钱国权, 唐国武, 吴敏波, 钱奇, 陈东丹, 杨中民

2021, 40(8): 2471-2484.

摘要 ( 143 )

PDF (4818KB) ( 112 )

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2 μm波段光纤激光可被广泛应用于激光雷达、生物医疗、环境监测以及光谱学等领域,而Tm³⁺掺杂玻璃光纤是2 μm波段光纤激光重要的增益介质。本文从Tm³⁺掺杂玻璃的发光特性出发,介绍了Tm³⁺掺杂玻璃光纤的制备技术,综述了不同玻璃基质材料掺Tm³⁺光纤的研究进展。最后,指出了制备高性能Tm³⁺掺杂玻璃光纤需要解决的关键问题,提出了可能的解决方法,并对Tm³⁺掺杂玻璃光纤发展趋势进行了展望。

工程水泥基复合材料动态力学性能及抗爆抗冲击能力研究进展

杨谨鸿, 李秀地, 王起帆, 罗银剑

2021, 40(8): 2485-2496.

摘要 ( 118 )

PDF (7160KB) ( 64 )

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工程水泥基复合材料(ECC)是一种基于微观力学设计的新型纤维增强水泥基材料,它通过连续稳态开裂过程表现出超高延性和韧性,从而克服了普通水泥基材料抗拉能力弱、易开裂的缺点。本文综述了ECC设计机理、动态力学性能及其在抗爆抗冲击方面的研究现状,分析了材料组分设计、高应变率和高温环境对ECC性能的影响,对ECC材料在抗爆抗冲击领域的进一步研究和发展提出了建议。

水分散聚合物乳液改性水泥砂浆的研究进展

石鑫, 徐玲玲, 冯涛, 韩健, 张盼

2021, 40(8): 2497-2507.

摘要 ( 121 )

PDF (2127KB) ( 82 )

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随着我国建筑行业的快速发展和工程品质意识的提高,聚合物改性水泥砂浆因其优异的应用性能而受到广泛关注,水分散聚合物乳液是一种被广泛应用在水泥砂浆中的聚合物外加剂。本文介绍了聚合物乳液改性水泥砂浆的发展史,从力学性能和耐久性方面介绍了聚合物乳液改性水泥砂浆的性能,探究了聚合物乳液对水泥砂浆的改性机理,并对其未来的研究方向进行了讨论。

硫铝酸盐水泥抗酸侵蚀性能与机理研究

齐秋霖, 周健, 葛仲熙, 李辉, 徐名凤, 陈智丰, 张振秋, 崔素萍

2021, 40(8): 2508-2514.

摘要 ( 127 )

PDF (9080KB) ( 81 )

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本文研究了硫铝酸盐水泥(CSA)在盐酸和硫酸环境下的力学性能演化规律,并探究了其抗酸侵蚀机理。分别测试了水和酸溶液养护的CSA胶砂试件的抗折强度,计算了CSA的抗酸侵蚀系数。采用XRD、TGA、CT和SEM分析了酸侵蚀导致的产物种类和数量变化,表征了微观结构演化过程。结果表明:与普通硅酸盐水泥(OPC)相比,CSA在盐酸和硫酸中抗折强度损失率更低,具有更好的抗盐酸和硫酸侵蚀能力;CSA主要水化产物(钙矾石)比OPC主要水化产物(氢氧化钙和硅酸钙凝胶)更难与酸反应,因此抗酸侵蚀能力更强。盐酸与硫酸对CSA的侵蚀机制略有不同,盐酸对CSA的侵蚀过程实质上为氢离子对CSA水化产物钙矾石的酸解,硫酸对CSA的侵蚀则是氢离子和硫酸根离子的共同作用。

分散剂对石墨烯水泥基复合材料压敏性能的影响研究

王悦, 王琴, 郑海宇, 詹达富

2021, 40(8): 2515-2526.

摘要 ( 60 )

PDF (17508KB) ( 59 )

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石墨烯能显著改善水泥基复合材料的压敏性能,而分散剂是影响石墨烯分散以及复合材料性能的关键因素。本文通过紫外分光光度仪、超景深显微镜、激光粒度仪及Zeta电位测试,研究了聚羧酸减水剂(PCE)、聚氧乙烯(20)山梨醇酐单月桂酸酯(TW-20)、十二烷基磺酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)4种分散剂对石墨烯分散性能的影响,并通过直流二电极、直流四电极和交流二电极测试研究了4种分散剂对石墨烯水泥基复合材料导电性能和压敏性能的影响。结果表明:在去离子水和水泥孔溶液中,PCE由于静电斥力和空间位阻的协同作用,对石墨烯具有良好的分散性;而在水泥孔溶液中,TW-20、SDS、SDBS与Ca²⁺之间的络合作用导致分散效率显著下降。石墨烯水泥基复合材料的导电和压敏性能与石墨烯在水泥基体中的分散性密切相关,掺PCE的石墨烯水泥基复合材料的电阻率最小,压敏性能最优。另外,SDS、SDBS的引气作用也会影响水泥基体的孔结构,导致电阻率增大,压敏性变差。

EPS颗粒对超轻水泥基复合保温材料性能的影响

吴子豪, 王武祥, 刘广东, 王爱军, 张磊蕾, 杨俊

2021, 40(8): 2527-2533.

摘要 ( 74 )

PDF (1169KB) ( 48 )

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聚苯乙烯泡沫塑料颗粒(EPS颗粒)作为水泥基复合保温材料的超轻骨料,对水泥基复合保温材料力学性能、热工性能影响显著。以水泥为胶凝材料,EPS颗粒、混合材、泡沫剂和改性剂、水等为主要原料,采用物理发泡工艺制备干表观密度不大于120 kg/m³的超轻水泥基复合保温材料(UCIM)。通过设计不同体积掺量的EPS颗粒,分析EPS颗粒掺量对泡沫混凝土基体孔结构、超轻水泥基复合保温材料强度和热工性能的影响规律。结果表明,适宜掺量EPS颗粒可显著提高超轻水泥基复合保温材料抗压强度和抗拉强度,并确保超轻水泥基复合保温材料具有良好的热工性能,即通过EPS颗粒与泡沫混凝土基体的协同作用,协调力学性能和热工性能,制备出高性能超轻水泥基复合保温材料。

新型油井水泥物相组成调控及力学性能研究

倪修成, 程小伟, 黎俊吾, 王晶, 高显束, 张高寅, 张春梅, 刘开强

2021, 40(8): 2534-2545.

