刘云鹏, 申培亮, 何永佳, 王发洲

2021, 40(9): 2831-2855.

摘要 ( 313 )

PDF (29275KB) ( 575 )

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骨料是水泥混凝土的主要组成,随着水泥混凝土技术的发展与应用场景的拓展,某些基本性能、表面状态与天然砂石骨料有较大差异的特种骨料逐渐引起人们的重视。例如通过使用轻质/重骨料是满足高层与大跨结构、桥梁悬臂施工、建筑地基抗浮等重大工程对混凝土特殊密度需求的主要手段。同时,利用再生骨料替代天然骨料制备再生骨料混凝土,可有效解决天然砂石资源匮乏与废弃物混凝土资源化利用的问题。这些特种骨料在应用过程中存在着某些共性的科学与技术问题,所配制混凝土的性能、界面过渡区结构、施工特性等与普通水泥混凝土有着显著的区别。本文综述了轻骨料混凝土、重混凝土以及再生骨料混凝土三类特种骨料混凝土的研究进展与发展趋势,重点介绍了特种骨料的性质、混凝土界面过渡区结构与混凝土施工性能等方面的技术现状,最后对上述特种骨料混凝土的未来发展方向提出一定的建议。

高品质超低膨胀透明微晶玻璃实现批量化生产

赵春霞, 范仕刚, 张丽红, 刘杰, 何粲, 李跃

2021, 40(9): 3185-3787.

摘要 ( 172 )

PDF (2549KB) ( 135 )

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锂铝硅系超低膨胀微晶玻璃是一种性能优良的低膨胀光学材料,热膨胀系数低、透明性好。国产高品质超低膨胀微晶玻璃一直受到技术制约,难以批量化生产。本研究采用熔融法结合搅拌工艺以及适宜的热处理制度,成功批量化生产出热膨胀系数接近于零的高品质超低膨胀透明微晶玻璃产品,产品外观完整,内部基本无气泡、条纹等缺陷。对优级产品进行热膨胀系数、应力双折射、抗弯强度测试,结果表明,优级产品热膨胀系数为1.6×10^-8 K^-1,应力双折射小于2 nm/cm,抗弯强度高达171 MPa,品质已达到ZERODUR零级。采用XRD、SEM、TEM等手段对该产品的物相组成、表面形貌、微观结构进行了分析研究,产品主晶相为β-石英固溶体,晶相含量较高且分布均匀,晶粒尺寸为几十纳米,保证了其极低的热膨胀系数和高透明性。

养护制度对超高性能混凝土微观结构和力学性能影响的研究综述

徐翔波, 于泳, 金祖权, 朱崇爱

2021, 40(9): 2856-2870.

摘要 ( 195 )

PDF (9486KB) ( 140 )

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超高性能混凝土(UHPC)是指兼具超高抗渗性能和力学性能的纤维增强水泥基复合材料。在制备UHPC过程中,高温、加压的养护制度是UHPC获得高性能的重要手段。本文综述了不同的养护制度对UHPC基本力学性能和微观结构的影响,并分析其作用机理。研究表明,热养护加速了UHPC的水化过程,提高了材料的密实度,使其具有超高强度。在引入SiO₂组分下,热养护比标准养护使UHPC具有更致密的微观结构和更好的早期力学性能。但温度过高导致界面孔隙结构粗化和微裂纹产生,造成损伤,不利于UHPC的后期强度发展。本文旨在综合比较不同养护制度对UHPC力学性能和微观结构的影响,进而指导其生产和工程应用。

煅烧温度对水泥熟料矿物相含量及形貌影响的Rietveld法研究

杨欢, 齐砚勇, 高宇蕾, 邓磊, 李诗颖

2021, 40(9): 2871-2876.

摘要 ( 76 )

PDF (8430KB) ( 57 )

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为了探究煅烧温度对水泥熟料矿物相的影响,采用XRD分析法、Rietveld法以及岩相法,对不同煅烧温度下得到的熟料矿物相进行定性、定量以及形貌分析。研究结果表明:采用Rietveld法可快速、准确测得熟料中各矿物相的相对含量;通过Rietveld法计算得到的矿物相含量可明显看出,煅烧温度对熟料中各矿物相的含量有直接影响,其中对C₃S和C₂S含量的影响最为明显;Rietveld法与鲍格算法得到的矿物相含量结果接近,但拟合得到的C₃A含量会偏低,这是由于熟料的急冷使得C₃A以玻璃相形式存在;煅烧温度升高,晶体成核和发育更加完善,熟料能呈现更好的形貌。

冷却方式对熟料矿物及C₃S晶型的影响

刘倩, 邓磊, 高宇蕾, 齐砚勇

2021, 40(9): 2877-2883.

