴露在明火之中，其表面的硫磺將被燃燒掉。因此，若想安全地應(yīng)用硫磺混凝土，還需對其進(jìn)行增強(qiáng)、增韌，并采取有效的防火措施。

3.3 月球環(huán)境對混凝土的影響

當(dāng)科學(xué)家們宣布已探測到月球南北兩極有相當(dāng)?shù)谋鶅淞浚?.1億t-3億t），人們有理由相信，月球混凝土的生產(chǎn)用水問題應(yīng)該能夠得到一定程度的解決。在這種情況下，月球混凝土的研制路線又回到了“骨料+水泥+水”的傳統(tǒng)混凝土模式。

但是，月球失重狀況下，水泥的水化進(jìn)程是否會受到影響？水泥水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形貌如何？水泥混凝土強(qiáng)度發(fā)展如何？這些問題激發(fā)了人們更大的研究興趣。

為了解月球失重狀態(tài)對混凝土內(nèi)部水泥水化進(jìn)程的影響， 德國慕尼黑工業(yè)大學(xué) Plank J教授課題組的Meier M R等在以拋物線飛行模式飛行的飛機(jī)上進(jìn)行了微小重力條件對水泥早期水化影響的研究試驗，拋物線飛行的模式如圖3所示。0時刻時，飛機(jī)開始上升。在飛機(jī)上升過程中，超重力（1.8 g）階段約為20 s。當(dāng)上升角達(dá)到47°時，飛機(jī)發(fā)動機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，飛機(jī)漂浮22 s，執(zhí)行拋物線飛行，此時艙內(nèi)屬于微重力狀態(tài)。當(dāng)角度達(dá)到42°時，飛機(jī)退出拋物線，重新回到水平飛行位置。機(jī)艙內(nèi)在試驗裝置如圖4所示，它由三個注射器組成，其中一個裝有5 g水泥，一個裝有5 mL去離子水，另一個裝有10 mL丙酮。試驗中，當(dāng)力為0 g時，立即將水注入裝有水泥的注射器內(nèi)，并通過輕微搖動使懸浮液混合均勻。10s后，將水從漿液中壓出，轉(zhuǎn)動閥門，注入丙酮，并與脫水水泥混合以終止其水化作用。整個試驗過程必須在超重力開始前20 s內(nèi)完成。

圖3 飛機(jī)拋物線飛行模式

圖4 機(jī)艙內(nèi)的試驗裝置

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在微重力條件下水泥漿體內(nèi)形成的鈣礬石晶體的長徑比更大，微重力似乎阻礙了鈣礬石側(cè)面的生成，這可能是由于在這種環(huán)境中沒有對流所造成的。由于離子轉(zhuǎn)移到晶體表面的速度較慢以及晶體生長速度減慢，本體溶液在較長時間內(nèi)保持著過飽和狀態(tài)。因此，在微重力條件下，均勻成核的持續(xù)時間較長，形成了更多晶核。然而，由于過飽和度迅速降低，這些晶核不能持續(xù)生長，晶體的平均尺寸較小。在摻加聚羧酸系減水劑（PCE）的情況下，產(chǎn)物鈣礬石晶體的長徑比發(fā)生了顯著的變化，表明特定晶面通過吸附PCE可部分地阻止其生長。他們認(rèn)為這可以通過PCE占據(jù)的表面和數(shù)量不同來解釋。在微重力條件下，所有PCE（即使是陰離子電荷較低）對鈣礬石晶體生長的影響均較強(qiáng)，而在正常情況下，只有電荷量較大的陰離子聚合物才會對其產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。因此，低陰離子電荷的PCE在沒有重力的情況下更多地影響鈣礬石的尺寸并顯示出“強(qiáng)失重效應(yīng)”，如圖5所示。而對鈣礬石有強(qiáng)烈吸附作用的PCE，其在地面和微重力條件下都能顯著抑制鈣礬石晶體的生長。晶體生長動力學(xué)已被“強(qiáng)PCE效應(yīng)”減速時，微重力的附加效應(yīng)對晶體生長已沒有太大影響。

圖5 重力和PCE吸附對離子向鈣礬石晶核表面遷移的影響

4 展望

人類對月球（甚至火星）等可能讓生物生存的探索力度越來越大，步伐也在加快。盡快創(chuàng)造條件建設(shè)月球基地（甚至移民到火星），是各國的偉大夢想，也引起21世紀(jì)世界大國間的科技之爭。建設(shè)月球基地首先要解決建筑材料，月球混凝土將在其中扮演至關(guān)重要的角色。

月球混凝土的概念并非新奇，然而在研究的過程中仍有許多問題亟待解決，例如月球混凝土材料、結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的理論體系，微小重力條件下攪拌、成型和養(yǎng)護(hù)問題。微小重力條件下水泥的水化、硬化和強(qiáng)度建立問題等。

雖已有關(guān)于微小重力條件對水泥早期水化的影響的些許研究成果，但在未來的研究工作中，應(yīng)該必須延長到更長的時間段，在混凝土的整個塑性階段和硬化階段內(nèi)觀察鈣礬石、氫氧化鈣和水化硅酸鈣的生長，以獲得更多關(guān)于硬化水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的信息。真空環(huán)境下混凝土的干燥收縮量將會特別大，產(chǎn)生干燥收縮裂紋的可能性也會很大，如何防止其產(chǎn)生干燥裂紋需要我們慎重考慮。

還有，在月球表面如何正確檢測和評價水泥、骨料、混凝土及其他建筑材料的性能，似乎也應(yīng)該提上議事議程了。

不管有多難，人類建設(shè)月球基地，甚至移民到火星的夢想終將實(shí)現(xiàn)！希望更多土木工程材料研究工作者引領(lǐng)和參與到月球混凝土、火星混凝土的研究工作中。

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