摘要 ( 81 )

PDF (34651KB) ( 41 )

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为了解决页岩气开采时固井水泥环产生破坏失效的问题,通过矿物组成计算和调整生料配比,采用岩相、XRD分析以及扫描电镜测试手段,开展油井水泥物相组成调控研究,探索不同矿物组成的水泥力学性能及相关水化产物。结果表明:所研制的新型油井水泥7 d抗压、抗折强度分别为45.3 MPa、8.9 MPa;28 d抗压、抗折强度分别为54.2 MPa、9.6 MPa;7 d弹性模量降至7.1 GPa,与G级油井水泥相比降低了14.4%,显示出更为优异的力学性能。通过微观分析得出新型油井水泥力学性能增强的机制是由于矿物组成的改变使其水化产物中产生了更多的C-S-H凝胶,同时铁相含量的提升也生成了更多富铁(铝)凝胶,水化产物之间形成紧密的桥联结构,整体结构更为密实。新型油井水泥抗压、抗折强度以及韧性都较G级油井水泥更为优异,对于页岩气安全、高效的开采具有重要参考价值。

阻锈剂对海水拌和再生胶砂力学性能和钢筋腐蚀行为的影响研究

练松松, 孟涛, 赵羽习, 卢予奇

2021, 40(8): 2546-2553.

摘要 ( 46 )

PDF (7686KB) ( 29 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

针对海水拌和再生骨料混凝土的耐久性问题,对比分析了两种阻锈剂在单掺和复掺下对海水拌和再生胶砂力学性能和钢筋腐蚀行为的影响,并通过X射线衍射(XRD)、压汞(MIP)等测试手段分析其影响机理。结果表明:海水拌和再生胶砂在不掺阻锈剂的情况下前期腐蚀速度较快,7 d后腐蚀速度较慢,逐渐趋于钝化;氨甲基丙醇对海水拌和再生胶砂力学性能和钢筋锈蚀性能起不利影响,主要原因是其抑制了水泥水化进程,增加了孔隙数量;五水偏硅酸钠能使海水拌和再生胶砂中的钢筋发生钝化,具有显著阻锈作用,同时可促进C-S-H的形成,优化孔结构,对海水拌和再生胶砂力学性能影响较小。该试验可对海水拌合再生骨料混凝土耐久性的改善和服役安全性的提升提供参考。

净水功能型透水混凝土的组成设计研究

贾军红, 余越, 郭育光, 牛子东

2021, 40(8): 2554-2563.

摘要 ( 65 )

PDF (1381KB) ( 41 )

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为净化雨水和补充地下水,设计了一类净水功能型偏高岭土基地聚合物透水混凝土。通过研究壳聚糖掺量、碱激发剂模数与碱当量对偏高岭土基地聚合物浆体力学、吸附特性的影响,制备了一种可用于透水混凝土的高吸附性浆体材料。基于此,进一步探讨了透水混凝土骨料堆积孔隙率、浆集比(P/A)等体积结构参数对其净水、透水与力学性能的影响。结果表明:随着壳聚糖掺量的增加,偏高岭土基地聚合物的强度呈先提高后降低的趋势,Pb²⁺的吸附量呈增大趋势;随着骨料堆积孔隙率的增大,透水混凝土的力学和净水性能均减弱,透水性增强;随着浆集比的增大,透水混凝土力学与净水性能增大,透水性减小。最终设计出净水、透水与力学性能协调的透水混凝土,其28 d抗压强度、透水系数和Pb²⁺去除率分别为20.1 MPa、0.67 cm/s和90.5%。

MgO和CaO对碱矿渣混凝土抗碳化性能的影响

郑昊, 梁咏宁, 詹建伟, 季韬

2021, 40(8): 2564-2573.

摘要 ( 96 )

PDF (11095KB) ( 47 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

与普通硅酸盐水泥(OPC)混凝土相比,碱矿渣混凝土(AASC)的抗碳化性能较差。为了提高AASC的抗碳化性能,本文采用MgO和CaO代替部分矿渣制备AASC,研究了加速碳化环境下掺MgO和CaO的AASC在不同碳化龄期的抗压强度和碳化深度,并结合 X 射线衍射(XRD)、同步热分析(TG-DTG)和扫描电镜-能谱(SEM-EDS)等技术分析了MgO和CaO对AASC抗碳化性能的改性机理。结果表明,MgO和CaO分别促进了AASC中Mg-Al水滑石和Ca-Al层状结构的生成,这两种水化产物在碳化过程中会吸收和消耗CO₂,缓解C-S-H的碳化分解。此外,加速碳化后,掺入MgO的AASC中有碳酸钙镁和碳酸镁生成,掺入CaO的AASC中碳酸钙的量明显增多,这些碳化产物可有效填充孔隙,阻碍CO₂向内部进一步的扩散。因此,在碳化环境下,掺MgO和CaO的AASC抗压强度保留率更高,碳化深度更低,表现出更好的抗碳化性能。

结合均匀化理论对钢纤维混凝土梁的疲劳性能分析

贺正波, 王辉明

2021, 40(8): 2574-2583.

