超硫酸盐水泥是一种绿色、低碳胶凝材料,具有低能耗、低水化热以及高抗化学侵蚀性能等优点。本文主要介绍了超硫酸盐水泥的组分、早期水化特性、力学性能和耐化学侵蚀特性等。通过与硅酸盐水泥基材料对比,重点评述了超硫酸盐水泥基材料的耐化学侵蚀劣化特性,包括溶出性侵蚀、一般酸性侵蚀和硫酸盐侵蚀,在此基础上进一步总结了超硫酸盐水泥基材料的侵蚀劣化机理,为超硫酸盐水泥基材料在不同环境中的工程应用提供理论指导。

水泥基材料作为建筑和工程领域的重要建筑材料,在长期应用过程中面临着诸多挑战,例如易开裂和易被溶液渗透等问题。为了解决传统水泥基材料高脆性和易开裂的问题,聚丙烯酰胺(PAM)改性技术成为备受关注的解决方案。本文系统地总结了PAM改性水泥基材料的研究进展,包括PAM的结构与性质、合成单体与方法及其在水泥基材料中的应用等;探讨了PAM对水泥基材料的影响,包括力学性能、耐久性、渗透性以及对微观结构的调控作用,并总结了PAM改性机理;强调了PAM改性水泥基材料的重要性和潜在价值。然而,目前仍需克服一些挑战,进一步加强研究和探索。为此未来的研究方向应致力于优化PAM改性技术和拓展应用领域等。综上所述,PAM改性水泥基材料具有重要的研究价值和应用前景,值得进一步深入探讨。

超高性能混凝土(UHPC)作为一种先进的水泥基复合材料,因具有优异的力学性能,在高寒、高盐碱、海洋等特殊环境或大跨度及特殊强度要求的建筑结构中被广泛应用。针对UHPC的力学性能及改良调控方法,本文从设计理论与制备方法、力学性能机理与表征、影响因素与调控手段等角度出发,详细分析介绍了UHPC在力学性能及改良方面取得的最新研究成果,对UHPC的配合比、养护制度、工作环境等影响因素进行系统分析总结,深入探讨了影响UHPC力学性能的关键因素,并针对UHPC的制备方法、耐久性研究以及相关的技术规范体系进行展望,以期能促进其在工程实践中的研发与推广应用。

本研究旨在探究群青蓝颜料对白色硅酸盐水泥物理力学性能、水化特征以及着色效果的影响。用2%、4%和6%的群青蓝颜料等质量取代白色硅酸盐水泥,在水胶比为0.45的基础上,测试复合胶凝体系的流动度、凝结时间以及抗压强度,采用电阻率和热分析方法(TG/DTG)并结合XRD对复合胶凝体系的水化速率和产物进行了研究,采用CIELAB色彩空间对群青蓝颜料的着色效果进行评价。结果表明,随着群青蓝颜料掺量的增大,白色硅酸盐水泥浆体的流动度逐渐降低,凝结时间逐渐缩短。且随着群青蓝颜料掺量的增加而不断减少。掺入群青蓝颜料增大了白色硅酸盐水泥浆体3 d的电阻率,加快了水泥水化。群青蓝颜料会消耗水泥水化产生的氢氧化钙,生成类似水泥水化产物,使结构更加致密,提高了水泥试样的抗压强度。群青蓝颜料掺量越多,试样表面亮度越暗,掺量为6%时接近颜色饱和点。

为评估波特兰-白云石微粉水泥砂浆的抗碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀(TSA)性能,研究了白云石微粉掺量为0%～30%(质量分数)时,水泥砂浆在5 ℃、5%(质量分数)Na₂SO₄溶液中的外观、膨胀和质量变化,并采用XRD、FTIR、TGA-DTG、SEM及热力学模拟分析了侵蚀产物。结果表明,白云石微粉的引入显著降低了水泥砂浆的抗TSA性能。随着白云石微粉掺量增加,砂浆的外观破坏等级、膨胀程度和质量均明显增大,且掺量越高,劣化效应越显著。相较于参比样,含白云石微粉水泥砂浆体系侵蚀早期生成更多钙矾石和石膏,侵蚀后期生成大量碳硫硅钙石。白云石微粉参与水泥水化反应生成水滑石、碳铝酸盐和方解石。在低温硫酸盐侵蚀中,水滑石的稳定存在抑制了钙矾石的生成,而碳铝酸盐和方解石则显著促进了碳硫硅钙石的形成。白云石微粉反应生成水滑石产生的积极效应远不及其生成碳铝酸盐、方解石所引发的消极效应,最终导致了水泥砂浆的TSA破坏。