摘要 ( 64 )

PDF (9243KB) ( 39 )

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C₃S矿物是熟料的主要成分,是水泥熟料强度的主要提供者,熟料的强度不仅受C₃S含量影响,与C₃S晶型也直接相关。为研究冷却方式式对熟料矿物成分和晶型结构的影响,将不同水泥厂工业生料经制样烘干后在1 450 ℃下煅烧保温30 min,采用液氮淬冷、空气快冷和随炉慢冷的方式制备熟料。通过TG-DSC、XRD、Rietveld全谱拟合、岩相分析等对熟料矿物组成、含量、晶型、形貌以及固溶情况进行分析。结果表明:冷却速度加快,熟料中C₃S含量提高,β-C₂S、C₃A及C₄AF含量降低,铝率较大生料的冷却速度对C₃S、C₃A含量影响更显著;冷却方式不同,C₃S晶型不同,液氮冷却和空气冷却时C₃S多为M1或M3型,随炉冷却时C₃S多为T型,冷却速度减慢使C₃S晶型从M型向T型转变。

氟硫矿化剂对高石英含量水泥生料煅烧的影响

马合沙提·韩索尔坦, 卢普光, 艾红梅

2021, 40(9): 2884-2890.

摘要 ( 64 )

PDF (7701KB) ( 29 )

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使用全组分废弃混凝土替代部分原材料烧制水泥熟料能够提高建筑垃圾利用率,但这将不可避免地引入石英态的SiO₂,对生料易烧性和熟料质量带来不利影响。本文以石英砂为硅质原料,配制高石英含量的生料,按不同比例掺入氟硫矿化剂(m(F)/m(SO₃)=0.4),研究了氟硫矿化剂对高石英含量水泥生料易烧性、熟料煅烧过程、熟料矿物组成与结构、熟料水化后抗压强度以及水化产物形貌的影响。试验结果表明,氟硫矿化剂掺加到高石英含量水泥生料中能够显著改善生料的易烧性,减少系统液相出现和降低C₃S析晶温度,促进熟料矿物形成,熟料水化后的抗压强度也更高,水化产物更致密。氟硫矿化剂中CaF₂的质量掺量从0.5%增加至1.5%时,C₃S晶体长径比变小,熟料水化后的抗压强度有少许降低。

二乙醇单异丙醇胺-三异丙醇胺激发沸石粉后期活性机理研究

王信刚, 陈涛, 赵华, 李玉洁

2021, 40(9): 2891-2897.

摘要 ( 51 )

PDF (12012KB) ( 38 )

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以二乙醇单异丙醇胺-三异丙醇胺(DEIPA-TIPA)为助磨增强剂激发沸石粉后期活性。采用激光散射粒度分布分析仪表征沸石粉的粒径分布,采用X射线衍射仪(XRD)、环境扫描电子显微镜(ESEM)、热重分析仪(TGA)分别表征水泥水化产物的成分、微观形貌、氢氧化钙(CH)含量。结果表明,加入0.04%(质量分数)的助磨增强剂(m(DEIPA):m(TIPA)=6:4),沸石粉比表面积提高了85.4 m²·kg^-1,平均粒径减小了1.45 μm。水泥胶砂中掺入10%(质量分数)活化激发的沸石粉,沸石粉28 d活性指数提高了7%。DEIPA-TIPA助磨增强剂通过吸附-分散作用和络合作用促进了沸石粉-水泥体系的水化过程以及沸石粉的二次水化反应,在一定程度上提高了水化产物的均匀性和密实度,从而起到提高水泥胶砂强度的作用。

海水对高贝利特硫铝酸盐水泥水化过程和力学性能的影响

郑娟, 李辉, 徐名凤, 周健, 陈智丰, 张振秋, 刘成健, 张建波

2021, 40(9): 2898-2904.

摘要 ( 71 )

PDF (2579KB) ( 37 )

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研究了海水拌和与海水养护条件下高贝利特硫铝酸盐水泥(HB-CSA)和普通硅酸盐水泥(OPC)胶砂的抗压强度和抗折强度,采用等温量热法、X射线衍射分析法和热重分析法表征了两种水泥的水化过程和水化产物,分析了海水对HB-CSA水化过程和力学性能的影响。结果表明:海水拌和未明显影响HB-CSA的早期水化过程,海水拌和与海水养护未改变其主要水化产物类型;海水拌和显著加快了OPC的早期水化,海水中的氯盐与OPC的水化产物反应,导致水化氯铝酸钙(Friedel盐)的生成。海水拌和与海水养护对HB-CSA的抗压强度影响较小,但降低了OPC的后期抗压强度。海水养护对HB-CSA和OPC抗折强度的提高较为明显,钙矾石(AFt)含量的增加是抗折强度提高的主要原因。HB-CSA的水化产物中未见Ca(OH)₂和单硫型水化硫铝酸钙(AFm),避免了海水侵入后过量CaSO₄·2H₂O和AFt生成造成的混凝土膨胀开裂和强度下降的危害。

基于压电陶瓷的地聚合物砂浆强度发展监测研究

胡鹏兵, 陈娟, 孙航, 蔡高洁, 胡现岳, 刘谨宁

2021, 40(9): 2905-2910.

