苏怀智, 谢威

2021, 40(4): 1053-1071.

摘要 ( 270 )

PDF (3576KB) ( 153 )

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混凝土作为水利与水电工程重要的构筑材料,在寒冷地区受到冻融循环作用,易诱发损伤和破坏,使结构性能劣化,影响结构功能的发挥和使用寿命。在对水工混凝土冻融病害案例进行统计阐述的基础上,重点从水工混凝土冻融理论、试验、数值仿真以及冻融损伤识别和冻融病害抑制与修复等方面,论述了水工混凝土冻融损伤的研究现状和存在的问题。认为今后应加强多损伤因素耦合作用下的水工混凝土多尺度冻融劣化机理研究,改进冻融试验方法,构建合适的水工混凝土冻融损伤本构模型,开发有效的三维跨尺度模型、计算方法和工具,高效实现对复杂环境下水工混凝土冻融损伤过程的精细数值模拟,以求从研究思路、方法到工程实践上形成完善的水工混凝土冻融防控理论。

加载条件对纳米石墨烯片水泥基复合材料压敏性能的影响

未立煌, 陈佳敏, 夏海廷, 郭荣鑫, 林志伟, 索玉霞, 吴一晨

2021, 40(4): 1072-1078.

摘要 ( 92 )

PDF (10148KB) ( 62 )

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研究不同纳米石墨烯片(GNPs)掺量下加载幅值(15 MPa、20 MPa、25 MPa)和加载速率(100 N/s、300 N/s、500 N/s)对纳米石墨烯片水泥基复合材料(GNPs/CC)压敏性能的影响。试验结果表明:在GNPs掺量低于0.25%(质量分数,下同)时,GNPs/CC的压敏性能与空白组相近;在掺量达到0.3%时,GNPs/CC的电阻变化率最大,且重复性最好。在GNPs掺量为0.3%的情况下,GNPs/CC的电阻变化率与应变随加载幅值的增加而增大,在加载幅值不大于20 MPa时,GNPs/CC的电阻变化率与应变的增加幅度相近,材料的灵敏因子变化较小;在加载幅值达到25 MPa时,由于电阻变化率的增加幅度大于应变的增加幅度,材料的灵敏因子出现了较明显的增加。而加载速率在纳米石墨烯片掺量为0.3%时,对材料的压敏性能无明显影响。

冲击载荷下2-2型水泥基压电复合材料力电响应特性

程文杰, 刘新科, 薛文, 冯鹏举, 张龙, 李乙, 陈江瑛

2021, 40(4): 1079-1087.

摘要 ( 89 )

PDF (12137KB) ( 47 )

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研究2-2型水泥基压电复合材料在冲击载荷下的力电响应特征,利用分离式Hopkinson压杆装置进行冲击加载,借助超高速摄影技术观察试样在冲击载荷下的破坏形貌。结果表明:冲击载荷下,压电复合材料具有明显的应变率效应,是应变率敏感材料;压电复合材料的力电响应存在一个临界值,当应力小于该临界值时,试样的电信号与施加载荷之间具有良好的线性关系;动态增强因子可以有效描述压电复合材料压缩强度的率效应规律,在线性范围内,随着应变率的增大,试样的动态增强因子也增大,且具有稳定的增长率;由Maxwell模型得到的压电复合材料应力松弛时间随应变率增大单调递减;冲击载荷下,2-2型水泥基压电复合材料与压电陶瓷的电学失效发生在力学失效之前,且均呈现“爆炸式”破碎,压电陶瓷还伴随着明显的电弧放电现象。

响应曲面法优化高强硅酸盐水泥熟料矿物组成的研究

刘永毅, 任尊超, 袁连旺, 栾从起, 王金邦, 周宗辉

2021, 40(4): 1088-1096.

摘要 ( 95 )

PDF (11796KB) ( 71 )

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硅酸盐水泥熟料的矿物组成对水泥力学性能有重要影响,传统方法通过正交试验法优化水泥熟料矿物组成,试验量大,且难以获得水泥熟料矿物组成最佳点。利用响应曲面法(RSM)优化硅酸盐水泥熟料矿物组成,基于Box-Behnken试验设计方法,揭示了石灰饱和系数(KH)、铝率(IM)、硅率(SM)与水化28 d抗压强度之间的关系,并以此建立二次模型,获得其最佳值。研究结果表明,KH、IM和SM最佳值分别为0.94、1.7和2.2,并发现采用该率值设计的水泥熟料,所制备的水泥硬化浆体孔隙率最低,因此,响应曲面法是优化硅酸盐水泥熟料矿物组成以提高水泥力学性能的有效方法,并有望改善水泥的耐久性。

铁相组分对铁相和高铁低钙水泥熟料水化性能及抗侵蚀性能影响

高金瑞, 饶美娟, 张克昌, 邓青山

2021, 40(4): 1097-1102.

摘要 ( 142 )

PDF (7311KB) ( 46 )

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随着国家海洋战略的提出,大量水泥基材料被应用到海洋工程建筑中,海洋环境对水泥基材料的侵蚀破坏也愈发受到人们的广泛关注。研究表明,水泥中的铁相具有较好的抗侵蚀性能,而铁相中Al₂O₃和Fe₂O₃的摩尔比(Al/Fe,下同)是影响铁相抗侵蚀性能的主要因素。本文设计并烧成了两种铁相单矿C₄AF和C₆A₂F(Al/Fe分别为1和2),以及铁相为C₄AF或C₆A₂F的高铁低钙硅酸盐水泥熟料(铁相质量分数均为20%)。通过对铁相单矿C₄AF和C₆A₂F,以及高铁低钙水泥熟料进行X射线衍射、水化热、抗压强度、抗硫酸盐侵蚀能力和固化氯离子能力等测试,探究Al/Fe对铁相单矿和高铁低钙水泥熟料各项性能的影响。结果表明,随着Al/Fe增大,铁相晶面间距变小,氯离子固化能力增强,而抗硫酸盐侵蚀能力有所下降。同时,熟料中铁相含量提高促进了C₃S的水化,且Al/Fe高的熟料促进效果更加明显。铁相的Al/Fe提高,水泥熟料的氯离子固化能力增强,而抗硫酸盐侵蚀性能下降则较小。

乌兰布和沙漠砂制备高延性水泥基复合材料的力学性能

李祚, 姚淇耀, 朱圣焱, 郭新华, 彭林欣, 滕晓丹, 罗月静

2021, 40(4): 1103-1115.

