一种混凝土材料、制备方法及其应用

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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、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；

4、上述组分的占比如下：

5、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；

6、模拟月壤和氧化镁的质量比为1/3～1；

7、氧化镁和磷酸盐的摩尔比为4～12；

8、缓凝剂占氧化镁的质量分数为4％～10％；

9、活性氧化镁和死烧氧化镁的质量比为0.08～0.12；

10、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；

11、减水剂和磷酸盐的质量比为1/8～1/3。

12、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。

13、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％。

14、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。

15、进一步地，所述死烧氧化镁和磷酸盐的摩尔比为4：12。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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：

20、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；

21、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；

22、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。

23、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。

24、本发明的有益效果是：

25、(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；

26、(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。

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；

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：

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。

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：
技术公布日：2024/1/15