摘要 ( 56 )

PDF (4328KB) ( 30 )

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将压电陶瓷(PZT)智能骨料成对嵌入地聚合物砂浆试件内部,利用主动感应法监测不同龄期地聚合物砂浆压电应力波信号,将时域信号图分析和小波包能量分析相结合,探讨了压电信号能量变化与地聚合物砂浆强度变化的对应关系。时域信号图分析表明,随着地聚合物砂浆养护龄期的增加,压电陶瓷智能电压幅值逐步增加,反映了地聚合物砂浆抗压强度的变化过程。小波包能量分析表明,随龄期的增加,地聚合物砂浆抗压强度变化过程与压电信号幅值计算总能量具有一致性。基于地聚合物砂浆抗压强度试验结果与压电陶瓷应力波所计算的能量值,拟合出地聚合物砂浆强度与压电应力波信号计算总能量的相关函数关系。

偏高岭土对高流动性钢纤维混凝土早期力学性能和细观结构的影响

于子豪, 张彤炜, 崔科旺

2021, 40(9): 2911-2920.

摘要 ( 60 )

PDF (10287KB) ( 36 )

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为了提高泵送混凝土流动性及早期力学性能,降低水泥用量,本文研究了高流动性偏高岭土和钢纤维复合混凝土的流动性、抗压和抗拉强度、弹性模量、破坏形态和微观结构,并在此基础上评价了偏高岭土和钢纤维对混凝土性能的影响。结果表明,随着钢纤维和偏高岭土含量的增加,浆体的流动性降低,偏高岭土影响更加显著。偏高岭土提高了钢纤维混凝土养护7 d后的抗压强度、抗拉强度和弹性模量,钢纤维对残余拉伸强度和裂纹扩展有明显的影响。通过扫描电镜(SEM)观察与X射线衍射(XRD)分析,偏高岭土的添加使试样内部产生了更稳定的水化硅酸钙(CSH)凝胶、单硫型水化硫铝酸钙(AFm)和高硫型水化硫铝酸钙(AFt)等物质。这些产物减少了孔隙和缺陷的产生,增强了界面过渡区的粘结力。由于偏高岭土和钢纤维对和易性的影响机制分别为增加黏度和提升浆体的抗剪切能力,本质上都为阻碍各组分的相对运动,所以二者在降低混凝土流动性方面具有耦合作用。偏高岭土与钢纤维影响混凝土力学性能的阶段不同,前者在未开裂阶段,后者在开裂阶段。

黄麻与聚乙烯醇纤维增强水泥土的弯曲及早期抗裂性能

姚鑫, 徐亚星, 董晓强

2021, 40(9): 2921-2929.

摘要 ( 51 )

PDF (17447KB) ( 34 )

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深层水泥土搅拌桩围护墙具有水泥基材料的特性,包括脆性破坏以及较低的拉伸强度和弯曲强度,且温度应力产生的干燥收缩可能会导致裂缝的产生并引起墙体渗漏和塌陷。本文研究了黄麻纤维和聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥土搅拌桩的弯曲性能和裂后性能,并对纤维改善水泥土早期干缩裂缝的效果进行了对比。结果表明,随着黄麻纤维和PVA纤维含量的增加,第一裂缝弯曲强度和峰值弯曲强度均逐渐增加。纤维对改善水泥土的裂后性能起着至关重要的作用,水泥土残余弯曲强度比、延性指数和韧性随纤维含量增加显著提高。黄麻纤维在韧性方面的表现略好于PVA纤维,在其他裂后指标上两种纤维差距较小。采用数字图像相关方法研究纤维对水泥土早期塑性收缩裂缝的影响,结果表明,水泥土中添加纤维可有效抑制干燥条件下收缩裂缝的形成和扩展,纤维的掺入有效减小了水泥土干缩裂缝的宽度和数量,且纤维含量越多效果越佳。

磁铁矿防辐射超高性能混凝土制备及性能研究

韩建军, 廖党, 席壮民, 唐海超, 代崇阳, 吕亚军, 苗壮

2021, 40(9): 2930-2938.

摘要 ( 126 )

PDF (9767KB) ( 84 )

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核技术在造福人类的同时,也产生了无处不在的核辐射,而当前的普通防辐射混凝土并不能完全满足安全防护的需要。本文基于最紧密堆积理论,采用不同比例的磁铁矿替换河砂,制备了防辐射超高性能混凝土(UHPC),并对其工作性能、力学性能、微观结构、孔结构,以及γ射线屏蔽性能进行了研究。结果表明,磁铁矿的加入使得UHPC的流动性以及抗压强度略有降低,但降幅较小。随着磁铁矿替换比例的增加,UHPC对γ射线的屏蔽性能明显提高。当磁铁矿替换率为100%(体积分数)时,UHPC的线性衰减系数增大了31.3%,而半值层及十值层均下降了23.8%。与此同时,磁铁矿的加入并未改变水化产物的类型,但可改善UHPC的孔结构,有效降低其孔隙率。

硫酸盐对超深井井壁混凝土力学性能的影响及劣化机理

赵晓红, 沈玉, 刘娟红, 郭子栋

2021, 40(9): 2939-2947.