摘要 ( 82 )

PDF (7109KB) ( 50 )

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使用内蒙古乌兰布和沙漠砂完全代替微石英砂配置了高延性水泥基复合材料(ECC),并以砂胶比为变量,对其抗压强度、抗拉强度、抗剪强度以及抗弯强度四个方面的力学性能展开了全面的研究。抗拉试验后进一步对纤维断面使用扫描电镜(SEM)进行了观测,并采用X射线衍射分析(XRD)方法研究了沙漠砂的物质组成。结果表明,以沙漠砂配置的ECC,在相同骨料含量的条件下,其抗压强度、抗拉强度、抗剪强度以及抗弯强度均与微石英砂配置的ECC接近,延性约为微石英砂ECC的一半。除抗剪强度外,沙漠砂ECC其他各项性能均随砂胶比增大而提高,优化配比设计的沙漠砂ECC延性能够达到微石英砂ECC的水平。

高抗蚀胶凝材料的制备及其抗硫酸盐侵蚀性能研究

陈逸明, 林培桐, 李云龙, 刘锦红, 汪峻峰, 鲁刘磊

2021, 40(4): 1116-1127.

摘要 ( 85 )

PDF (11769KB) ( 68 )

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为了提高在城市污水处理系统服役的混凝土管道的抗硫酸盐侵蚀性能,本文对高抗蚀胶凝材料(HCRC)展开了系列研究。基于正交试验,以抗蚀系数为考核指标,优化矿粉、粉煤灰、硅灰和脱硫石膏替代水泥的比例,获得高抗蚀胶凝材料的最优配合比(HCRC1)。采用模拟污水浸泡法研究了HCRC1的抗硫酸盐侵蚀性能,并利用FTIR、XRD、TG-DSC、压汞法(MIP)和氮气吸附法(BJH)等测试分析了水化产物和孔结构的变化。结果表明,HCRC1由26%水泥、50%矿粉、15%粉煤灰、6%硅灰和3%脱硫石膏(均为质量分数)组成。随着在污水中浸泡时间的增加,试件抗压强度比(K_f)下降,将HCRC1浸泡在污水中100 d后,其K_f值比普通胶凝材料(NC)的高37.94%。此外,微观分析表明浸泡于污水的浆体中的Ca(OH)₂和C-S-H凝胶被腐蚀性离子部分消耗,侵蚀产物主要为石膏,其中HCRC1生成石膏比NC少。同时,与NC浆体相比,HCRC1浆体孔径更为细小,其中有害孔、少害孔向更小孔径转变,这有助于提高其抵抗腐蚀性离子侵蚀的能力。因此,所研制的高抗蚀胶凝材料具有高抗硫酸盐侵蚀性能,可用于混凝土污水管道。

早龄期磷酸钾镁水泥砂浆的抗冻性评价

缪汉良, 赵斌, 纪荣健, 杨建明

2021, 40(4): 1128-1136.

摘要 ( 79 )

PDF (6624KB) ( 50 )

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为了研究早龄期磷酸钾镁水泥(MKPC)砂浆的抗冻性,测试了在水和5%(质量分数)Na₂SO₄溶液中快速冻融早龄期MKPC砂浆试件的强度、体积变形和吸水率,分析了其物相组成和微观形貌,并将其与水化28 d的MKPC砂浆试件相比较。结果表明,快速冻融循环环境下,早龄期MKPC砂浆试件(水化龄期超过1 d)的强度衰减程度低于水化28 d的MKPC砂浆试件,经受225次冻融循环后,早龄期MKPC浆体试件的剩余强度与28 d水化龄期的MKPC砂浆试件接近,在硫酸盐冻融循环环境下MKPC砂浆试件的强度衰减程度低于水冻融循环环境下的MKPC砂浆试件。早龄期MKPC砂浆试件(水化龄期超过1 d)在冻融循环环境下有较好的抗变形能力,且明显优于水化龄期28 d的MKPC试件。水冻融循环环境下MKPC砂浆试件的抗变形能力优于硫酸盐冻融循环环境下的MKPC砂浆试件。冻融循环过程对水化28 d的MKPC砂浆硬化体孔结构的劣化作用强于水化1 d的MKPC砂浆硬化体。经受硫酸盐冻融循环的MKPC砂浆硬化体的开口孔隙率低于同条件的水冻融循环MKPC硬化体。

活性掺合料对环氧树脂修补砂浆综合性能的影响

龚建清, 李发磊, 李柯, 屈志刚

2021, 40(4): 1137-1146.

摘要 ( 78 )

PDF (7110KB) ( 76 )

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为了探究活性掺合料对环氧树脂修补砂浆的改性效果,为修补工程应用提供依据。研究硅灰和粉煤灰对环氧树脂修补砂浆力学性能、粘结强度、尺寸稳定性和抗冻性的影响,并采用扫描电子显微镜(SEM)和压汞法探究和分析影响机理。结果表明:环氧树脂使砂浆抗压强度降低,掺入硅灰可补偿强度损失,掺粉煤灰砂浆的强度随龄期增加而增加,但其中28 d和56 d强度低于对照组;硅灰和低掺量(≤10%,质量分数)粉煤灰可以提高修补砂浆粘结强度;硅灰对修补砂浆尺寸稳定性有不利影响,粉煤灰则相反;砂浆的抗冻性随着硅灰掺量增加先增加后降低,随着粉煤灰掺量增加而降低。

湿陷性黄土地区劈裂注浆桩芯结石体强度试验研究

周茗如, 李宁, 钟琳, 李少飞

2021, 40(4): 1147-1153.

摘要 ( 51 )

PDF (1126KB) ( 28 )

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为研究湿陷性黄土地区劈裂注浆桩芯结石体力学性能,通过配置五种不同配合比的注浆浆液,对其标准养护试块、同条件养护试块以及桩芯结石体分别进行龄期为3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d的抗压强度测试。结果表明:桩芯结石体的抗压强度随水胶比的增大而降低,随养护龄期的增加而呈对数增大;注浆浆液的析水率对桩芯结石体的抗压强度影响较大,黄土的密度、含水率以及桩芯结石体在黄土中的埋置深度对其抗压强度影响较小。通过影响因素分析,推出桩芯结石体抗压强度与同浆液3 d标准养护试块抗压强度的相关关系,此关系式可对湿陷性黄土地区地基加固工程的效果进行预估,为湿陷性黄土地区地基加固工程提供了桩芯结石体抗压强度的参考。

氯离子掺入方式及偏高岭土对砂浆氯离子结合性能的影响

孙明, 孙丛涛, 张鹏, 麻福斌, 李言涛, 段继周

2021, 40(4): 1154-1161.