采用甲酸铝对硫酸铝基无碱液体速凝剂进行改性,并测试了甲酸铝改性后的无碱液体速凝剂性能指标。采用XRD、SEM、TG-DTG和水化热分析表征手段分析了甲酸铝改性硫酸铝基无碱液体速凝剂对水泥水化过程的作用机制。结果表明:随着硫酸铝基无碱液体速凝剂中甲酸铝掺量的增加,水泥的快凝效果和强度均呈先增大后减小的趋势;当改性组分甲酸铝掺量为1%(以硫酸铝质量百分比计)时,掺8%改性硫酸铝基无碱液体速凝剂的水泥初凝时间为2 min 39 s,终凝时间为5 min 33 s,1 d抗压强度为13.2 MPa, 28 d抗压强度为49.6 MPa,28 d抗压强度比为114%,90 d抗压强度保留率为123%,满足《喷射混凝土用速凝剂》(GB/T 35159—2017)标准的技术指标要求。当改性组分甲酸铝掺量超过1%时,生成的大量AFt会抑制水泥中C₃S的水化反应,导致水泥早期和后期强度降低。

高性能混凝土7 d抗压强度作为早期强度的重要指标,对建筑工程质量的影响不容忽视。为了实现高性能混凝土的抗压强度预测及极值寻优,本文基于Logistic混沌映射改进麻雀搜索算法(LCSSA)优化BP神经网络,建立LCSSA-BP预测模型。选取88组数据作为训练集、38组数据作为测试集,对比BP、支持向量机(SVM)、极限学习机(ELM)、人工蜂群算法优化BP神经网络(ABC-BP)、布谷鸟搜索算法优化BP神经网络(CS-BP)模型的预测结果。从数据集划分、输入变量数量的角度出发,验证了LCSSA-BP模型的预测精度。采用遗传算法进行抗压强度寻优,确定高性能混凝土配合比的最佳掺量。研究表明:相较于其他模型,LCSSA-BP模型具有更高的预测精度、更低的预测误差;当按照9-1划分训练集和测试集时,模型决定系数R²为0.975,相关系数R为0.987;综合考虑变量的关联度和数据分布特性,选取水泥、高炉矿渣、水、粗骨料和细骨料作为输入变量时,模型R²为0.954,R为0.977;遗传算法在高性能混凝土早期7 d抗压强度寻优和配合比设计方面具有较高的可行性和实用性。

为研究蒸汽养护对大体积混凝土箱梁的影响,本文结合某长江大桥高温蒸养预制混凝土箱梁项目,在30 m箱梁内埋设了温度和应变传感器,得到了箱梁在蒸汽养护及后期养护过程中的温度及应变变化规律。结果表明:测试截面的平均温度在66 h后才低于入模温度;混凝土水化热在11~13 h达到峰值,截面各区域测点温度峰值由大到小依次为顶腹板交界处、顶板、腹板、底板、底腹板交界处;顶腹板交界处和顶板的温度峰值高于其他区域;箱梁内部和表面、表面和外部最大温差分别为18.62和14.29 ℃,均出现于蒸汽养护前;在整个养护过程中,箱梁内部产生的拉应力小于混凝土劈裂抗拉强度,梁体无开裂风险;预应力钢束张拉完成后,各测试截面的应变均为压应变,且后期变化幅度不大。

为研究碾压混凝土层面剪切过程中的裂缝扩展规律,本文针对不同层面处理的碾压混凝土开展抗剪强度试验,分析了不同试件的破坏形态和抗剪强度变化规律,同时运用数字图像相关技术观测碾压混凝土剪切过程中层面裂缝发展规律,并结合热重技术分析了层面水化程度对裂缝扩展的影响。结果表明:层面处理可以有效提高层面结合效果和抗剪强度,降低裂缝宽度和扩展速率,经过纳米SiO₂砂浆处理的碾压混凝土层面结合效果最佳,裂缝最大宽度和扩展速率分别降低至0.528 mm和1.412 mm/s;层面裂缝发展过程分为初始、萌生、扩展、贯通四个阶段;纳米SiO₂能够促进水泥水化,水化产物含量与最大裂缝扩展速率呈负相关关系,因此纳米SiO₂的加入可有效降低层面裂缝扩展速率。

将纳米碳化硅、碳化硅晶须和碳化硅纤维掺入混凝土,分别研究了三种碳化硅材料单掺对混凝土力学性能的影响,确定了三种碳化硅材料的最佳掺量,并对比分析了三种碳化硅材料对混凝土力学性能的提高效果。在此基础上,对混凝土进行了高温试验,研究了三种碳化硅材料对混凝土高温性能的影响。结合SEM试验,分析了三种碳化硅材料对混凝土性能的影响机理。结果表明,纳米碳化硅、碳化硅晶须和碳化硅纤维均可以提高混凝土的力学性能和高温性能。当纳米碳化硅、碳化硅晶须和碳化硅纤维的掺量分别为2.0%(质量分数)、3.0%(质量分数)、0.3%(体积分数)时,混凝土的力学性能最佳。纳米碳化硅对混凝土抗压强度和高温后残余抗压强度的提高效果最佳,碳化硅晶须对混凝土抗折强度、劈裂抗拉强度和高温后残余抗折强度的提高效果最佳。在混凝土中,纳米碳化硅发挥填充和纳米成核作用,碳化硅晶须发挥填充和阻裂作用,碳化硅纤维发挥阻裂作用。碳化硅材料具有良好的高温性能,在高温下保持完好,仍可发挥作用。