摘要 ( 76 )

PDF (10461KB) ( 33 )

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针对深部地下工程中混凝土材料面临的高地温、高地应力、高渗透压、强腐蚀的恶劣服役条件,选取C70仿钢纤维混凝土(C70-ISFRC)和高性能超深井井壁混凝土(HUC)作为研究对象,研究两种混凝土在硫酸盐干湿循环条件下力学性能、破坏形态及冲击倾向性等变化,并采用扫描电镜及能谱分析其劣化机理。结果表明:随着硫酸盐干湿循环的进行,两种混凝土力学性能均表现为先增强后减弱的趋势,但HUC的性能更为优异,且劈裂抗拉强度较抗压强度对硫酸盐干湿循环机制更加敏感;两种混凝土的韧性均变差,但HUC中的镀铜钢纤维的抗拉性能优于聚丙烯仿钢纤维,使HUC板“坏而不断”;两种混凝土的冲击倾向性均增强,但HUC的冲击倾向性弱于C70-ISFRC;在硫酸盐干湿循环中,HUC与C70-ISFRC的腐蚀类型分别以石膏类腐蚀与钙矾石类腐蚀为主,表明混凝土内部存在膨胀应力,导致了混凝土内部结构的开裂。

干湿循环作用下混凝土力学性能及微观结构研究

邵化建, 李宗利, 肖帅鹏, 姚希望, 张宁

2021, 40(9): 2948-2955.

摘要 ( 352 )

PDF (2623KB) ( 119 )

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为揭示混凝土在干湿循环作用下的劣化机理,本文对不同强度等级的混凝土进行干湿循环试验,并在试验过程中测定混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、超声波速、孔隙率等物理量,探究了干湿循环作用对混凝土物理力学性能的影响,并从微观尺度上分析了混凝土强度与孔结构的关系。结果表明:混凝土的强度随干湿循环次数的增加先升高后降低,干湿循环40次后,C20、C30、C40、C50混凝土的相对抗压强度分别下降了13.33%、12.47%、8.45%、6.58%,相对劈裂抗拉强度分别下降了25.93%、23.06%、20.59%、19.03%,相对劈裂抗拉强度较抗压强度衰减更为显著;超声波速和超声波幅表现出不同的变化规律,随着干湿循环次数的增加,超声波速先略有增加而后减小,超声波幅则不断增大;在干湿交替的环境中,混凝土试样的孔隙率、孔隙总体积、平均孔径、中值孔径、最可几孔径随着干湿循环次数的增多,先减小后增大,最终表现出孔径粗化特征,这也是混凝土强度后期损失的内在原因。

西北寒旱环境下泡沫混凝土的可靠度研究

吕翔宇, 张世民, 石福周, 刘务文, 丁文海

2021, 40(9): 2956-2963.

摘要 ( 52 )

PDF (4919KB) ( 30 )

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为研究泡沫混凝土在西北寒旱地区的实际服役寿命问题,本文设计了4类不同配合比的泡沫混凝土,标准养护28 d后,进行基准参数分析,同时利用现场暴露试验,定期对泡沫混凝土的动弹性模量、质量等进行无损检测,并结合试件的基准参数从宏观和微观两方面分析了损伤机理和耐久性退化过程,最后通过Wiener退化过程建立了寿命预测模型。结果表明,泡沫混凝土的强度、干缩和孔隙结构与容重、水泥用量等因素有关,且适量的矿粉及粉煤灰可优化泡沫混凝土孔隙结构,从而提高其耐久性。在气候环境与侵蚀性离子综合作用下,4类试件的动弹性模量和质量评价参数均呈先升后降的趋势,并表现出不同的耐久性损伤程度。利用动弹性模量评价参数作为泡沫混凝土耐久性退化指标得到的4类试件的服役寿命分别为12 800 d、14 100 d、17 600 d和16 000 d左右,以质量评价参数作为指标得到的寿命分别为13 800 d、15 000 d、19 600 d和16 000 d左右,其中动弹性模量对泡沫混凝土的耐久性变化更为敏感。综合得到,泡沫混凝土中掺入水泥、矿粉、粉煤灰、石灰、石膏的量分别占总胶凝材料质量的40.0%、32.5%、21.7%、4.2%、1.6%时,试件服役于实际环境的耐久性更为优越。

钢渣粉在水泥基材料中应用研究综述

邹敏, 沈玉, 刘娟红

2021, 40(9): 2964-2977.

摘要 ( 271 )

PDF (4061KB) ( 313 )

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目前,钢渣废弃物堆存造成了严重的环境污染和资源浪费,钢渣资源化利用迫在眉睫。将钢渣粉应用于水泥基材料中,不仅可以提高固废资源利用率,还可以减少天然资源的消耗,替代水泥降低CO₂的排放。本文介绍了钢渣的物理化学特性、胶凝性能和活性激发方式,综述了钢渣粉在混凝土复合胶凝材料、全固废胶凝材料、充填胶结材料、干混砂浆四个领域的资源化利用现状。从凝结时间、和易性、力学性能、耐久性和体积稳定性等方面分析了钢渣粉对水泥基材料性能的影响。掺入适量的钢渣粉,可有效改善水泥基材料的性能,特别是在调控拌合物和易性与提升耐久性方面有显著优势。最后,提出了将钢渣粉应用在水泥基材料中存在的问题和未来的研究发展方向。

化学改性沸石对重金属离子去除的研究进展

周娟苹, 历新宇, 杨旭, 韩顺玉, 孟万, 姜男哲

2021, 40(9): 2978-2988.

