技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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
[0005] 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，[0006] 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；。
[0007] 所述水泥胶结剂为82.5级超高强
硫酸盐水泥。
[0008] 所述磁粉掺量为
纳米级四
氧化三
铁软磁磁粉。
[0009] 所述添加剂为氯化物系水泥早强剂。
[0010] 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：
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] 3)加入添加剂，继续搅拌直至均匀；
[0014] 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；
[0015] 5)将搅拌均匀的混合物分5等份逐层倒入模具中，并且每倒入一层混合物后，均要振动模具10分钟，完全排除气泡，然后继续倒入下一层混合物；
[0016] 6)浇模完成后，磨平试
块表面，在恒温恒湿环境静置12个小时；
[0017] 7)脱除试块模具，定时喷水汽养护28天，每隔五小时喷一次水汽，以试样表面完全湿润但不形成水流为标准；
[0018] 8)28天养护结束后，将试块置于
通风干燥环境，静置5天；
[0019] 9)根据设定的颗粒粒径范围，将试块逐步敲碎为细粒，并且筛分取得不同粒径范围的颗粒；
[0020] 10)根据目标颗粒级配，对不同粒径的颗粒进行混合，即可得到磁敏性模拟星壤土。
[0021] 有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明能够模拟原位星壤土的以下物理力学特征：1)散粒特征；2)细粒特征；3)粒间弱引力特征。同时，本发明公开的磁敏性模拟星壤土具备有磁敏性特征，能够配合特定的外部
磁场环境模拟非常规重力场。主要优点：
[0022] 1)本发明的磁敏性模拟星壤土为散粒材料，其粒径在0.1-100mm可调。可根据所模拟的原位星壤对其颗粒级配进行组合和调整，以得到目标颗粒级配；
[0023] 2)本发明的磁敏性模拟星壤土在经过饱和磁化以后，具有与颗粒间距成反比的粒间弱引力，其值在0.1-3kPa之间可调，能够较好地模拟原位星壤土的粒间弱引力特征；
[0024] 3)本发明的磁敏性模拟星壤土具有磁敏性特征，能够配合特定的外部磁场环境模拟非常规重力场环境，重力场的大小0-10g可调，解决了模拟原位重力场的难题；
[0025] 4)本发明的磁敏性模拟星壤土原材料来源广泛、成本低廉、无毒无害、不污染环境。
[0026] 所述的粒间弱引力由磁敏性模拟星壤土的比饱和磁化强度和孔隙率决定，可以通过调整制备时的水泥胶结料与磁性掺料的质量比、制备物理模型时的空隙比来实现调控的目的。
[0027] 所述的非常规重力场的强度由磁敏性模拟星壤土的比饱和磁化强度和外加磁场的梯度值决定，可以通过制备时的水泥胶结料与磁性掺料的质量比、制备物理模型后施加的外部
磁场梯度值来实现调控的目的。
附图说明：
[0028] 图1为本发明实施实例1所配制的粒径在0.25-0.50mm均匀分布的磁敏性模拟星壤土。
[0029] 图2为本发明实施实例2所配制的粒径在1.00-2.00mm线性递减分布的磁敏性模拟星壤土。
[0030] 图3为本发明实施实例1所配制的磁敏性模拟星壤土的磁化强度-磁场强度特性曲线。
[0031] 图4为本发明实施实例1所配制的磁敏性模拟星壤土的磁重力相似常数-磁场梯度特性曲线。
[0032] 图5为本发明实施实例1所配制的磁敏性模拟星壤土的粒间弱引力-孔隙率特性曲线。
具体实施方式
[0033] 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：磁性掺料100-300份，水泥胶结料100份，添加剂5份，去离子水40-60份；
[0034] 所述的水泥胶结料为82.5级超高强
硫酸盐水泥；
[0035] 所述的磁性掺料为纳米级四氧化三铁软磁磁粉；
[0036] 所述的添加剂为氯化物系水泥早强剂。
[0037] 实施上述磁敏性模拟星壤土的制备方法是：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：
[0038] 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；
[0039] 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；
[0040] 3)在混合物中加入添加剂，继续搅拌直至均匀；
[0041] 4)将去离子水均匀分为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；
[0042] 5)将搅拌均匀的混合物分5等份逐层倒入模具中，每倒入一层混合物后，振动模具10分钟，完全排除气泡，然后继续倒入下一层混合物；
[0043] 6)浇模完成后，磨平试块表面，在恒温恒湿环境中静置12个小时；
[0044] 7)脱除试块模具，定时喷水汽养护28天，每隔五小时喷一次水汽，以试块表面完全湿润但不形成水流为标准；
[0045] 8)28天养护结束后，将试块置于通风干燥环境，静置5天；
[0046] 9)根据设定的颗粒粒径范围，将试块逐步敲碎为细粒，筛分取得不同粒径范围的颗粒；
[0047] 10)根据目标颗粒级配，对不同粒径的颗粒进行混合，即得到所述的磁敏性模拟星壤土。
