沖擊作用下模擬月壤動態劈裂拉伸試驗研究

引文格式：，.沖擊作用下模擬月壤動態劈裂拉伸試驗研究[J].安徽理工大學學報（自然科學版），2025，45（2）：51-58.

中圖分類號：TU441 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1098（2025）02-0051-08

Experimental Study on Dynamic Splitting Tensile Behavior of Simulated Lunar Soil under Impact Loading

MA Qinyong，WU Fei

（SchoolofCivilEngineringandArchitecture，AnhuiUniversityofScienceandTechnology，HuainanAnhui232O，China）

Abstract：Objective To investigate the dynamic response of alkali-activated lunar soil under impact loads.Methods Dynamic splitting tensile tests were conducted by using a split Hopkinson pressure bar （SHPB）on specimens cured at different temperatures.Theeffects of impact load on tensile strength，energy disspation and failure patterns were analyzed.Results Crushing energy consumption and density showed an exponential growth with the increase of impact load.The damage dissipation energy reflected internal microfracture development. Conclusion The damage disipation energy inside the simulated lunar soil increases with increasing impact air pressure.Damage dissipation energy peaks during spliting failure.Specimens fracture centrally into two halves under all impact loads Dynamic tensile strength increases linearly with impact load and logarithmicallywith energy density.

Key Words ： simulated lunar soil;Split Hopkinson Pressure Bar;energy dissipation ;destruction pattern

隨著科學技術的逐步發展，對月球的探索已成為重中之重，為了進行更深入的月球資源開發，對月球原位土壤的研究不可避免，月球原位資源鉆進取樣是進行探月工程、月球空間站建設的重要組成部分[1-2]。考慮到將地球上的建筑材料運送到月球的難度與成本，利用月球原位資源進行空間站的建設顯得尤為重要，但是真實月壤的獲取極為困難，主要是因為月球表面土的黏度較高，鉆進過程中月壤土黏鉆現象明顯，鉆進難度更大。因此，開展沖擊荷載作用下模擬月壤力學響應和破壞機理分析，對提高月壤開挖破碎效率、確保工程穩定具有重要的理論和研究意義[3]。文獻［4]分析得到堿激發月壤的物相分布特征與固化反應機理是月基建造的核心問題，為月基工程結構設計提供重要科學支撐。文獻[5]指出3D打印堿激發模擬月壤呈剪切變形特性，屈服應力和塑性粘度明顯增強。文獻6指出堿激發劑水膠比的不同對材料的破壞性能和變形性能有顯著增強

月面的極端環境給建筑材料帶來了更嚴格的要求。太空中微隕石數量繁多，對月表的沖擊平均速度可達 20km/s ，同時，月球頻繁的月震現象會對月球基地的建筑結構產生持續且復雜的作用力，建筑材料不僅要承受瞬間的沖擊力，還要經受長時間的震動疲勞考驗，因此，月基建造材料的抗沖擊性能成為研究者的關注重點之一。文獻「7表示對于月球極區鉆取采樣技術來說，鉆具的設計較為重要，但是地面等效實驗等手段對未來月球極區鉆取采樣任務的實施具有重要意義。文獻［8]結合SHPB試驗所得出的反射波具有明顯差異問題，提出一種基于鉆具沖擊反射波特性的月壤水冰含量辨識方法，為“探-采-用”探測器系統的研究提供參考。文獻[9]利用圓錐形探測儀在真空和低溫環境狀態下對模擬月壤展開貫入擊穿試驗，分析了模擬月壤試樣的貫人阻力特性，為動力學的研究提供了新思路。文獻［10]發現纖維添加對于堿激發模擬月壤的抗沖擊性能有著極為顯著的提升效果，纖維能夠與月壤顆粒及堿激發產物之間形成有效的物理錨固和化學交聯作用，并且纖維添加有效地節約了原材料的使用量。文獻［11對月球極區風化層月壤模擬物的性質進行研究，利用NU-LHT-2M模擬月壤進行大量的實驗，研究不同含水量對模擬月壤強度的影響，并探究在不同荷載作用下模擬月壤的破壞程度以及能量變化規律。

月球上的溫度最高可達到 100^°C 以上，目前研究主要對低溫作出了較多的分析，但是高溫環境下模擬月壤的試樣強度以及破壞形態無大量的文獻可以進行佐證，故在此基礎上進行相關分析研究。故本實驗以南京市某區玄武巖為原材料制作模擬月壤，利用SHPB系統開展了不同氣壓下高溫堿激發固化模擬月壤的劈裂拉伸試驗研究，系統分析了不同沖擊氣壓下模擬月壤的動態拉伸強度、能量吸收和耗散規律和破壞形態，以期為高溫鉆進模擬月壤提供理論和試驗依據。

