[发明专利]磁敏性模拟星壤土及其制备方法

说明书

一种磁敏性模拟星壤土及其制备方法，属于深部太空岩土工程领域的模拟星壤土及其制备方法。该磁敏性模拟星壤土由磁性掺料、水泥胶结料、添加剂和去离子水制备而成，质量配比为：水泥胶结料100份，磁性掺料100‑300份，添加剂5份，去离子水40‑60份。制备时控制去离子水与水泥胶结料的质量比为5:2‑5:3，水泥胶结料与磁性掺料的质量比为1:1‑1:3，经混合搅拌、养护、硬化和造粒制备而成。该材料能够有效模拟原位星壤土散粒特性、细粒特性以及粒间弱引力特性。具体特征为：粒径0.1‑100mm可调；具有0.1‑3kPa粒间弱引力，可通过水泥胶结料与磁性掺料的质量比及孔隙率调控；能够配合特定外部磁场模拟非常规重力场，其强度可通过水泥胶结料与磁性掺料的质量比及磁场梯度值调控。

技术领域

本发明涉及一种岩土工程的相似材料及其制备方法，尤其是一种适用于深部太空岩土工程领域的磁敏性模拟星壤土及其制备方法。

背景技术

随着地球人口增加、环境污染加重、资源持续枯竭以及潜在的核武器威胁等因素的影响，深部太空星球基地建设及矿业开采领域的相关研究和实践迫在眉睫。继上个世纪50年代第一次探月高潮以来，美国和俄罗斯近期已重新启动了月球探测，并计划在月球建立永久性基地。中国、欧洲航天局、印度以及日本等国家和机构近年也加速了针对月球、火星以及近地小行星的探索、基地建设和采矿的研究。然而，月球、火星等星球和近地小行星表面独特的空间环境和岩土体性质，给外太空岩土工程建设带来了极大的挑战。

前期针对月球的观测和勘查表明，月球表面大部分区域均覆盖有一层厚度约为4-15m的风化土壤层。由于受到太阳风轰击、长期暴露于宇宙射线中等的影响，月壤土颗粒间呈现出了微弱电引力。针对火星的探测表明，火星表层大部分区域也覆盖有一层粒径在0.005-256mm的分化壤土。火星壤土同时也表现出了和月壤土类似的粒间弱电引力。此外，目前所进行的为数不多的针对小行星的抵近观测表明，大部分小行星表面也覆盖有一层带电引力的风化壤土。

在深部太空岩土工程领域，针对星球及小行星的原位测试及研究受测试机会少、成本高、测试环境复杂等多种因素的限制。在地球上进行相关物理模型试验及单元试验为星球基地建设及矿业开采研究提供了一条新的途径。但地球上进行物理模拟面临两个关键问题需要解决：非常规重力场模拟和星壤土特殊的物理力学性质模拟。研制物理力学特征与原位星壤土相似、同时能够兼顾非常规重力场模拟的磁敏性模拟星壤土，具有重大的学术价值和工程价值。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种原材料来源广泛、成本低廉、无毒无害，制作方法简单易行的磁敏性模拟星壤土及其制备方法，

技术方案：本发明的磁敏性模拟星壤土主要由磁性掺料、水泥胶结料、添加剂和去离子水制备而成；其质量配比为：水泥胶结料100份，磁性掺料100-300份，添加剂5份，水40-60份；。

所述水泥胶结剂为82.5级超高强硫酸盐水泥。

所述磁粉掺量为纳米级四氧化三铁软磁磁粉。

所述添加剂为氯化物系水泥早强剂。

实施上述磁敏性模拟星壤土的制备方法：制备过程中去离子水与水泥胶结料的质量比控制为5:2-5:3，水泥胶结料与磁性掺料的质量比控制为1:1-1:3；制备过程包含混合搅拌、养护、硬化和造粒四个阶段，最终形成能够模拟原位星壤土粒径特征、散粒特征和粒间弱引力特征的磁敏性模拟星壤土；具体步骤为：

1)按照配合比称取水泥胶结料、磁性掺料、添加剂和去离子水；

2)在清理干净并且干燥的容器中加入水泥胶结料和磁性掺料，搅拌直至二者混合均匀；

3)加入添加剂，继续搅拌直至均匀；

4)去离子水均匀分为5等份，逐份加入容器中，并不断搅拌，加完所有去离子水后，继续搅拌20分钟；