植物纤维具有质量轻、比强度高、断裂伸长率大等特点,可改善混凝土易开裂、抗拉强度低、脆性破坏等缺点,还可以提高混凝土的保温性能和耐久性。本文首先分析了各种常用植物纤维的化学成分和力学特征,以及植物纤维的改性方法,然后对国内外学者在植物纤维增强混凝土力学性能、水化特性、保温性能及其他性能方面的研究进行了详细的分析和归纳,并得出了以下结论:利用植物纤维增强混凝土强度时,长纤维平铺法对抗拉强度的增强效果最好,而短纤维内掺法具有更广的应用范围,同时,纤维长度、纤维含量、水灰比等多种因素都会影响混凝土的力学性能;植物纤维能通过改变水泥的水化特性来延缓水化热的释放,从而增强大体积混凝土的抗裂性能;植物纤维能够改善混凝土的保温性能和耐久性,并可通过植物纤维对混凝土的内养护作用,减少混凝土的开裂。

含氟污泥作为半导体行业精细化生产的主要副产品,是一种危险固废。在水泥窑协同处置含氟污泥的过程中,含氟污泥中含有的氟、磷和多种重金属离子会不可避免地引入到水泥生料中,这些离子会显著影响并改变水泥生料矿物的煅烧过程及其性能,然而它们共存时对水泥熟料性能的影响研究尚不多见,为此,本文系统研究了氟、磷与重金属离子共掺对硅酸三钙(C₃S)煅烧过程、微观结构以及水化特性的协同影响机理。研究表明,与磷酸盐单掺相比,磷和重金属离子复掺不利于C₃S烧成,而氟、磷与重金属离子共掺对C₃S的烧成有显著的协同促进作用,同时明显提高了C₃S晶型对称性,使C₃S矿物表面出现更多不同种类的缺陷。与磷酸盐单掺相比,磷和重金属离子复掺有利于提高C₃S初始和后期水化速率,降低棒状水化硅酸钙(C-S-H)的长径比,而氟、磷和重金属离子共掺对C₃S水化性能的影响取决于各离子的掺比,但随着各离子掺量的增加,C₃S水化加速期却会不断推迟,且三者共掺会促进棒状C-S-H长径比增加。

石墨烯/氧化石墨烯在水化硅酸钙基底上的脱粘行为会直接影响胶凝复合材料的性能,然而传统实验较难实现脱粘效果,为了明确石墨烯/氧化石墨烯的脱粘特性,本文通过分子动力学方法在纳米尺度下研究石墨烯/氧化石墨烯在水化硅酸钙基底上的脱粘行为。结果表明,随着温度升高,石墨烯/氧化石墨烯的粘结性能降低,与石墨烯相比,温度变化对氧化石墨烯粘结性能的影响更大,在氧化石墨烯中,环氧基氧化石墨烯受到温度变化的影响最小。影响粘结性能的主要因素是石墨烯/氧化石墨烯与水化硅酸钙间的范德瓦耳斯力和库仑作用。高浓度和边缘位置的官能团可以显著增强粘结性能,不同官能团对粘结性能的增强效果依次为羧基、羟基、环氧基。

本文探究了D-异抗坏血酸钠对硫氧镁水泥凝结时间、电导率、抗压强度和耐水性能影响,通过 X 射线衍射、同步热分析和扫描电子显微镜测试对硫氧镁水泥水化产物的物相组成及微观结构进行表征和分析。结果表明:加入化学添加剂D-异抗坏血酸钠能大幅度延长硫氧镁水泥的凝结时间;改性后的硫氧镁水泥中有大量5Mg(OH)₂·MgSO₄·7H₂O(5·1·7)晶相生成,能大幅度提高硫氧镁水泥的抗压强度和耐水性能。

针对市售增强剂中改性醇胺组分作用机理不清晰的问题,本文探究了改性醇胺(CS_M、CS_N和CS_O)对净浆凝结时间和强度的影响,并通过水化热、水泥石定量XRD、微观结构SEM测试,探究了改性醇胺对水泥水化过程、水化产物及浆体微观结构的影响,并与三异丙醇胺(TIPA)进行对比。结果表明:TIPA与改性醇胺均表现出缓凝的性质,其中CS_O缓凝性最强;在强度方面,TIPA改善了测试龄期内的净浆强度发展,CS_M改善了净浆7~28 d强度发展,改善效果优于TIPA,CS_N和CS_O对强度存在负面效果。在机理方面,CS_M的掺入提高了水泥矿物相水化程度,优化了水化速率,改善了水化产物微观结构,促使水化硅酸钙(C-S-H)、Ca(OH)₂和钙矾石相互交错,提升了浆体致密性;TIPA促进了铁铝酸四钙(C₄AF)的水化;CS_N和CS_O促进了硅酸三钙(C₃S)和C₄AF的水化,但矿物相快水化反应与致密微观结构未能实现协同。改性措施方面,使用TIPA进行分子量改性相比于氨基与羟基改性更有助于改善水泥水化进程、产物分布结构及促进水泥净浆强度发展。

