张维东, 汪愿, 宋鹏飞, 王亚坤, 刘倩倩, 王旭昊

2024, 43(7): 2317-2334.

摘要 ( 16 )

PDF (10853KB) ( 7 )

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高寒区混凝土结构在实际服役过程中不仅受到车辆荷载的作用,同时还受到盐蚀和冻融等环境因素的作用。在荷载、盐蚀及冻融等多场耦合的作用下,高寒区混凝土的劣化涉及到化学、物理和力学等多种作用的交互影响。氯盐与混凝土之间发生复杂的化学反应生成膨胀性复盐,导致混凝土内部体积膨胀,产生化学损伤。与此同时,冻融循环和动态荷载会造成混凝土物理损伤,在化学损伤和物理损伤的耦合作用下混凝土会迅速劣化。本文综述了盐蚀、冻融循环和动态荷载多场耦合对混凝土性能影响的研究现状,并总结了本领域最先进的材料无损表征技术和建模手段,从宏、细、微观多尺度建立兼具物理、化学损伤特性参数的预测模型,形成混凝土在多场耦合下的损伤劣化机制和劣化行为预测模型,最后提出了目前研究的不足之处。

铁铝酸盐、硫铝酸盐和硅酸盐水泥的水化进程对比研究

李红轩, 齐冬有, 邹德麟, 王剑锋, 汪智勇, 郝禄禄, 王亚丽, 张钰, 刘洪印

2024, 43(7): 2335-2345.

摘要 ( 15 )

PDF (12676KB) ( 12 )

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铁铝酸盐水泥具有节能、利废、减排优良的工艺性能和环境友好的特点,目前已逐渐引起了国内外学者的研究兴趣。本文通过水化热、XRD、TG-DTG、孔结构分析、SEM等测试手段对比了铁铝酸盐水泥(FAC)、硫铝酸盐水泥(SAC)和硅酸盐水泥(PC)三类不同水泥体系水化过程,分析了三种水泥水化产物和水化机理。结果表明:FAC的1 d强度相比于PC提高了130%,28 d强度超过SAC。FAC和SAC水化放热主要集中在1 d之内,且FAC熟料中的铁相能缩短加速期时间,促进钙矾石的生成。相较于PC和SAC,FAC水化产物不仅含有钙矾石、水化硅酸钙凝胶和铝胶,还含有铁钙矾石和铁胶,其总孔隙率较低,水泥石结构更加致密,强度和耐久性进一步提高。

定向钢纤维水泥基复合材料的含砂率及定向时程影响规律

陈卓异, 寇子豪, 熊永明, 易宏健, 曹先慧

2024, 43(7): 2346-2354.

摘要 ( 13 )

PDF (16506KB) ( 6 )

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为研究钢纤维水泥基复合材料中钢纤维定向分布规律,考虑定向时程和含砂率两种因素,基于团队自主研发的钢纤维定向设备,制作32个试件。在恒定磁场下,系统地开展了梯度定向时程与含砂率钢纤维定向试验,利用COMSOL有限元模拟定向试验磁场分布情况,通过CT-X射线扫描技术获取不同试件的截面图像,计算钢纤维的方向系数,讨论钢纤维受梯度定向时程与含砂率影响下的定向规律。研究结果表明:随着定向时程的增加,在相同含砂率条件下,钢纤维的方向系数在初始阶段迅速提升,然后逐渐减缓,最终趋于稳定;在相同定向时程下,含砂率过高或过低都会对钢纤维的定向效率产生不利影响,控制含砂率在40%左右时可以获得相对理想的钢纤维定向效果。

硅烷偶联剂改性聚丙烯纤维水泥基复合材料的性能研究

孙嘉琦, 刘曦, 王传林, 苏芝棋, 鲁鑫, 麦靖敏

2024, 43(7): 2355-2362.

摘要 ( 10 )

PDF (5804KB) ( 3 )

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本文使用不同类型(KH550和KH560)和不同浓度(0.5%、1.0%、1.5%和2.0%,质量分数)的SCA对聚丙烯纤维(PPF)进行表面改性,通过无侧限抗压强度试验和抗折试验,研究了SCA改性聚丙烯纤维水泥基复合材料的承压能力,并使用扫描电子显微镜对改性后的聚丙烯纤维水泥基复合材料进行了微观表征。结果表明:KH560改性聚丙烯纤维对水泥基复合材料的流动度影响较大,KH550次之;整体上,SCA浓度越接近1.5%,对聚丙烯纤维水泥基复合材料流动度的影响越大;随着KH550浓度增大,水泥基复合材料孔隙率总体呈降低趋势,随着KH560浓度增大,水泥基复合材料孔隙率呈先下降后上升的趋势,并且浓度为1.5%时孔隙率最小;两种SCA均提高了PPF表面的粗糙度,并能在PPF-SCA-基体界面实现化学键连接;两种SCA对聚丙烯纤维水泥基复合材料抗折强度的影响较小,但能有效提高抗压强度。总体而言,KH550改性效果优于KH560。

玄武岩织物-钢-PVA工程水泥基复合材料单轴受压力学性能研究

车佳玲, 吴杰, 谷家威, 黄宇, 刘海峰

2024, 43(7): 2363-2371.

摘要 ( 13 )

PDF (5993KB) ( 4 )

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本文研究了玄武岩织物和混杂短切纤维(钢纤维及PVA纤维,短切纤维总体积掺量为2%)复合作用对玄武岩织物-钢-PVA工程水泥基复合材料(BTR-HyECC)单轴受压力学性能的影响,并通过圆柱体单轴受压试验测得各试件受压性能指标,并绘制出应力-应变曲线。结果表明:当钢纤维掺量为0%(体积分数,下同)时,随着玄武岩织物的加入,试件的抗压强度、峰值应变以及抗压韧性显著提高;当钢纤维掺量增加到1%时,试件抗压强度和弹性模量达到最大;当钢纤维掺量为1.5%时,试件变形能力和抗压韧性达到最佳。基于试验数据,建立了适用于BTR-HyECC的单轴受压本构方程,拟合曲线与试验曲线吻合较好。

低温环境下含石灰石粉水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性能研究

李雪峰

2024, 43(7): 2372-2382.