摘要 ( 44 )

PDF (7835KB) ( 21 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

钢纤维混凝土(SFRC)在工程中应用日益广泛,为了探究其疲劳破坏现象内在机理,本文结合Mori-Tanaka均匀化理论预测了不同体积掺量下钢纤维混凝土的弹性模量,并以此为基础建立钢纤维混凝土梁四点弯曲有限元模型,采用Miner疲劳损伤准则,分别进行了静力抗弯试验和疲劳试验的数值模拟。模拟结果与相关试验结果拟合较好,验证了模型的可靠性。利用疲劳分析软件,预测了钢纤维混凝土梁的疲劳寿命和疲劳强度,分析了纤维掺量、尺寸效应和纤维长度对疲劳寿命的影响。结果表明:钢纤维可以大幅提高混凝土梁的疲劳寿命,应力水平越低、纤维掺量越大,增幅越大;尺寸效应对疲劳强度和疲劳寿命有一定影响,但随着构件尺寸增加对疲劳性能影响减小;纤维长度越长,梁的抗疲劳性能越好。

泡沫铝-钢纤维混凝土静态压缩性能试验研究

梁力, 王立然, 李明姝, 高轩麟, 李明

2021, 40(8): 2584-2590.

摘要 ( 56 )

PDF (8651KB) ( 34 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为研究静态荷载作用下的泡沫铝-钢纤维混凝土复合结构抗压性能,利用万能试验机分别对泡沫铝孔径为3~6 mm、6~9 mm、9~12 mm,钢纤维掺量(体积分数)为0%、0.5%、1.0%、1.5%的泡沫铝-钢纤维混凝土复合层试件进行压缩性能试验和拌合物性能分析,根据试验数据分析泡沫铝的孔径效应对泡沫铝-钢纤维混凝土复合结构压缩性能的影响规律。结果表明:钢纤维混凝土立方体抗压强度随着钢纤维掺量的增加逐渐增大,当钢纤维掺量为1.5%时,与素混凝土相比,其立方体抗压强度约提高22.6%;泡沫铝-钢纤维混凝土复合结构抗压强度相比较钢纤维混凝土提高约5.3%~8.2%,并且泡沫铝-钢纤维混凝土复合结构的静态压缩应力-应变曲线上会出现一段平台区,且平台区会随着泡沫铝孔径的增加而逐渐变长。

辅助胶凝材料对预应力高强混凝土管桩强度及工艺的影响

樊祺, 杜红秀, 赵壮

2021, 40(8): 2591-2599.

摘要 ( 42 )

PDF (11073KB) ( 29 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为优化混凝土管桩生产工艺,以硅灰(SF)和偏高岭土(MK)作为辅助胶凝材料,研究硅灰和偏高岭土对不同蒸养时间下混凝土抗压强度的影响,并使用X射线衍射(XRD)和扫描式电子显微镜结合能量色散谱(SEM-EDS)分析其水化产物及微观结构。通过Design-Expert8.0软件设计Box-Behnken试验,以硅灰掺量、偏高岭土掺量和蒸养时间三个因素为自变量,蒸养混凝土抗压强度为响应值,构建多因素回归方程模型。结果表明:硅灰掺量为胶凝材料质量分数8%时,对抗压强度略有提高,提高幅度为6.2%,达到83.6 MPa;5%、8%和10%(质量分数)掺量的偏高岭土均可提高蒸养混凝土的抗压强度,蒸养4 h、8 h、12 h时,10%掺量的偏高岭土对混凝土抗压强度的提升幅度依次为15.6%、13.2%和13.6%,蒸养4 h、8 h和12 h对混凝土抗压强度影响不大。XRD和SEM-EDS结果表明,硅灰和偏高岭土均消耗了Ca(OH)₂,提升了水泥早期水化程度,可以改善内部孔结构。通过响应面法建立模型可以预测,当硅灰质量分数为6.6%、偏高岭土质量分数为10%、蒸养时间为8.6 h时,混凝土抗压强度最高,达到104.8 MPa,且具有较高置信度。

高原地区抗冻引气混凝土含气量设计方法研究

李雪峰, 付智, 王华牢

2021, 40(8): 2600-2608.

摘要 ( 56 )

PDF (9098KB) ( 34 )

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对高原与平原地区不同水胶比引气混凝土的含气量、气泡间距系数及抗冻耐久性指数进行测试,同时搜集整理国内外相关研究成果,研究分析了高原低气压环境对引气混凝土含气量损失、气泡间距系数变化及临界抗冻耐久性指数的影响。结果表明:相较于平原地区,高原低气压环境下引气混凝土含气量损失增大,硬化后混凝土含气量损失约1.0%~1.5%;硬化混凝土含气量与气泡间距系数的对数间存在良好的线性关系,但高原低气压环境可能劣化引气混凝土的气孔结构;硬化混凝土气泡间距系数与抗冻耐久性指数间也具有良好的线性关系,且不受环境气压影响;以引气混凝土气泡间距系数为桥梁,提出一种基于混凝土抗冻耐久性要求的高原地区引气混凝土含气量设计方法。

混凝土内部湿度场与自约束应力场的研究

钟卓, 黄乐鹏, 张恒

2021, 40(8): 2609-2621.

摘要 ( 58 )

PDF (17423KB) ( 39 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为防治混凝土自约束作用导致的开裂现象,对混凝土内部湿度场和自约束应力场开展了研究。通过位移传感器、温湿度传感器对不同强度、养护条件下的混凝土收缩、内部温度和湿度进行测试。之后,通过理论推导,建立混凝土内部湿度、应变与内部湿度关系的理论计算模型。研究表明,混凝土内部湿度随着水泥水化作用和干燥作用的增强而降低。混凝土湿度扩散系数是表征其内部湿度的函数,随着与干燥面的间距增加,混凝土内部湿度扩散系数增大。混凝土的收缩变形与内部湿度之间存在显著的相关性,计算模型与试验结果拟合良好。混凝土内部湿度场的存在导致了应变梯度的存在,进而使混凝土内部产生自约束应力。相同环境条件下,高强混凝土内部自约束应力高于普通强度混凝土。

粉煤灰基沸石处理氮磷废水的研究进展

崔家新, 王连勇, 张坤, 孙延文, 韩建丽

2021, 40(8): 2622-2630.

