一種超高密實(shí)度模擬月壤制備及檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間資源探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種超高密實(shí)度模擬月壤制備及檢測(cè) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人類針對(duì)月球所進(jìn)行的活動(dòng)，如繞月探測(cè)、在月球上著陸、登月和在月球上進(jìn)行各 種探測(cè)活動(dòng)，都與月壤有著密切的聯(lián)系。在進(jìn)行月球上的相關(guān)探測(cè)活動(dòng)之前，人類需要在地 球上進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究，而地球土壤與月壤在化學(xué)成分、礦物組成和物理力學(xué)性質(zhì)上存 在本質(zhì)的差別。因此，在地球上需要能夠模擬典型月壤主要性質(zhì)的模擬月壤材料。
[0003] 實(shí)際月壤具有超高密實(shí)度（深度0. 6m以下相對(duì)密實(shí)度接近100 % )、大摩擦 角、高剪脹性等物理力學(xué)特性，直接決定了月球采樣探測(cè)裝置的設(shè)計(jì)負(fù)載邊界。隨著探 月工程的發(fā)展與不斷深入，中國(guó)已經(jīng)完成了幾種模擬月壤的研制，中國(guó)地震局地質(zhì)研 究所主要從化學(xué)成分、礦物組成、抗剪性和微波介電特性等方面研制了模擬月壤；中國(guó) 科學(xué)院地球化學(xué)所、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)完成了 "低鈦玄武質(zhì)模擬月壤標(biāo)準(zhǔn)樣品證 書(shū)"（GSB 01-2186-2008)，取名為CLRS-1，以及"高鈦玄武質(zhì)模擬月壤標(biāo)準(zhǔn)樣品證書(shū)"（GSB 01-2187-2008)，取名為CLRS-2。但上述模擬月壤及制備方法對(duì)粒徑級(jí)配、相對(duì)密實(shí)度以及 物理力學(xué)等關(guān)鍵參數(shù)沒(méi)有嚴(yán)格要求與控制，且沒(méi)有檢測(cè)方法，致使模擬月壤與真實(shí)月壤在 上述方面存在差異，同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)超高相對(duì)密實(shí)度和大內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)的等效性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種通過(guò)模擬月壤顆粒 級(jí)配配制與混合攪拌，解決了模擬月壤與實(shí)際月壤在粒徑級(jí)配上存在差異的問(wèn)題，進(jìn)而實(shí) 現(xiàn)了模擬月壤顆粒粒徑分布的高等效模擬的超高密實(shí)度模擬月壤制備及檢測(cè)方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種超高密實(shí)度模擬月壤制備及檢測(cè)方法，包括如下 步驟：
[0006] a、在N段模擬月壤試驗(yàn)槽每段之間固定連接，然后豎直放置在三維振動(dòng)平臺(tái)上， 其中，N為正整數(shù)；所述的模擬月壤試驗(yàn)槽為空心圓筒；
[0007] b、將放置在三維振動(dòng)平臺(tái)臺(tái)面上的模擬月壤試驗(yàn)槽進(jìn)行固定，并使用定位與緊固 裝置緊固；所述的定位與緊固裝置為綁帶鎖緊結(jié)構(gòu)；
[0008] c、選取顆粒形態(tài)堿性橄欖玄武巖作為模擬月壤原材料并混合攪拌，得到模擬月 壤；所述的顆粒形態(tài)堿性橄欖玄武巖包括棱角狀、次棱角狀的堿性橄欖玄武巖；
[0009] d、稱取質(zhì)量m]的模擬月壤填入到模擬月壤試驗(yàn)槽中，然后將模擬月壤表面抹平， 使第j段模擬月壤試驗(yàn)槽填滿，其中，j的初值為1，j = 1，2,3…N ;所述的叫為填滿第j段 模擬月壤試驗(yàn)槽需要的模擬月壤的質(zhì)量；
[0010] e、將配重放置在模擬月壤試驗(yàn)槽內(nèi)，用防塵口袋蓋住試驗(yàn)槽口；
[0011] f、令三維振動(dòng)平臺(tái)首先在上下方向振動(dòng)，然后在左右、前后、上下三個(gè)方向同時(shí)振 動(dòng)，測(cè)量振動(dòng)后從第一段到第j段模擬月壤的總高度h' ；
[0012] g、根據(jù)振動(dòng)后的模擬月壤高度h'計(jì)算模擬月壤振動(dòng)后密度P ,為