摘要 ( 13 )

PDF (17357KB) ( 5 )

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为提升低温硫酸盐环境下含石灰石粉水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性能,采用脉冲电场加速硫酸盐侵蚀,通过观测试件外观形貌变化及利用XRD和FT-IR测定腐蚀物微观组分,对掺不同矿物掺合料的含石灰石粉水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性能及机理开展研究。结果表明:掺加矿物掺合料可在不同程度上改善含石灰石粉水泥基材料的低温抗硫酸盐侵蚀性能,且复掺较单掺时的整体侵蚀抑制效果更加显著,但需满足矿物掺合料的最低掺量要求;建议单掺时水泥基材料中粉煤灰或矿粉的质量占比应分别不低于30%和50%,复掺时粉煤灰与矿粉的质量占比为50%~70%,且二者质量比以1.0∶1.5~1.0∶2.5为宜。此外,含石灰石粉水泥基材料在发生碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀(TSA)过程中,碳硫硅钙石衍射峰主要由钙矾石衍射峰右移后形成,表明其生成以钙矾石转化为主。因此,有效抑制钙矾石的生成是抑制含石灰石粉水泥基材料发生TSA的重点。

水泥乳化沥青砂浆微观结构演变规律研究

金珊珊, 杨媛, 徐增淼, 张扬, 李响, 杨柯楠, 湛伟男

2024, 43(7): 2383-2392.

摘要 ( 9 )

PDF (19525KB) ( 3 )

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通过EDS、SEM、NMR等试验方法,从微观形貌、水化产物、元素分布、孔隙特征等多角度对多模态数据进行深度融合分析,定性与定量地研究了水泥乳化沥青(CA)砂浆微观结构随沥灰比(A/C)和龄期的演变规律。结果表明,随着A/C增大,CA砂浆由以水泥水化产物为连续相、沥青为分散相的空间结构,转变为以沥青为连续相、水泥水化产物为分散相的疏松多孔空间结构。水泥颗粒和水化产物被沥青裹覆,严重影响了孔隙结构的发育,总孔隙率、最可几孔径逐渐增大,凝胶孔、过渡孔数量减少,大孔数量增多。随着龄期增加,水泥水化产物增多,原本较大的孔隙被分隔为较小孔隙,总孔隙率降低,大孔及毛细孔数量减少,凝胶孔及过渡孔增多,孔隙结构逐渐密实。

纳米二氧化硅负载丙烯酰胺型SAP内养护性能研究

吕阳, 范福龙, 吴远帅, 朱艳超, 张呈山, 李相国

2024, 43(7): 2393-2403.

摘要 ( 11 )

PDF (15555KB) ( 2 )

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设计制备了纳米二氧化硅(NS)负载丙烯酰胺型高吸水树脂(SAP),探究了不同NS负载量的SAP对砂浆自收缩、干燥收缩和力学性能的影响。结果表明,丙烯酰胺型SAP能够完全消除砂浆自收缩,而随着NS负载量增加,负载型SAP对自收缩的抑制作用降低,但仍保持在80%以上。SAP及额外水的引入增加了砂浆的干燥收缩,但随着NS负载量增加,负载型SAP对缓解干燥收缩有积极作用。SAP及额外水的引入降低了砂浆的力学性能,但随着NS负载量增加,负载型SAP显著改善了砂浆的力学性能。其中,负载50%(相对于丙烯酰胺的质量分数)NS的SAP对砂浆力学性能影响最小,试样在28 d龄期的抗压强度与抗折强度仅损失5.6%与2.2%。热重(TG)以及背散射扫描电子显微镜(BSE)结果表明,随着NS负载量增加,负载型SAP内养护试样的水化程度显著提高,微观结构明显改善。

轴压下含裂隙聚丙烯纤维混凝土裂纹扩展及损伤演化研究

汪学清, 李永超, 张雪瑞, 赵云猛, 姜雨枫

2024, 43(7): 2404-2414.

摘要 ( 8 )

PDF (14201KB) ( 2 )

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为研究聚丙烯纤维(PPF)掺量和预制裂隙角度对混凝土在受压作用下的裂纹扩展、破坏形式的影响,对含不同裂隙角度的素混凝土和聚丙烯纤维混凝土(PFRC)进行了单轴压缩试验,并采用声发射(AE)监测系统对其内部损伤过程进行了采集,分析了试件破坏形态和AE定位图,探究了PPF掺量、预制裂隙角度与应力-应变曲线、AE参数等指标之间的联系。研究表明,随着PPF掺量增加,试件产生裂纹的数量和扩展范围先减小后增大,峰值应力先增大后减小,其破坏形式由拉伸破坏转变为拉剪或剪切破坏,其中PPF的作用机理表现为当其掺量适宜的情况下可在基体内部起到较好的桥接作用,而当过量时则易成团出现,导致内部薄弱面增加,表明PPF对混凝土的增强效果存在正负两种影响;随着预制裂隙角度增大,峰值应力呈先下降后上升的趋势,其中倾斜非水平角度预制裂隙与高掺量PPF之间存在一定的协同效应,并发现几类对试件抗压强度和PPF掺量变化表现敏感的预制裂隙角度;最后分析AE数据发现PPF的掺入使AE定位图的定位点数量变多、分布变杂,AE信号从开始出现至到达峰值的活跃时间随PPF掺量增加而延长,表明PPF对混凝土起到了阻裂增韧的效果。

碳酸盐环境对隧道混凝土性能和微观特征的影响

李康, 高萌, 邹敏, 刘娟红, 谢永江

2024, 43(7): 2415-2426.

摘要 ( 10 )

PDF (13274KB) ( 3 )

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为探索喀斯特岩溶地区铁路混凝土隧道衬砌的侵蚀劣化情况,以普通硅酸盐水泥混凝土、硫铝酸盐水泥混凝土和喷射混凝土为研究对象,并模拟碳酸盐加速腐蚀环境。通过宏观性能测试和X射线衍射分析、傅里叶红外光谱分析、热重分析和扫描电子显微镜等微观测试方法,研究碳酸盐环境对不同种类隧道混凝土宏观性能和微观特征的影响。研究结果表明:混凝土的质量、相对动弹性模量和抗压强度随浸泡龄期的增长呈先增长后下降的趋势,浸泡180 d后开始下降,其中硫铝酸盐水泥混凝土浸泡360 d后的抗压强度低于初始值;侵蚀360 d后,样品原有水化产物中的晶体和凝胶数量急剧减少,并产生大量的碳酸钙;硫铝酸盐水泥混凝土样品中检测到了[Si(OH)₆]^2-八面体基团,证明有碳硫硅钙石生成,以钙矾石为主要水化产物的硫铝酸盐基混凝土受碳酸盐侵蚀影响更为明显。

轻质高强蒸压加气混凝土的制备及性能研究

李相国, 魏武, 何超, 蔡礼雄, 吕阳, 但建明

2024, 43(7): 2427-2433.