摘要 ( 82 )

PDF (1042KB) ( 36 )

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近年来,粉煤灰因其价格低廉、产量高,且与沸石结构相似,常被用来作为合成沸石的原材料。在水处理方面,粉煤灰基沸石处理氮磷废水的研究颇受广大学者青睐。本文简介了粉煤灰的理化性质及利用现状,概述了粉煤灰基沸石因其独特的内部结构所具有的三个特性:离子交换性、吸附性、催化性。介绍了粉煤灰基沸石除氮、磷的机理,重点论述了粉煤灰基沸石对低、中、高不同浓度的氨氮废水、含磷废水、氮磷共存废水处理的进展情况。最后分析了该领域目前存在的问题及未来发展趋势。

基于铅锌冶炼渣碱激发材料固化铬渣的研究

方露, 黄萧

2021, 40(8): 2631-2639.

摘要 ( 44 )

PDF (12345KB) ( 30 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

利用铅锌冶炼渣(LZSS)制备碱激发材料并固化铬渣(COPR)来实现废物共处理。通过单因素试验和正交试验探讨了碱含量、水玻璃模数、液固比和初始养护温度对碱激发LZSS强度的影响。基于上述试验,利用碱激发LZSS固化铬渣,并通过抗压强度和重金属浸出评价铬渣固化体的性能。结果表明:碱含量为2.5%(质量分数,下同),水玻璃模数为1.5,液固比为0.19,初始养护温度为35 ℃时,碱激发LZSS的最高抗压强度达到84.49 MPa;随着铬渣掺量的增加,铬渣固化体的抗压强度逐渐下降;铬渣掺量为40%(质量分数)时固化体强度降低至1.42 MPa;铬渣固化体(掺量0%~40%)中重金属Zn和Cr的浸出浓度远低于相应标准限值(美国EPA方法1311和中国GB 5085.3—2007),且环境扫描电镜(配备能谱仪)、X射线衍射和傅里叶红外光谱表征结果证明Zn和Cr可以通过化学和物理手段被有效固定。

碱激发钢渣矿渣复合基层材料的强度特性及微观机制

吴旻, 谢胜华, 葛根旺

2021, 40(8): 2640-2646.

摘要 ( 107 )

PDF (4446KB) ( 86 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

围绕钢渣再利用、钢渣矿渣复合材料强度提升及微观作用机理这3个问题,从无侧限抗压强度和劈裂强度两个指标分析混合料不同养护龄期下的宏观强度,同时进行XRD、SEM和热重分析等微观试验,探讨了在石灰激发作用下,钢渣矿渣基层材料的水化产物生成和强度变化内在机制。强度试验结果表明:当矿渣掺量在10%(质量分数)以内,石灰与矿渣的质量比在1∶1~1∶2时,混合材料各龄期的无侧限抗压强度和劈裂强度较高。微观试验结果表明:适量Ca(OH)₂能够提高矿渣中SiO₂的水化反应速率,从而提升复合材料早期强度。此外,水化反应生成钙矾石、粉煤灰及钢渣中惰性组分的细料填充作用也是材料早强增长的有利因素。而粉煤灰的火山灰效应和钢渣中C₂S的持续水化反应则有助于复合材料后期强度的提升。

超细矿渣粉在水泥颗粒中的密实填充作用

黄法礼, 王振, 易忠来, 程欢, 温家馨, 袁政成, 靳昊, 李化建

2021, 40(8): 2647-2652.

摘要 ( 75 )

PDF (2442KB) ( 46 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

超细矿渣粉可以填充水泥基材料内部孔隙,改善其微观结构和宏观性能。采用微粉堆积密度测定仪法、Puntke饱和点用水量法、LCPC(法国路桥实验中心)最小需水量法、浆体相对密度法、标准稠度需水量比法5种试验方法定量分析了超细矿渣粉掺量对水泥-超细矿渣粉体系堆积密实度的影响,并将这5种试验方法测定的结果与Reschke理论计算值、Andreasen方程-灰色关联分析结果、Aim-Goff模型预测值进行了对比分析。结果表明,采用不同测试或分析方法得到的水泥-超细矿渣粉体系堆积密实度差异较大,但水泥-超细矿粉体系堆积密实度随超细矿渣粉掺量变化的趋势基本一致。浆体相对密度法和标准稠度需水量比法等方法,对胶凝材料体系堆积密实度的变化更为敏感,更适用于表征胶凝材料体系的堆积密实度。Aim-Goff模型预测结果与试验测试结果基本一致,且对堆积密实度的变化也较为敏感,建议采用Aim-Goff模型预测胶凝材料体系堆积密实度的变化规律。

细粒黄金尾矿制备烧结砖的试验研究

段旭晨, 孟凡涛, 魏春城, 李占冲, 穆清林, 刘哲坤, 王玉良

2021, 40(8): 2653-2658.

摘要 ( 44 )

PDF (14206KB) ( 25 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为了解决细粒黄金尾矿的堆存对环境的污染和资源浪费问题,以细粒黄金尾矿为主要原料,添加膨润土、粉煤灰制备烧结砖。对原料基本成分分析后,采用模压成型法来制备烧结砖,主要研究焙烧温度、保温时间、以及物料的不同配比对烧结砖性能的影响。结果表明:最佳组成为尾矿75%(质量分数,下同),膨润土15%,粉煤灰为10%;最佳工艺条件为成型水分10%,成型压力20 MPa,焙烧温度1 175 ℃,保温时间50 min。在该条件下制备的烧结砖的抗压强度为38.71 MPa,抗折强度为10.54 MPa,体积密度为1.908 g/cm³,吸水率为3.5%。

再生砖混粗骨料颗粒的形态表征与分析

杨秀芬, 黄佳富, 戴大旺, 杨潮军, 孟涛

2021, 40(8): 2659-2669.