装配式建筑推动了建筑行业的快速转型,实现构件的快速脱模是实现装配式行业快速发展的基础。本文研究了硫铝酸盐水泥(CSA)在低取代率(水泥质量的2.5%~7.5%)下对硅酸盐水泥早期水化性能和力学性能的影响规律,通过凝结时间、抗压强度、水化热、XRD、TG、SEM等测试手段揭示其作用机理,为实现装配式构件快速脱模提供解决思路。结果表明,CSA的掺入可以缩短硅酸盐水泥的凝结时间,促进水泥的早期水化,提高早期力学性能。当CSA从2.5%增加到7.5%时,水泥初凝时间分别降低了30%、43%和49%,终凝时间分别降低了24%、40%和46%;5%CSA掺量可使水泥样品12 h抗压强度从5.2 MPa提高到12.8 MPa,提高了169%;此外,CSA的掺入对水泥样品后期力学性能也有一定提升作用。

针对泥炭土工程性质差、改良难度高的问题,本文提出了一种由超细水泥(UFC)和普通硅酸盐水泥(OPC)组成的复合水泥固化剂(CCS)用于固化模拟泥炭土,并通过渗压试验和X射线衍射(XRD)测试研究UFC对水泥土试样渗透性的影响规律。渗压试验结果表明:CCS掺入量相同时,试样渗透系数k随UFC质量分数的增加而减小,UFC质量分数大于12%时k值下降趋势显著减缓;CCS中UFC质量分数为12%时,k随CCS掺入量的增加而减小,CCS掺入量大于25%时下降趋势明显减缓。XRD测试结果显示,试样中水化硅酸钙(C-S-H)的衍射峰强度随UFC质量分数及养护龄期的增加而增强。相较于OPC,CCS以更少的水泥用量便能达到优异的固化效果,从而实现减碳目标。

为改善陶粒混凝土的强度和脆性,本研究将聚丙烯纤维加入陶粒混凝土,共制备了180个聚丙烯纤维增强陶粒混凝土试件,并进行了立方体抗压试验、劈裂抗拉试验、轴心抗压试验和弹性模量试验。结果表明,聚丙烯纤维能有效提升陶粒混凝土的劈裂抗拉强度和拉压比,对抗压强度和弹性模量的影响相对较小。基于试验结果,本研究提出了聚丙烯纤维增强陶粒混凝土的劈裂抗拉强度与立方体抗压强度、轴心抗压强度与立方体抗压强度的换算关系模型以及弹性模量的数值模型。

为探明粉煤灰和钢纤维对超高性能混凝土(UHPC)抗冲磨性能的影响机理,本文采用宏观力学试验、水下抗冲磨试验等测试方法,结合SEM、MIP等微观表征技术,研究了粉煤灰和钢纤维对UHPC工作性能、力学性能、微观结构和抗冲磨性能的影响。结果表明,粉煤灰取代部分水泥使UHPC水化放热峰的出现延缓了约3 h,3 d累计放热量减少了18%,同时显著提高了UHPC的工作性能。粉煤灰的掺入降低了UHPC的早期力学性能,钢纤维的掺入提高了UHPC的抗折强度和抗压强度;蒸汽养护条件下,钢纤维与粉煤灰复掺使UHPC抗折强度和抗压强度分别提高了82%和47%。此外,粉煤灰对UHPC的抗冲磨性能影响很小,而钢纤维提升了UHPC的抗冲磨性能,钢纤维与粉煤灰复掺使UHPC的抗冲磨强度提升了58%。UHPC的抗压强度与抗冲磨强度呈现明显的正相关性。粉煤灰的掺入降低了最可几孔径、孔隙率和毛细孔含量,使基体内部结构更加均匀、密实。

沿海地铁等地下工程混凝土在杂散电流与腐蚀离子复合作用下易发生钢筋锈蚀。本文针对普通混凝土和碱激发矿渣混凝土,采用实时应变监测、电化学阻抗测试和微观分析等方法,探究了杂散电流作用下,钢筋在不同腐蚀环境中的腐蚀行为。结果表明,混凝土中钢筋呈点蚀行为,钢筋锈蚀产物的化学组成不受腐蚀离子以及混凝土类型影响。碱激发混凝土钢筋腐蚀速率低于普通混凝土,钢筋脱钝与混凝土锈胀开裂时间相对滞后。随着盐渍土中硫酸根离子增加,钢筋混凝土的锈胀开裂时间和锈胀开裂力呈先增大后减小的趋势,硫酸根离子延缓了氯盐导致的钢筋锈蚀。

为探寻碱激发矿渣(AAS)液相环境中钢筋钝化膜的形成和破坏机制,本文制备了不同配合比的AAS胶凝材料体系,研究了AAS真实孔溶液pH值在不同激发剂种类、碱当量、水玻璃模数、粉煤灰掺量、养护时间等因素下的经时演变规律,并对模拟孔溶液中钢筋钝化膜的生成时间、组成成分、厚度和钝化膜破坏时的临界氯离子浓度进行了经时追踪检测及分析。结果表明,AAS真实孔溶液的pH值随养护时间的增加而下降,各样品28 d时的pH值均保持在12.8以上。模拟孔溶液中pH值的增加缩短了钢筋钝化膜的形成时间,增加了钝化膜厚度,并提高了其抗氯离子侵蚀能力。AAS真实孔溶液较高的pH值可为钢筋钝化膜的稳定存在提供更有利的液相环境,从而提高钢筋混凝土结构的长期服役性能。