摘要 ( 8 )

PDF (14539KB) ( 3 )

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本文利用新疆地区粉煤灰和微硅粉等典型固废资源为原料,开展轻质高强蒸压加气混凝土制备技术研究,分析了原料配比、水料比和发气剂掺量对制品绝干密度和抗压强度的影响。结果表明,当m(粉煤灰)∶m(微硅粉)∶m(石英砂)∶m(生石灰)∶m(水泥)∶m(石膏)=30∶25∶10∶25∶8∶2、铝粉量为总物料质量的0.10%、水料比为0.58、蒸压温度为195 ℃、蒸压压力为 1.2 MPa、蒸压时间为8 h时,轻质高强蒸压加气混凝土的绝干密度为568.70 kg/m³,抗压强度为5.4 MPa,导热系数为0.140 W/(m·K),达到了A5.0、B06等级。

有机酸活化偏高岭土混凝土性能研究

李安, 王彦军, 张志杰, 范志宏

2024, 43(7): 2434-2440.

摘要 ( 13 )

PDF (5877KB) ( 4 )

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高岭土是自然界中常见的一种黏土矿物,是一种层状铝硅酸盐矿物。本文选用小分子草酸和柠檬酸复合有机酸对高岭土进行酸活化处理,然后通过高温煅烧与机械粉磨,制备一种有机酸活化偏高岭土;通过SEM和TEM分析有机酸活化方式对高岭土微观形貌的影响,研究有机酸活化偏高岭土对混凝土力学性能、干缩性能、电通量等宏观性能以及微观孔隙结构的影响。结果表明:有机酸活化使高岭土中部分Si和Al被溶出,层状结构棱角与层间遭到破坏,微观形貌变得相对毛糙,煅烧温度降低160 ℃,比表面积增大;有机酸活化偏高岭土通过增强混凝土致密性来提升混凝土综合性能,其中28 d抗压强度提升23.2%,28 d电通量降低51.8%,优于偏高岭土和硅灰。

含粗骨料超高性能混凝土静态稳定性研究

蒋健, 李传习, 邓帅, 司睹英胡, 杨赛

2024, 43(7): 2441-2450.

摘要 ( 8 )

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为改善含粗骨料超高性能混凝土(CA-UHPC)整体静态稳定性,采用图像技术分别研究了拌合物(未加纤维)流变参数、粗骨料掺量和粗骨料级配对不含纤维和含纤维CA-UHPC静态稳定性的影响规律。结果表明:粗骨料整体均匀性随粗骨料平均初始净距的减小而升高;当拌合物的屈服应力和塑性粘度较小时,纤维分布的均匀性会因纤维沉降而降低;纤维的加入降低了粗骨料的整体均匀性,同时粗骨料也会影响纤维的整体均匀性;对CA-UHPC体系而言,粗骨料平均初始净距的减小可以增加粗骨料分布稳定性,但过小的粗骨料平均初始净距会影响纤维的分布。因此,在粗骨料掺量一定时,可以通过适当调整粗骨料级配或砂率,在不影响粗骨料分布稳定性的前提下,提高纤维分布系数。

高温后混凝土单轴拉伸和压缩破坏规律及力学性能研究

赵燕茹, 陈强, 王磊, 蔚文豪

2024, 43(7): 2451-2460.

摘要 ( 10 )

PDF (16439KB) ( 2 )

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本文对常温及高温作用后的混凝土进行单轴拉伸和压缩试验,同时使用数字图像相关方法(DIC)观测混凝土试件表面的变形演化过程,探究高温后混凝土拉伸和压缩过程中裂缝的变形演化及力学性能衰减规律。结果表明,随着温度升高,混凝土表面裂缝的萌生和扩展时间逐渐提前,破坏时表面应变集中区的宽度及相应的应变数值逐渐增大,裂缝扩展程度更加显著,当温度达到800 ℃时,甚至呈多裂缝扩展形态。裂缝的显著扩展增加了混凝土的耗能,使高温损伤后混凝土的延性增加。比较高温后混凝土拉伸和压缩应变云图可知,裂缝开裂引起的应变集中区宽度相近,但压缩试件的应变数值略高于拉伸试件。裂缝的萌生和扩展影响混凝土的力学性能,随着温度升高,混凝土抗拉强度、抗压强度及弹性模量不断下降,峰值应力处的应变逐渐增加;拉伸应力应变曲线由双阶段逐渐转变为三阶段,破坏特征由脆性转变为延性;而压缩应力应变曲线始终为三阶段,与单轴拉伸相比,压缩破坏的延性特征更加明显。

钢-连续纤维复合筋珊瑚混凝土梁式拉拔粘结应力分布研究

王磊, 余涵, 章明明, 谷健, 卢家慧, 朱得祥

2024, 43(7): 2461-2469.

摘要 ( 10 )

PDF (11876KB) ( 2 )

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为探究钢-连续纤维复合筋(SFCB)在珊瑚混凝土中的粘结应力分布,使用梁式拉拔试验方法,对碳纤维增强复合材料(CFRP)筋和不同直径SFCB珊瑚混凝土进行拉拔,并采用光纤Bragg光栅(FBG)传感技术对筋材应力分布变化动态监测。研究结果表明:SFCB直径和钢芯直径均会影响荷载-滑移曲线形状;箍筋对筋材初始粘结刚度和SFCB纤维层加载端应变有明显提升;箍筋一定程度可以增强螺纹钢芯的粘结,对光圆钢芯粘结影响不大;SFCB屈服后的粘结应力分布与屈服前有明显差异,钢芯屈服后应力传递现象更明显;由于钢芯具有较高的弹性模量,在相同荷载下SFCB纤维层粘结段各处粘结应力均要大于CFRP筋。

早龄期钢纤维混凝土单轴压缩破坏前兆特征

潘晓凤, 曹建涛, 罗滔, 唐丽云

2024, 43(7): 2470-2478.

