一种超高密实度模拟月壤制备及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空间资源探测技术领域，特别是一种超高密实度模拟月壤制备及检测 方法。
【背景技术】
[0002] 人类针对月球所进行的活动，如绕月探测、在月球上着陆、登月和在月球上进行各 种探测活动，都与月壤有着密切的联系。在进行月球上的相关探测活动之前，人类需要在地 球上进行大量的试验研究，而地球土壤与月壤在化学成分、矿物组成和物理力学性质上存 在本质的差别。因此，在地球上需要能够模拟典型月壤主要性质的模拟月壤材料。
[0003] 实际月壤具有超高密实度（深度0. 6m以下相对密实度接近100 % )、大摩擦 角、高剪胀性等物理力学特性，直接决定了月球采样探测装置的设计负载边界。随着探 月工程的发展与不断深入，中国已经完成了几种模拟月壤的研制，中国地震局地质研 究所主要从化学成分、矿物组成、抗剪性和微波介电特性等方面研制了模拟月壤；中国 科学院地球化学所、中国科学院国家天文台完成了 "低钛玄武质模拟月壤标准样品证 书"（GSB 01-2186-2008)，取名为CLRS-1，以及"高钛玄武质模拟月壤标准样品证书"（GSB 01-2187-2008)，取名为CLRS-2。但上述模拟月壤及制备方法对粒径级配、相对密实度以及 物理力学等关键参数没有严格要求与控制，且没有检测方法，致使模拟月壤与真实月壤在 上述方面存在差异，同时无法实现超高相对密实度和大内摩擦角等力学参数的等效性。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种通过模拟月壤颗粒 级配配制与混合搅拌，解决了模拟月壤与实际月壤在粒径级配上存在差异的问题，进而实 现了模拟月壤颗粒粒径分布的高等效模拟的超高密实度模拟月壤制备及检测方法。
[0005] 本发明的技术解决方案是：一种超高密实度模拟月壤制备及检测方法，包括如下 步骤：
[0006] a、在N段模拟月壤试验槽每段之间固定连接，然后竖直放置在三维振动平台上， 其中，N为正整数；所述的模拟月壤试验槽为空心圆筒；
[0007] b、将放置在三维振动平台台面上的模拟月壤试验槽进行固定，并使用定位与紧固 装置紧固；所述的定位与紧固装置为绑带锁紧结构；
[0008] c、选取颗粒形态碱性橄榄玄武岩作为模拟月壤原材料并混合搅拌，得到模拟月 壤；所述的颗粒形态碱性橄榄玄武岩包括棱角状、次棱角状的碱性橄榄玄武岩；
[0009] d、称取质量m]的模拟月壤填入到模拟月壤试验槽中，然后将模拟月壤表面抹平， 使第j段模拟月壤试验槽填满，其中，j的初值为1，j = 1，2,3…N ;所述的叫为填满第j段 模拟月壤试验槽需要的模拟月壤的质量；
[0010] e、将配重放置在模拟月壤试验槽内，用防尘口袋盖住试验槽口；
[0011] f、令三维振动平台首先在上下方向振动，然后在左右、前后、上下三个方向同时振 动，测量振动后从第一段到第j段模拟月壤的总高度h' ；
[0012] g、根据振动后的模拟月壤高度h'计算模拟月壤振动后密度P ,为
[0014] 其中，D为模拟月壤试验槽内径；
[0015] 如果模拟月壤振动后密度P d达到模拟月壤的最大干密度，则终止振动，否则继续 在X、Y、Z三个方向同时振动，直至模拟月壤振动后密度P ,达到模拟月壤的最大干密度；
[0016] h、j = j+Ι，重复步骤d~g，直至j = N ;
[0017] i、利用质量体积法测定模拟月壤相对密实度队为
[0019] 其中，
h&为振动完成后N段模拟月壤试验槽中模拟月壤总高度，当模 拟月壤中旦謹以上的粒径级配比例不大于挪时』'"=^·"，^·'^=^·"，^ _为模拟月壤最大干密度，P d _为模拟月壤最小干密度，当模拟月壤中5_以上的粒径级 配比例大于6%时，
[0022] 其中，P 5为模拟月壤中粒径为5mm以上的颗粒密度，P 5为模拟月壤中5mm以上的 粒径级配比例，如果模拟月壤相对密实度^大于100%，则制备达标，否则制备没有达标。
[0023] 所述的N为4。
[0024] 所述的模拟月壤试验槽的外径为520mm，内径为500mm的空心圆筒，N段总长度 2. 5m〇
[0025] 所述的颗粒形态碱性橄榄玄武岩中颗粒粒径小于0.01mm的占13. 51 %，在 0· 01-0. 025mm 之间的占 IL 99 %，在 0· 025-0. 05mm 之间的占 12. 83 %，在 0· 05-0. 075mm 之间的占8. 24 %，在0. 075-0. 1之间的占5. 53 %，在0. 1-0. 25mm之间的占14. 2 %，在 0.25-0. 5之间的占10.2%，在0.5-lmm之间的占8. 5%，大于Imm的占15%。