摘要 ( 68 )

PDF (11302KB) ( 64 )

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通过模拟海砂与拌合水将相同含量的氯离子引入砂浆,研究了氯离子掺入方式及偏高岭土对氯离子结合性能的影响。采用能谱仪(EDS)分析了砂浆中氯离子含量分布,使用X射线衍射(XRD)及微商热重法(DTG)分析了水化产物的变化,采用压汞法(MIP)分析了砂浆孔隙结构的变化。结果表明,海砂型氯离子存在从砂粒表面向胶凝材料扩散的过程,而拌合水引入氯离子在砂浆中分布较为均匀。龄期1 d时,砂浆对海砂型氯离子结合性能低于拌合水引入氯离子;龄期28 d时,两种内掺型氯离子结合性能趋于一致。偏高岭土加速早期水泥水化反应,会促进砂浆对拌合水引入氯离子的结合。随偏高岭土掺量的增加,Friedel’s盐及Ca(OH)₂含量逐渐减少。20%与30%(质量分数)偏高岭土掺量下,拌合水引入氯离子对孔隙结构的细化效果更为显著。

偏高岭土对活性粉末混凝土力学性能及微观结构的影响

陈丽, 周长顺, 蒋晨辉

2021, 40(4): 1162-1169.

摘要 ( 75 )

PDF (8840KB) ( 43 )

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活性粉末混凝土(RPC)具有优异的力学性能和耐久性能,应用前景广阔。为探讨偏高岭土(MK)对RPC的影响,通过MK火山灰活性指数测试,抗压强度、抗折强度和弹性模量试验,以及X射线衍射分析仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、压汞和纳米压痕分析,研究了0%、5%、10%、15%和20%的MK等质量取代胶凝材料对RPC力学性能和微观结构的影响。研究结果表明,MK在水泥水化早期就表现出较高的火山灰活性,其中MK掺量为10%时RPC的28 d抗压强度、抗折强度和弹性模量较基准组分别提高了20.1%、18.0%和11.4%,MK的最佳掺量为10%。微观结构分析显示,MK的掺入降低了RPC基体的孔隙率,并且通过“二次水化”反应生成更多额外的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶填充基体的孔隙,改善了RPC的微观结构。纳米压痕试验研究表明,掺入质量分数为10%的MK增加了高密度C-S-H的含量,这可能归因于MK的火山灰活性和微集料填充效应。

蒸养制度对预制桥面板混凝土强度与抗渗性的影响

黄安, 李北星, 杨建波, 王丽静

2021, 40(4): 1170-1177.

摘要 ( 72 )

PDF (9968KB) ( 27 )

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为了获得预制桥面板的最佳蒸养制度,研究了蒸养温度、蒸养时间及蒸养后补充养护方式对复掺粉煤灰和矿粉配制的C55混凝土的强度和氯离子扩散系数的影响,并采用X-射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析了不同蒸养制度下胶凝材料浆体的物相组成和微结构。结果表明,蒸养温度的提高和蒸养时间的延长,对水泥的水化和浆体微结构形成有促进作用,提高了混凝土的脱模强度,但降低了混凝土的后期强度和抗氯离子渗透性能。混凝土蒸养后的补充湿润养护为未水化水泥和矿物掺合料的持续水化提供水化用水,有利于混凝土的后期强度增进和抗渗性提高。预制桥面板在55 ℃温度下蒸养6 h,蒸养后补充覆盖洒水养护7 d具有较好的综合性能。

磁化水钢纤维再生混凝土早期强度研究

丁亚红, 陈冰, 武军, 张向岗, 徐平

2021, 40(4): 1178-1185.

摘要 ( 97 )

PDF (12450KB) ( 190 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为研究磁化水和钢纤维对再生混凝土早期强度的影响,以C40强度为基准,研究分析不同磁场强度(0 mT、200 mT、260 mT、320 mT)的磁化水和不同体积掺量的钢纤维(0%、0.6%、1.2%)对再生混凝土立方体早期抗压强度和劈裂抗拉强度的影响,并对其微观结构进行观察分析。试验结果表明:钢纤维能够显著提高再生混凝土早期抗压强度和劈裂抗拉强度;磁化水对于再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度均有不同程度的提升,其中劈裂抗拉强度增幅较小;在0.6%钢纤维掺量和260 mT磁场强度下再生混凝土早期抗压强度增幅较为明显。

高强度低导热泡沫混凝土性能研究

周学军, 咸国栋, 王振, 刘哲, 王兴博, 王卫东

2021, 40(4): 1186-1192.

摘要 ( 95 )

PDF (9734KB) ( 43 )

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在工程实践中,作为装配式建筑的墙体材料,既要有较好的保温隔热性能,又要满足一定的力学性能。轻质泡沫混凝土是一种很好的选择,但普通的泡沫混凝土材料在满足热工性能时其力学性能往往表现较差。本文提出一种高强度低导热泡沫混凝土制备方法,研究了水胶比、泡沫掺量、粉煤灰掺量和聚丙烯(PP)纤维掺量对泡沫混凝土的抗压强度和导热系数的影响,并采用扫描电镜(SEM)探究了粉煤灰和PP纤维对泡沫混凝土微观形貌的影响。结果表明:当水胶比为0.6、泡沫掺量为4%(质量分数,下同)、粉煤灰掺量为25%以及PP纤维掺量为0.2%时,泡沫混凝土的抗压强度较高且导热系数较低。

冷热循环下纤维混凝土与高强钢筋间粘结强度损伤模型

张广泰, 李瑞祥, 刘诗拓, 阿迪力·赛买提, 耿天娇

2021, 40(4): 1193-1204.