摘要 ( 55 )

PDF (9506KB) ( 32 )

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本文采用图像处理技术对再生砖混粗骨料的颗粒形态进行了表征,计算并分析了各组分的高宽比、圆整度和紧凑系数等特征参数的分布情况。试验结果表明,通过颜色分析可以准确识别骨料材质,基于识别结果求得的骨料颗粒的高宽比、圆整度和紧凑系数具有相似的分布规律。砖、石、木和陶瓷4种组分中,砖和石占比较大,其特征参数也相差较小,针状颗粒少,圆整度好,而木骨料则多为针状颗粒,高宽比较大,陶瓷则由于具有较高的强度,其面积和周长相较于其余骨料最大。此外,砖、石骨料不同等效直径的级配分布基本成正态分布,能够混合形成一种级配良好的骨料。研究成果有助于揭示再生砖混粗骨料的颗粒形态特点,推动再生砖混粗骨料的研究和应用。

基于响应面法的可控低强度材料配合比优化研究

朱祐增, 刘浩, 黄锐, 张鹏

2021, 40(8): 2670-2679.

摘要 ( 69 )

PDF (11897KB) ( 52 )

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针对混凝土再生细骨料利用率不高的问题,可将再生细骨料用于制备可控低强度材料(CLSM),并利用响应面分析(RSM)为CLSM配合比设计提供一种新的方法。以水固比、聚羧酸减水剂掺量、水泥占胶凝材料比例(灰胶比)为试验因素,以流动度和泌水率的比值(流泌比)和28 d抗压强度为响应值,进行多指标优化。单因素试验表明,水固比和聚羧酸减水剂掺量提高会导致CLSM流动性和泌水率上升,而随着灰胶比提高CLSM流动度和泌水率呈逐渐减小的趋势。双响应面分析结果表明,水固比和灰胶比、减水剂掺量和灰胶比对流泌比交互作用显著,而各参数之间对28 d抗压强度的交互作用一般。最后,通过对两个响应值同时优化得到CLSM的最优配合比,经验证与实际基本一致,实现了对CLSM工作性能和抗压强度的多指标优化。

利用砖混建筑废弃物制备再生混凝土的性能研究

张献蒙, 刘旭, 柏彬, 彭千, 冀韦伊

2021, 40(8): 2680-2686.

摘要 ( 88 )

PDF (4209KB) ( 40 )

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由砖混建筑废弃物制备的再生粗骨料通常含有部分碎砖粗骨料。为研究碎砖含量对混凝土性能的影响,将再生混凝土粗骨料和碎砖粗骨料按不同比例(体积分数)混合制备混合型再生粗骨料,并以30%的取代率取代天然骨料浇筑混凝土试块进行试验研究。研究结果表明:混凝土破坏时,天然粗骨料沿粗骨料与砂浆之间的界面过渡区断裂失效,而碎砖粗骨料则是贯穿粗骨料内部断裂失效;当碎砖含量不超过18%时,对混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性能没有明显影响,碎砖含量超过18%时,抗压强度和抗氯离子渗透性明显下降;碎砖含量越大,混凝土抗盐冻能力越差;当砖含量不变时,水灰比越高,再生碎砖粗骨料对混凝土抗压强度的不利影响越小。

多孔陶瓷的制备方法及研究现状

袁绮, 谭划, 杨廷旺, 陆文龙, 臧佳栋, 李浩宇, 鄢文超, 张升伟, 卢亚, 张海波

2021, 40(8): 2687-2701.

摘要 ( 521 )

PDF (13321KB) ( 417 )

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近年来,多孔陶瓷材料在保温、气体过滤、催化载体、分离膜、窑具、骨和牙齿的生物医学替代品,以及传感器材料等领域应用越来越广泛。针对多孔陶瓷制备工艺和性能的研究呈现快速发展的趋势,并取得了大量的研究成果。本文以多孔陶瓷的制备工艺为主线,综述了部分烧结法、牺牲模板法、复制模板法、直接发泡法和3D打印法等5种主要多孔陶瓷制备方法的发展现状与研究成果。同时也探讨了各种方法的优缺点以及未来的发展方向,为多孔陶瓷的进一步发展提供了指导和参考。

SiC/C纤维热力学生长机理研究

杨凡凡, 张瑜, 张涛, 王健, 赵伟, 李晋宇, 王坤, 刘玉浩, 郝桓民, 范丽君, 黄小萧, 温广武

2021, 40(8): 2702-2712.

摘要 ( 83 )

PDF (10825KB) ( 61 )

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使用乙二醇作为稀释剂将硅溶胶稀释,得到不同浓度的硅溶胶溶液,用作涂覆商用碳纤维的原料。碳纤维表面改性后涂覆硅溶胶溶液,取出后在Ar气氛中于1 600 ℃保温30 min,硅溶胶涂层与碳纤维发生碳热还原反应形成SiC覆盖层。对制得的产物进行形貌和结构表征,并根据热力学数据对SiC包覆层的生长动力学和高温扩散机制进行研究。计算结果表明,反应过程为扩散控制。SiC/C纤维比碳纤维有更优异的耐高温氧化性能,为低成本制备新型陶瓷纤维提供可借鉴的思路和热力学依据。

β-SiC粉体中常见金属杂质的亚临界水热去除工艺

王波, 段晓波, 邓丽荣, 王嘉博, 陆树河, 王晓刚

2021, 40(8): 2713-2718.

摘要 ( 49 )

PDF (4927KB) ( 29 )

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高纯β-SiC粉体作为原料,广泛应用于半导体晶圆、半导体窑具、半导体芯片设备用陶瓷器件等产品。高温高压可以促进水热反应,采用亚临界水热法可去除工业合成β-SiC粉体中的金属杂质。研究不同酸体系下β-SiC粉体中常见金属杂质的去除效果。利用电感耦合等离子原子发射光谱仪(ICP-OES)检测微量元素的含量,通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对β-SiC粉体的物相组成和微观结构进行表征。结果表明,对于Cr和Zr去除效果较好的是HCl体系,对于Ca、Fe、Mg和Ti去除效果较好的是HCl+HF+HNO₃体系,对于Al和K去除效果较好的是H₂SO₄+(NH₄)₂SO₄体系。采用HCl体系处理的最佳反应温度为200 ℃,采用HCl+HF+HNO₃体系处理的最佳反应温度是220 ℃,采用H₂SO₄+(NH₄)₂SO₄体系处理的最佳反应温度是200 ℃。其中,H₂SO₄+(NH₄)₂SO₄体系可将β-SiC粉体中常见金属杂质含量降低至最少(杂质总含量为920.31 mg/L),因此该体系为β-SiC粉体除杂的最优方案。

La₂O₃对镁铝尖晶石透明陶瓷致密化及其性能的影响

吕思敏, 杨金萍, 韩丹, 刘梦玮, 章健, 王士维

2021, 40(8): 2719-2725.