摘要 ( 8 )

PDF (9689KB) ( 2 )

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早龄期混凝土受水化、外荷载等影响,容易产生裂缝,影响结构耐久性,电阻率能较好地反映混凝土内部损伤程度。本研究开展了钢纤维混凝土(SFRC)和普通混凝土(NC)单轴压缩过程中的电阻率监测试验,研究了龄期对SFRC在单轴压缩过程中电阻率变化特性的影响,并在不同龄期对两种混凝土开展了波速测试试验。研究结果表明,龄期对SFRC在单轴压缩过程中的电阻率变化规律影响显著,28 d龄期内,电阻率变化规律依次以“L”型、“V”型和“U”型三种不同的简化模式呈现。试件临近破坏时,电阻率均有所增大,龄期1和3 d时,增长趋势较小,龄期7、14和28 d时,增长显著。电阻率信息反映了混凝土内部裂隙的萌生和发展,可将电阻率的缓慢增大阶段作为SFRC破坏的前兆信息。SFRC的强度和波速均高于NC,且随龄期增长呈增长趋势。

预置轻骨料混凝土中灌浆料与轻骨料的匹配机制研究

王映祥, 彭波, 王健涛, 刘云鹏

2024, 43(7): 2479-2489.

摘要 ( 14 )

PDF (3365KB) ( 4 )

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本文制备了不同强度等级(60、75、90、100、110、120 MPa)的轻质高强灌浆料,通过与不同类型、强度的轻骨料(高强球形粉煤灰陶粒、低强球形粉煤灰陶粒、碎石形页岩陶粒)复合,研究了预置轻骨料混凝土中灌浆料与轻骨料之间的匹配机制。结果表明,预置轻骨料混凝土强度与灌浆料强度存在分段线性关系,拟合曲线斜率可近似反映对灌浆料强度的利用效率。随着灌浆料强度等级提高,所配制混凝土对灌浆料强度的利用率下降。骨料的筒压强度与粒形也会影响灌浆料强度的利用率。由于嵌锁效应,碎石形页岩陶粒制备的轻骨料混凝土强度显著高于相近筒压强度球形粉煤灰骨料制备的混凝土。采用高强球形粉煤灰陶粒与碎石形页岩陶粒可分别制备出抗压强度为81.2 MPa、干表观密度为1 735 kg/m³与抗压强度为68.2 MPa、干表观密度为1 520 kg/m³的预置轻骨料混凝土。

机器学习模型评估裹浆改性再生骨料形态特征及分布规律

张嘉豪, 陈正发, 宋艳, 陈昭言

2024, 43(7): 2490-2502.

摘要 ( 11 )

PDF (13775KB) ( 2 )

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再生骨料(RA)的高吸水率、高压碎值、表面微裂纹及其不规则形态特征等缺陷限制了RA的再生利用。裹浆改性再生骨料(SRA)表面形成的壳膜结构不仅能够提高RA的力学性能,且对RA的形态特征有着显著影响。为了评估裹浆改性对RA形态特征的影响,本文采用粉煤灰基地聚物浆体对再生混凝土骨料(RCA)和再生砖骨料(RBA)进行裹浆改性,并通过图像处理技术分别获取并建立裹浆改性前后RCA和RBA两种常见RA的形态特征数据集。此外,文中还结合机器学习技术提取数据集中的关键信息,从而量化RA的形态特征。经过定量分析发现,与改性前相比,改性后的RA轴向系数、棱角度和球形度的分布范围均有不同程度的改善,其中裹浆改性对棱角度改善效果最为明显,裹浆改性再生混凝土骨料(SRCA)最大改善幅度达132.2%,裹浆改性再生砖骨料(SRBA)最大改善幅度达69.2%。

地质聚合物混凝土抗氯离子渗透性能研究进展

余金虎, 李强, 刘学应, 周曙光, 王超

2024, 43(7): 2503-2513.

摘要 ( 8 )

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地质聚合物混凝土是一种新型绿色建筑材料,氯离子传输是影响其服役寿命的关键因素。本文在介绍地质聚合物混凝土氯离子传输机理的基础上,归纳总结了地质聚合物混凝土抗氯离子渗透性能试验方法的特点和局限性, 介绍了地质聚合物混凝土抗氯离子渗透性能的影响因素,并对比了其与普通混凝土氯离子传输机理的区别。文章最后指出高温、冻融等单一因素影响下的地质聚合物混凝土氯离子传输模型、碱掺量和水玻璃模数对地质聚合物混凝土抗氯离子渗透性能的影响,以及氯离子的显色边界浓度的准确性等还有待进一步深入研究。

煤气化渣制备单一相Y分子筛研究

吕俊敏, 王正, 杨颖臻, 赵潇霞, 范素兵

2024, 43(7): 2514-2521.

摘要 ( 11 )

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煤气化渣是煤化工固体废弃物,含有大量的硅元素和铝元素,可以作为原料合成高附加值的Y分子筛材料,实现资源利用。以宁夏宁东煤气化渣为原料,采用酸碱预处理和导向剂诱导水热合成法,通过优化工艺条件,成功获得了具有八面体形貌、单一相的Y分子筛。详细考察了酸碱预处理条件、硅铝比、水硅比、晶化温度、晶化时间、导向剂含量等因素对合成样品晶相的影响,并采用XRD、XRF、SEM、FT-IR等技术对煤气化渣合成Y分子筛样品的性质进行了分析。通过优化工艺条件,水硅比降低到了20,晶化时间缩短到了24 h,合成的Y分子筛产品具有较好的结晶度和高的比表面积,比表面积达到538 m²/g,总孔体积达到0.350 cm³/g。

粉煤灰基沸石X的制备与邻二甲苯、CO₂和H₂的吸附应用

杨乐乐, 刘志远, 张亚龙, 张晓明, 程星星

2024, 43(7): 2522-2529.