摘要 ( 81 )

PDF (9281KB) ( 31 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

通过对普通混凝土(PC)、钢纤维混凝土(SFRC)、聚丙烯纤维混凝土(PFRC)与HRB500E钢筋进行冷热循环作用后的中心拉拔试验,研究不同类型混凝土的劣化机理,分析冷热循环对PC、SFRC、PFRC的质量损失、相对动弹性模量以及粘结强度的影响。试验结果表明:冷热循环后,混凝土的质量损失和动弹性模量损失增加,钢筋与混凝土的粘结强度下降;掺入钢纤维、聚丙烯纤维的试件,其粘结强度衰减有所减弱,并且聚丙烯纤维的抑制效果更为明显。结合试验数据,对国内外的Petersen模型、Xu模型和Wu模型进行对比分析,同时考虑冷热循环对相对动弹性模量和相对粘结强度的影响,基于Weibull概率分布理论和强度衰减模型,建立了纤维混凝土与高强钢筋间粘结强度劣化模型,并通过本文数据对其进行了验证,粘结强度实测值与计算值比值的平均值为0.97,标准差为0.07,两者吻合良好,可为冷热环境下纤维混凝土结构耐久性设计提供理论参考。

机制砂-石屑复合细集料对不同强度等级混凝土性能的影响

童小根, 张凯峰, 孟刚, 罗作球, 胡宇博, 王佳敏, 王博, 王国峰

2021, 40(4): 1205-1212.

摘要 ( 61 )

PDF (1308KB) ( 31 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为了合理利用机制砂、石屑组成的复合砂,从而缓解天然河砂的不足,通过采用级配合成计算的方法快速确定两者之间的最佳搭配比例,以获得满足国家规范II区中砂技术指标要求的复合砂。分别研究了不同掺配比例的复合砂对C30~C50强度等级混凝土工作性、力学性能及耐久性能的影响。结果表明,不同组合比例的复合砂对混凝土性能具有不同程度的改善作用,当机制砂与石屑二者的比例为6c∶4(质量比)时,各强度等级混凝土综合性能最优。

高浓度硫酸盐环境下桥梁桩基混凝土防腐技术

穆松, 郭政, 刘光严, 周莹, 谢德擎, 蔡景顺, 刘凯

2021, 40(4): 1213-1219.

摘要 ( 68 )

PDF (10005KB) ( 40 )

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结合西南某公路桥梁工程桩基混凝土的抗硫酸盐腐蚀需求,研究10%(质量分数)高浓度硫酸盐溶液作用下防腐技术对混凝土抗压强度、抗压强度耐蚀系数及硫酸根离子传输的影响。通过气泡结构和微观形貌分析了防腐技术的作用机理。结果表明,高浓度硫酸盐侵蚀环境下,“膨胀剂+矿物掺和料”类防腐剂防腐效果表现为早期优异后期破坏严重,“盐结晶抑制”类防腐剂长期抗腐蚀效果更优。矿物掺和料、“膨胀剂+矿物掺和料”类防腐剂主要通过提升密实度和优化孔径分布来延缓硫酸根的侵入,而“盐结晶抑制”类防腐剂既可一定程度优化混凝土孔隙结构,又可抑制结晶性膨胀产物的生成。

我国现行规范中混凝土气泡参数计算方法的问题与建议

陈歆, 李立辉, 刘旭, 田波, 葛勇

2021, 40(4): 1220-1227.

摘要 ( 127 )

PDF (946KB) ( 49 )

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根据各气泡参数的几何意义,推导了基于直线导线法的混凝土气泡分布密度与气泡间距系数计算公式,复核了欧美与我国各现行规范中对气泡参数计算的规定,并对我国现行规范在该方面存在的问题提出了修正建议。复核发现,我国铁路、公路、水运与部分电力规范中对临界浆气比的取值为4.33,应改为4.34。公路规范所给出的气泡间距系数计算公式中部分系数存在错误,不符合气泡间距系数的几何意义。我国公路与水运规范中都没有注意到当含气量或含浆量取“%”为单位时,其值为以体积比比值表示时的100倍,若要保持计算公式中各项系数不变,应规定含气量与含浆量本身就是体积比比值。除铁路规范外,我国现行规范中还普遍存在计算气泡空间密度时误将1 mm³混凝土中气泡个数定义为1 000 mm³混凝土中的气泡个数以及在计算气泡间距系数(单位mm)时误将平均10 mm导线切割的气泡个数(单位cm^-1)作为气泡频率(单位mm^-1)代入计算公式的问题。以上问题都需要在各规范的下一次修编工作中重视与更正。

钢壳沉管自密实混凝土工作性能评价方法的对比试验研究

于方, 宋神友, 李汉渤, 范志宏, 林伟才, 罗伟

2021, 40(4): 1228-1237.

摘要 ( 59 )

PDF (13794KB) ( 25 )

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自密实混凝土目前尚无统一的工作性能评价方法。通过在室内开展500~850 mm扩展度范围的自密实混凝土工作性能指标的对比试验,从填充性、间隙通过性和抗离析性能三个方面对自密实混凝土的性能评价方法进行了讨论。结果表明:采用坍落扩展度U_SF、扩展时间T₅₀₀、L型仪测试通过率H₂/H₁和视觉稳定性指数A_VSI的综合评价指标可对自密实混凝土的工作性能进行较好的表征;U_SF和T₅₀₀对自密实混凝土的填充性可以进行比较好的评价;L型仪或J环试验对自密实混凝土的间隙通过性可以进行较好的评价;对现场混凝土的稳定性可先采用视觉稳定性试验(VSI)初步评价,需要定量评价时,可采用离析率筛析试验(GTM筛析法);对侧墙等竖向构件混凝土的抗离析性评价,除了采用GTM筛析法之外,必要时还需增加压力泌水试验。

大断面钢壳自密实混凝土管节浮态浇筑模型试验研究

陈灿, 王雪刚, 范志宏, 于方, 曾俊杰

2021, 40(4): 1238-1242.