摘要 ( 76 )

PDF (8865KB) ( 46 )

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镁铝尖晶石透明陶瓷兼具了良好的光学和力学性能,在军、民两用领域有着广泛的实际和潜在应用前景。由于其致密化速率低,在烧结过程中往往需要引入烧结助剂。稀土倍半氧化物熔点高,高温不易挥发,近些年被证实可以促进镁铝尖晶石陶瓷的致密化,但其促烧机理尚不明确。本文以高纯商业化镁铝尖晶石粉体为原料,La₂O₃为烧结助剂,采用无压预烧结合热等静压烧结,制备镁铝尖晶石透明陶瓷,通过XRD、SEM、紫外-可见分光光度计、万能试验机等测试手段对其致密化过程及其力学和光学性能进行表征和分析,研究了La₂O₃对镁铝尖晶石透明陶瓷致密化过程的影响规律和作用机制。结果表明,La₂O₃通过与尖晶石反应或固溶产生晶格畸变,增加缺陷浓度,从而起到促进致密化的作用,一定程度上降低了预烧温度和热等静压温度。对于190 MPa、1 500 ℃热等静压烧结3 h的样品,La₂O₃掺杂可以显著提高紫外区域的透过率;同时,La偏析到晶粒表面,抑制了尖晶石晶粒的生长,从而提高了样品的力学强度。掺杂0.05%(质量分数)La₂O₃样品较未掺的样品,400 nm处透过率从63%提高到81%,弯曲强度从263.7 MPa提高至319.0 MPa,断裂韧性从1.69 MPa·m^1/2提高至1.82 MPa·m^1/2。

抛光渣体系发泡陶瓷的发泡性能研究

戴永刚, 陆成龙, 张银凤, 张国涛

2021, 40(8): 2726-2733.

摘要 ( 48 )

PDF (11390KB) ( 28 )

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以工业上成熟的抛光渣体系配方制备发泡陶瓷,探讨了烧结温度对其发泡性能的影响。同时,与外加发泡剂的抛光渣体系发泡陶瓷试样的显微结构、线收缩和体积膨胀率进行了对比分析,探讨了孔结构对发泡陶瓷试样强度和热稳定性的影响。研究发现,抛光渣具备一定的发泡能力,自身可发泡形成尺寸为10~200 μm(1 160~1 220 ℃)的球形气孔结构,孔壁的结构较致密。其对烧结温度十分敏感,在1 180~1 200 ℃范围内,发泡陶瓷试样的体积膨胀了2倍。外加SiC发泡剂能显著提高抛光渣体系发泡陶瓷试样的发泡能力,使其气孔尺寸增加10倍左右,但气孔形状不规则,孔壁结构中存在微小气孔。研究结果表明,外加发泡剂后,抛光渣自身发泡形成的壁孔结构使发泡陶瓷气孔率增加,强度损失较少,导热系数降低,且壁孔结构中的气孔分布不均匀,使发泡陶瓷的热稳定性降低。

熔制气氛对石英玻璃中羟基含量及稳定性的影响

肖鹏, 王玉芬, 向在奎, 聂兰舰, 王蕾, 邵竹锋, 符博, 贾亚男, 王慧, 王宏杰, 饶传东, 张辰阳

2021, 40(8): 2734-2739.

摘要 ( 111 )

PDF (7245KB) ( 49 )

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以Ⅲ类石英玻璃为研究对象,从实际试验熔制角度,探究了不同熔制气氛下石英玻璃沿径向方向上羟基的含量及分布情况,并对羟基的形成原因及稳定性进行了初步分析。结果表明,不同熔制气氛下的石英玻璃中羟基分布均呈现出中间高边缘低,中性气氛中羟基含量最低,还原气氛中羟基含量最高。停料空烧方法可改善原有氧化气氛中石英玻璃产率较低的情况,但会导致砣面表面不平整,边缘羟基含量大幅增加。不同熔制气氛下的石英玻璃经高温热处理后羟基含量趋于一致,还原气氛下的降幅最大,约55%。

Ga掺杂FeNb₁₁O₂₉材料的制备及其电化学性能

黄晋萍, 陈庆, 李建保, 骆丽杰, 陈拥军

2021, 40(8): 2740-2747.

摘要 ( 61 )

PDF (11917KB) ( 43 )

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FeNb₁₁O₂₉由于其高的理论充电容量(400 mAh·g^-1),作为锂离子电池(LIBs)负极材料具有很大的应用前景。然而,目前报道的FeNb₁₁O₂₉实际容量仅有168~273 mAh·g^-1。因此,有必要进一步提高其电化学性能。本文介绍了一种制备Ga掺杂FeNb₁₁O₂₉材料的方法,成功合成了Ga_xFe_1-xNb₁₁O₂₉(x=0.1,0.2)。结果表明,Ga_0.2Fe_0.8Nb₁₁O₂₉的电导率比FeNb₁₁O₂₉提高了两个数量级。X射线衍射结果显示,Ga掺杂不会改变FeNb₁₁O₂₉的正交剪切ReO₃晶体结构。扫描电镜结果显示,材料的微观形貌没有发生明显改变。电化学实验表明,Ga_0.2Fe_0.8Nb₁₁O₂₉具有较好的电化学性能,在电流密度为0.1 C时,Ga_0.2Fe_0.8Nb₁₁O₂₉充电容量为290 mAh·g^-1,当电流密度达到5 C时容量仍能保持145 mAh·g^-1,此外,Ga_0.2Fe_0.8Nb₁₁O₂₉具有良好的循环稳定性,在电流密度为5 C时循环1 000圈之后,容量保持率为91.0%,而不掺杂的FeNb₁₁O₂₉的充电容量仅有107 mAh·g^-1,容量保持率仅为55.9%。利用Ga掺杂改善FeNb₁₁O₂₉负极材料的电化学性能在锂离子电池中具有广阔的应用前景。

SiO₂/g-C₃N₄复合粉体制备及其光催化性能

徐泽忠, 邹慧, 曹显志, 吴阳, 韩成良

2021, 40(8): 2748-2754.