本文基于混凝土室内模拟海洋环境侵蚀试验,通过分析侵蚀后海工现浇混凝土的抗压强度、涂层粘结强度、混凝土中氯离子扩散行为等,研究了防腐涂装龄期对海工现浇混凝土力学性能和耐久性演变的影响规律。结果表明:与无防腐涂装混凝土相比,采用硅烷和聚氨酯涂层的防腐涂装混凝土经海洋潮汐区侵蚀后抗压强度f_c下降,且随养护龄期t_c增长,混凝土f_c降幅逐渐减小;防腐涂装可有效提高海工现浇混凝土长期抗氯离子侵蚀性能,并且随养护龄期t_c增长,防腐涂装对于降低混凝土表面氯离子含量C_s和表观氯离子扩散系数D_a效果愈发显著;综合考虑海洋潮汐区环境现浇混凝土力学性能的发展和防腐涂装措施的有效性,采用硅烷和聚氨酯涂层进行涂装时建议养护龄期分别不小于5、10 d。

为研究聚丙烯纤维水泥基复合材料(PP-ECC)桥墩与普通混凝土桥墩在压弯荷载作用下承载力差异,本文通过拟静力试验对6个局部采用PP-ECC桥墩和2个普通混凝土桥墩的抗弯性能进行试验研究。结合PP-ECC桥墩的破坏过程,确定PP-ECC桥墩的压弯破坏的特征点,之后基于PP-ECC材料的简化本构模型推导出PP-ECC桥墩的理论开裂、屈服和极限荷载公式。对PP-ECC材料进行单轴拉伸和单轴压缩试验,得到简化PP-ECC本构模型的特征参数,通过试验结果对计算结果进行验证,并对比不同轴压比和PP-ECC区高度下桥墩的抗弯承载力、最大变形的差异。结果表明:PP-ECC桥墩在开裂之后,受拉区PP-ECC并未退出工作,而是协同受拉钢筋参与截面受力;PP-ECC桥墩在达到极限荷载时,裂缝稳态发展,没有出现普通混凝土桥墩保护层混凝土大面积剥落的情况;局部采用PP-ECC桥墩极限荷载时最大变形较普通混凝土桥墩有较大提升,且增加轴压比会降低桥墩的变形能力;在较高轴压比下增加PP-ECC区高度,桥墩的抗弯承载力提升了8.8%;使用简化本构模型计算PP-ECC桥墩特征点抗弯承载力时计算精度为0.86~1.13,且方差分析值偏小,具备良好的计算精度。

超高性能混凝土(UHPC)的抗压强度与其配比成分之间存在高度非线性的复杂关系,利用传统的统计方法难以准确预测抗压强度。为解决这一问题,本文提出一种基于自动机器学习(AutoML)技术的UHPC抗压强度预测办法,同时引入沙普利加和解释(SHAP)增加其可解释性。AutoML和SHAP的集成有助于构建精确、高效且可解释的模型。结果表明,AutoML模型可自动建立,其准确性、稳健性优于基础模型。SHAP通过全局解释性分析、单样本解释分析以及特征依赖性解释分析,阐明了各个特征因素对抗压强度的影响机理,有助于UHPC抗压强度发展机制以及影响参数重要性的理解,可为UHPC的设计与应用提供参考。

为解决传统配合比设计存在的设计参数有限、过度依赖人工调整以及未能充分利用现有试验数据等问题,本文提出了一种新型的高性能混凝土(HPC)配合比智能优化策略,融合了人工智能算法与元启发式搜索技术,可实现考虑HPC多目标需求下的配合比设计。首先,构建大量HPC配合比数据及性能试验资料的数据库;其次,采用XGBoost、MLP、RF三种机器学习算法建立混凝土抗压强度与材料用量的非线性映射关系,并选择性能最佳的模型作为多目标智能优化中的强度目标函数及约束;然后,通过建立以抗压强度、经济性和环保性为目标的数学模型,并利用NSGA-II算法求解Pareto最优前沿;最后,结合理想点法获得唯一最优解。通过实际工程算例对所提出的方法进行了验证,结果表明,所提出的HPC配合比的多目标智能优化方法充分考虑了各变量之间的相互影响,极大地减少了试验数量,显著地提高了配合比设计效率,可为HPC多目标智能配合比优化设计提供参考。