摘要 ( 66 )

PDF (7592KB) ( 38 )

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随着工业的不断发展,重金属污染程度日益加深,严重危害人类的健康。近年来,化学改性沸石因具有较大的比表面积和较强的离子交换能力,在重金属离子处理领域被广泛应用。然而,在化学改性过程中,由于使用酸、碱、无机盐、有机试剂等改性剂,在能耗、成本以及可持续发展方面仍存在一定弊端。因此,开展沸石化学改性方法的研究,使其简单化、工业化、绿色化,具有重要的研究意义与经济效益。本文从沸石的结构层面介绍了沸石化学改性的方法,分析了磁性沸石和纳米沸石的优异性,总结了改性沸石在去除重金属离子方面的应用,并对其未来发展趋势进行展望。

利用黄金尾矿制备发泡陶瓷的研究

朱建平, 乐红志, 白荣, 朱俊阁, 李洪达

2021, 40(9): 2989-2997.

摘要 ( 84 )

PDF (18058KB) ( 50 )

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中国黄金尾矿资源量大,作为二次资源在建筑材料领域的综合利用有着重要的经济价值和环境意义。以黄金尾矿为主要原料,SiC为发泡剂,通过高温制备发泡陶瓷,用激光共聚焦显微镜、XRD等手段,研究了烧结温度、黄金尾矿掺入量、原料粒度对材料的容重、真气孔率和孔径等性能的影响。研究表明:随着烧结温度的升高,发泡陶瓷材料的真气孔率和孔径增大,容重减小;材料的真气孔率和容重随着黄金尾矿掺入量的增大分别降低和提高,随着原料粒度的减小分别提高和降低,气孔孔径随着黄金尾矿掺量的增大和原料粒度的减小均呈下降趋势。优化后,在烧成温度1 050 ℃,黄金尾矿掺入量50%(质量分数),黄金尾矿平均粒度D(50)=5.6 μm,SiC平均粒度D(50)=3.0 μm的条件下可制备出性能良好的发泡陶瓷。

利用煤矸石制备Fe₃O₄和Fe负载的微波吸收材料

力国民, 苏宁静, 朱保顺, 梁丽萍, 田玉明

2021, 40(9): 2998-3004.

摘要 ( 68 )

PDF (10997KB) ( 47 )

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为了实现固废煤矸石的有效资源化利用,本文利用煤矸石设计合成了负载Fe₃O₄和Fe的陶瓷复合微波吸收材料。实验主要包括煤矸石的造粒成球、液相负载Fe³⁺及焙烧过程,利用X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)和扫描电镜(SEM)对样品的物相与微观结构进行了分析表征。结果表明,前驱体溶液经过分解反应、碳热还原反应转化为Fe₃O₄和Fe,原位负载于煤矸石基体上,并显现铁磁特性。借助矢量网络分析仪测试样品的电磁参数,基于传输线理论分析评价其微波吸收性能。由于良好的阻抗匹配与衰减特性,复合材料FeG700体现出良好的吸波能力,在涂层厚度为1.5 mm时,最低反射损耗值为-20.1 dB,有效吸收带宽可达4.1 GHz。本研究不仅有助于实现微波吸收材料制备的低成本化,重要的是为固废煤矸石的综合利用提供了借鉴。

粉煤灰对碱激发矿渣/粉煤灰体系的作用机理研究

杨达, 庞来学, 宋迪, 卢明阳, 王佳斌, 管泽斌

2021, 40(9): 3005-3011.

摘要 ( 299 )

PDF (7433KB) ( 379 )

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碱激发胶凝材料是以工业固体废弃物为原料制备的一种绿色无机胶凝材料,具有良好的力学性能与耐久性能。粉煤灰因其独特的球体微观结构与其他固废微粉存在本质区别,因此粉煤灰在碱激发胶凝材料体系中的作用机理亟待研究。以矿渣与粉煤灰为原料,利用碱激发剂制备胶凝材料,并对材料进行抗压强度测试,最后采用XRD、FTIR和SEM探究碱激发矿渣/粉煤灰体系的水化反应机理,研究粉煤灰对矿渣/粉煤灰体系的作用机理。结果表明:外掺3%(质量分数)NaOH作为碱激发剂,水固比为0.4时,随粉煤灰掺量减少,抗压强度呈现先上升后下降的趋势;m(矿渣):m(粉煤灰)为4:1时,28 d抗压强度达到峰值(37.1 MPa)。粉煤灰颗粒在不同龄期形成具有不同反应程度与尺寸的嵌入式微观结构,对材料力学性能起到不利影响;但粉煤灰的活化程度随龄期延长逐渐变大,对后期强度发展有持续贡献。碱激发矿渣/粉煤灰体系水化产物中含有Friedel盐、托贝莫来石、钙矾石、C-S-H/C-A-S-H凝胶,以及粉煤灰中残留的α石英相。随粉煤灰掺量增加,托贝莫来石生成量减少,钙矾石向Friedel盐转变,钙矾石生成量减少,Friedel盐生成量增多。

填料对硫磺混凝土抗压强度的影响

林文伟, 费帆, 李群杰, 欧阳东

2021, 40(9): 3012-3021.