[0014] 其中，D為模擬月壤試驗(yàn)槽內(nèi)徑；
[0015] 如果模擬月壤振動(dòng)后密度P d達(dá)到模擬月壤的最大干密度，則終止振動(dòng)，否則繼續(xù) 在X、Y、Z三個(gè)方向同時(shí)振動(dòng)，直至模擬月壤振動(dòng)后密度P ,達(dá)到模擬月壤的最大干密度；
[0016] h、j = j+Ι，重復(fù)步驟d~g，直至j = N ;
[0017] i、利用質(zhì)量體積法測(cè)定模擬月壤相對(duì)密實(shí)度隊(duì)為
[0019] 其中，
h&為振動(dòng)完成后N段模擬月壤試驗(yàn)槽中模擬月壤總高度，當(dāng)模 擬月壤中旦謹(jǐn)以上的粒徑級(jí)配比例不大于挪時(shí)』'"=^·"，^·'^=^·"，^ _為模擬月壤最大干密度，P d _為模擬月壤最小干密度，當(dāng)模擬月壤中5_以上的粒徑級(jí) 配比例大于6%時(shí)，
[0022] 其中，P 5為模擬月壤中粒徑為5mm以上的顆粒密度，P 5為模擬月壤中5mm以上的 粒徑級(jí)配比例，如果模擬月壤相對(duì)密實(shí)度^大于100%，則制備達(dá)標(biāo)，否則制備沒(méi)有達(dá)標(biāo)。
[0023] 所述的N為4。
[0024] 所述的模擬月壤試驗(yàn)槽的外徑為520mm，內(nèi)徑為500mm的空心圓筒，N段總長(zhǎng)度 2. 5m〇
[0025] 所述的顆粒形態(tài)堿性橄欖玄武巖中顆粒粒徑小于0.01mm的占13. 51 %，在 0· 01-0. 025mm 之間的占 IL 99 %，在 0· 025-0. 05mm 之間的占 12. 83 %，在 0· 05-0. 075mm 之間的占8. 24 %，在0. 075-0. 1之間的占5. 53 %，在0. 1-0. 25mm之間的占14. 2 %，在 0.25-0. 5之間的占10.2%，在0.5-lmm之間的占8. 5%，大于Imm的占15%。
[0026] 所述的三維振動(dòng)平臺(tái)首先在上下方向振動(dòng)的時(shí)間為5分鐘，左右、前后、上下三個(gè) 方向同時(shí)振動(dòng)的時(shí)間為15分鐘。
[0027] 所述的三維振動(dòng)平臺(tái)振動(dòng)的頻率為30Hz。
[0028] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0029] (1)本發(fā)明方法通過(guò)采用堿性橄欖玄武巖作為模擬月壤原材料，解決了模擬月壤 與實(shí)際月壤在化學(xué)成分、礦物組成和含水量存在差異的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)成分和礦物組成， 以及無(wú)水干燥狀態(tài)的高等效模擬；
[0030] (2)本發(fā)明方法通過(guò)模擬月壤顆粒級(jí)配配制與混合攪拌，解決了模擬月壤與實(shí)際 月壤在粒徑級(jí)配上存在差異的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了模擬月壤顆粒粒徑分布的高等效模擬；
[0031] (3)本發(fā)明方法通過(guò)定量分層填筑、三維振動(dòng)壓實(shí)的方法，與月壤實(shí)際形成機(jī)理類 似，解決了無(wú)法制備高密實(shí)度模擬月壤的問(wèn)題，能夠獲得深度2m以上、100%超高密實(shí)度的 模擬月壤，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)的深層月壤剖面等效模擬；
[0032] (4)本發(fā)明方法通過(guò)對(duì)模擬月壤關(guān)鍵特性參數(shù)集與指標(biāo)體系的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù) 指標(biāo)量化可控的目的。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 圖1為本發(fā)明模擬月壤制備及檢測(cè)方法原理流程圖；
[0034] 圖2為本發(fā)明模擬月壤制備及檢測(cè)方法工藝框架圖；
[0035] 圖3為本發(fā)明模擬月壤級(jí)配配制與填筑壓實(shí)實(shí)施流程圖；