伴随着我国矿产工业的快速发展,铁尾矿砂的排放量激增,目前对铁尾矿砂主要的处理方式仍以消极堆存、填埋为主,这不仅占据了大量土地资源,还造成了严重的环境污染,因此,铁尾矿砂的大规模消纳迫在眉睫。铁尾矿砂是在特定条件下,将铁矿石通过磨细、浮选或磁选等工艺选取“有用部分”后所排放的废弃物。与天然细集料相比,其颗粒较细,棱角分明且更加坚固,可广泛应用于建筑工程,其中,铁尾矿砂的地域差异、原矿组成、品位、粒度及开采选矿提炼工艺等都会对其理化性质产生较大的影响。铁尾矿砂的活性较低,需采用不同活化方法提高其活性,其中,复合活化是最有效的技术。本文针对国内外铁尾矿砂的建材资源化利用及在其他领域的应用展开了综述,归纳了利用铁尾矿砂制备混凝土对力学性能、耐久性等的影响,讨论了其应用于道路功能材料的关键性能,梳理了铁尾矿砂基砖的应用现状,评估了利用其制备地聚合物的可行性,论述了其在制备介孔分子筛及改良膨胀土方面的优势。

为充分发挥沙漠砂的颗粒填充优势和改善沙漠砂混凝土力学性能,本文基于Dinger-Funk紧密堆积理论开展了聚乙烯醇纤维沙漠砂混凝土配合比设计方法的试验研究。首先,应用Dinger-Funk紧密堆积理论得到优化砂率为42%,优化沙漠砂质量替代率为10%、20%和30%,混凝土骨料颗粒级配得到改善,混合细集料的细度模数从3.27分别降到2.92、2.81和2.71,有效孔隙率从2.50%分别降到1.65%、1.45%和1.51%;其次,采用正交试验方法,研究了水胶比、沙漠砂质量替代率、聚乙烯醇纤维体积掺量对混凝土和易性、抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的影响规律。结果表明,随沙漠砂质量替代率和纤维掺量的增加,混凝土拌合物和易性先提高后降低,抗压、劈裂抗拉和抗折强度均表现为先增大后减小的趋势。综合考虑和易性和力学性能试验结果,确定C30聚乙烯醇纤维沙漠砂混凝土最优配合比为水胶比0.45,沙漠砂质量替代率20%,聚乙烯醇纤维体积掺量0.10%。

为探索石灰石煅烧黏土复合胶凝材料体系中石灰石粉和煅烧黏土的最优配合比,本文采用响应面法进行优化试验研究,以普通硅酸盐水泥、煅烧黏土和石灰石粉掺量作为控制变量,砂浆的28 d抗压强度及28 d抗折强度为响应变量进行力学性能测试,建立矿物掺合料复配比例与力学性能之间的回归模型。在矿物掺合料为15%、30%、45%(质量分数,下同)的条件下,采用回归模型对石灰石煅烧黏土复合胶凝材料体系中石灰石粉与煅烧黏土的配合比进行优化,优化结果分别为:煅烧黏土占比15%,不含石灰石粉;煅烧黏土占比25%,石灰石粉占比5%;煅烧黏土占比30.5%,石灰石粉占比14.5%。上述体系的28 d抗压强度预测值分别为63.26、58.57、48.10 MPa,试验实测值分别为63.74、57.21、47.02 MPa,预测值与实测值之间的相对误差均小于5%。本研究为石灰石煅烧黏土复合胶凝材料体系最优配合比问题提供了新的解决思路和试验参考。

为促进高硫酸盐环境下煤矿地区煤矸石大规模利用,本文制备了不同煤矸石取代率的喷射混凝土,研究干湿循环作用下煤矸石对喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响规律,从表观形貌、质量损失率、相对动弹性模量、相对抗压强度、硫酸根离子分布演化和侵蚀前后微观形貌变化进行了研究,得到了煤矸石对喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响机理。结果表明,在硫酸盐干湿循环作用下,煤矸石喷射混凝土(CGS)的劣化过程分为强化阶段、初始损伤和宏观破坏三个阶段。CGS劣化程度受干湿循环次数和煤矸石取代率协同影响,25%(质量分数)取代率下CGS抗硫酸盐性能提升,当取代率超过25%后,CGS抗硫酸盐侵蚀能力随着取代率的增加而降低。研究成果可为CGS结构在矿下应用提供重要的理论支撑。

为明确不同浓度磷酸溶液激发偏高岭土的最佳液固比(L/S)值,本文设置了4、5、6、7、8 mol·L^-1五组磷酸溶液以及0.6、0.7、0.8、0.9四种L/S值来制备偏高岭土-磷酸基地聚物(MPAG)。以MPAG的7和28 d抗压、抗折强度作为评价指标,探究上述预设变量对MPAG力学性能的影响,进一步研究每组浓度最佳L/S值试样经硫酸盐侵蚀后的抗压强度,并对MPAG物相组成和微观形貌进行表征及分析。结果表明:MPAG主要由无定形磷酸铝相组成;当磷酸溶液浓度为4~6 mol·L^-1时,L/S值为0.6时,制得的试样抗压强度更大,溶液浓度增大至7或8 mol·L^-1时,推荐L/S值为0.7;MPAG抗硫酸盐侵蚀能力佳,浸泡28 d后抗压强度保留率达84%~93%;任一L/S值下,使用6 mol·L^-1磷酸溶液制备的试样均取得该L/S值的最大抗折强度;当L/S值为0.6时,28 d最大抗折强度为6.80 MPa。本文研究结果可为MPAG的制备及应用提供参考。