微纳米气泡水(MNBW)具有比表面积大、稳定性好以及水分子活性高等特点,将其用于拌和喷射混凝土可提高喷射混凝土的物理力学性能。选用MNBW作为拌合水,研究了MNBW气泡气体类型、MNBW剪切时间、MNBW含量和无碱液体速凝剂掺量对水泥净浆凝结时间和水泥砂浆力学性能的影响,并采用数字图像采集技术探究了水泥砂浆在单轴压缩过程中界面裂缝的扩展规律。结果表明:MNBW(特别是含CO₂气泡的MNBW)可以明显促进水泥水化反应,缩短水泥净浆凝结时间;水泥砂浆的抗压强度和抗折强度均随MNBW含量和养护龄期的增加而增大,随MNBW剪切时间增加呈先增大后减小的变化规律。在单轴压缩破坏过程中,不同拌合水试件初始裂缝萌生所需载荷值从大到小依次为CO₂气泡MNBW组、空气气泡MNBW组、自来水组。

咸淡水交汇区域腐蚀介质的变化规律不明确且浓度较低,混凝土结构遭受的侵蚀方式变化较大,使用普通海洋环境下所建立的氯离子扩散模型来预测咸淡水交汇区域的混凝土结构寿命偏差较大。此外,咸淡水交汇区域混凝土结构的劣化规律也不同于海洋环境,照搬海洋环境下的防护措施对其进行耐久性维护会造成极大的资源浪费。针对此问题,本文依托南沙大桥工程,采用现场试验、室内试验和理论分析的方法对咸淡水交汇环境下混凝土结构的耐久性开展了研究。首先,对南沙大桥不同腐蚀环境下混凝土结构的碳化以及氯离子侵蚀情况进行了分析。其次,利用压汞法(MIP)、热重(TG)分析以及扫描电子显微镜(SEM)等微观表征手段对混凝土结构的孔隙分布、化学组分和微观结构进行了测定。本文可为咸淡水交汇区混凝土结构的寿命预测和维修加固提供参考。

植生混凝土是一种能将工程防护和生态修复很好结合起来的新型护坡材料,可实现长期持续性生态护坡。基于正交试验方法,采取低碱度硫铝酸盐水泥开展了边坡植生混凝土配合比设计,比较了混凝土水胶比、集料粒径以及富余浆量比对抗压强度、孔隙率及pH值的影响,得到最优配合比并在此基础上开展平陆运河边坡植生混凝土铺设和植物种植试验。结果表明:水胶比为0.28、集料粒径为9.5～19 mm、富余浆量比为7.75时植生混凝土各项植生性能达到最优;优选狗尾巴草、狗牙根草和宽叶草等,单独种植或混合种植时均能达到较好的效果。

为充分利用新疆地区自然资源,达到“就地取材”“以灾制灾”的目的,采用天然沙漠砂替代混凝土骨料并在胶凝材料中加入粉煤灰、硅灰进行混凝土配合比优化研究。首先,通过正交试验,研究粉煤灰掺量、水胶比、灰砂比和减水剂掺量四个因素对沙漠砂混凝土性能的影响,结合天然沙漠砂混凝土抗压及劈裂抗拉强度进行了极差、因素指标和方差分析。随后,采用单因素试验法探究了硅灰掺量对天然沙漠砂混凝土力学性能和工作性能的影响。结果表明,天然沙漠砂混凝土最优配合比为粉煤灰掺量20%(质量分数,下同)、水灰比0.33、灰砂比1 ∶2、减水剂掺量0.8%。硅灰的加入能显著提升沙漠砂混凝土的抗压强度,但会降低沙漠砂混凝土的工作性能,加入10%硅灰时,沙漠砂混凝土的力学性能和工作性能最佳。

为进一步推动沙漠砂混凝土的应用,采用预应力加载方式研究了沙漠砂取代不同掺量(25%、50%和75%,质量分数)河砂对混凝土徐变的影响,结合孔结构和微观形貌分析了影响机理。结果表明,当沙漠砂取代25%河砂时,混凝土抗压强度和弹性模量增加,28 d抗压强度和弹性模量分别增加了7.5%和3.6%,混凝土徐变降低,180 d徐变应变降低了31.7%,180 d徐变度降低了35.7%,180 d徐变系数降低了32.1%,继续增加沙漠砂取代率,混凝土强度和弹性模量降低,徐变增加。沙漠砂取代河砂时,与徐变相关的孔径小于50 nm的孔隙率增加;沙漠砂取代25%河砂时,与强度相关的大于50 nm的孔径孔隙率降低,混凝土内部结构变得密实,进一步增加沙漠砂取代率,混凝土内部结构变得疏松。