摘要 ( 45 )

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以Stöber法制备出的二氧化硅(SiO₂)微球和三聚氰胺为原料,两者按一定质量比混合后得到前驱体,通过煅烧该前驱体可成功获得SiO₂/g-C₃N₄复合粉体。利用XRD、SEM、UV-Vis和BET等表征手段对获得的复合粉体进行物相组成、形貌、可见光吸收性能以及比表面积大小等进行分析和测试。结果表明,改进的Stöber法制备出的球形SiO₂平均粒径约为200 nm,具有良好的分散性。SiO₂/g-C₃N₄复合粉体中SiO₂含量约为75%(质量分数)时,其比表面积最大,约为23.7 m²/g。同时,以罗丹明B和亚甲基蓝为目标污染物,在可见光照射下,探究了不同g-C₃N₄负载量SiO₂/g-C₃N₄复合粉体的光催化性能。结果表明,随着复合粉体中g-C₃N₄含量的降低,复合粉体的可见光催化活性反而逐渐升高,g-C₃N₄含量约为25%(质量分数)时复合粉体光催化降解罗丹明B和亚甲基蓝效果最好。原因可归结为,复合粉体的强吸附增强了可见光催化性能。

可见光激发Bi₂MoO₆活化PMS降解盐酸四环素

吴德勇, 苏积珊

2021, 40(8): 2755-2762.

摘要 ( 72 )

PDF (6922KB) ( 44 )

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为了利用半导体光催化和硫酸根自由基高级氧化技术协同作用处理抗生素废水,采用溶剂热法制备三维结构的钼酸铋(Bi₂MoO₆)微球,并在可见光照射下激发Bi₂MoO₆进而活化过一硫酸氢盐(PMS)处理含盐酸四环素(TC)废水。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等对样品形貌特征、晶格结构、光学性能进行表征。结果表明,Bi₂MoO₆纳米片组成的三维微球具有良好的吸附和可见光催化降解TC能力,活化PMS协同作用可以进一步提高系统降解TC的效率。通过静态实验,考察催化剂使用量、PMS初始浓度、环境共存阴离子(Cl^-、CO^2-₃、NO^-₃)和腐殖酸(HA)对可见光激发Bi₂MoO₆活化PMS降解TC性能的影响。自由基捕获实验表明,·OH、SO^-₄·、O^-₂·和h⁺等活性基团在可见光激发Bi₂MoO₆活化PMS催化降解TC过程中都做出了贡献。

针刺参数对玄武岩纤维预制体力学和热导率影响的有限元分析

郑云, 乔志炜, 刘延友, 牛波, 段文九, 周国相, 杨治华

2021, 40(8): 2763-2769.

摘要 ( 77 )

PDF (10363KB) ( 34 )

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针刺密度、针刺深度等针刺工艺会对纤维针刺预制体的性能造成显著影响。本文通过有限元分析方法,利用Python语言对ABAQUS软件进行二次开发,建立了玄武岩纤维针刺预制体的代表性体积单元(RVE)。研究了针刺深度和针刺密度对玄武岩纤维针刺预制体层间力学和热导率的影响,并结合实验结果分析了其影响机制。结果表明,不同纤维网胎层间主要依靠针刺纤维进行结合,增加针刺密度和针刺深度均可提高针刺预制体的剪切性能,但提高针刺密度的效果比提高针刺深度的效果更加明显。当沿针刺预制体z轴方向施加温度梯度时,热流矢量主要集中于针刺纤维中,且当增加针刺深度时上述现象更加明显。因此,增加针刺深度不利于针刺预制体的防热性能。

SiO₂纳米纤维膜的电纺制备及结构性能优化

宋一龙, 赵芳, 李志尊, 黄红军

2021, 40(8): 2770-2776.

摘要 ( 78 )

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通过对静电纺丝工艺和热处理制度的调控实现了SiO₂纳米纤维微观结构和力学性能的优化。本文以正硅酸乙酯(TEOS)为原料、以聚乙烯吡络烷酮(PVP)为助纺剂,通过静电纺丝法结合热处理工艺制备了SiO₂纳米纤维膜。通过热重-差热联用热分析仪、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜和拉力试验机等手段对纳米膜进行了表征与测试,探究了聚合物浓度和升温速率对纳米膜微观形貌和力学性能的影响。研究表明,SiO₂/PVP复合膜经800 ℃煅烧后均生成了无定形态的SiO₂。随着PVP浓度的增加,煅烧后产物的微观形貌由骰子状微球向连续纤维发展,力学性能随之改善,PVP质量分数为25%时,连续纤维膜具有最佳的拉伸强度,为3.25 MPa;随着升温速率的增加,SiO₂/PVP连续纤维膜经800 ℃煅烧后,产物内部的残余热应力增加,纤维连续性降低,强度降低。本研究为SiO₂纳米纤维的功能化应用提供理论基础。

改性黄腐酸/凹凸棒石复合材料的制备及其抑菌性能

杨芳芳, 张倩, 宋亚萌, 惠爱平, 康玉茹, 王爱勤

2021, 40(8): 2777-2783.

摘要 ( 51 )

PDF (6942KB) ( 22 )

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黄腐酸(FA)具有抑菌消炎和促进动物生长的功效。为了进一步提升FA的广谱抑菌性,以凹凸棒石(APT)为载体,通过吸附法将FA负载于APT,同时进行十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)改性。结果表明,FA和APT主要以静电吸附形式结合,CTAB的引入实现了FA/APT复合材料的电荷调控。复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度(MIC)随着CTAB添加量的增加而减小;当CTAB添加量为15%(质量分数)时,其对大肠杆菌的MIC为1 mg/mL,对金黄色葡萄球菌的MIC为0.05 mg/mL。

自养护路面混凝土抗盐冻性能及疲劳特性

覃潇, 许婕婷, 申爱琴, 吕政桦, 谢政专

2021, 40(8): 2784-2793.