1模擬月壤動態劈裂拉伸試驗

1.1 試樣制備

試驗采用的模擬月壤原材料來自南京市六合區的顆粒狀堿性橄欖玄武巖，其表面顏色呈灰色，具有棱角等不規則形狀。試驗前將玄武巖顆粒放置在 105°C 的干燥機中烘干 ^12h ，烘干后的模擬月壤含水率小于 0.3% ，將其冷卻至常溫后，以 9.5% 的含水率添加去離子水，并攪拌均勻[12-13]，試樣形狀為圓餅型，尺寸為直徑 50mm 高度 25mm ，試樣制備后放置在 65^°C 烘箱中養護 ^9h ，以加速激發劑反應進程，然后在常溫條件下養護28d，確保激發劑與模擬月壤試樣充分反應，

1. 2 試驗裝置

試驗選用的是分離式霍普金森壓桿，采用3根直徑為 50mm 、彈性模量為 210GPa 、泊松比為0.3、密度為 7850kg/m³ 的鋼桿做為波導桿，其中入射桿長 2 400mm 、透射桿長 1200mm 、撞擊桿長 600mm ，通過在人射桿和透射桿中部粘貼應變片對3個波形進行采樣，并采用直徑為 18mm 、厚度為 1mm 的圓形黃銅片作為脈沖整形器，用黃油將其貼在入射桿的受沖擊端中心處，能有效將高頻震蕩的矩形波轉換成較為平滑的半正弦波，并減小端面摩擦效應[14]，使入射波的上升時間更長，高頻震蕩減少[15] O

1.3 試驗方案

在改性水玻璃模數為1.8、濃度為 50% 、溫度為 65^°C 、固化時間 ^9h 時模擬月壤單軸抗壓強度達到峰值，在此基礎上展開對模擬月壤動態劈裂拉伸試驗，探究養護溫度以及沖擊氣壓對堿激發模擬月壤的影響程度，在溫度為 20，50，65，80^°C 以及沖擊氣壓為 0.15，0.16，0.163，0.165，0.17，0.175，0.18MPa 條件下開展動態劈裂拉伸試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 應力平衡分析

SHPB試驗結果必須符合一維應力波理論和應力均勻性假設，如圖1所示，沖擊氣壓為 0.16MPa 下的模擬月壤試樣應力平衡曲線。根據應力平衡的判定準則，對28組數據進行篩選，根據數據的有效性判定結果發現，隨著應變率的不斷升高，試樣應力平衡性假設成功率越低；這是因為試樣吸收能量隨著沖擊氣壓升高而不斷增加，試樣脆性越大，破碎越明顯，表現為碎裂狀態，故在試樣達到應力平衡之前就發生破碎失效，導致試驗成功率較低[16-18] 。

2.2 應力-應變曲線

不同沖擊氣壓下模擬月壤動態應力-應變曲線如圖2所示。隨著沖擊氣壓的不斷增加，模擬月壤試樣的峰值應力不斷增加，應力-應變曲線主要表現出先增長后下降的趨勢，曲線表現出非線性增長主要是因為此時為材料的壓密階段，模擬月壤試樣主要通過擊實成型，試件內部存在較多微孔隙，在低應力的沖擊作用下孔隙逐漸閉合。隨著應力的逐漸增加，呈現短暫的線彈性階段，此階段主要用于動彈性模量的確定，能夠衡量材料剛度，將此應力作為彈性極限，并對后文分形維數計算提供數據支撐。當達到峰值應力后，應力迅速下降，此時模擬月壤試樣破碎失效。氣壓在 0.165MPa 之前曲線波峰有逐漸增大的趨勢，當氣壓超過這一限度，試樣破碎明顯，曲線波峰較窄，但是在沖擊氣壓為 0.165MPa 時，試樣破壞曲線下降緩慢，曲線波峰較寬，主要是由于此時試樣內部形成的水化硅鋁酸鈣凝膠產量達到平衡狀態，凝膠對材料內部的粘接力最優，試樣未發生明顯破壞。本試驗與文獻[19]所得應力-應變曲線變化規律一致，因此可以驗證試驗的準確性。

為研究模擬月壤經沖擊破壞后的顆粒級配以及破壞模式，故對不同條件下模擬月壤試樣破碎形態采用分形維數計算方法進行分析。不同溫度和沖擊氣壓下模擬月壤的劈裂破壞模式如圖3所示當溫度為 65^°C 時，試樣破壞模式較為顯著，表現為試樣端部三角區域破碎面積增大，由試樣破壞形態可知月壤動態拉伸強度存在應變率增強效應，在低應力條件下，試樣內部微裂紋逐漸匯聚，最終貫通形成宏觀裂紋，導致試樣破壞，表現為沿軸向斷裂成相對完整的兩半。因此隨著沖擊氣壓不斷增加，模擬月壤的破壞損傷程度與之成正相關關系，即沖擊氣壓不斷增加，試樣表現的破碎度越高