混合砂浆是利用煤矸石机制砂与风积砂按照不同比例(等质量)混合为混合砂并全部替代河砂配制出的一种新型砂浆。为探讨混合砂浆基本力学性能变化规律及微观机理,采用毛乌素沙漠风积砂与大柳塔煤矿产煤矸石机制砂配制混合砂浆试件,探究了混合砂浆抗压强度随两种砂复掺比例、混合砂浆养护龄期、混合砂细度模数的变化规律,揭示了强度变化规律的内在机理。结果表明:随着风积砂掺量的提高,混合砂浆强度先增大后减小,煤矸石机制砂与风积砂最优掺和比例为6 ∶4(质量比);混合砂浆抗压强度与混合砂细度模数之间满足二次函数关系,当混合砂细度模数为2.20时,混合砂浆力学性能最优;混合砂不同粒径颗粒间相互填隙,减小了砂浆内部孔隙,适量风积砂的掺入可使砂浆内滞留的大气泡分散成小气泡,改善砂浆结构;提出有益孔及有害孔的概念,从孔结构参数出发,解释了砂浆力学强度的变化规律,表明砂浆抗压强度变化是其内部孔隙率及孔径分布范围共同作用的结果;适量的风积砂与煤矸石机制砂混合有利于水化反应的进行,对结构有“补偿作用”,但随着风积砂掺量进一步提高,由于风积砂本身材料的缺陷,这种“补偿作用”无法弥补材料自身的缺陷。

本论文研究了煤矸石中碳和硫可燃组分对陶粒物理性能和重金属固化性能的影响,采用XRD和SEM等测试方法分析了陶粒物相组成和微观结构变化。结果表明,煤矸石中的碳和硫可燃组分会增加陶粒的表观密度和抗压强度,显著降低吸水率,并减弱陶粒的重金属固化能力,但所制得的陶粒满足环境安全性要求。碳和硫组分的加入可以改善陶粒的高温反应,促进莫来石和石英转化为钙长石。碳和硫组分低温时具有燃烧造孔作用和高温时具有增加液相作用,可以降低陶粒的开气孔含量。

为解决超高强混凝土体积稳定性问题和实现重金属污泥高值化利用,本文采用重金属污泥烧结陶砂取代部分河砂制备超高强混凝土,研究不同掺量和颗粒级配陶砂对超高强混凝土工作性能、力学性能及收缩性能的影响,并采用XRD、TG-DTG、FTIR和SEM微观测试方法深入分析陶砂对超高强混凝土物相组成、微观形貌及孔隙结构的影响。结果表明:预湿重金属污泥烧结陶砂对超高强混凝土早期有显著的内养护效果,养护龄期为14 d时,与基准组相比,陶砂颗粒级配为中砂的超高强混凝土自收缩降低了11.0%~27.6%,陶砂掺量为20%(质量分数)时,抗折强度增加了13.5%;掺入陶砂可以加快超高强混凝土的早期水化反应,生成较多的水化产物,增加结构的致密性,但预湿重金属污泥烧结陶砂会对超高强混凝土强度产生不利影响,应对其掺量和颗粒级配加以控制。

为减小废弃橡胶填埋对环境的不利影响,将粉碎后的橡胶作为细骨料掺入砂浆,并进行了不同替代率的橡胶颗粒(NR20)与橡胶纤维(NRS)对机制砂砂浆工作性能、力学性能及抗冲击性能的影响试验。结果表明:随着橡胶替代率增加,橡胶颗粒砂浆的稠度逐渐增加,分层度逐渐减小,而橡胶纤维砂浆的稠度减小后基本保持不变,分层度逐渐增大;另外,两种类型橡胶砂浆的抗压、抗折强度均随橡胶替代率的增加而减小,且橡胶纤维砂浆的抗压、抗折强度较高。掺入橡胶后,砂浆的冲击破坏形态由单条裂缝贯穿破坏转变为多条裂缝发散破坏。砂浆内掺入橡胶越多,发生冲击破坏所需的冲击能耗越高,且橡胶纤维砂浆的冲击能耗提升幅度更大。

磷石膏是湿法磷酸工艺产生的大宗固体废弃物,堆存量大且对环境污染严重,因此,亟需对磷石膏进行除杂提纯以实现其高值化利用。本文以盐酸为溶剂对磷石膏进行热析提纯,得到了高品质、高长径比二水硫酸钙晶须,基于分子动力学对晶须生长机理进行了模拟。结果表明:在反应温度80 ℃、反应时间1.5 h、盐酸浓度4 mol/L条件下,热析提纯后磷石膏中二水硫酸钙质量分数由82.50%提升至99.80%,P₂O₅含量由1.78%(质量分数,下同)降低至0.03%,SiO₂含量由7.37%降低至0.02%,氟几乎完全去除,最终得到二水硫酸钙晶须制品。模拟计算表明:298 K条件下,二水硫酸钙在盐酸中比在纯水中更易溶解,且随温度升高,二水硫酸钙溶解度降低。此外,二水硫酸钙(020)面间距最小,该面硫酸钙离子排列更加紧密,有利于形成完整有序的晶体。晶须生长机制为二水硫酸钙在盐酸环境下先逐渐溶解,随着温度升高,溶液开始过饱和,析出硫酸钙晶体并形成晶核,晶体沿二水硫酸钙(020)面螺旋位错生长,形成二水硫酸钙晶须。