[0036] 圖4為本發(fā)明模擬月壤三維振動(dòng)壓實(shí)實(shí)施方法圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 本發(fā)明涉及一種超高密實(shí)度模擬月壤制備及檢測(cè)方法，能夠高等效模擬真實(shí)月壤 的化學(xué)成分、顆粒形態(tài)、顆粒級(jí)配以及超高密實(shí)度、大摩擦角、高內(nèi)聚力、高剪脹性等物理力 學(xué)特性，本發(fā)明可以應(yīng)用于月球著陸、登月以及各種采樣探測(cè)活動(dòng)的地面試驗(yàn)研究，還可以 拓展應(yīng)用于其他模擬星壤的制備與檢測(cè)，屬于空間資源探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
[0038] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0039] 如圖1所示為模擬月壤制備及檢測(cè)方法原理流程，包括：
[0040] (1)月壤特性分析與模擬方法確定
[0041] 系統(tǒng)的分析月壤特性，包括月球環(huán)境、月球形成演變、月壤組成與及物理性質(zhì)、歷 次著陸點(diǎn)的月表剖面化學(xué)成分、礦物組成、相對(duì)密實(shí)度、顆粒形態(tài)、顆粒粒徑級(jí)配、干密度、 性質(zhì)，建立深層月壤剖面模型，明確完備的關(guān)鍵特性參數(shù)集與指標(biāo)體系，確定孔隙比、含水 量、內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力等物理力學(xué)參數(shù)作為模擬的主要參數(shù)指標(biāo)。
[0042] (2)模擬月壤原材料的制備與檢測(cè)
[0043] 模擬月壤原材料選取堿性橄欖玄武巖與玄武質(zhì)火山渣，由普通輝石、斜長(zhǎng)石、 橄欖石、磁鐵礦和玻璃組成，與實(shí)際月壤具有相似的化學(xué)成分和礦物組成。原材料的加 工主要包括破碎與篩分兩步，首先將采集的原材料利用鄂式破碎機(jī)進(jìn)行初步粉碎，再采 用雷蒙磨進(jìn)行精加工，保證原材料棱角狀與次棱角狀的顆粒形態(tài)與真實(shí)月壤一致；粉碎 后使用帶有不同篩孔尺度和目數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，顆粒需要分出IOmm以上、l-10mm、 16-150 目（0.1-lmm)、150-180 目（0.08-0. 1mm)、200-240 目（0.061-0. 075mm)、300-500 目 (0. 025-0. 05mm)、500目以上（〈0. 025mm)，保證顆粒粒徑滿足分級(jí)要求。
[0044] 加工與篩分完成后將原材料分批次放入烘箱烘干去濕，烘干溫度控制在 105-1KTC之間，烘干時(shí)間控制在8h以上，最終含水率達(dá)到小于0. 4%，以模擬月壤無(wú)水干 燥的狀態(tài)。
[0045] 本階段最后進(jìn)行模擬月壤原材料性質(zhì)檢測(cè)，分別利用電鏡掃描法、激光粒度法、比 重瓶法、電熱烘箱烘干法、X射線熒光分析、BSE影像法進(jìn)行顆粒形態(tài)、顆粒粒徑、比重、含水 率、化學(xué)成分、礦物組成的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的等效程度量化可控。
[0046] (3)全剖面模擬月壤的制備與檢測(cè)
[0047] 全剖面模擬月壤的制備分為顆粒級(jí)配配制、填筑壓實(shí)與性質(zhì)檢測(cè)三步。顆粒級(jí)配 配制采用混合攪拌的方法，將不同粒徑的模擬月壤按照配比進(jìn)行攪拌，經(jīng)過(guò)15分鐘充分?jǐn)?拌均勻，保證顆粒級(jí)配配比與真實(shí)月壤等效。模擬月壤的填筑壓實(shí)與月壤實(shí)際形成機(jī)理類 似，采用定量分層填筑、三維振動(dòng)壓實(shí)的方法，每鋪設(shè)一定量模擬月壤進(jìn)行一次三維振動(dòng)壓 實(shí)，能夠獲得深度2m以上、100%超高相對(duì)密實(shí)度，以及大摩擦角、高內(nèi)聚力、高剪脹性等物 理力學(xué)特性，保證與真實(shí)月壤等效；最后進(jìn)行全剖面模擬月壤性質(zhì)檢測(cè)，采用在線檢測(cè)與實(shí) 驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)相結(jié)合的方法，利用質(zhì)量體積在線檢測(cè)法實(shí)時(shí)控制和檢測(cè)模擬月壤填筑壓實(shí) 的相對(duì)密實(shí)度，并分別利用三軸剪切試驗(yàn)、振動(dòng)錘擊法、量筒倒轉(zhuǎn)法、環(huán)刀法進(jìn)行摩擦角、內(nèi) 聚力、最大干密度、最小干密度、原位干密度的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)物理力學(xué)