一种基于冰壤混合的极区含水模拟月壤制备方法

摘要

本发明提出了一种基于冰壤混合的极区含水模拟月壤制备方法，属于模拟月壤制备技术领域。解决了以往剖面样本水冰在冻结过程中，样本边界的冻结速率会强于样本内部，致使样本的边界温度会低于样本中心，由于水分冷端迁移的原理，样本内部水分会向周围迁移，致使样本边界含水率高于样本中心，整个样本含水率不均一，不同含水率的样本强度、硬度也各不相同，致使后期试验在样本钻进过程中所受应力大小、钻进功率及每钻含水率无法统一，变量无法得到控制，致使后期得到钻进试验数据无任何参考意义的问题。通过本发明的样本制备工艺，冰单独冻结破碎后与干燥遇冷模拟月壤样本均匀混合，使整个样本的各部分含水率相对均一，并达到可控的程度。

说明书

技术领域

本发明属于模拟月壤制备技术领域，特别是涉及一种基于冰壤混合的极区含水模拟月壤制备方法。

背景技术

以往剖面样本水冰在冻结过程中，样本边界的冻结速率会强于样本内部，致使样本的边界温度会低于样本中心，由于水分冷端迁移的原理，样本内部水分会向周围迁移，致使样本边界含水率高于样本中心，整个样本含水率不均一，不同含水率的样本强度、硬度也各不相同，致使后期试验在样本钻进过程中所受应力大小、钻进功率及每钻含水率无法统一，变量无法得到控制，致使后期得到钻进试验数据无任何参考意义。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述背景技术中提到的问题，本发明提出一种基于冰壤混合的极区含水模拟月壤制备方法，主要应用于在深空探测领域工程试验领域中大批量的制备模拟月壤水冰剖面样本。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于冰壤混合的极区含水模拟月壤制备方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：对干壤原料的制备：对原料的组分及颗粒形状进行甄选，将选好的不同组分颗粒按一定比例进行混合，对混合好的原料进行烘干处理；

步骤S2：在制备前对各个制备装置进行预冷处理；

步骤S3：测算初始含水率；

步骤S4：冰颗粒制备：定量制水并冻结后破碎成小颗粒备用；

步骤S5：冰颗粒与烘干的干壤原料混合；

步骤S6：在低温环境下对密实附型桶应力传感器预置；

步骤S7：在低温环境下对混合样本逐层压实；

步骤S8：对密实附型桶进行温度传感器预置；

步骤S9：在超低温条件下对样本进行长时间围压保持。

更进一步的，步骤S1中，根据极区月壤矿物组分选择斜长岩和玄武岩作为模拟月壤的制备原料，极区月壤粒径小于1mm。

更进一步的，步骤S1中，称量混合后烘干前试样质量并将烘干机温度调为105℃，烘干时间12小时以上，烘干至恒重。

更进一步的，步骤S4中，按照相应含水率计算出所需水的质量，将水放于容器中，对容器逐渐抽真空并赋予低温环境进行冻结制冰，制冰结束后将冰块放于遇冷的碎冰机中，使其均匀粉碎成小颗粒备用。

更进一步的，步骤S5中，在冰壤混合之前，用液氮给冰壤混合设备及相关设备和模拟月壤颗粒预冷，将冰颗粒和模拟月壤颗粒倾倒至预冷好的搅拌设备，在低温的情况下，将样本不断进行搅拌，实行先慢后快的操作方法实现样本均匀混合。

更进一步的，步骤S6中，密实容器承装前要先用应变片对其侧壁进行阵列式贴附，并对应变片进行常温标校。

更进一步的，步骤S7中，低温赋形工艺采用在低温环境下静力压实的方式。

更进一步的，步骤S7中，为保证样本沿纵深方向密度的均一性，密实赋形过程需将样本均匀等分，分批次填充压实，逐层添加，逐层压实。

更进一步的，步骤S8中，将占位螺栓拔出，在相应位置阵列钻孔布置传感器，传感器穿过空心螺栓插入传感器孔，缠绕生料带，拧紧螺栓。

更进一步的，步骤S9中，低温赋形后继续保持低温环境，利用应力时效施加装置随对样本进行围压施加，并对相应的压力、温度数据进行采集。

与现有技术相比，本发明所述的一种基于冰壤混合的极区含水模拟月壤制备方法的有益效果是：

通过本发明的样本制备工艺，冰单独冻结破碎后与干燥遇冷模拟月壤样本均匀混合，使整个样本的各部分含水率相对均一，并达到可控的程度。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的基于冰壤混合的极区含水模拟月壤制备方法的流程图；

图2为本发明所述的基于冰壤混合的极区含水模拟月壤制备方法原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一、具体实施方式一，参见图1-2说明本实施方式，如图1所示，基于冰壤混合的极区含水模拟月壤制备流程包括基础原料制备与甄选、原料混配、烘干、预冷、含水率检测、冰颗粒制备、冰壤混合、应力传感预置、低温赋形、低温传感预置、低温应力时效等11个步骤，具体为：