當沖擊氣壓為 0.15MPa 時，模擬月壤試樣僅表現為部分碎片剝落，但仍然保持較為完整的狀態。隨著沖擊氣壓不斷加大，模擬月壤的破壞損傷程度與之成正相關關系，即沖擊氣壓不斷增加，試件表現的破碎度越高，在沖擊氣壓為 0. 16～0. 17MPa 下，模擬月壤試樣破碎小顆粒粒徑逐漸增加，小粒徑碎塊占比逐漸升高，均超過 20% 。當沖擊氣壓為 0.18MPa 時試樣發生嚴重破碎，大粒徑碎塊占比降低到 30% 以下。

由圖3橫向對比可以看出，隨著溫度的增加，試樣的破碎程度先減小后增大，在溫度為 65^°C 時破碎度最小，此實驗現象與文獻［20]中溫度對模擬月壤沖擊后破碎粒徑的影響程度相近。主要是由于溫度為 65^°C 時，模擬月壤試樣內部水化反應充分發生，水化凝膠產物生成量最多，增強了模擬月壤試樣內部的粘結力，故表現為試樣破碎程度小。

分形幾何主要是通過分維數和無標度區間來描述破碎過程的統計自相似性特征，自創立后便被引入巖石破碎學的研究領域，被用來評價巖石破碎方法和特征。假設破碎模擬月壤為不同尺寸的碎塊，一般情況下，破碎巖石遵循一定的質量頻率分布：

式中： D 為試樣的分形維數； M（R） 為直徑小于的碎石質量， g;R 為破碎物的等效直徑， mm;M 為碎石總質量， g;b 是雙對數坐標系下 M（R）/M-R 的斜率。

使用孔徑為 2、7、5、15、20、25mm 的標準篩對破碎后的試樣進行篩分并稱重，得到不同孔徑下的累積碎片質量和總質量。不同條件下模擬月壤粒徑累積占比如圖4所示。溫度從 20% 至 65^°C ，試件小粒徑顆粒占比較少，主要是因為最佳溫度（ 65^°C 時內部形成的凝膠產物具有較優的橋連作用。

圖5為模擬月壤的分形維數與沖擊氣壓的擬合圖。由圖5可以看出，溫度升高的同時降低了維數的增長率，在 65^°C 時表現較為明顯，是因為在此溫度下試件內部產生的水化凝膠產物增加了模擬月壤試件的橋聯作用，使其破碎程度降低。當溫度較低或特別高時，試件所表現的分形維數大致相同，主要是因為溫度過低時，其膠凝產物析出較少，不足以支撐試件的抗拉作用，溫度較高時雖然水化產物析出較多，但是由于過高的溫度破壞了模擬月壤的內部結構，導致試件抗拉強度降低

模擬月壤破碎塊度分維擬合曲線如圖6所示，可以看出養護溫度為 65°C 時，模擬月壤的破碎塊度具有良好的分形結構，當分維數增加，試件破碎度也隨之增加，試件破碎后剝落的小碎塊占比越大。當沖擊氣壓逐漸增加時，試件內部受到損傷程度加劇，最終表現為試件破碎程度較深。此結果與文獻[21]研究結果保持一致，因此，采用分維數來表示由沖擊荷載導致的模擬月壤破碎塊度是可行的。

3 破碎耗能特征

為研究模擬月壤的吸收能量與抗壓強度以及耗散能之間的關系，對其擬合并做出分析。模擬月壤試樣吸收能量和人射能量變化關系如圖7所示在沖擊過程中試件吸收能量在入射能量中的占比始終保持恒定。由顯著性檢驗可知，F=78.2gt;Fo.01（1，4）表明試樣吸收能量占比與入射能量之間的相關關系較為顯著，具有內在的緊密聯系；模擬月壤試件破碎耗能密度和入射能量同樣表現出較好的正相關關系，經顯著性檢驗可知，F=73.9gt;Fo.01（1，4），證明模擬月壤試樣破碎耗能密度和入射能量之間不僅存在正相關，而且呈現出較強的線性關系。與文獻「22]所得結論保持一致，試驗具有一定的準確性，為后續深入研究模擬月壤在沖擊條件下的力學行為及能量轉化機制提供依據

圖8為模擬月壤試件動態抗壓強度與破碎耗能密度的關系，在模擬月壤試件破碎過程中，試樣的變形破壞需要吸收大量能量，宏觀上表現為裂縫擴展和新斷面的形成，試件內部裂紋數量不斷增加。隨著試件吸收能量的不斷增加，試件出現了明顯的變形滯后現象，隨著能量持續輸入，試樣內部的結構不斷被破壞，顆粒間的連接逐漸削弱，當對試樣持續加載，使其破碎耗能密度達到某一固定值時，試樣的抗壓強度減緩，并呈現出對數增長模式。因此，模擬月壤動態抗拉強度與破碎耗能密度之間表現出較好的對數關系，試樣吸收能量、耗散能之和與入射能之間保持平衡關系。