以磷石膏资源化利用为目的,探索了硅灰和水泥固化高浓度原状磷石膏制备道路稳定材料的最优配比设计,并以此为基础研究了硅酸钠增强道路稳定材料的性能,分析了固化机理。结果表明,当水泥、硅灰、消石灰的质量比为5 ∶3 ∶2,并加入1.5%(质量分数)的硅酸钠时,磷石膏道路稳定材料的力学性能和耐水性能显著提高,28 d无侧限抗压强度可达9.77 MPa,软化系数可达0.81,水稳系数可达1.0,同时浸出液中氟离子和可溶磷浓度满足《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)一级限值。微观测试表明,水化反应产生的大量水化硅酸钙凝胶可将二水硫酸钙包裹,同时硅灰和硫酸钠的填充作用使整体结构更加密实,形成性能良好的磷石膏道路稳定材料。

为了研究改性小麦秸秆对水泥稳定碎石性能的影响,采用不同浓度的NaOH溶液对小麦秸秆进行了表面改性处理,并分析了NaOH溶液浓度和改性时间对秸秆质量的影响。将改性后的秸秆纤维掺入水泥稳定碎石中,通过无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验得到最佳纤维配比,在最佳纤维配比下进行干缩试验、冻融试验,结合环境扫描电子显微镜(ESEM)测试,观察改性前后小麦秸秆微观变化及秸秆纤维在水泥稳定碎石内的作用机理。研究结果表明:采用质量分数为3.5%的NaOH溶液对小麦秸秆进行12 h的改性处理时,小麦秸秆的质量损失率较高,可减轻对水泥的缓凝作用;秸秆纤维对水泥稳定碎石的力学性能具有显著增强作用,纤维长度为20 mm、掺量为0.15%(质量分数)时强度最高,且随着养护龄期的延长,水泥稳定碎石力学性能不断提升。秸秆纤维水泥稳定碎石与普通水泥稳定碎石相比,其干缩性能和抗冻性能均有明显改善;ESEM分析表明改性后的小麦秸秆可以提升其与基体的黏结,阻止或延缓水泥裂缝的产生和发展,提高水泥稳定碎石的力学性能和抗裂性能。

废弃混凝土解体产生的再生微粉(RFP)产量高,具有一定活性,有望部分替代水泥、粉煤灰和膨润土制备RFP盾构注浆料,然而RFP对盾构注浆料性能的影响规律尚不明确,难以实际应用。本文对RFP盾构注浆料的初始流动度、凝结时间、抗压强度和干燥收缩进行试验测定。结果表明:RFP替代水泥易造成浆体流变性能下降,当RFP替代水泥12.5%(质量分数,下同)时,盾构注浆料流动度为17.6 cm,不满足规范要求(21±3) cm;RFP替代膨润土易导致浆体工作性能降低,当RFP替代膨润土30%时,浆体泌水率为5.2%,且出现分层现象;RFP替代粉煤灰有利于提高浆体流动性能,当RFP替代粉煤灰30%时,浆体流动度增加16.5%,泌水率低,无分层现象。RFP“微集料”效应构筑刚性支撑骨架,能够降低浆体孔隙率,有效抑制干燥收缩。综合各方面性能,优选注浆料配比:水胶比0.31、胶砂比0.66、水泥27%、膨润土44.5%、粉煤灰9.4%、RFP 19.1%、减水剂0.3%。

工业费托合成工艺路线所产生的废渣含有大量硅和铝元素,为了实现高效资源化利用,本文以除蜡后的费托合成废渣为原料,通过碱熔融-水热法制备P型分子筛,系统考察了硅铝比、碱硅比、晶化温度及晶化时间对P型分子筛制备的影响,采用XRD、FT-IR、SEM等表征手段对分子筛进行晶型、形貌和结构分析,并对P型分子筛吸附Pb²⁺性能进行了研究。结果表明:废渣在n(SiO₂)/n(Al₂O₃)=6.5,n(Na₂O)/n(SiO₂)=1.8、T=90 ℃和t=24 h条件下合成的P型分子筛,形貌轮廓清晰、形状规则,无杂质晶相,相对结晶度最高,达86.39%,且比表面积最大,达99.8 m²/g。费托合成废渣基P型分子筛对Pb²⁺的最大平衡吸附容量达322.85 mg,对吸附过程进行吸附动力学分析发现其符合准二级动力学模型,吸附平衡量为319.47 mg/g。