摘要 ( 47 )

PDF (12964KB) ( 45 )

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使用优化的工艺,分别单掺水泥、粉煤灰、矿渣三种活性填料制备硫磺混凝土试样,研究了填料的种类和掺量对硫磺混凝土抗压强度的影响;使用X射线衍射、扫描电镜对填料与硫磺混合物的物相、微观形貌进行表征。结果表明:水泥填料对硫磺混凝土抗压性能有最好的增强效果,掺入与硫磺质量相同的水泥填料(即S/F=1.0)时,制备的硫磺混凝土抗压强度达87.2 MPa;填料与硫磺不发生化学反应,是以物理方式粘结于硫磺基体。

湿选钢渣尾泥制备充填胶凝材料试验研究

任超, 倪文, 王勇华

2021, 40(9): 3022-3028.

摘要 ( 59 )

PDF (4398KB) ( 41 )

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钢渣尾泥是转炉钢渣经过湿磨磁选后排出的二次废渣,堆存量大且难以实现大规模资源化利用。以钢渣尾泥为主要原料,协同其他工业固废制备胶凝材料可用于矿山充填。本文开展了钢渣尾泥基充填胶凝材料配合比正交试验、充填材料力学性能测试,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)等多种微观测试手段对钢渣尾泥基胶凝材料的水化机理进行分析。结果表明,钢渣尾泥掺量为55%(质量分数,下同),矿渣掺量为30%,脱硫石膏掺量为15%,胶砂质量比为1:4,料浆浓度为72%时,所制备的充填材料28 d抗压强度可达4.78 MPa,满足矿山充填材料性能的要求。钢渣尾泥基胶凝材料的水化产物主要为C-S-H凝胶和钙矾石,以及少量的Ca(OH)₂,体系内水化产物C-S-H凝胶和钙矾石晶体的数量随着水化龄期的增加而明显增长。

基于多重响应的钢渣超高性能混凝土组成优化设计研究

冯元, 余睿, 范定强, 曾敏, 胡方杰, 水中和, 王思雨, 刘康宁, 谭珺辉, 王武峰

2021, 40(9): 3029-3038.

摘要 ( 58 )

PDF (6654KB) ( 43 )

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为实现生态型超高性能混凝土(UHPC)的组成优化和钢渣利用率的提高,将钢渣粉作为辅助胶凝材料,利用D-最优化设计方法制备生态型UHPC,并建立了UHPC的工作性能与抗压强度预测模型,以进行多重响应分析。最后借助预测模型,以低水泥用量、高钢渣粉利用率设计出了符合要求的生态型UHPC。结果表明:预测模型构建合理且准确度高,在预测模型中减水剂和硅灰对于工作性能影响程度较大,水泥、减水剂以及钢渣的交互作用对工作性能影响明显,钢渣粉的加入可增强工作性能;硅灰和钢渣粉对抗压强度影响显著,水泥和钢渣粉的交互作用对抗压强度的影响较小,随钢渣粉掺量的增加抗压强度存在最优值;优化的生态型UHPC的配比可以实现钢渣粉替代30%(质量分数)水泥,同时保证抗压强度130 MPa以上,工作性能260 mm以上。

聚丙烯纤维对固化工程废浆压缩性能和渗透性能的影响

白传贞, 吉锋, 徐桂中, 宋苗苗, 朱鹏, 吴振威

2021, 40(9): 3039-3045.

摘要 ( 41 )

PDF (1684KB) ( 19 )

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通过对聚丙烯纤维加固的固化工程废浆开展室内一维压缩试验和柔性壁渗透试验,研究固化高含水率工程废浆压缩性能和渗透性能随纤维掺量(0%~1.2%,质量分数,下同)和纤维长度(3~18 mm)的变化规律,探讨纤维添加引起固化工程废浆力学性能变化的原因。结果表明,当纤维掺量为0.5%时,纤维添加会引起固化工程废浆体应变和渗透系数减小。此时,对于初始含水率为145%的固化工程废浆,纤维添加引起其体应变的降低幅度随纤维长度的增加而减小。当初始含水率增加至174%时,纤维添加引起固化泥浆体应变的降低幅度则基本不受纤维长度增加的影响;当纤维掺量较高(1.2%)时,和短纤维(<12 mm)相比,相同外加荷载下含长纤维固化工程废浆的体应变和渗透系数增大。对于研究所用工程废浆,聚丙烯纤维的长度和掺量分别以不超过12 mm和1.2%为宜。

CTAB改性铁柱撑膨润土对苯酚的吸附

舒世立, 陈伟, 贾献峰, 王磊

2021, 40(9): 3046-3052.

摘要 ( 42 )

PDF (4606KB) ( 27 )

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为了研究膨润土对含酚废水的吸附性能,采用羟基铁柱撑剂对钠基膨润土进行预改性,随后用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)改性,制备CTAB改性铁柱撑膨润土。利用X射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪(FTIR)和场发射扫描电镜(FESEM)对改性膨润土的结构和性能进行表征。考察了吸附剂用量、吸附时间、吸附温度、苯酚初始浓度和pH值对吸附性能的影响,研究了吸附热力学和吸附动力学规律。结果表明,CTAB进入铁柱撑膨润土的层间和表面。当吸附剂用量为3 g·L^-1、吸附时间为60 min、吸附温度为25 ℃、苯酚初始浓度为300 mg·L^-1、苯酚初始pH值为7时,改性膨润土吸附量达到29.7 mg·g^-1,吸附过程符合准二级动力学模型和Freundlich热力学模型。

碳酸化对白云石热分解产物联合除磷除氟的影响

王凌凯, 陈冬, 刘海波, 陈天虎, 邹雪华, 余韵青

2021, 40(9): 3053-3063.