步骤S1：对干壤原料的制备：对原料的组分及颗粒形状进行甄选，将选好的不同组分颗粒按一定比例进行混合，对混合好的原料进行烘干处理；

步骤S2：在制备前对各个制备装置进行预冷处理；

步骤S3：测算初始含水率；

步骤S4：冰颗粒制备：定量制水并冻结后破碎成小颗粒备用；

步骤S5：冰颗粒与烘干的干壤原料混合；

步骤S6：在低温环境下对密实附型桶应力传感器预置；

步骤S7：在低温环境下对混合样本逐层压实；

步骤S8：对密实附型桶进行温度传感器预置；

步骤S9：在超低温条件下对样本进行长时间围压保持。

整个步骤需要对原料的矿物组分、粒径级配、颗粒微观形貌方面进行选择，按比例混合，对基础原料烘干，预冷是需对干壤颗粒及整个实验工装进行预冷，冰颗粒制备需根据含水率测量需要冻结的水的质量，并在低温真空环境下制冰，冰块冻结后通过遇冷破碎设备进行冰粒破碎。冰壤混合需在低温环境下进行，在控制搅拌速度的情况下均匀混合，应力传感预置需让应变片传感器在密实赋型桶内壁阵列式贴附，并对应力传感器进行常温标校，在低温环境下对密实赋形桶内样本静力密实，密实后，在赋性桶侧壁进行低温传感器预置，预置后，对整个样本进行长时间围压保持。

各个样本加工装置在使用前均需对装置进行遇冷，防止装置温度过高，影响样本含水率及样本温度。

(1)干壤原料制备

根据极区月壤矿物组分选择斜长岩和玄武岩作为模拟月壤的制备原料，极区月壤粒径主要以小于1mm为主，故选择0～1mm粒径制成棱角状、次棱角状的模拟月壤。按照一定比例将斜长岩和玄武岩混配一定质量的原料，用搅拌器均匀混合。称量混合后烘干前试样质量并将烘干机温度调为105℃，烘干时间12小时以上，烘干至恒重。称量烘干后的试样质量，通过公式计算初始含水率。

(2)冰颗粒制备

按照相应含水率计算出所需水的质量，将水放于容器中，对容器逐渐抽真空并赋予低温环境进行冻结制冰，制冰结束后将冰块放于遇冷的碎冰机中，使其均匀粉碎成小颗粒备用。

(3)冰壤混合

在冰壤混合之前，用液氮给冰壤混合设备及相关设备和模拟月壤颗粒预冷。将冰颗粒和模拟月壤颗粒倾倒至预冷好的搅拌设备，在低温的情况下，将样本不断进行搅拌，实行先慢后快的操作方法实现样本均匀混合。

(4)应力传感器预置及密实附型

密实容器承装前要先用应变片对其侧壁进行阵列式贴附，并对应变片进行常温标校。低温赋形工艺采用在低温环境下静力压实的方式，为保证样本沿纵深方向密度的均一性，压实过程需逐层添加，逐层压实。

(5)低温传感预置

将占位螺栓拔出，在相应位置阵列钻孔布置传感器，传感器穿过空心螺栓插入传感器孔，缠绕生料带，拧紧螺栓。

(6)低温应力时效

低温赋形后继续保持低温环境，利用应力时效施加装置随对样本进行围压施加，并对相应的压力、温度数据进行采集。应力时效过程需对样本进行围压保持24h。

本发明主要需要从水分均一性、缺陷控制等方面提出了样本制备的控制点。根据各个工艺环节，规划了每个环节所需的工艺流程及方法。为后续样本采样提供条件，均一的冰壤混合样本制备流程主要分为第一次制备和第二次制备两个大部分内容，其中第一次制备的结果为冰粒与干壤充分混合后的冰混壤样本，二次制备的结果为第一次制备后的样本经过外力的分层压实及应力时效被赋予强度及密实度的样本。

本发明设计的原则是从大批量工程试验角度出发，以满足工程试验所需的样本条件为目标，以往剖面样本水冰在冻结过程中，样本边界的冻结速率会强于样本内部，致使样本的边界温度会低于样本中心，由于水分冷端迁移的原理，样本内部水分会向周围迁移，致使样本边界含水率高于样本中心，整个样本含水率不均一，不同含水率的样本强度、硬度也各不相同，致使后期试验在样本钻进过程中所受应力大小、钻进功率及每钻含水率无法统一，变量无法得到控制，致使后期得到钻进试验数据无任何参考意义。

本发明中的冰壤混合的极区含水模拟月壤制备方法为满足整个样本的水分均一性，设计了剖面样本制备的工艺流程及方法，并且制备方便，含水率可控，含水率的可测性也较好，且相比于其他模拟月壤水冰制备方法来说，周期短，工艺简单，成本较低，可满足后续工程试验中对剖面样本各采样点变量的可控性。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。