摘要 ( 11 )

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本文通过探索碱熔活化条件,获得了最优的活化粉煤灰的条件(400 ℃,m(氢氧化钠)∶m(粉煤灰)=1∶2),并且在80 ℃下水热合成18 h获得了相对结晶度最高的粉煤灰基沸石X,通过XRD、FT-IR、SEM、BET等表征了粉煤灰基沸石X的物理特征。结果表明,合成沸石的相对比表面积达315.6 m²/g,平均孔径为8.53 nm,总孔容积为0.412 cm³/g。粉煤灰基沸石X展现了显著的邻二甲苯、二氧化碳和氢气吸附能力,分别为75.20 mg/g、2.45 mmol/g和0.22%(质量分数),且其吸附行为可以被Langmuir吸附等温线很好地拟合,属于单分子层吸附。本研究降低了粉煤灰沸石化过程中的能源消耗,并且所制备的粉煤灰基沸石X在能源和环境保护方面具有潜在的商用价值。

CFB灰渣混凝土的组成设计与应用研究

李卫红, 郭文斌, 郭向兵, 陈潇, 周明凯

2024, 43(7): 2530-2538.

摘要 ( 9 )

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随着循环流化床(CFB)锅炉清洁燃烧技术的大规模应用,所排放的CFB灰渣的处理成为亟待解决的问题。本文以碎石作粗集料、CFB炉渣作细集料以及CFB飞灰作矿物掺合料来制备CFB灰渣混凝土,探讨了CFB炉渣砂率、CFB飞灰掺量对CFB灰渣混凝土的工作性能与力学性能的影响,优化设计了CFB灰渣混凝土配合比,对比研究了CFB灰渣混凝土与机制砂混凝土抗Cl^-渗透性能、抗冻性和干燥收缩等耐久性能,并进行了CFB灰渣混凝土小型预制构件的工程应用。结果表明:随着CFB炉渣砂率的增加,CFB灰渣混凝土的抗压强度先增大后降低,随着CFB飞灰掺量的增加,CFB灰渣混凝土的坍落度逐渐降低,抗压强度先增大后降低,优化的最佳配合比为水泥280 kg/m³、CFB飞灰120 kg/m³、矿粉40 kg/m³、CFB炉渣620 kg/m³、碎石1 013 kg/m³、水223 kg/m³、减水剂8.8 kg/m³;相比于机制砂混凝土,CFB灰渣混凝土具有良好的抗Cl^-渗透性能、抗冻性和较小的干燥收缩,且采用CFB灰渣混凝土制备的小型预制构件在实际工程中具有更好的应用效果。

自燃煤矸石基地质聚合物低强度注浆材料的制备及其微观分析

吴求刚, 赵恒, 刘威, 王新富, 王彦君, 何建国, 章梅, 朱孛

2024, 43(7): 2539-2547.

摘要 ( 10 )

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以自燃煤矸石为原料,粉煤灰和低掺量复合硅酸盐水泥P·C 42.5为辅料,通过电石渣的激发作用制备了自燃煤矸石基地质聚合物低强度注浆材料并对其进行了微观分析。结果表明:在电石渣掺量(9.65%,质量分数)相同时,煤矸石、粉煤灰和水泥质量比设置为5∶3∶2或5∶2∶3时更有利于样品抗压强度发展,较质量比为7∶2∶1和7∶1∶2的样品,其样品体系地质聚合反应程度更高且55 d抗压强度可增加70%~86%;同时,与未添加脱硫石膏样品相比,添加20%(质量分数)脱硫石膏可以大幅提升样品养护全过程的抗压强度,55 d抗压强度可增加21%~50%;相关性、XRD、SEM及FTIR分析表明,样品主要水化产物为钙矾石、水化硅酸钙(C-S-H)凝胶体、水化硅铝酸钙(C-A-S-H)无定形凝胶体等,且样品抗压强度主要来源于地质聚合反应产生的C-A-S-H无定形凝胶体。

基于正交试验的锂渣基可控低强度材料配合比研究

刘瑞, 刘泽, 赵利杰, 张帅, 王栋民

2024, 43(7): 2548-2555.

摘要 ( 9 )

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本文以锂渣为主要原料,制备可控低强度材料(CLSM)。以单因素试验为基础,通过正交试验探索了水泥掺量、水胶比和减水剂掺量三个因素对锂渣基CLSM的抗折强度、抗压强度、流动度和泌水率的影响。研究表明,在大掺量锂渣的CLSM体系中,水胶比和减水剂掺量对材料流动性和泌水率具有显著影响,水泥掺量对泌水率几乎没有影响,提高水泥掺量会显著增加CLSM的抗压强度和抗折强度。对比各个因素对CLSM的影响,满足CLSM性能指标要求的胶凝材料适宜配合比为水泥掺量12%(质量分数,下同)、锂渣掺量88%、水胶比0.57、减水剂掺量0.20%。此时CLSM的流动度为231 mm,泌水率为1.49,28 d抗折强度可达1.74 MPa,28 d抗压强度为4.90 MPa,各项指标优良。

新型复合激发锂渣基固化剂加固软土试验研究

杨林, 杨建宇, 杨伟军

2024, 43(7): 2556-2564.

摘要 ( 10 )

PDF (6773KB) ( 2 )

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为提高固体废弃物锂渣的利用率,以锂渣作为原材料,选择生石灰作为外添加剂,同时添加碳酸钙和氢氧化钠作为复合激发剂,利用碱激发技术研制一种新型软土固化剂材料。采用正交试验研究该新型复合激发锂渣基固化剂的固化配合比,并探究试验中各因素对固化土抗压强度的影响,同时结合XRD及SEM揭示固化剂与软土之间的固化机理及微观结构的演化规律。结果表明,固化剂的最佳配合比为锂渣掺量73%(质量分数)、生石灰掺量18%(质量分数)、复合激发剂掺量9%(质量分数)、碳酸钙与氢氧化钠质量比1∶1。该配合比下固化土7和28 d无侧限抗压强度分别为1.32和2.35 MPa,水稳定性系数分别为0.80和0.87。在生石灰与复合激发剂的协同作用下,固化土中水化硅铝酸钙(C-A-S-H)和水化硅铝酸钠(N-A-S-H)等胶凝物质显著增多,土体结构致密度提高强度及水稳定性提高。

花岗岩尾矿砂制备砂浆的黏结性能研究

何娟, 刘双, 宋学锋, 徐单汉苏, 李萌萌

2024, 43(7): 2565-2576.