摘要 ( 50 )

PDF (7280KB) ( 37 )

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本文主要研究一种新型吸附剂的制备,及其对磷、氟废水的联合处理。以白云石为原材料,经煅烧和碳酸化处理后,通过XRD、XRF、SEM、FTIR等对其产物组成、形貌等进行表征,同时探究了反应时间、初始磷和氟浓度、固液比、pH值等环境参数对联合除磷除氟的影响。结果表明:随着固液比增大,剩余氟离子浓度逐渐降低后趋于稳定;动力学结果表明氟离子的去除更加符合准二级动力学方程(R²>0.967);溶液初始pH值对实验结果影响不显著;Langmuir等温吸附模型可以更好地描述氟离子去除过程。煅烧-碳酸化白云石(CCD)联合除磷除氟的机理为:CCD与溶液中的磷发生反应,生成羟基磷灰石,然后OH^-被F^-取代,转化生成氟磷灰石;同时CCD溶出的Ca²⁺、Mg²⁺也与F^-反应生成相应的沉淀。

先进陶瓷材料快速烧结技术发展现状及趋势

谭划, 南博, 马伟刚, 郭新, 刘晶, 袁绮, 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(9): 3064-3080.

摘要 ( 200 )

PDF (12202KB) ( 352 )

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快速烧结技术在节省时间和能源方面的巨大优势使其成为一直以来的研究热点。近几十年来,快速烧结技术(如火花等离子烧结、闪电烧结、选区激光烧结、感应烧结、微波烧结和传统烧结装置中的快速烧结等)的发展,使陶瓷材料的快速烧结成为可能。本文综述了近20年来先进陶瓷领域中的快速烧结技术和烧结机理,并对火花等离子烧结中直流脉冲电流和机械压力对微观结构、材料性能和烧结机理的影响进行了深入分析和总结。同时指出,快速烧结技术今后的发展一方面是对烧结机理的进一步研究并应用到先进陶瓷材料的制备中,另一方面是解决快速烧结技术工业化生产中大尺寸、大批量生产的难题。

固相法制备掺杂型高色度Co_xM_1-xAl₂O₄/高岭土复合颜料

张安杰, 陶雯, 曾慧崇, 王乃迪, 牟斌, 齐彦兴, 李华明

2021, 40(9): 3081-3089.

摘要 ( 42 )

PDF (8351KB) ( 23 )

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为了制备低成本、高色度的钴蓝颜料,本文以高岭土为载体,以Al₂O₃和Co₃O₄为主要原料,通过引入ZnO、CaO及MgO不同金属氧化物,采用固相法制备了高色度(Co_xM_1-xAl₂O₄)/高岭土复合颜料(M为Ca²⁺、Mg²⁺或Zn²⁺)。系统考察了研磨时间、煅烧温度、煅烧时间和不同金属氧化物掺量对复合颜料呈色性能的影响规律。研究表明,在煅烧温度1 200 ℃、研磨时间12 h和n(Co²⁺)/n(M²⁺)为3:2时,制得的复合颜料具有最好的呈色性能(L^*=53.68,a^*=7.58,b^*=-62.89)。同时,引入不同的金属元素,可实现对复合颜料颜色的调控,引入Ca²⁺后,所制备的Co_xCa_1-xAl₂O₄复合颜料偏红相,而引入Zn²⁺后,所制备的Co_xZn_1-xAl₂O₄复合颜料偏绿相。通过相关表征,提出了复合颜料的呈色机理,在颜料制备过程中,引入与Co²⁺离子半径接近的Mg²⁺或Zn²⁺,Mg²⁺或Zn²⁺可进入CoAl₂O₄的四面体配位中,部分替代Co²⁺,形成MgAl₂O₄-CoAl₂O₄或ZnAl₂O₄-CoAl₂O₄的固溶体,而引入离子半径较大的Ca²⁺,形成CaAl₂O₄和CoAl₂O₄的均相混合物。最后,将制得复合颜料应用到有机硅耐热涂料中,可以明显提高有机硅涂料的热稳定性。

沉积温度和时间对多孔SiC薄膜的光致发光性能的影响

刘灿辉, 陶伟杰, 陶莹雪, 贺振华

2021, 40(9): 3090-3097.