[0026] 所述的三维振动平台首先在上下方向振动的时间为5分钟，左右、前后、上下三个 方向同时振动的时间为15分钟。
[0027] 所述的三维振动平台振动的频率为30Hz。
[0028] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0029] (1)本发明方法通过采用碱性橄榄玄武岩作为模拟月壤原材料，解决了模拟月壤 与实际月壤在化学成分、矿物组成和含水量存在差异的问题，实现了化学成分和矿物组成， 以及无水干燥状态的高等效模拟；
[0030] (2)本发明方法通过模拟月壤颗粒级配配制与混合搅拌，解决了模拟月壤与实际 月壤在粒径级配上存在差异的问题，实现了模拟月壤颗粒粒径分布的高等效模拟；
[0031] (3)本发明方法通过定量分层填筑、三维振动压实的方法，与月壤实际形成机理类 似，解决了无法制备高密实度模拟月壤的问题，能够获得深度2m以上、100%超高密实度的 模拟月壤，实现了真实的深层月壤剖面等效模拟；
[0032] (4)本发明方法通过对模拟月壤关键特性参数集与指标体系的检测，实现了参数 指标量化可控的目的。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明模拟月壤制备及检测方法原理流程图；
[0034] 图2为本发明模拟月壤制备及检测方法工艺框架图；
[0035] 图3为本发明模拟月壤级配配制与填筑压实实施流程图；
[0036] 图4为本发明模拟月壤三维振动压实实施方法图。
【具体实施方式】
[0037] 本发明涉及一种超高密实度模拟月壤制备及检测方法，能够高等效模拟真实月壤 的化学成分、颗粒形态、颗粒级配以及超高密实度、大摩擦角、高内聚力、高剪胀性等物理力 学特性，本发明可以应用于月球着陆、登月以及各种采样探测活动的地面试验研究，还可以 拓展应用于其他模拟星壤的制备与检测，属于空间资源探测技术领域。
[0038] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0039] 如图1所示为模拟月壤制备及检测方法原理流程，包括：
[0040] (1)月壤特性分析与模拟方法确定
[0041] 系统的分析月壤特性，包括月球环境、月球形成演变、月壤组成与及物理性质、历 次着陆点的月表剖面化学成分、矿物组成、相对密实度、颗粒形态、颗粒粒径级配、干密度、 性质，建立深层月壤剖面模型，明确完备的关键特性参数集与指标体系，确定孔隙比、含水 量、内摩擦角和内聚力等物理力学参数作为模拟的主要参数指标。
[0042] (2)模拟月壤原材料的制备与检测
[0043] 模拟月壤原材料选取碱性橄榄玄武岩与玄武质火山渣，由普通辉石、斜长石、 橄榄石、磁铁矿和玻璃组成，与实际月壤具有相似的化学成分和矿物组成。原材料的加 工主要包括破碎与筛分两步，首先将采集的原材料利用鄂式破碎机进行初步粉碎，再采 用雷蒙磨进行精加工，保证原材料棱角状与次棱角状的颗粒形态与真实月壤一致；粉碎 后使用带有不同筛孔尺度和目数的标准筛进行筛分，颗粒需要分出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)，保证颗粒粒径满足分级要求。
[0044] 加工与筛分完成后将原材料分批次放入烘箱烘干去湿，烘干温度控制在 105-1KTC之间，烘干时间控制在8h以上，最终含水率达到小于0. 4%，以模拟月壤无水干 燥的状态。
[0045] 本阶段最后进行模拟月壤原材料性质检测，分别利用电镜扫描法、激光粒度法、比 重瓶法、电热烘箱烘干法、X射线荧光分析、BSE影像法进行颗粒形态、颗粒粒径、比重、含水 率、化学成分、矿物组成的测试，实现关键参数的等效程度量化可控。
[0046] (3)全剖面模拟月壤的制备与检测
[0047] 全剖面模拟月壤的制备分为颗粒级配配制、填筑压实与性质检测三步。颗粒级配 配制采用混合搅拌的方法，将不同粒径的模拟月壤按照配比进行搅拌，经过15分钟充分搅 拌均匀，保证颗粒级配配比与真实月壤等效。模拟月壤的填筑压实与月壤实际形成机理类 似，采用定量分层填筑、三维振动压实的方法，每铺设一定量模拟月壤进行一次三维振动压 实，能够获得深度2m以上、100%超高相对密实度，以及大摩擦角、高内聚力、高剪胀性等物 理力学特性，保证与真实月壤等效；最后进行全剖面模拟月壤性质检测，采用在线检测与实 验室标准检测相结合的方法，利用质量体积在线检测法实时控制和检测模拟月壤填筑压实 的相对密实度，并分别利用三轴剪切试验、振动锤击法、量筒倒转法、环刀法进行摩擦角、内 聚力、最大干密度、最小干密度、原位干密度的检测，实现物理力学