摘要 ( 10 )

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利用花岗岩尾矿砂(GTS)制备砂浆,研究了胶砂比、聚乙烯醇胶粉(PVAP)和聚乙烯醇纤维(PVAF)对砂浆黏结性能的影响规律,分析了砂浆破坏形式与拉伸黏结强度之间的关系,并通过SEM对其微观机理进行分析。结果表明,单掺聚乙烯醇胶粉或聚乙烯醇纤维对砂浆黏结性能均有提升,复掺聚乙烯醇胶粉和聚乙烯醇纤维时砂浆黏结性能最优。砂浆的胶砂比为1∶2,聚乙烯醇胶粉为0.9%(质量分数),聚乙烯醇纤维为1.5%(体积分数)时,黏结性能最优,28 d拉伸黏结强度最高可达1.75 MPa。砂浆破坏形式与拉伸黏结强度有关。未掺聚乙烯醇胶粉与聚乙烯醇纤维时破坏形式多为界面破坏,复掺聚乙烯醇胶粉与聚乙烯醇纤维时破坏形式多为基体破坏,单掺聚乙烯醇胶粉或聚乙烯醇纤维时破坏形式多为界面-基体破坏。

机械活化对碳酸钠激发矿渣胶凝材料早期性能的影响

胡凯伟, 陈轩, 李廷锋, 张俊杰, 高璇, 杨涛

2024, 43(7): 2577-2583.

摘要 ( 7 )

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针对碳酸钠激发矿渣胶凝材料凝结时间长、早期强度发展慢的问题,本文采用机械力活化手段处理粒化高炉矿渣来加速碱激发反应进程,研究磨细矿渣对胶凝材料凝结时间、强度发展、反应放热及产物组成的影响。结果表明:机械活化可加速矿渣中Ca²⁺、SiO₄和AlO^-₄等离子基团的溶解释放,以促进碳铝酸钙矿相产物的生成;Ca²⁺的加速溶出有助于消耗液相中的CO^2-₃,胶凝材料初终凝时间由23.6、30.5 h分别缩短至2.3和3.2 h;机械活化缩短了碱激发矿渣的诱导期,有效提高了碱激发反应程度,96 h内碱激发反应放热总量由41.30 J/g增至55.47 J/g;机械活化促进了水化铝硅酸钙凝胶相的生成,致密了胶凝材料孔结构,总孔隙率由30.49%降低至27.01%,粗毛细孔由17.69%降低至2.32%。硬化体28 d抗压强度高达36.58 MPa,相比基准组试样提升了230%。

硅灰及矿渣粉对大掺量粉煤灰砂浆力学性能的影响及机理研究

刘扬, 王家理, 罗冬, 袁和平, 鲁乃唯, 王柏文

2024, 43(7): 2584-2594.

摘要 ( 14 )

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以硅灰和矿渣粉(GGBS)为辅助胶凝材料,使用聚羧酸高性能减水剂,分别研究了硅灰和GGBS对大掺量粉煤灰砂浆抗压强度的影响。通过压汞测试(MIP)、扫描电子显微镜(SEM)以及X射线衍射(XRD)等方法对制备试件的孔结构、微观产物、物相组成进行分析,得到了硅灰和GGBS影响大掺量粉煤灰砂浆强度的机理。结果表明:单掺硅灰的大掺量粉煤灰砂浆的抗压强度随着硅灰含量增加先增大后减小,单掺GGBS的规律与硅灰类似;复掺硅灰和矿渣时,砂浆的强度较其他同龄期组均有一定的提高,二者表现出良好的协同作用;无论是单掺还是复掺,硅灰和GGBS都对大掺量粉煤灰砂浆强度有良好的提升作用。砂浆试件总孔隙率和大孔占比与抗压强度总体呈负相关,强度越高的砂浆试件微观结构越致密,但相比于总孔隙率,毛细孔和大孔占比表现出与抗压强度更好的相关性。当硅灰和GGBS质量分数分别为8%和6%时,砂浆28 d强度最大,为88.05 MPa。

淤泥和电石渣基新型轻质陶砖的制备

曹丹, 沈锭, 姚瞬雨, 丁之尧, 黄梓谕, 李梦琪, 黄慕洋, 包申旭

2024, 43(7): 2595-2601.

摘要 ( 9 )

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为了实现淤泥和电石渣的高效资源化利用,采用淤泥和电石渣为主要原料,以抗压强度为主要指标探明制备轻质陶砖的最优工艺。通过单因素实验探讨了原料配比、焙烧温度、保温时间对轻质陶砖抗压强度的影响,并得出了最佳实验条件。利用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)等分析手段,研究了制备轻质陶砖的反应过程及反应机理。结果表明:当淤泥含量为90%(质量分数)、电石渣含量为10%(质量分数)、焙烧温度为1 100 ℃、保温时间为40 min、升温速度为4 ℃/min时,制备的轻质陶砖性能最优,抗压强度可达25.94 MPa,同时兼顾轻质陶砖的低密度特性;埃洛石在升温过程中转化成石英,石英在高温条件下可以促进原料变成液相,这是产品得以致密化的原因。本研究为两种大宗固废的综合利用提供了新的思路,有利于减少固废堆存对环境的危害以及传统陶砖制备过程中对自然资源的依赖。

弱碱激发条件下磷渣-水泥复合填料路用性能试验研究

殷源, 林康, 曾卫新, 程树范

2024, 43(7): 2602-2611.

摘要 ( 9 )

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将磷渣固化后作为路基或路面基层填料是固体废弃物资源化利用的有效途径,具有广泛的经济效益和社会价值。本文通过室内和现场试验,从强度和水稳性的角度分析了磷渣-水泥复合填料的路用性能,并通过具体工程案例论证了本文固化方案的可行性。试验结果表明,弱碱激发(pH=8.0)条件下磷渣混合料在压实、固化后可作为路基填料使用,但固化体强度形成较为缓慢,7 d抗压强度约为28 d的50%。经固化后的磷渣-水泥复合填料具备了一定的耐水性,水泥熟料掺量大于7%(质量分数)时,浸泡60 d后未出现影响完整性的破坏,固化体试样的软化系数随着水泥掺量的增加而下降。在保证强度的基础上,固化剂(Na₂SiO₃)的使用可以减少水泥用量,提高磷渣固化方案的经济性;而过度碱激发(pH=10.0)虽然可以提高磷渣固化体的早期强度,但对28 d强度影响并不显著。现场的工程实践表明,本文提出的弱碱激发磷渣固化方法可以有效实现磷渣的资源化再利用,在公路路基和路面基层填筑工程中具有很强的可推广性。

可溶性磷对纸面石膏板板芯强度及纸芯粘结性能的影响

李翊, 王宏霞, 武发德, 于剑, 余海燕, 高春勇, 郭君华, 高瑞军

2024, 43(7): 2612-2619.