摘要 ( 85 )

PDF (3269KB) ( 54 )

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深中通道沉管隧道具有超大跨度、超宽、大回淤等特点,其采用钢壳包裹素混凝土的结构使钢壳制作与混凝土浇筑实现了场地分离,为验证深中通道钢壳自密实混凝土管节施工工艺可行性,进行了大断面模型试验,对自密实混凝土性能、钢壳浮态预制浇筑工艺和模型结构质量进行研究,确保管节在施工过程的可靠性。通过对自密实混凝土的制备,混凝土拌合物性能满足流动性、填充性和抗离析性能等基本性能要求。结果表明,通过对大断面模型浮态浇筑试验中模型混凝土温度和应变监测、抗压强度测试,钢壳自密实混凝土的温度得到了较好控制,所配制的自密实混凝土具有较好的体积稳定性。混凝土28 d抗压强度均在50 MPa以上,其密实性和匀质性较好,满足配制指标要求,钢壳沉管自密实混凝土浮态浇筑施工工艺可行。

混凝土分数阶应力松弛J体流变模型研究

秦毅

2021, 40(4): 1243-1249.

摘要 ( 84 )

PDF (1576KB) ( 27 )

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为了更好地解决混凝土结构的长期稳定性问题以及研究混凝土结构的应力松弛特性,建立一种非定常分数阶应力松弛时效性模型。该模型采用分数阶理论将传统整数阶应力松弛模型进行分数阶化,通过构建损伤变量、时间与模型参数之间的关系,且考虑到分数阶模型的分数阶阶数受时间作用的影响,建立一种新型非定常分数阶的应力松弛时效性本构模型;最后,通过试验数据验证模型的正确性与合理性。结果表明,模型曲线与试验曲线高吻合度,说明采用非定常分数阶模型来反映岩石应力松弛全过程变形规律是合适可行的,其可以较好地描述应力松弛变化全过程,总体上该模型拟合度远远高于J体模型,后者在较大应变作用下,模型曲线与试验曲线具有较大偏离度。

偏高岭土-粉煤灰基地聚物砂浆力学性能研究

管柏伦, 郭荣鑫, 齐荣庆, 付朝书, 张敏, 张文帅

2021, 40(4): 1250-1257.

摘要 ( 79 )

PDF (11297KB) ( 52 )

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本研究以偏高岭土和粉煤灰为原料,以不同模数(0.75、1.00、1.25、1.50)和碱浓度(质量分数)(40%、44%、48%)的钾水玻璃为碱激发剂,微珠、蛭石和珍珠岩为细骨料来制备地聚物砂浆试件。主要通过测试地聚物砂浆试件常温及1 000 ℃高温作用后的抗压强度,探明碱激发剂模数和浓度对砂浆试件力学性能的影响,并利用XRD、SEM手段对地聚物的物相组成及微观形貌进行表征。结果表明:当碱浓度不变时,除40%碱浓度外,其余试件的抗压强度随模数的增大先升高后略微降低或者基本不变。当模数不变时,除模数为0.75的试件外,其余试件的抗压强度随碱浓度的增大先升高后降低。当模数为1.00且碱浓度为44%时,试件的抗压强度最高,历经1 000 ℃高温后地聚物砂浆试件相对残余强度仍能维持42%及以上,该温度下水化产物为白榴石(KAlSi₂O₆)和钾霞石(KAlSiO₄),地聚物在常温下有大量絮状的水化产物生成且微观结构较为致密。

磷酸基地聚合物多孔材料的制备及其隔热防火性能研究

安然, 徐中慧, 帅勤, 胡丹, 向应令, 韩林沛

2021, 40(4): 1258-1265.

摘要 ( 86 )

PDF (15174KB) ( 38 )

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以偏高岭土为原料,磷酸为激发剂,过氧化氢为发泡剂,制备了磷酸基地聚合物多孔材料。研究了液固比及二氧化锰掺量对磷酸基地聚合物多孔材料物理性能、隔热防火性能的影响。结果表明,液固比在1.56~1.76范围内时,可制备出孔隙分布均匀、结构良好的磷酸基地聚合物多孔材料。当液固比为1.71时样品有最大抗压强度2.73 MPa和最低导热系数0.17 W/(m·K)。液固比一定时,添加二氧化锰能提高过氧化氢的分解率和分解速率,从而影响孔隙结构。当二氧化锰掺量为0.10%(质量分数)时,样品的导热系数下降,干密度和孔隙率增大,抗压强度保持在2.09 MPa。经过3 h耐火极限测试后,1.71液固比及0.10%二氧化锰掺量下样品背面温度最终保持在262 ℃左右。综合XRD和SEM分析可知,耐火极限测试后,两种样品中均出现薄片状结构鳞石英、鳞石英型磷酸铝(T-AlPO₄)相。

激发剂对碱矿渣水泥砂浆中碱-硅酸反应的影响

魏浩光, 高璇, 周仕明, 张付阳, 汪晓静, 姚晓

2021, 40(4): 1266-1272.

摘要 ( 107 )

PDF (7849KB) ( 72 )

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采用硅酸钠溶液为激发剂制备碱矿渣(AAS)水泥砂浆,在80 ℃的1 mol/L氢氧化钠溶液中养护以加速碱-硅酸反应(ASR)进程,研究了激发剂碱含量和硅酸盐模数对ASR膨胀破坏的影响。结果表明,AAS砂浆中出现了危险性ASR膨胀破坏。激发剂中Na₂O掺量大于4%(质量分数)时,砂浆在14 d龄期的ASR膨胀率超过0.1%,且当激发剂硅酸盐模数在1.2~2.0范围内时膨胀率更大。ASR产物主要分布在集料颗粒表面与AAS凝胶相接触的界面区,附近可观测到明显的裂缝扩展。ASR膨胀破坏同时引发了砂浆抗压强度损失。

利用铜尾矿作硅质原料制备硅酸盐水泥熟料的研究

严峻, 聂松, 刘松柏, 邱廷省

2021, 40(4): 1273-1279.

摘要 ( 65 )

PDF (7989KB) ( 30 )

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利用铜尾矿作硅质原料,配制了不同率值的硅酸盐水泥生料,在不同温度(1 350 ℃、1 400 ℃和1 450 ℃)下进行煅烧,得到了相应的硅酸盐水泥熟料样品。利用乙二醇-乙醇法测定样品中的游离氧化钙f-CaO研究了水泥生料的易烧性,利用差示扫描量热仪(DSC)测试生料的吸放热峰研究了铜尾矿对水泥矿物形成温度的影响,并通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析了熟料的矿物组成和微观结构。结果表明,与砂岩配料相比,采用铜尾矿作硅质原料配料烧制硅酸盐水泥熟料时,液相出现和C₃S开始形成的温度均更低,生料的易烧性更好。熟料石灰饱和系数(KH)低于0.92,1 400 ℃的煅烧温度下即可制备出f-CaO符合标准要求的硅酸盐水泥熟料,C₃S的尺寸约为20 μm,熟料的结构更加致密。

新型赤泥基充填材料的制备与性能研究

王旭东, 李伟斌, 赵君, 左楠楠, 史竹青, 王鹏程, 王维维, 高卫杰

2021, 40(4): 1280-1285.