摘要 ( 63 )

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为有效增强路面混凝土耐久性能,基于盐冻试验、盐冻前后的断裂性能试验及弯拉荷载疲劳试验,探索了高吸水性聚合物(SAP)自养护路面混凝土抗盐冻性能及疲劳特性随SAP掺量、粒径的变化规律,并结合自养护水泥浆体孔隙参数、微观形貌及骨料-水泥石界面过渡区(ITZ)特征,揭示了性能影响机理。结果表明:小粒径SAP形成的残留孔洞能有效释放拉应力,降低结冰点,细化孔结构,从而增强路面混凝土抗盐冻性能;当SAP粒径为100目(150 μm),掺量为0.145%(质量分数)时,路面混凝土在冻融30次时的断裂韧度损失率、断裂能损失率分别比基准组降低了25.25%、10.51%;小粒径SAP对疲劳寿命的提升程度随应力水平的提高而增大,当应力水平为0.80时,自养护组的疲劳寿命相比基准组提升了2.65倍;SAP能够有效提升水泥混凝土结构内部密实度,吸持ITZ区域部分水分,增强水泥石和骨料之间的粘结性,从而改善混凝土抗盐冻性能和疲劳特性。

复掺芳纶纤维和玻璃纤维再生沥青混合料路用性能研究

张荣, 王彬

2021, 40(8): 2794-2802.

摘要 ( 52 )

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为提高再生沥青混合料(RAP)的路用性能,通过研究芳纶纤维和玻璃纤维二者单掺以及复掺对再生沥青混合料路用性能的影响,以期为两种纤维在再生沥青混合料上的应用提供参考。研究结果表明:单掺芳纶纤维对再生沥青混合料的高温性能影响不大,而玻璃纤维和复掺纤维使再生沥青混合料的高温抗车辙性能分别提升了34.0%及42.6%;复掺纤维对再生沥青混合料动态模量的改善效果最高达21.9%;同时复掺纤维的加入可使混合料保持较好的低温抗裂性与水稳定性。半圆弯曲(SCB)测试结果表明,复掺纤维可显著改善沥青混合料的抗弯拉能力。复掺纤维较单掺纤维对再生沥青混合料有更好的改性效果,且改性效果显著。

高寒高海拔地区玄武岩纤维沥青混凝土损伤自愈合性能分析

马海鹏, 余沛

2021, 40(8): 2803-2810.

摘要 ( 61 )

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为探究玄武岩纤维沥青混凝土在不同损伤程度及冻融循环、紫外辐射老化作用下的损伤自愈合性能,利用四点弯曲疲劳试验及扫描电子显微镜从宏、微观角度进行分析。通过对比分析试件愈合前后疲劳损伤速率v_D及累计耗散能ECD分别得到相应的愈合系数R_HI,结果表明:玄武岩纤维能提高普通基质沥青混凝土的损伤自愈合性能,其损伤愈合系数最大值为96％;在相同环境因素中,试件的损伤程度与愈合系数成反比;在相同的损伤程度下,冻融循环对试件的愈合性能影响最大,损伤愈合系数下降幅度最高达到4％;利用累计耗散能作为评价指标,可以更精确地表征沥青混凝土的损害自愈合性能。通过扫描电镜图像分析,从微观上解释了玄武岩纤维对于沥青混凝土紫外辐射老化及冻融作用前后自愈合性能的影响机理。

高模量天然沥青混合料设计及路用性能对比研究

郭寅川, 张争明, 邵东野, 石小鹏, 王路生, 王军茂

2021, 40(8): 2811-2821.

摘要 ( 75 )

PDF (7037KB) ( 42 )

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为探究高模量天然沥青混合料的设计方法及路用性能,选取高模量天然沥青(HMB),利用修正马歇尔设计法制备了高模量天然沥青混合料BBME-13(béton bitumineux à module elevé-13),分析了其马歇尔体积指标及内部结构,并对比研究了其与SBS改性沥青混合料SBSAC-13和基质沥青混合料SKAC-13的路用性能差异,最后通过试验段铺筑验证了其适用性。研究结果表明:BBME-13的油石比、稳定度和动态模量均显著高于SBSAC-13和SKAC-13;BBME-13的动稳定度、残留稳定度和冻断强度代表值分别比SBSAC-13增大32.2%、9.0%和45.5%,分别比SKAC-13增大148.3%、19.6%和93.2%;BBME-13的最大弯拉应变的代表值比SBSAC-13减小3.3%,比SKAC-13增大34.4%;BBME-13试验段路面抗渗性能优异,抗滑性和压实度等也均能满足规范要求。

固废填料对改性沥青老化过程中的疲劳特性影响研究

郭兵兵, 贾雪梅, 张恒基, 刘力源

2021, 40(8): 2822-2830.

摘要 ( 53 )

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为了探究老化过程中固废填料的加入对改性沥青抗疲劳性能的影响,进而分析固废填料对改性沥青老化行为特征的影响。本研究基于赤泥、粉煤灰、硅藻土以及常规矿粉填料制备了4种改性沥青胶浆,在未老化、长期老化两个阶段分别进行线性振幅扫描试验,采用4种疲劳评价指标(累计疲劳损伤D(t)、完整性指数C(t)、应变敏感程度B值和疲劳寿命)评价疲劳性能,并提出老化-疲劳性能衰变指数来表征老化对沥青胶浆带来的负面作用。研究表明:填料的加入会降低原样沥青疲劳性能,但可以改善沥青胶浆经历老化历程后的疲劳性能,即可以提升胶浆的抗老化性能,改善效果由高到低为硅藻土、赤泥、矿粉、粉煤灰;填料的加入同时具有硬化脆化和微粒填充作用,两者此消彼长,共同决定影响效果。

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