摘要 ( 8 )

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为了促进磷石膏在纸面石膏板中的高效资源化利用,本文采用X射线衍射、微量热分析、扫描电子显微镜等研究了可溶性磷、萘系减水剂(FDN)及改性淀粉(MS)等三者交互作用对纸面石膏板性能的影响。结果表明,在FDN存在下,可溶性磷会加剧对半水石膏的缓凝作用,小幅降低对石膏试样强度的不利影响。MS明显缩短石膏的水化进程,降低石膏试样的强度。在MS和FDN共存下,随着可溶性磷掺量的增加,石膏达到最高放热峰值的时间延长,水化放热峰值和2 h水化放热总量下降。0.50%(质量分数,下同)的可溶性磷可抵消部分MS对石膏的促凝作用,同时大幅降低石膏试样强度。在FDN存在下,可溶性磷使水化产物的长径比明显降低,晶体形貌呈不规则短柱状或块状,结晶接触点较少。在FDN和可溶性磷共存时,MS使水化产物出现细小块状和粗化板状。在0.4%FDN和0.2%MS掺量下,高于0.50%的可溶性磷会对纸面石膏板的纸芯粘结产生较为不利的影响。本研究中,为保障纸芯粘结性能为Ⅰ级,可溶性磷掺量不宜超过0.25%。

建筑陶瓷固废模拟热液蚀变反应低碳制备陶瓷砖

吴文新, 周正元, 夏光华, 宁高朋, 周彩玲

2024, 43(7): 2620-2629.

摘要 ( 14 )

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陶瓷通常需要在1 000 ℃以上烧结,导致陶瓷工业约有60%的能耗用于烧成工序,降低陶瓷的烧成温度对于陶瓷行业的节能减碳具有重要意义。本文以陶瓷固废为原料提出了一种在200 ℃下模拟热液蚀变反应低碳制备陶瓷的方法。本研究先对废陶瓷进行球磨预处理,得到亚微米级粉体,再通过模拟热液蚀变反应,以陶瓷固废粉体为原料制备出陶瓷砖。在最佳实验条件下:陶瓷固废球磨6 h,粉体含水率25%,以硅酸钾水溶液作为蚀变溶液,在200 ℃温度下反应36 h,得到样品的抗折强度为(32.1±4) MPa,满足陶瓷砖的应用要求。利用X射线衍射、傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜表征反应前后样品的物相组成、官能团结构和微观形貌,给出了可能的反应过程。确认在热液蚀变反应中产生了正长石和α-石英晶体,这两种晶体的生长有效地提高陶瓷砖的抗折强度。

干湿循环下稻草秸秆-聚乙烯醇增强粉质黏土强度特性与微观机理

汪锦东, 罗梦婷, 鹿庆蕊, 王秋哲, 李栋伟

2024, 43(7): 2630-2639.

摘要 ( 10 )

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工程建设中遇到黏土场地时往往需要用固化剂增强土体的力学性能,本文研究了干湿循环下稻草秸秆-聚乙烯醇(浓度分别为0%、0.5%、2.0%、3.0%、4.5%,质量分数)增强粉质黏土的力学特性,借助扫描电子显微镜试验和IPP软件进行了微观分析。结果表明,在不同干湿循环次数下,当聚乙烯醇浓度为2%时,聚乙烯醇(PVA)溶液填充孔隙,包裹土颗粒,土体力学性能最佳。

氧化石墨烯对天然水硬性石灰水化及力学性能的影响

张彪, 刘泓宇, 齐南, 王芬, 朱建锋, 李立, 马涛, 罗宏杰, 施佩

2024, 43(7): 2640-2648.

摘要 ( 8 )

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石质文物是一类重要的文化遗产,然而裂隙会导致其产生失稳、渗水、风化等病害,因此,开发一种合适的灌浆材料用于石质文物裂隙修复具有重要意义。本文将氧化石墨烯(GO)掺入天然水硬性石灰(NHL2)制备灌浆材料,采用SEM、TG、XRD和FT-IR等测试研究了GO掺量对NHL2水化进程及水化产物的影响,通过力学性能测试和模拟灌浆试验评价了该材料用于石质文物灌浆加固的可行性。结果表明:添加GO可加速NHL2的水化进程,促进规整致密的花状聚集态水化产物的形成;当GO掺量为0.05%(质量分数)时,试样的水化产物含量最多,力学性能最好,28 d抗压强度和抗折强度分别达2.83和 1.63 MPa,相比空白试样分别提高了19.91%和23.40%。此外,灌浆材料与砂岩之间具有优异的黏结强度,两者界面结合紧密,兼容性良好。本研究为石质文物的裂隙灌浆加固提供了参考。

高导热氮化硅陶瓷基板影响因素研究现状

朱允瑞, 贺云鹏, 杨鑑, 周国相, 林坤鹏, 张砚召, 杨治华, 贾德昌, 周玉

2024, 43(7): 2649-2660.

摘要 ( 13 )

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电子电力技术的高度集成化对承载电子元器件的脆性陶瓷基板提出了更高的散热和强度要求。氮化硅陶瓷兼备优异的本征热导率和力学性能,在大功率半导体器件封装领域有广阔的发展前景。然而,目前商业及实验中可实现的氮化硅热导率远低于其本征热导率,如何在保证氮化硅优异力学性能的基础上提高热导率仍然是一个难题。本文概述了高热导氮化硅的发展近况,着重论述氮化硅实际热导率的影响因素和提高方法。同时对比了几种氮化硅烧结工艺的优劣情况,并简要介绍目前主流商业化的氮化硅陶瓷基板成型工艺,最后对氮化硅陶瓷基板发展方向作出展望。

增材制造SiC陶瓷反射镜的研究进展

李伟, 张舸, 崔聪聪, 包建勋, 郭聪慧

2024, 43(7): 2661-2671.