摘要 ( 81 )

PDF (6334KB) ( 34 )

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为弥补多数矿用充填材料因成本较高而在煤矿开采过程中存在的不足,并有效解决铝行业固废赤泥大量堆积、无法处理的现状,通过多种添加剂与主原料的有效掺和,开发出一种可用于煤矿井下沿空留巷充填工艺的新型赤泥基充填材料,并对其抗压强度、凝结时间、流动性以及稳定性等性能指标进行研究。结果表明:新型赤泥基充填材料单浆流动性好,凝结时间大于6 h;材料中的赤泥添加量可调控(质量分数在0%~50%);成型材料早强快硬,初凝时间仅为25 min,抗压强度1 d可达8.4 MPa,3 d可达10.3 MPa,7 d可达12.3 MPa;成型材料封膜浸渍长达14 d,浸出液pH值保持为6,赤泥组分中的碱性物质得到良好的固化,造成污染的概率低。

改性夯土墙材的强度影响因素相关性研究

刘蕾, 姚勇, 张玲玲

2021, 40(4): 1286-1295.

摘要 ( 63 )

PDF (12757KB) ( 29 )

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夯土建筑是中国传统民居建筑的主要形式之一。它具有就地取材、冬暖夏凉、施工方便、能耗低、绿色环保等优点,应在美丽乡村建设中得到极大的传承和应用。但传统夯土墙材由素土构成,存在强度低、耐水性差等缺点,从而限制了其推广使用。以四川西北地区的素土为原料,选用水泥、砂、碎石、纤维、EFS(易孚森)土体稳定剂为改性材料制备改性夯土墙材,以期提高其抗压强度,并研究改性后各影响因素与抗压强度的相关程度,以及微观改性机理。结果表明,龄期、水泥掺量、砂及碎石总掺量、EFS掺量、纤维种类与抗压强度之间的偏相关系数依次为0.77、0.72、0.68、0.64、0.61。水泥、砂及碎石骨料、EFS土体稳定剂掺量的增加和龄期的增长,均有利于提高试件的抗压强度。通过XRD、IR、SEM分析可知,水泥水化反应产生的胶凝产物与土颗粒之间进行包裹、填充、连接,整体结构间孔隙率减少,形成更致密而稳定的微观结构,从而提高了改性材料的抗压强度。

冻结过程中水分盐分结晶相变对盐渍土压力的影响

谭仁义, 吴道勇, 黄佑芬, 吴诗雨

2021, 40(4): 1296-1303.

摘要 ( 65 )

PDF (8877KB) ( 38 )

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冻胀和盐胀导致土体变形破坏对建筑基础、公路铁路路基等构成严重威胁。本文开展了冻结过程中水分盐分结晶相变对盐渍土压力的影响试验研究,结果表明:冰晶压力随着含水率的增加而增大;在一定干密度和含水率下,盐结晶压力随着含盐量的增大而增大。冻结过程中,土压力首先保持不变,然后迅速增大,最后迅速降低至稳定。冰晶压力与盐结晶压力作为张应力作用在孔隙壁上使得土颗粒间相互挤压,达到峰值应力后,土体结构破坏和土颗粒重分布导致土压力迅速降低至稳定。此外,还讨论了传统盐结晶压力方程和冰晶压力方程的适用性,最后对冰晶压力方程进行了修正。

正交试验法及响应曲面法优化某铁矿细磨中间粒级产率的对比试验

裴英杰, 肖庆飞, 张谦, 马帅, 武煜凯

2021, 40(4): 1304-1311.

摘要 ( 74 )

PDF (5242KB) ( 27 )

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基于正交试验法与响应曲面法,针对山西某铁矿磨矿产品中间易选粒级产率低的问题,通过单因素试验探究磨矿时间、磨矿浓度和介质充填率对中间易选粒级产率的影响规律,开展优化细磨中间粒级产率的试验研究。结果表明,采用正交试验法和响应曲面法得到的最优中间易选粒级产率分别为81.27%和81.80%。响应曲面法优化后得到的最佳磨矿条件为:磨矿时间14.15 min、磨矿浓度70.80%(质量分数)、充填率30.50%(体积分数),该条件优于正交试验法最佳条件,响应曲面法在分析因素之间交互作用对中间易选粒级产率的影响具有一定优势。研究明确了响应曲面法可充分实现提高磨矿产品中间易选粒级产率的目的,为相关厂矿同类问题提供可借鉴的方法。

电炉镍铁渣重金属浸出研究

苏青, 谢红波, 陈哲, 麦俊明, 吴春丽

2021, 40(4): 1312-1317.

摘要 ( 66 )

PDF (4623KB) ( 21 )

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通过分析电炉镍铁渣的矿物成分和物相组成,考察不同粒度电炉镍铁渣的重金属含量,采用BCR(Bureau Community of Reference)连续提取方法和调节浸提剂pH值进行电炉镍铁渣的浸出测试。结果表明:粉末状电炉镍铁渣的重金属含量最高,完整电炉镍铁渣的重金属含量小于破损的重金属含量;电炉镍铁渣属于一般工业废物,不属于危险废弃物;水溶态中重金属Cd更容易浸出,重金属Cu、Ni在弱酸环境下更容易浸出,在可还原状态下重金属Cr、Pb和Mn更容易浸出,在可氧化态下Zn和Cu更容易浸出;除Cu和Pb外,pH值的降低会导致电炉镍铁渣中的重金属浸出量增大,呈L型浸出曲线,Cu在碱性环境下会加速浸出,而Pb只有在强碱环境下才会大量浸出,因此在强碱环境下要注意Pb的浸出检测。

尖晶石型无钴黑色陶瓷颜料的研究进展

张翔, 李治桥, 马国军, 王强, 刘孟珂

2021, 40(4): 1318-1329.

