月球基地建设新突破：地聚合物基超高性能混凝土在极端低温下的动态压缩行为研究

本文推荐研究人员针对月球极端环境下建筑材料性能不足的问题，开展了基于月球模拟壤土的地聚合物超高性能混凝土（LUHPC）的动态压缩行为研究。通过系统分析纤维类型（钢纤维/POM纤维）、组合方式、测试温度（20°C至-170°C）和应变速率（50–200 s?1）的影响，发现钢纤维增强LUHPC在低温条件下表现出显著的强度提升（最高达20.6%）和能量吸收能力（提升179.1%），并建立了精准的应变率效应预测模型。该研究为地外可持续人居建设提供了关键材料设计依据与实验支撑，对推动月球基地建设具有重要工程意义。

　　

随着人类深空探测步伐的加快，建立可持续的地外栖息地成为航天领域的重要目标。月球作为人类深空探索的前哨站，其表面环境极端严酷：昼夜温差极大（约-170°C至150°C），高频微陨石撞击威胁结构安全，且运输成本极高，必须最大限度利用原位资源。超高性能混凝土（UHPC）因其卓越的力学性能和耐久性，被视为月球建设的理想材料。特别是碱激发地聚合物（Geopolymer），其以月球壤土中丰富的铝硅酸盐矿物为前驱体，不仅机械性能优异，还具有抗辐射、抗冻融和低用水需求的特点，完美契合月球原位资源利用（ISRU）策略。

然而，地聚合物材料本身存在脆性大、抗冲击性能不足的固有缺陷，在月球极端低温和高速冲击载荷下，其性能会发生何种变化？不同类型的纤维增强效果如何？能否建立精准的预测模型指导材料设计？这些问题都亟待解答。

为此，来自悉尼科技大学的研究团队在《Environmental Pollution》上发表了最新研究成果，系统探究了月球模拟壤土基地聚合物超高性能混凝土（LUHPC）在常温和低温（-70°C、-170°C）下的动态压缩行为，为月球基地建设提供了关键数据与理论支撑。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，他们选用月球高地模拟壤土（LHS-1）作为主要原料，辅以矿渣、粉煤灰等辅助胶凝材料，通过碱激发（NaOH与Na₂SiO₃）工艺合成LUHPC；其次，采用分离式霍普金森压杆（SHPB）实验装置，在50–200 s^?1的应变速率范围内测试其动态力学性能；第三，利用定制低温试验舱，以液氮为冷却介质精确控制-70°C和-170°C的低温环境；最后，结合高速摄像记录和应力应变分析，系统评估了材料的动态强度、弹性模量、能量吸收及破坏模式。

研究结果主要包括以下几个方面：

3.1. 静态压缩性能

研究发现，低温显著提升了LUHPC的静态抗压强度与弹性模量。钢纤维增强试样在-170°C时强度达到170.4 MPa，较常温提升20.6%；弹性模量提升13.7%。POM纤维在-70°C时表现出最高的比强度。混合纤维（钢纤维0.8% + POM纤维0.4%）在极端低温下显示出最佳的协同增强效果。

3.2. 动态冲击压缩响应

3.2.1. 动态抗压强度与弹性模量

动态强度随应变速率呈线性增长，低温进一步放大该效应。钢纤维增强LUHPC在-170°C、200 s^?1时强度超过280 MPa，较静态强度提升65.6%。POM纤维在低温高速下增韧效果减弱，表现出明显的脆性特征。

3.2.2. 动态应力应变曲线与冲击韧性

钢纤维增强试样在低应变率下出现明显的弹性回弹（spring-back）现象，表明其具有良好的弹性恢复能力；而POM纤维增强试样在低温下主要表现为应变软化。能量吸收（W_D）分析表明，钢纤维在200 s^?1时能量吸收能力提升179.1%，显著优于POM纤维。

3.2.3. 动态破坏模式与冲击过程

高速摄像显示，钢纤维能有效抑制裂纹扩展，试样仅发生局部破碎；而POM纤维增强试样在低温高速冲击下易发生粉碎性破坏。混合纤维在-70°C下表现出最优的抗裂性能。

3.2.4. 强度特性的速率效应

动态增强因子（DIF）随应变速率和温度降低而显著提高。现有模型（如CEB-FIP）高估了常温下的应变率效应，本研究提出的多元模型能更准确预测LUHPC在宽温域下的动态行为。

研究结论表明，钢纤维在极端低温和高应变率下具有最优的增强效果，能显著提升LUHPC的动态强度和韧性；POM纤维虽在比强度方面有优势，但其低温脆性限制了其在月球极端环境下的应用；混合纤维系统在-70°C时表现出良好的协同效应。本研究建立的DIF预测模型为LUHPC在月球基础设施设计中的动态荷载分析提供了重要工具。

该研究的重要意义在于：首次系统揭示了LUHPC在月球相关极端条件下的动态力学行为，填补了地外建筑材料在高速冲击与超低温耦合环境下性能数据的空白；提出的纤维增强策略与预测模型，可直接用于指导月球基地结构设计；推动了对地聚合物材料在多物理场环境下性能演化的理解，为未来地外建筑材料的标准化与工程化奠定了坚实基础。

尽管该研究取得了重要突破，但仍存在一定局限性：依赖地球来源的纤维与辅助材料，与月球原位资源利用策略仍有距离；未模拟月球真空环境的影响；长期热循环下的耐久性尚未验证。未来工作应聚焦于开发月球原位纤维替代材料、优化固化工艺，并开展更全面的多场耦合耐久性试验，以推动LUHPC在月球基地建设中的实际应用。