为解决尾矿预处理方法能耗高的问题,探索一种低能耗的尾矿活化方法,对部分选硫尾矿进行碱性水热活化预处理以提高其活性,改善选硫尾矿基地聚合物的力学性能。研究活化温度和活化时间对碱性水热活化效果的影响,并采用X射线衍射技术、傅里叶变换红外光谱分析、热重分析、核磁共振成像分析和扫描电子显微镜测试对活化选硫尾矿及其制备的地聚合物进行性能表征。结果表明,当选硫尾矿在200 ℃下活化2.0 h后,制备的地聚合物3和28 d抗压强度最高,分别为15.5和22.1 MPa。碱性水热活化能有效破坏选硫尾矿中的结晶相,促进活性硅铝的溶出,在凝胶体系内部形成更多水化产物凝胶,改善地聚合物的孔结构,从而提高选硫尾矿基地聚合物的抗压强度。以上结果表明碱性水热活化法是一种可有效提高选硫尾矿活性的方法。

为解决盾构渣土外运和堆放造成的成本和环境污染问题,并实现固体废弃物资源化再利用的目的,依托郑州地铁十号线某区段盾构工程,利用掘进渣土替代砂、粉煤灰、膨润土,并以稻壳灰(RHA)替代部分水泥制备微膨胀同步注浆料,探究RHA掺量、渣土粒径、水胶比、膨胀剂类型及掺量对同步注浆料工作性能及力学性能的影响。结果表明,RHA对浆料稠度和凝结时间影响较大,RHA掺量越高,浆料稠度越小,凝结时间越短。当RHA掺量为25%(以水泥质量之比计)时,浆料稠度降低27.5%,凝结时间缩短39.9%。随着RHA掺量增大,浆料抗压强度呈先降低后升高趋势。随着渣土粒径增大,浆料稠度和凝结时间减小。生石灰粉和高效静态破碎剂(HSCA)作为膨胀剂会降低浆料的稠度,但可有效增大凝结时间及抗压强度;当HSCA质量分数超过3%时,膨胀效果优于生石灰粉。经试验确定水胶比2.6、RHA掺量25%、采用大粒径渣土以及适当加入膨胀剂,可以使浆料各项指标符合工程要求,为盾构渣土和稻壳灰的再利用提供一种新思路。

地聚物作为绿色环保、价格低廉的注浆材料,要达到良好可注性需兼顾强度和流动性等注浆性能指标。为此,以液固比、水玻璃掺量和水玻璃模数为试验因素开展室内配比优化试验,构建了抗压强度、流动度和终凝时间的多元二阶响应面回归模型,并通过方差分析获得单因素及其交互作用对各注浆性能指标的影响规律。试验因素对注浆性能指标的影响程度依次为液固比、水玻璃掺量、水玻璃模数,液固比和水玻璃掺量交互作用对抗压强度的影响显著,其余两因素交互作用对注浆性能指标的影响均不显著。采用层次分析法并结合专家赋值法获取各注浆性能指标相对权重,构建多目标满意度函数对矿渣-粉煤灰地聚物注浆材料配比进行优化,据此对注浆性能指标综合最佳配比的浆液结石体进行SEM测试。结果表明,体系中仍能观测到少量球形未反应粉煤灰颗粒,矿渣颗粒和水泥颗粒基本反应完全,低聚态凝胶类反应产物重新排列和沉积延伸,相互交叉搭接构成致密且完整的空间网络状结构。

为了探究金尾矿作为混凝土细骨料使用时的重金属浸出风险,分析了金尾矿混凝土在不同pH浸提液中的浸出行为以及长期浸出特性,并运用动力学模型,预测了未来30年的重金属累积浸出量。结果表明,金尾矿中的Ba、Cd、Cr、Pb、Mn、Cu含量均超过了中国土壤元素背景值,其中Ba、Cd、Pb、Mn、Cu的浸出量较为显著。金尾矿掺量与重金属浸出量呈正相关,重金属累积浸出量在16 d后显著降低。根据30年浸出量预测,Pb、Cu、Ba的浸出量为2~3 mg/L,Cd、Cr和Mn的浸出量在1 mg/L以内,表明金尾矿在混凝土中的固化效果良好,重金属长期浸出风险较低。

为探究混杂纤维增强再生粗骨料混凝土(HFR-RCAC)的基本力学性能,以钢-聚丙烯混杂纤维(HF)体积掺量(0%、0.5%、1.0%)和再生粗骨料质量取代率(0%、25%、50%、75%、100%)为主要试验参数,共制备45组试件,进行抗压试验、劈裂抗拉试验和抗折试验,借助数字图像相关(DIC)方法对试件表面的全场位移和应变进行监测,并利用扫描电子显微镜(SEM)观察了聚丙烯纤维与再生粗骨料之间的界面过渡区的微观结构。结果表明,随着再生粗骨料替代率的增加,HFR-RCAC的力学性能有所下降,而掺入纤维可以弥补再生粗骨料带来的强度损失,显著提高其力学性能;通过DIC方法获取试件抗压破坏的全场应变演化,并基于最大主应变演化过程分析了试件表面宏、微观裂纹的动态演化特征,HF对混凝土的增强主要以阻碍宏观裂纹扩展的形式体现。利用SEM表征了聚丙烯纤维-水泥基体界面过渡区的微观结构变化,从微观角度解释了HFR-RCAC力学性能的变化以及纤维改性增强机理。