摘要 ( 134 )

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黑色陶瓷颜料目前被广泛应用于陶瓷装饰领域,其传统制备工艺需加入氧化钴,但氧化钴的高价限制了黑色陶瓷颜料的发展,因此开发无钴黑色陶瓷颜料成为陶瓷颜料研究领域的热点之一,而尖晶石型无钴黑色陶瓷颜料因其出色的耐高温性、气氛适应性和化学稳定性受到众多研究者的青睐。本文基于尖晶石型无钴黑色陶瓷颜料的相关研究进展,围绕其呈色机理、制备原料种类和制备工艺等方面进行了详细的阐述与分析。目前,制备该类陶瓷颜料的原料主要分为化工原料、矿物原料和工业固废,制备工艺则主要包括传统高温固相法、微波焙烧法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法、溶液燃烧法等,所制备颜料的呈色性能主要受原料组成中过渡金属元素之间摩尔比、焙烧温度和保温时间的影响。相较而言,采用微波焙烧工业固废制备该类陶瓷颜料具有良好的应用前景,但制备过程中尖晶石形成规律和演变机理以及工业固废所引入的杂质组分对颜料性能的影响还有待进一步研究。

碳纤维长度以及添加量对碳化硅网状多孔陶瓷性能的影响

金新新, 林鹏, 刘峰, 李赛赛, 李明辉, 夏晓宇, 劳栋, 贾文宝, 单卿

2021, 40(4): 1330-1337.

摘要 ( 89 )

PDF (7157KB) ( 68 )

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为提高有机泡沫浸渍法制备的碳化硅网状多孔陶瓷的抗折强度,采用碳纤维对碳化硅网状多孔陶瓷进行增强。研究了添加剂和碳纤维对碳化硅陶瓷浆料流变性能和触变性能的影响以及碳纤维长度和添加量对试样微观结构、气孔率、耐压强度、抗折强度的影响。结果表明:当分散剂-FS20添加量为0.1%(质量分数),增稠剂-CMC添加量为0.1%(质量分数),粘结剂-CL添加量为0.05%(质量分数)时,碳化硅陶瓷浆料的流变性能和触变性能达到最佳,碳纤维的加入增加了浆料的粘度;另外,随着碳纤维添加量和长度的增加,试样的抗折强度呈现先增大后减小的变化趋势。当碳纤维长度为1 mm且添加量为0.75%(质量分数)时,试样抗折强度达到最大。

陶瓷添加剂ISOBAM对氧化铝浆料流变性能的影响

林小清, 王浩键, 梁若繁, 宋小姣, 吴敏, 关康, 彭诚, 杜杨

2021, 40(4): 1338-1343.

摘要 ( 158 )

PDF (4123KB) ( 67 )

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ISOBAM(异丁烯-马来酸酐共聚物)是一种新型的陶瓷添加剂,主要用作凝胶注模成型中浆料的分散剂和凝胶剂。以α-Al₂O₃为对象,分别研究了pH值、ISOBAM添加量和球磨时间对Al₂O₃浆料流变性质的影响及Al₂O₃浆料的凝胶机理。结果表明,ISOBAM对氧化铝浆料有明显的分散作用,其主要分散机理是ISOBAM通过羧基的氢键作用吸附在氧化铝颗粒表面,增加了颗粒表面负电荷密度,提高了颗粒Zeta电位绝对值。其中,添加0.2%质量分数的ISOBAM的浆料可以快速凝胶化,原因是浆料的pH值接近等电点,ISOBAM分子和氧化铝能够通过氢键作用而形成凝胶网络。

高固含量聚硅酸钾基防火凝胶及其在复合防火玻璃中的应用

商珂, 王俊胜, 赵璧, 吴颖捷, 林贵德, 赵婧, 金星, 刘丹

2021, 40(4): 1344-1351.

摘要 ( 87 )

PDF (14923KB) ( 69 )

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通过蒸发浓缩的方法制备了高固含量硅溶胶分散液,采用纳米粒度及Zeta电位分析仪研究了蒸发浓缩前后分散液中无机粒子粒径和Zeta电位的变化。进而,以高固含量硅溶胶分散液为原料,氢氧化钾溶液为固化剂,制备了高固含量聚硅酸钾基防火凝胶和复合防火玻璃,采用小型耐火试验炉、热重分析、扫描电子显微镜、红外光谱等测试手段,研究了复合防火玻璃的耐火性能及防火凝胶的热稳定性和耐火机理。结果表明:蒸发浓缩的方法对纳米粒子的粒径和分散稳定性几乎没有影响;分散液固含量的提高能够极大地提升复合防火玻璃的耐火隔热性,并一定程度上提升防火凝胶的热稳定性。

锂硫电池正极材料的研究进展

查成, 张天宇, 季雨辰, 刘树和

2021, 40(4): 1352-1360.

摘要 ( 377 )

PDF (8519KB) ( 227 )

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世界能源短缺危机日益严重,发展可再生能源成为必然趋势,而储能系统的研究则成为其中的关键。另外,锂离子电池在电子设备中有着重要的作用,但是其较低的理论比容量,使之难以满足大型电子设备的需求。锂硫电池具有数倍于锂离子电池的理论比能量密度(2 600 Wh·kg^-1)和理论比容量(1 675 mAh·g^-1),而且单质硫储量丰富、价格低廉,因此锂硫电池是非常具有应用前景的储能器件。正极材料对锂硫电池性能具有重要的影响,并得到广泛研究。本文综述了近年来硫/碳、硫@碳/金属化合物、硫/杂原子掺杂碳以及负载催化剂的硫/碳等各类复合材料在锂硫电池中的研究进展,并对其发展进行了展望。

La₂Mo₂O₉掺杂钛酸铋钠铁电陶瓷的微观结构与光电性能

汤海佩, 周昌荣, 姚凯, 谭云川, 钟明强, 袁昌来

2021, 40(4): 1361-1369.