以高效处置矿山、地质、冶金等行业实验室和分析室在生产中产生的酸性有害气体为目的,以天然黏土矿物、碱金属矿物和无机助剂为原料,通过配方设计、挤出成型制备了系列复合型酸气吸附剂,并采用酸溶液浸泡实验和固定床动态吸附实验研究了其吸附性能。结果表明,复合型酸气吸附剂对HCl、HNO₃的浸泡吸附量分别为0.50~0.80 g/g和0.55~0.95 g/g,对挥发性HCl、HNO₃酸气吸收4 h后的Cl^-、NO^-₃吸附量分别大于35和40 mg/g,优于活性炭和市售同类型产品。复合型酸气吸附剂具有均匀微孔隙,其微观结构和化学组成更有利于挥发性酸气的扩散、捕捉和反应等,对Cl^-、NO^-₃的吸附过程符合准二级动力学模型,主要通过化学吸附、吸收作用并伴有物理吸附实现对挥发性HCl、HNO₃酸气的去除,具有推广价值。

堇青石具有热膨胀系数低、抗热震性能良好和耐火度高等优点,广泛应用于金属冶炼、玻璃、陶瓷等领域。工业废渣原料来源广泛且价格低廉,利用工业废渣制备堇青石材料不仅能降低原料成本和缓解矿物原料消耗巨大的问题,还能解决工业废渣大量堆积引起的土地占用以及环境污染问题。本文综述了工业废渣制备高附加值的堇青石微晶玻璃、多孔陶瓷、复合材料的研究现状,对工业废渣制备堇青石基陶瓷材料的研究进展以及添加剂对工业废渣制备堇青石陶瓷材料的影响机理进行了较为系统的梳理,并总结了高温工业废渣制备堇青石材料在应用中存在的问题,为高温工业废渣的有效资源化综合利用提供方向和思路。

钛工业固废中的富铁尾泥因常年堆积对环境造成了严重污染,为实现富铁尾泥无害化、资源化处理,本研究通过酸浸-除杂-氧化-煅烧工艺路径,利用其中铁资源生产的氧化铁红作为铁源,制备铁铬尖晶石并将其应用在黑色陶瓷。考察了初始Fe²⁺浓度、反应物摩尔比及氧化温度对氧化铁黄晶种的影响,以此为基础,探究了不同煅烧温度对氧化铁红、氧化铁红形成铁铬尖晶石及黑色陶瓷发色的影响。结果表明:由富铁尾泥酸浸提纯后得到氯化亚铁溶液,在Fe²⁺浓度为0.4 mol/L、反应物摩尔比为2.2 ∶1、氧化温度为35 ℃的条件下,所得的氧化铁黄晶种在750 ℃煅烧温度下制备出纯度为98.875%、平均粒径为2.973 μm、圆棒状、结晶度高的氧化铁红。以此为原料,在1 280 ℃煅烧制备得到的铁铬尖晶石在黑色陶瓷色板发黑效果最好,色度值L^*为37.35,与标样相比仅相差0.57。

以预合成MgTi₂O₅和MgO+2TiO₂原位合成MgTi₂O₅两种方式引入钛酸铝陶瓷制备所需添加剂,研究MgTi₂O₅对钛酸铝陶瓷物相组成和性能的影响。结果表明,MgTi₂O₅或MgO+2TiO₂均可通过形成固溶体促进钛酸铝的低温合成,但添加少量MgTi₂O₅即可在较低温度下有效促进钛酸铝晶体的合成。当MgO含量为2%(摩尔分数)时,在1 300 ℃下添加MgTi₂O₅的钛酸铝合成率比添加MgO+2TiO₂的提高了28.4个百分点;在钛酸铝合成率相近的前提下,添加MgTi₂O₅比添加MgO+2TiO₂的烧成温度低。当添加6%MgTi₂O₅时,在1 280~1 350 ℃所烧成陶瓷样品的热膨胀系数介于-0.11×10^-6~0.58×10^-6 ℃^-1。随着烧成温度升高,由于晶体的各向异性及过度生长,晶体内部存在的微裂纹易使所得钛酸铝陶瓷的抗折强度降低。

在陶瓷生产中,浆料的稳定性对产品质量和生产效率至关重要。本研究深入探讨了流变性能对陶瓷浆料悬浮稳定性的影响,分析了不同稳定剂(聚乙二醇、聚氧化乙烯、聚乙烯醇和瓜尔胶)对陶瓷浆料流变性能的影响,并比较研究了剪切黏度和弹性对稳定性的独立影响。结果表明,掺入不同稳定剂的陶瓷浆料在颗粒粒径与体积分数相同条件下,虽然黏度相近,但悬浮稳定性存在显著差异。使用瓜尔胶作为稳定剂的浆料展现出最佳的稳定性。此外,储能模量G′、损耗模量G″及损耗因子tan δ是影响浆料稳定性的关键黏弹性参数。当陶瓷浆料弹性相同时,随着剪切黏度的增加,浆料的稳定性得到提升。研究结果强调了浆料弹性和黏性在悬浮颗粒中的重要性,并指出黏弹性参数和黏度对颗粒沉降行为有明显影响,为陶瓷浆料的稳定性研究和应用提供了新的视角。本研究为选择适当的稳定剂提高浆料稳定性和优化陶瓷浆料配方与生产工艺提供了有益的参考和建议。