本文研究了建筑垃圾再生集料掺量对水泥稳定碎石(CSM)力学强度的影响,以强度最高或掺量最大为原则提出了再生集料最佳掺量和配比,并在最优掺量下研究了再生集料水泥稳定碎石(CSMRA)的力学强度增长规律,提出了CSRA力学强度的预测模型,并进行了可靠性验证。结果表明:CSRA抗压强度随再生细集料掺量增加先增大后减小,随再生粗集料掺量增加而降低,再生集料最大掺量为70%(质量分数);所建立的力学强度增长方程和预测模型的相关系数均大于0.98,预测值与实测值误差不大于14.0%,表明在确定水泥掺量、集料类型、矿料配比及7 d强度后,该模型可准确预测CSRA在其他养生龄期时的力学强度。

生活垃圾焚烧飞灰螯合固化后,仍存在一定环境隐患,填埋会占用大量土地,将其再利用可以减缓填埋场的压力。本文采用碱激发技术制备螯合飞灰-矿粉基碱激发胶凝材料,除探讨碱激发螯合飞灰的可行性以外,还研究了氧化钙掺量对胶凝材料性能的影响。结果表明,在氧化钙掺量为4%(质量分数)时,固化体的抗压强度最高,而当氧化钙掺量超过4%时,固化体的抗压强度则会缓慢减小。氧化钙的加入促进了C-S-H凝胶水化产物的形成,显著提高了材料的抗压强度。同时,通过浸出试验发现掺入氧化钙的固化体的重金属浸出浓度低于未掺氧化钙的固化体,并且满足规定《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB 16889—2008)限制值。

采用3D打印成型技术制备先进陶瓷往往需要添加大量有机粘结剂,陶瓷坯体中的有机粘结剂主要通过热脱脂工艺排出,故热脱脂工艺对3D打印的素坯质量具有重要影响,是实现高质量先进陶瓷制备和应用的关键。本文综述了具有代表性的3D打印陶瓷坯体中热脱脂的理论和实践问题。从有机粘结剂的组成和作用出发,比较了不同分子量有机粘结剂的受热排除方式;讨论了有机粘结剂与陶瓷颗粒表面间的相互作用及脱脂气氛对有机粘结剂热裂解的影响;描述了热脱脂过程的三个阶段及坯体结构的变化;分析了热脱脂过程中三种主要的传质途径:液相在毛细管力作用下的迁移,气相在液相中的扩散和气相在气孔中的扩散或渗透;归纳了在热脱脂过程及此前的工艺步骤中可能导致开裂或变形等缺陷的原因,并提出了相应的控制措施。

利用高强度氧化铝(Al₂O₃)作为增强相,可以改善生物活性材料羟基磷灰石(HA)的强度,但传统水热法制备的HA-Al₂O₃陶瓷无法实现孔隙大小和孔隙率的精确控制,而光固化增材制造技术可以利用高性能光固化浆料实现HA-Al₂O₃陶瓷的高精度成型。通过加入分散剂、光引发剂及光吸收剂,调节HA-Al₂O₃浆料状态,缓解HA粉末、Al₂O₃粉末和光敏树脂之间折射率不匹配而产生的严重散射效应。本研究探索了光引发剂和分散剂的种类和含量对浆料的影响,流变性和固化性能随着两者含量增加先改善后削弱,光引发剂和分散剂最佳用量分别为0.5%和4%(质量分数)。比较了石墨和甲基黄两种光吸收剂对提高打印精度的影响,虽然石墨对浆料的打印精度和流变性均有改善,但是降低了打印质量,因此确定甲基黄的用量为5.0×10^-5,最终获得了适用于高精度打印的HA-Al₂O₃光固化浆料。

Al₂O₃陶瓷具有机械性能优异、耐酸碱腐蚀和性价比高等优点,是广泛应用的结构陶瓷。国产煅烧Al₂O₃粉体存在团聚严重和钠钾杂质含量高等问题,导致国内高品质Al₂O₃陶瓷制备严重依赖进口粉体。本工作首先采用球磨的方式对国内某公司Al₂O₃粉体进行解团聚,粉体的中位粒径D₅₀从1.88 μm降低到0.90 μm;之后,通过水洗降低粉体中杂质含量,Na含量从140×10^-6降低到60×10^-6,接近国外同级别粉体水平;最后,以MgO和MgAl₂O₄为烧结助剂,采用自发凝固成型制备Al₂O₃陶瓷素坯。发现MgO引起浆料黏度增大,而MgAl₂O₄不影响浆料黏度,并且两者都能降低烧结温度和抑制晶粒异常长大,平均晶粒尺寸从41.10 μm降低到10.64 μm,提升了Al₂O₃陶瓷的力学性能。通过解团聚和除杂处理,国产Al₂O₃粉体能够达到与同级别性能最好的日本住友Al₂O₃粉体相当水平。