摘要 ( 12 )

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碳化硅陶瓷具有优异的力学性能和良好的热学性能,是制备空间光学反射镜的理想材料之一。传统成型技术制备的SiC陶瓷反射镜普遍存在轻量化程度低、制备周期长等问题,难以满足空间光学系统的发展需求。当前,增材制造技术展现了其在低成本、短周期制备超轻型反射镜方面的巨大潜力。本文首先对常见的反射镜材料特性进行了对比;然后,综述了SiC陶瓷反射镜增材制造成型技术的研究进展,并详细论述了SiC陶瓷反射镜制备过程的组分设计、制备工艺、致密化方法等,总结了增材制造技术制备SiC陶瓷反射镜的技术路线;最后,对SiC陶瓷反射镜增材制造制备技术的未来发展提出展望。

原料组成对多微孔方镁石-镁铁铝复合尖晶石陶瓷显微结构与性能的影响

陈茜琳, 鄢文, 王晓, 李亚伟

2024, 43(7): 2672-2679.

摘要 ( 11 )

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利用原位分解合成法,以轻烧MgO、Fe₂O₃和Al(OH)₃为原料,成功制备了多微孔方镁石-镁铁铝复合尖晶石陶瓷,并研究原料组成对其显微结构与性能的影响。研究结果表明:当理论镁铁铝复合尖晶石含量为0%(质量分数,下同)时,试样中颈部连接形成较少,耐压强度较低;当理论镁铁铝复合尖晶石含量为4%~16%时,试样中生成的液相量增多,物质运输速率加大,形成的颈部连接较多,耐压强度较高;当理论镁铁铝复合尖晶石含量为24%时,试样中镁铁铝复合尖晶石生成带来的体积膨胀增多,增大颗粒间距,颈部连接的形成减少,试样的耐压强度减小。同时,当理论镁铁铝复合尖晶石含量为12%~16%时,多微孔方镁石-镁铁铝复合尖晶石陶瓷具有较高的显气孔率(22.3%~24.6%)、较低的体积密度(2.75~2.80 g/cm³)和较高的耐压强度(100.6~123.1 MPa)。

碳热还原氮化硅藻土制备Si₂N₂O/SiC复合粉体

万赣, 匡猛, 黄思源, 张琎珺, 王平, 张声洲

2024, 43(7): 2680-2684.

摘要 ( 8 )

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氧氮化硅(Si₂N₂O)是性能优良的耐火材料和高温结构材料,具有优异的抗蠕变性、耐腐蚀性和抗氧化性等优点。本工作利用硅藻土作为硅源,乙炔炭黑作为还原剂,通过碳热还原氮化法在硅藻土表面原位合成Si₂N₂O/SiC复合粉体。采用X射线衍射(XRD)分析、扫描电子显微镜(SEM)和N₂吸附/脱附等温线对样品进行表征。结果表明,在原料配比m(硅藻土)∶m(乙炔炭黑)=1∶1条件下,1 450 ℃煅烧4 h后,SiO₂完全转变成Si₂N₂O和β-SiC物相,样品整体呈球状形貌,大颗粒周围分布大量片层状小颗粒,并存在介孔结构。Si₂N₂O/SiC复合粉体作为性能优良的高温结构材料,有望在结构复合材料中得到广泛的应用。

新型水泥基电池的制备与电化学性能研究

夏冬林, 王亚杰, 蒋洋

2024, 43(7): 2685-2696.

摘要 ( 11 )

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新型水泥基电池作为一种建筑储能装置,具有成本低、环境友好和可充电性等优点而受到国内外科研工作者的广泛关注。本文将不同导电填料与正、负极活性物质混合研磨,然后经真空干燥处理制成新型水泥基可充电电池的电极,研究了不同导电填料和用量对可充电水泥基电池电化学性能的影响。结果表明:在正、负极活性物质中掺入质量分数为25%的炭黑导电填料的水泥基电池的容量达到12.5 mAh,能量密度为1.575 Wh/m²,放电寿命超过了3.3 h,其电化学性能优于相同质量分数的石墨和石墨烯导电填料水泥基电池。

AgCl/Ag复合粉体材料的制备及机理

杨华键, 赵远云

2024, 43(7): 2697-2705.

摘要 ( 8 )

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采用超声辅助脱合金法,以Ca-Mg-Cu-Ag非晶条带为前驱体,Cu-Ag纳米多孔材料为中间产物,不同溶剂组成的盐酸溶液为反应液,制备出不同形貌的AgCl粉体材料,利用SEM、XRD等检测手段对样品的形貌、结构、成分等进行了表征分析,揭示了AgCl/Ag复合粉体材料在不同反应液中的形成过程及机理。研究表明:在超声辅助作用下,当以盐酸乙醇溶液为反应液时,改变浓盐酸溶液与乙醇溶剂的体积比后Cu-Ag纳米多孔材料可以完全溶解于该溶液中并重新析出不同形貌的AgCl粉体材料;而以盐酸水溶液为反应液时,改变盐酸水溶液与蒸馏水溶液的体积比后Cu-Ag纳米多孔材料只能直接转变为近球形的AgCl粉体材料,且不能溶解于盐酸水溶液中再重新析出。在超声与盐酸乙醇溶液的共同作用下,Cu-Ag纳米多孔材料存在一种新颖的AgCl“生成-溶解-再析出”机制,可以精准地控制再析出AgCl晶体的形貌和尺寸。

无机非金属材料工程专业人才培养改革与探索

饶美娟, 刘志超, 蹇守卫

2024, 43(7): 2706-2710.

摘要 ( 8 )

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根据国家战略需求和行业发展趋势,依托材料学科优势和优质科研教学资源,武汉理工大学无机非金属材料工程专业明确以“传统无机非金属材料转型升级+无机非金属新材料”为专业发展方向,创新科研型与工程应用型并行人才培养模式,建设专业特色发展方向教学科研团队,开展课程体系教学改革与创新,形成专业基础扎实、科研/工程应用能力突出的人才培养体系,培养出的毕业生在无机非金属材料领域具有显著行业竞争力,服务于无机非金属材料行业发展。

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