钽镁酸钡(Ba(Mg_1/3Ta_2/3)O₃,BMT)陶瓷具有优异的微波介电性能,而制备出高质量微波介电陶瓷的关键在于合成出晶相纯、粒度均匀、分散性好的BMT纳米粉体。以氧化钽、硝酸镁与硝酸钡为原料,以KOH溶液和异丙醇为溶剂,采用水热法制备BMT纳米粉体。通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜表征产物的晶体结构、显微形貌和颗粒尺寸,探讨KOH浓度、反应温度、反应时间对BMT粉体的影响;通过差热分析,研究煅烧温度对BMT粉体的影响。结果表明,当KOH浓度为2 mol/L、反应温度为200 ℃、反应时间为24 h、冷冻干燥后煅烧温度为1 000 ℃时,制得的BMT纳米颗粒呈类球形,分散均匀,基本无团聚现象,颗粒直径约为100 nm。该研究成果对水热合成BMT纳米粉体具有一定的指导意义。

以二级铝矾土(Al₂O₃质量分数70.3%)和粉煤灰为原料,以不同含量的白云石为添加剂,在1 350 ℃下烧结制备了低密度高强度的陶粒支撑剂,有效利用了固废粉煤灰,并探究了白云石对陶粒支撑剂晶粒发育的作用及对性能的影响。通过XRD、SEM及物理性能测试仪等表征手段,研究了白云石含量对铝矾土-粉煤灰系陶粒支撑剂微观结构及物理性能的影响。结果表明,适量白云石的添加可明显促进棒状莫来石晶体的生长发育,降低陶粒支撑剂的破碎率。此外,基体内闭气孔的产生可降低陶粒支撑剂的体积密度和视密度。当白云石的添加量为6%(质量分数)时,所制备的陶粒支撑剂性能最佳,体积密度为1.45 g/cm³,视密度为2.60 g/cm³,35 MPa下的破碎率为6.5%。

新一代锂铝硅玻璃逐渐成为航空透明件的主流结构材料,由于具有较高的弹性模量和优异的离子交换能力,锂铝硅玻璃经过化学强化处理后具有优异的力学性能,能够很好地满足航空透明件轻质、高强的需求。本文旨在探讨化学强化工艺对3~6 mm厚锂铝硅玻璃抗冲击性能的影响。采用不同强化条件制备样品,通过落球冲击测试及理论计算,分析应力分布对抗冲击性能的作用。研究发现,对于厚锂铝硅玻璃,随着应力层深度的增加,中心应力增长较慢,且厚度越大的锂铝硅玻璃,中心应力增长速度越慢,抗冲击性能随应力层深度增加而提升,这与在薄锂铝硅玻璃中的规律不同。

夹层玻璃开裂后的承载性能对持续风灾或爆炸时建筑玻璃结构安全性非常重要。玻璃裂纹形态作为开裂后性能的关键影响因素,对夹层玻璃的拉伸硬化效应和局部失效触发有着重要作用。对采用离子性中间层(SG)的钢化夹层玻璃进行碎裂试验及碎裂后单轴拉伸试验,获取图形和力学性能的试验数据集,并和精细有限元模型校核,确定裂纹形态对应的碎片密度、最小最近邻距离、有效粘结系数等关键参数。随后,建立由表面应力调控裂纹形态的夹层玻璃开裂后有限元模型批量化生成方法,基于维诺(Voronoi)形态近似来扩充模拟数据集。采用卷积神经网络方法,基于裂纹形态图像识别训练,得到具有良好精度的夹层玻璃开裂后等效拉伸性能快速评估方法。

采用ABAQUS有限元软件,构建落锤冲击聚乙烯醇缩丁醛酯(PVB)夹层玻璃板的1/4对称模型,在其网格单元间嵌入零厚度内聚力粘结单元,模拟冲击失效过程,在相同的总厚度条件下,分析了玻璃层数、PVB厚度对夹层玻璃抗冲击性能的影响。结果表明,总厚度不变的情况下,玻璃层数对夹层玻璃的冲击失效有明显的影响。玻璃厚度一定,当PVB厚度h≤1.9 mm时,适当减小PVB厚度能改善双层夹层玻璃的吸能效果;当PVB厚度h>1.9 mm时,适当增加PVB厚度能改善双层夹层玻璃的吸能效果。对于三层夹层玻璃,上层PVB厚度的变化对玻璃抗冲击性能的影响更加明显且适当减小上层PVB厚度能改善三层夹层玻璃的吸能效果。