摘要 ( 51 )

PDF (15800KB) ( 43 )

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铁电陶瓷的极化内建电场可分离光生载流子并有效降低载流子间的复合率,但是其高带隙限制了对光的吸收。本文以具有良好铁电性能的Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)陶瓷为基体,通过掺杂La₂Mo₂O₉降低光学带隙,提高光电流密度。样品使用传统固相法制备,随后分析了此陶瓷的XRD、拉曼、光吸收、光电流、铁电和介电性质。结果表明,La₂Mo₂O₉掺杂能显著提高光吸收强度,随其含量增加,光学带隙值先明显下降,然后缓慢增加。在掺杂含量为0.7%(摩尔分数)时,陶瓷的带隙值最低为1.57 eV,远低于纯BNT陶瓷的2.9 eV,对应的最大光电流密度和开路电压为71.06 nA/cm²和4.40 V,得到的最大输出功率为312.7 nW/cm²,并且随时间增加变化不大,同时保持很好的铁电性能。研究结果表明,La₂Mo₂O₉改性BNT铁电陶瓷是一种非常有前景的铁电光伏材料。

ZnO/EP复合材料的制备及其导热性能

刘蓉, 陈果, 李良锋, 高鹏飞, 王玉平

2021, 40(4): 1370-1377.

摘要 ( 73 )

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采用溶胶-凝胶法制备纤锌矿型氧化锌(zinc oxide,ZnO)粉体,考察了煅烧温度对ZnO粉体质量的影响;将不同煅烧温度获得的ZnO填充于环氧树脂(epoxy resin,EP)得到系列ZnO/EP复合材料,采用红外光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)和场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscope,FESEM)对ZnO/EP复合材料进行结构和形貌表征,研究了ZnO粉体粒径及填充量对ZnO/EP复合材料导热性能的影响。结果表明,ZnO粉体粒径随煅烧温度升高而增大,其中700 ℃下制得的ZnO粉体粒径最大且纯度高。当ZnO填充量一定时,ZnO粉体粒径越大,越有利于提升ZnO/EP复合材料的导热性能;随ZnO填充量的增加,ZnO/EP复合材料的热导率不断提高,当ZnO体积分数为30.05%时,复合材料热导率达到0.54 W/(m·K),较纯环氧树脂提高了184%,且保持良好的力学性能。

壳核结构SiC/C纤维的制备与吸波性能的研究

王坤, 张涛, 王建, 夏龙

2021, 40(4): 1378-1387.

摘要 ( 74 )

PDF (17801KB) ( 62 )

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采用活性碳纤维转换法制备了壳核结构SiC/C纤维,采用拉曼光谱、SEM、XRD以及热重分析等测试方法对比研究了生成SiC的厚度对壳核结构SiC/C纤维样品的热重及吸波性能的影响。结果表明:包裹SiC壳层后样品吸波性能得到提高,样品厚度为3.0 mm时,保温4 h样品的最小反射损耗在8.24 GHz处达到-17.22 dB,低于-10 dB(90%的电磁波被吸收)的频宽在2.0 mm处达到4.8 GHz(11.12~15.92 GHz);保温3 h样品的最小反射损耗在8.23 GHz处达到-14.45 dB,低于-10 dB(90%的电磁波被吸收)的频宽在2.0 mm处达到4.56 GHz(10.88~15.44 GHz);且随着SiC含量的升高,试样微波吸收性能有所增强;制备的壳核结构SiC/C纤维样品起始氧化温度提高了150 ℃以上,并且最终残余质量在50%左右,即包裹SiC纤维后样品的抗氧化能力大大提高。

化学组成对轻烧镁铝尖晶石结构与性能的影响

陈庆洁, 周俊虎, 管锡萍, 杨冰冰, 杨金娇, 李楠

2021, 40(4): 1388-1394.

摘要 ( 110 )

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相比传统电熔镁铝尖晶石和烧结镁铝尖晶石,轻烧镁铝尖晶石晶格畸变大,反应活性高,所制备的铝镁浇注料抗渣渗透性更好。本文以工业氧化铝和轻烧镁砂细粉为原料,在1 600 ℃下烧结合成Al₂O₃质量分数在68%~76%的富镁尖晶石(68%和70%)、正尖晶石(72%)和富铝尖晶石(76%)试样,研究Al₂O₃含量对尖晶石试样常温物理性能、物相组成、晶体结构参数和显微结构的影响。结果表明:Al₂O₃含量的增加提高了试样的显气孔率;富镁尖晶石试样的物相为尖晶石和少量方镁石,其余试样只有尖晶石相;富铝尖晶石的晶格畸变大于富镁尖晶石和正尖晶石,晶粒尺寸和平均孔径小于富镁尖晶石和正尖晶石。

盐冻融循环下温/热拌胶粉改性沥青混合料高低温性能研究

王岚, 郭志祥, 张宝鑫, 宋长振, 何立琦

2021, 40(4): 1395-1404.

摘要 ( 80 )

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对温拌胶粉改性沥青混合料(CR-WMA)、热拌胶粉改性沥青混合料(CR-HMA)进行了三轴重复蠕变试验、小梁弯曲试验及弯曲蠕变试验,研究了其在盐冻融循环作用前后的高低温性能,并利用Burgers模型对蠕变数据进行了拟合分析。结果表明:随着冻融循环次数的增加,CR-WMA与CR-HMA的高低温性能均逐渐下降,在冻融循环次数为0~15次时高低温性能降低速度最快,之后变化趋于平缓,而CR-WMA比CR-HMA性能降低的速度要缓慢、程度要小;随着盐浓度的增加,CR-WMA与CR-HMA的高低温性能均逐渐下降,在盐浓度为8%(质量分数)时下降幅度达到最大,而CR-WMA比CR-HMA下降趋势要缓和。通过蠕变数据拟合出的粘弹参数变化规律也验证了上述结论,均表明掺加SDYK型表面活性剂温拌剂可有效地提高胶粉改性沥青混合料的高低温性能,使其抵抗盐侵蚀及冻裂病害的能力更佳。

可降解汽车尾气的沥青混合料开发及工程应用

李威睿, 彭庚, 伍燕华, 董学乾, 徐世法

2021, 40(4): 1405-1412.

摘要 ( 63 )

PDF (5756KB) ( 38 )

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针对城市汽车尾气所造成的空气污染问题,开发了纳米二氧化钛基光催化降解材料(WLSF-TiO₂),将其添加到薄层罩面沥青混合料中,并在北京市景山前街路面预防性养护工程中进行了应用。室内研究与对比评价表明,添加该材料后,沥青混合料的路用性能仍然满足规范要求,与普通二氧化钛基光触媒材料相比,其对汽车尾气中主要污染物(NO_x、HC、CO)的降解效果提高约30%;实体工程应用检测结果表明,添加WLSF-TiO₂的路面,其路幅范围内汽车尾气中主要污染物降解效果可达10%左右。

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