圖9為不同沖擊氣壓下模擬月壤入射能與破碎耗能占比分布規律，由圖9可知，隨著沖擊氣壓的不斷升高，人射能表現出上升的趨勢，主要是因為撞擊桿射出時與管道內壁產生摩擦，在0.163＼～0.170MPa 時受摩擦力影響較小，當沖擊氣壓越小或者越高時，對撞擊桿傳人的入射能量影響越大。在沖擊氣壓為 0.15，0.18MPa 時入射能量分別是36.9、183J，轉換效率為 313.6% 。隨著沖擊氣壓的不斷增加，模擬月壤試樣破碎耗能占比波動較大，集中在 55.01%～75.94% ，當沖擊氣壓為 0.16MPa 時，破碎耗能占比在 57.79%～60.8% ；隨著沖擊氣壓的不斷升高，破碎耗能占比逐漸下降，在沖擊氣壓為 0.165MPa 時達到破碎耗能占比最低點，此時破碎耗能占比在 38.01%～40.61% ，平均破碎耗能占比相較于之前下降 53% ；這是因為當氣壓為0.16～0.165MPa 時，試樣吸收能量的效率由于管道摩擦和端面摩擦存在而保持平穩，而人射能量受外界因素影響較小，故導致破碎耗能占比迅速下降；隨著沖擊氣壓的進一步升高，破碎耗能占比迅速提高，在沖擊氣壓為 0.175MPa 時，破碎耗能占比達到最大平均值 78.06% ，而后保持平穩。

不同沖擊氣壓下破碎耗能與破碎耗能密度變化曲線如圖10所示。模擬月壤損傷耗散能變化曲線主要表現為3個階段，此試驗結論與文獻［23]對模擬月壤耗散能的擬合關系相似且具有一致性，均表現為先緩慢增長然后線性增長最后趨于平穩。緩慢增長階段模擬月壤試樣處于彈性變形階段，耗散能變化較小；而后耗散能轉變為線性增長階段，此時模擬月壤處于彈性變形、塑性變形和峰后區的變形階段，試樣損傷耗散能變化速度逐漸增加，直至試樣劈裂破壞時損傷耗散能達到最大值，該點稱為破壞耗散能或總耗散能；最后進人緩慢增加階段，直至試樣發生劈裂破壞[24-25]沖擊氣壓為 0.15MPa 時，試樣保持相對完整，破碎耗能較低；隨著沖擊氣壓逐漸增大，試樣破碎耗能也急劇增長，是由于此時入射能量線性增長，且入射能量與試樣的吸收能量呈正相關關系，因此試樣能量吸收能力較強，破碎耗能顯著增強。當沖擊氣壓達到 0.18MPa 時，試樣完全破碎，此時試樣吸收能力較弱，破碎耗能趨勢減弱，因此試樣破碎耗能密度隨氣壓升高而呈指數型增長，與破碎耗能類似。

140 1.8 W=136.68-114.23/（1+e（-0.17）/dp） （u.）/ 115 R2=0.987 1.5 1/ 1.2 90 0.9 65 0.6 40 0.3 15 0.0 0.1500.1550.1600.1650.170 0.1750.180 沖擊氣壓 /MPa 破碎耗能 一破碎耗能擬合曲線 破碎耗能密度--破碎耗能密度擬合曲線

4結論與展望

本文開展了不同沖擊氣壓下模擬月壤動態劈裂拉伸試驗，從力學特性、能量耗散以及破壞形態的角度對模擬月壤的拉伸強度進行分析。隨著固化溫度以及沖擊氣壓的升高，模擬月壤的維度結構呈線性增長，且溫度的高低影響試件分形維數，溫度較低或溫度較高時，模擬月壤結構分形維數都較高，表現為破碎嚴重，試驗證實了溫度對于模擬月壤材料的影響結果明顯。模擬月壤試樣破碎耗能和破碎耗能密度隨沖擊荷載逐漸增加，模擬月壤的損傷耗散能直接反映試樣中微裂隙發育程度，隨著沖擊氣壓的增大，模擬月壤損傷耗散能增大，試樣發生劈裂破壞時損傷耗能達到最大值，說明在沖擊過程中，試樣吸收能量的強弱直接表明了試樣的強度，試驗為空間站建設中溫度變化情況以及對月壤沖擊作用下能量變化規律提供了相關理論基礎

實際制作模擬月壤過程中還會受到不同因素的影響，例如低重力影響因素、真空環境影響等，并且需對相關激發劑作出完善。因此對實驗的分析略有不足之處，故在下一步的實驗中著重對上述因素進行分析。

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（責任編輯：丁 寒）