开发可信准确的高放废液玻璃固化焦耳加热陶瓷电熔炉熔化性能预测模型是实现高放废液安全、高效玻璃固化的便捷手段。然而由于高温、高辐照的特殊工况,目前国内缺乏对高放废液玻璃固化熔炉内各物理场信息及熔化特性的直观认知。因此,本文借助GFM(Glass Furnace Model)软件,采用数值模拟技术分析了某高放废液玻璃固化熔炉在不同电极连接方式下的运行状态,获得了熔池各物理场分布信息,并研究了电极连接方式对熔炉传质、传热、玻璃液流行为的影响。结果表明,电极正对运行时玻璃液平均温度约1 160 ℃,平均焦耳热约120 kW/m³,熔化效率约0.004 kg/(m²·s)。相较于正常运行,电极错位运行时熔炉虽可保持熔化运行,但熔体中焦耳热分布不均,玻璃液整体流动性较差,不利于冷帽熔化和玻璃液均化,同时电极损失程度也将大幅增加。

镁钙系耐火材料因具有耐火度高、热力学性质稳定、能净化钢液等优良性质,被认为是炉外精炼设备的理想炉衬材料,但在实际冶炼过程中因长期受低碱度渣侵蚀,熔损严重。为提高MgO-CaO体系抗低碱度渣侵蚀,本文以轻烧白云石粉和轻烧氧化镁粉为主要原料,添加不同含量的纳米Cr₂O₃(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%,质量分数),经混合、成型后于1 650 ℃×3 h烧成,进行低碱度渣(m(CaO) ∶m(SiO₂)=1 ∶1)侵蚀试验,采用XRD表征烧后试样的物相组成和SEM表征侵蚀后试样的显微结构。结果表明:少量纳米Cr₂O₃的加入会固溶到CaO和MgO晶粒中引起晶格畸变,促进烧结,当纳米Cr₂O₃的加入量超过2.5%时,纳米Cr₂O₃会与CaO和MgO生成CaCr₂O₄和MgCr₂O₄,填充在晶粒的晶界等部位,改变试样的显微结构,显著提升其抗侵蚀性能。

本文使用太阳能电池电容模拟中器(SCAPS-1D)和COMSOL Multiphysics软件研究了SiO₂纳米颗粒对半透明超薄Cu(In,Ga)Se₂(CIGSe)太阳能电池电学性能的影响。结果表明,背面照射时,CIGSe/透明导电氧化物(TCO)背界面附近会产生大量的光生载流子,导致光生电子的背复合对电池性能的影响非常显著。高背复合速率(S_b=1.0×10⁷ cm/s)下,在CIGSe/TCO背界面引入SiO₂纳米颗粒对光生载流子浓度降低的影响大于对空间电荷区移动的影响,这导致电池的背复合电流呈下降趋势。然而,此时空穴传输带来的性能改善被高额的背复合电流所掩盖,因此对于背面照射的半透明超薄CIGSe太阳能电池来说,低背复合速率(钝化背界面)能够提高电池性能,这与正面照射时高S_b提升电池性能的结论完全相反。因此,降低背复合对光捕获的消耗来增加短路电流密度是提升电池性能的有效手段。这些发现代表了背面入射机理研究的最新进展,为提高半透明超薄CIGSe太阳能电池的性能提供了新可能。

采用浸渍-煅烧法在酸处理沸石表面固载CuO/TiO₂颗粒,再采用离子交换/光还原法在CuO/TiO₂/天然沸石表面固载Ag纳米颗粒,制备得到Ag/CuO/TiO₂/天然沸石复合材料;进一步将该复合材料与白水泥和乳胶粉混合得到沸石基环保涂料。采用XRD、FT-IR、SEM-EDX、N₂吸附-脱附、UV-Vis DRS、PL等测试对材料的组成和结构进行表征,采用甲基橙和大肠杆菌分别评价材料的光催化和抗菌性能。结果表明,制备的Ag/CuO/TiO₂/天然沸石复合材料的比表面积达146 m²·g^-1,光响应范围可拓展至506 nm,具有较低的电子-空穴对复合概率。材料在氙灯照射240 min后,对甲基橙的去除率可达93.2%,在光照5 min后的抗菌率近100%。

为了进一步提高La_0.7Sr_0.3Cr_0.5Fe_0.5O_3-δ(LSCrF)基钙钛矿型氧化物的催化活性,在LSCrF材料的A位引入非化学计量缺陷,制备了A位缺陷型La_0.6Sr_0.3Cr_0.5Fe_0.5O_3-δ(A-LSCrF),并通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面及孔隙度分析(BET)、热重分析(TGA)以及电化学测试等综合表征技术,探究了材料的物理化学性质及电化学性能。结果表明,A-LSCrF样品粉体颗粒均匀,比表面积和平均孔径分别为1.70 m²·g^-1和14.08 nm,且在工作条件下会产生更多氧空穴,这有利于提高A-LSCrF的催化活性。在2.00 V时LSCrF基单电池的电流密度为0.73 A·cm^-2,而A-LSCrF基单电池的电流密度可达1.38 A·cm^-2。以上结果说明A位引入非化学计量缺陷可以有效增加A-LSCrF氧空穴的浓度,从而提高A-LSCrF电解CO₂的性能。