[0048]
实施例1、配制粒径范围在0.25-0.50mm均匀分布的磁敏性模拟星壤土。
[0049] 1)按质量比称取水泥胶结料100份，磁性掺料300份，添加剂5份，去离子水50份；
[0050] 2)在清理干净并且干燥的容器中加入水泥胶结料100份和磁性掺料300份，搅拌至二者混合均匀；
[0051] 3)加入添加剂5份，继续搅拌至均匀；
[0052] 4)将50份去离子水分5次加入，每次加入10份，加完后搅拌混合物至均匀，然后继续加入下10份去离子水，搅拌，直至加完所有50份去离子水，继续搅拌20分钟；
[0053] 5)将搅拌均匀的混合物共计455份等分为5次逐次倒入模具中，每次倒入91份，倒完后振动10分钟待所有气泡排除后，继续倒入下一层，振动，直至添加完所有455份混合物；
[0054] 6)浇膜完成后，磨平试块表面，在恒温恒湿环境静置12个小时；
[0055] 7)脱除试块模具，定时喷水汽养护28天，每隔五小时喷一次水汽，以试样表面完全湿润但不形成水流为标准；
[0056] 8)28天养护结束后，将试块置于通风干燥环境，静置5天；
[0057] 9)将试块敲碎为细粒，并依次过0.60mm、0.50mm、0.40mm、0.30mm、0.25mm、0.20mm、0.15mm、0.10mm的筛子，封装保存各级颗粒并通过标签标注粒径范围；
[0058] 10)取粒径范围分别为0.25-0.30mm、0.30-0.40mm、0.40-0.50mm的颗粒，通过质量比1:2:2的比例混合，即可得到粒径范围在0.25-0.50mm间均匀分布的磁敏性模拟星壤土。
[0059] 所述水泥胶结剂为82.5级超高强硫酸盐水泥。
[0060] 所述磁粉掺量为纳米级四氧化三铁软磁磁粉。
[0061] 所述添加剂为氯化物系水泥早强剂。
[0062] 图1给出了制备得到的粒径范围在0.25-0.50mm间均匀分布的磁敏性模拟星壤土实物照片。
[0063] 对制备得到的磁敏性模拟星壤土进行磁化特征测试，得到了如图3所示的磁化强度-磁场强度特征曲线。
[0064] 对制备得到的磁敏性模拟星壤土进行磁重力特征测试，得到了如图4所示的磁重力相似常数-磁场梯度特征曲线。
[0065] 对制备得到的磁敏性模拟星壤土进行粒间弱引力测试，得到了如图5所示的粒间弱引力-孔隙率特征曲线。
[0066] 实施例2、配制粒径范围1.00-2.00mm间线性递减分布的磁敏性模拟星壤土。
[0067] 1)按质量比称取水泥胶结料100份，磁性掺料200份，添加剂5份，去离子水60份；
[0068] 2)在清理干净并且干燥的容器中加入水泥胶结料100份和磁性掺料200份，搅拌至二者混合均匀；
[0069] 3)加入添加剂5份，继续搅拌至均匀；
[0070] 4)将60份去离子水分5次加入，每次加入12份，加完后搅拌混合物至均匀，然后继续加入下10份去离子水，搅拌，直至加完所有60份去离子水，继续搅拌20分钟；
[0071] 5)将搅拌均匀的混合物共计365份等分为5等份逐次倒入模具中，每次倒入73份，倒完后振动10分钟待所有气泡排除后，继续倒入下一层，振动，直至添加完所有365份混合物；
[0072] 6)浇膜完成后，磨平试块表面，在恒温恒湿环境静置12个小时；
[0073] 7)脱除试块模具，定时喷水汽养护28天，每隔五小时喷一次水汽，以试样表面完全湿润但不形成水流为标准；
[0074] 8)28天养护结束后，将试块置于通风干燥环境，静置5天；
[0075] 9)将试块敲碎为细粒，并依次过2.00mm、1.80mm、1.60mm、1.40mm、1.20mm、1.00mm、0.80mm的筛子，封装保存各级颗粒并通过标签标注粒径范围；
[0076] 10)取粒径范围分别为2.00-1.80mm、1.80-1.60mm、1.60-1.40mm、1.40-1.20mm、1.20-1.00mm范围的颗粒，通过质量比1:2:3:4:5的比例混合，即可得到粒径范围在1.00-
2.00mm间线性递减分布的磁敏性模拟星壤土。
[0077] 图2给出了制备得到的粒径在1.00-2.00mm间线性递减分布的磁敏性模拟星壤土实物照片。
[0078] 实施例3、配制粒径在0.50mm-1.00mm之间线性分布的磁敏性模拟星壤土。
[0079] 1)按质量比称取水泥胶结料100份，磁性掺料200份，添加剂5份，去离子水60份；
[0080] 2)在清理干净并且干燥的容器中加入水泥胶结料100份和磁性掺料200份，搅拌至二者混合均匀；
[0081] 3)加入添加剂5份，继续搅拌至均匀；
[0082] 4)将60份去离子水分5次加入，每次加入12份，加完后搅拌混合物至均匀，然后继续加入下10份去离子水，搅拌，直至加完所有60份去离子水，继续搅拌20分钟；
[0083] 5)将搅拌均匀的混合物共计365份等分为5等份逐次倒入模具中，每次倒入73份，倒完后振动10分钟待所有气泡排除后，继续倒入下一层，振动，直至添加完所有365份混合物；
[0084] 6)浇膜完成后，磨平试块表面，在恒温恒湿环境静置12个小时；
[0085] 7)脱除试块模具，定时喷水汽养护28天，每隔五小时喷一次水汽，以试样表面完全湿润但不形成水流为标准；
[0086] 8)28天养护结束后，将试块置于通风干燥环境，静置5天；
[0087] 9)将试块敲碎为细粒，并依次过0.50mm、0.60mm、0.70mm、0.80mm、0.90mm、1.00mm的筛子，封装保存各级颗粒并通过标签标注粒径范围；
[0088] 10)取粒径范围分别为0.50-0.60mm、0.60-0.70mm、0.70-0.80mm、0.80-0.90mm、0.90-1.00mm范围的颗粒，通过质量比1:1:1:1:1的比例混合，即可得到粒径范围在0.50-
1.00mm间线性分布的磁敏性模拟星壤土。