改善锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷灵敏度并增强其在静水压下的稳定性具有重要的实际意义。本文采用传统固相反应法,制备了xPb(Sb_1/2Nb_1/2)O₃-(1-x)Pb(Zr_0.52Ti_0.48)(PSN-PZT,x=0.018,0.020,0.022, 0.025,0.030)压电陶瓷,研究了PSN对PZT压电陶瓷物相、显微形貌、居里温度、介电性能、铁电性能及压电性能的影响,对比测试了PSN-PZT及传统高灵敏度压电陶瓷在5～30 MPa的灵敏度。结果表明,PSN的引入能明显改善PZT压电陶瓷灵敏度,提升其静水压优值(HFOM)。当x=0.020时,PSN-PZT陶瓷拥有最佳的电学性能,此时平面机电耦合系数k_p=0.641、纵向压电应变常数d₃₃=325 pC/N、横向压电电压常数g₃₁=16.642 mV·m·N^-1、等静压压电电压常数g_h (5 MPa)=9.91 mV·m^-1·Pa^-1、HFOM (5 MPa)=679×10^-15 Pa^-1。

为系统研究金刚石薄膜残余应力的产生与分布,寻求缓解残余应力的方式,本文首先采用有限元软件ANSYS Workbench对降温过程中金刚石薄膜热应力进行模拟分析,并研究薄膜厚度对热应力的影响,然后利用微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD),在氮化铝(AlN)陶瓷衬底上沉积不同厚度的金刚石薄膜,并改变薄膜降温时长和进行退火处理,最后通过SEM、Raman光谱进行表征分析。模拟显示,降温结束后热应力分布并不规律,最大主应力为拉应力,最小主应力为压应力,随着薄膜厚度的增加,最大主应力呈上升趋势,当薄膜厚度为200 μm时,最大主应力极大值为373 MPa,接近金刚石薄膜通常断裂强度范围(400~700 MPa),最小主应力和剪切应力随着薄膜厚度的增加呈下降趋势。通过Raman光谱表征得到:金刚石薄膜表面均为残余压应力,随着薄膜厚度和降温时长的增加,残余应力有所下降;经600 ℃氢气气氛原位退火处理后,薄膜应力畸变有所缓解,金刚石相拉曼峰强度有所提高。

玻璃材料具备高化学稳定性和高辐照稳定性,同时还具备高折射率以及高透光性的光学特性,这使玻璃基中子及γ射线屏蔽材料有望成为同时实现辐射屏蔽以及视觉监控的独特材料。本文从中子辐射及γ射线辐射屏蔽机理入手,结合蒙特卡罗法介绍了屏蔽材料设计思路及手段,以及多种玻璃基屏蔽材料研究现状。铅玻璃由于高毒性正逐步被淘汰,而硅酸盐、硼酸盐、硼硅酸盐等无铅玻璃已成为工业市场的主流。通过向玻璃中掺入重金属化合物(如Bi₂O₃、BaO)和稀土元素(如La、Gd),可以有效增加质量衰减系数并降低半值层,从而显著提升其屏蔽效果,但是这种掺杂方式可能会对材料的机械性能产生不利影响。此外,本文还比较了玻璃基屏蔽材料与其他类型屏蔽材料的优劣。进一步提升玻璃基屏蔽材料的综合性能,以及开发既环保又智能的新型屏蔽材料,对于推动屏蔽技术的进步与应用具有重大意义。

本文采用烧结法制备了低膨胀Li₂O-Al₂O₃-SiO₂(LAS)微晶玻璃,研究了ZnO部分取代Li₂O对LAS微晶玻璃显微结构、烧结行为、析晶行为和性能的影响。结果表明,ZnO取代Li₂O降低了LAS微晶玻璃起始析晶温度,LAS微晶玻璃在800 ℃保温10 min时便有大量Li₂Al₂Si₃O₁₀晶相析出,阻碍了玻璃的烧结收缩,而不含ZnO的LAS微晶玻璃在800 ℃析晶缓慢,有利于烧结致密化。当烧结温度为1 100 ℃时,微晶玻璃的主晶相均为β-锂辉石,其中不含ZnO的LAS微晶玻璃热膨胀系数为1.747×10^-6 K^-1,抗弯强度为138.4 MPa,介电常数为3.52,介电损耗为0.001 6。

本文采用烧结-析晶法制备了xCuO-(22.2-x)MgO-22.2Al₂O₃-55.6SiO₂(x=0、0.25、0.50、0.75、1.00,摩尔分数)(MAS)微晶玻璃,研究了CuO含量对MAS微晶玻璃析晶行为、晶相种类、微观形貌和微波介电等性能的影响。结果表明,随着CuO对MgO的取代量从0%增加到1.00%,玻璃化转变温度降低,析晶峰温度也表现出降低的趋势,Avrami指数n逐渐增加。微晶玻璃的主晶相为α-堇青石,CuO的加入促进了μ-堇青石在更低温度完成向α-堇青石的转变且有利于热膨胀系数的降低。随着CuO含量增大,微晶玻璃介电常数先增加后减小,介电损耗则是先减小后增加。在650 ℃/2 h+1 050 ℃/2 h下,CuO含量为0.25%和0.50%的微晶玻璃介电性能综合较优,在14.6~15.2 GHz频率下,介电常数分别为5.05和5.07,介电损耗分别为7.49×10^-4和7.12×10^-4,品质因数分别为20 013.35和20 786.41 GHz。

利用532 nm纳秒激光通过自下而上螺旋线的扫描方式可实现浮法玻璃高效切孔,但纳秒激光作用于玻璃时的明显热效应将使玻璃在激光切孔过程中产生崩边、孔壁表面白斑、表面微观裂纹和凹坑等缺陷行为。围绕该问题,本文通过单因素试验方法,探究了532 nm纳秒激光切孔缺陷行为。结果表明,激光脉冲频率是影响缺陷形态的关键因素,不合适的脉冲频率与脉冲能量会严重增大玻璃孔边缘崩边情况以及孔壁表面粗糙度,同时产生不均匀区域性白斑;增加扫描速度会降低孔壁表面粗糙度;较小螺旋线重叠率会导致玻璃孔壁产生波纹状表面形貌;孔壁质量较差时微观裂纹凹坑更加明显。

可溶性离子对半水硫酸钙晶须的形貌和晶体生长的影响非常显著,为了深入理解晶须调控的基础理论,本文总结了脱硫石膏中不同种类和浓度的可溶性阳离子对晶须制备影响的研究进展。低浓度的Na⁺对半水硫酸钙晶须的影响较小,几乎不影响晶须的形貌和表面光滑程度;K⁺的含量适宜在3%(质量分数)及以下,较高含量下反而对半水硫酸钙晶须的生长有不利影响;Mg²⁺使晶须表面更均匀,结晶度更高;微量具有选择性吸附作用的Al³⁺对晶须长径比几乎没有影响;与K⁺相类似,Fe³⁺也具有最佳浓度,适宜低于2 mmol/L;与上述各阳离子不同的是,Cu²⁺并非来自原料之中,是一种额外引入的离子,掺加适量的Cu²⁺有利于形成表面光滑均匀的晶须。

胶黏材料作为核电站关键材料之一,在核电应用中扮演着至关重要的角色。相较于传统的有机胶,无机胶因优异的高温稳定性、耐辐照性、耐候性及低成本效益,在核电领域的应用中显示出独特的优势。本文首先概述了无机胶的组成、结构、分类及基本特性,随后详细探讨了磷酸盐无机胶与硅酸盐无机胶的粘接机理、改性策略及性能增强方法。研究表明:通过优化填料、引入交联剂和调整固化剂等方法,可以有效提高无机胶的耐高温性能;而通过调整固化工艺、进行界面优化和引入抗氧化剂等措施,则能显著提升无机胶的耐辐照性。此外,文章还介绍了无机胶应用技术的创新,如预加载技术、固化温度的调控及粘接界面的特殊处理。本文为无机胶在核电系统中的应用提供了新的视角和策略参考,有助于核电领域胶黏技术的发展。

非接触点胶打印是一种新型、高精度、无模板、低成本的成膜技术,墨水的理化性质是决定打印薄膜质量的关键,对微电子器件性能有着重要影响。本文采用聚乙二醇400(PEG400)作为分散剂取代传统的高分子量分散剂,以乙二醇和丙三醇为溶剂、ZnO-SnO₂复合气敏材料为功能相制备高性能气敏墨水,并利用非接触点胶技术在基于微电子机械系统(MEMS)的微热板上打印ZnO-SnO₂复合气敏薄膜。根据墨水的黏度及悬浮稳定性,分析了PEG400含量和固含量对墨水理化性质的影响,通过SEM观察薄膜的微观形貌,研究结果表明,当固含量为15%(质量分数,下同)、PEG400含量为6%时,复合气敏墨水具备可打印性及低温烧结成膜特性,制备的复合气敏薄膜厚度均匀,表面平整,边缘规整,对丙酮气体有良好的响应。

玻璃固化是目前国际上公认的处理高放废液(HLLW)的最佳方案。铁磷酸盐玻璃熔制温度低,化学稳定性优异,且对非金属和稀土等元素的溶解度较高,是固化快堆、熔盐堆等第四代堆放射性废物以及压水堆干法后处理放射性废物的最佳选择。本文主要介绍了近几年来中国科学院上海光学精密机械研究所铁磷酸盐玻璃固化的研究进展,包括铁磷酸盐基础玻璃配方研究、高放废液关键核素包容、模拟高放废液铁磷酸盐玻璃固化配方等研究。开发的铁磷酸盐玻璃固化配方在上海光学精密机械研究所自行研制的Ф550 mm冷坩埚实验平台实现了127 h中试规模的连续熔炼试验验证,该研究对实现我国高放废液冷坩埚玻璃固化的工程化应用有重要的参考意义。