摘要 ( 65 )

PDF (15285KB) ( 28 )

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为了增强碳化硅(SiC)的光致发光性能,设计了三层结构的多孔SiC薄膜,衬底是单晶硅,中间层是双通阳极氧化铝(AAO)模板,顶层是SiC薄膜。采用磁控溅射工艺在AAO模板上沉积SiC薄膜,沉积温度为100~500 ℃,溅射时间为1~30 min。研究了沉积温度和沉积时间对SiC的光致发光性能的影响。结果表明:SiC薄膜为非晶态,SiC主要沉积在AAO模板的上层骨架结构上;与未经过溅射的样品相比,当衬底温度为200 ℃,溅射时间为1 min时, SiC的荧光性能增强至14.23倍;多孔SiC薄膜的荧光主要来自2.3 eV的主峰和2.8 eV的次主峰,主峰可能来自Al₂O₃的O缺陷发光与SiC本征发光,次主峰可能来自SiO₂的O缺陷发光。磁控溅射结合双通AAO模板法可应用于多孔荧光SiC薄膜的工业化快速制备。

Mo掺杂调控钛酸铋钠铁电陶瓷带隙的实验与第一性原理研究

谢晓宇, 黎清宁, 周昌荣, 胡朝浩, 袁昌来, 许积文

2021, 40(9): 3098-3104.

摘要 ( 81 )

PDF (5308KB) ( 55 )

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为改善钛酸铋钠基无铅陶瓷的铁电光伏特性,通过传统固相法制备了B位Mo掺杂的Na_0.5Bi_0.5(Ti_1-xMo_x)O₃(BNT-Mo_x,x=0~0.02)无铅铁电陶瓷。通过XRD、拉曼光谱、吸收光谱等测试方法,结合基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Mo掺杂对BNT陶瓷体系带隙的影响规律及机理。结果表明:随着Mo掺杂量的增加,光学带隙值先减小后增大,当x=1.0%时带隙达到最小值2.33 eV,并且光吸收强度达到最大值69%;通过对能带和态密度计算结果进行分析,发现Mo掺杂BNT体系能带结构由间接带隙转变为直接带隙,出现由Mo的4d轨道所贡献的杂质能级,导致带隙减小。Mo掺杂导致的杂质能级与莫斯-布尔斯坦效应之间存在带隙调控相互竞争关系,可有效调控BNT体系能带结构。

硝酸对溶胶-凝胶法制备AlOOH胶粒粒度的影响

段宁, 张湘泰, 陆成龙, 张银凤, 李崇瑞

2021, 40(9): 3105-3113.

摘要 ( 112 )

PDF (12376KB) ( 61 )

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为获得孔径可控的氧化铝滤膜,以异丙醇铝为原料,硝酸为胶溶剂,使用溶胶-凝胶法制备了AlOOH溶胶,并通过纳米粒度仪、Zeta电位等表征手段,研究了硝酸用量对AlOOH胶粒粒度及粒度分布的影响。结果表明,硝酸与异丙醇铝摩尔比R(n(HNO₃):n(Al(C₃H₇O₃)₃))为0.2~0.7时,随着R增大,AlOOH胶粒的平均粒径从66.69 nm(R=0.2)增大到138.80 nm(R=0.7),其粒度分布曲线的半高宽(FWHM)由144.62 nm增加到267.74 nm。AlOOH溶胶的粒度增大不是由颗粒团聚引起的,而是硝酸加入增大了异丙醇铝水解反应常数,使单位体积内能发生缩聚的中间产物增加,从而促进了AlOOH胶粒的生长。

热处理气氛对SiBON陶瓷材料析晶行为的影响

张衡, 吴赟, 李道谦, 李卓霖, 王怡洋, 吴松松, 孙志远, 温广武

2021, 40(9): 3114-3121.

摘要 ( 78 )

PDF (14461KB) ( 41 )

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熔融石英陶瓷在使用过程中的析晶现象一直备受关注。采用XRD、SEM、FT-IR、XPS分析手段研究了SiBON陶瓷物相结构、表面形貌、化学键存在形式对其析晶行为的影响。结果表明,SiBON陶瓷在氮气保护条件下经1 550 ℃烧结后仍可有效抑制方石英的析出,同一温度在真空气氛下烧结制成的样品抑制析晶效果不佳。SiBON陶瓷的物相组成为非晶SiBON、Si₃N₄、BN,抑制析晶机理为B、N元素的掺杂使SiO₂中的Si—O—Si键转变为B—O—Si、Si—O—N键,由此生成的Si—B—O—N非晶结构提高了SiO₂的析晶活化能。

荣昌陶土的基本性能及应用评价

曹天忆, 夏光华, 成岳, 李森林

2021, 40(9): 3122-3129.

摘要 ( 93 )

PDF (10504KB) ( 56 )

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为科学开发利用荣昌地区陶土资源,采用XRD、XRF、薄片分析等分析技术,对荣昌陶土进行基本性能测试,并与其他地区陶土原料进行对比研究。结果表明:荣昌地区陶土主要化学成分为SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃,其中SiO₂含量偏高,基础配方制陶试验反映,成型性能良好;荣昌陶土矿晶相以石英为主,其次为高岭石和白云母;单一陶土原料烧结温度范围在1 080~1 150 ℃;古佛山页岩(1#)、荣昌白砂(2#)、荣昌白泥(3#)、陶都二矿3号(8#)陶土的吸水率趋近于0%,呈瓷化或过烧状态,具一定的助熔性;广富黄砂(5#)、陶都二矿1号(6#)、陶都二矿2号(7#)陶土的吸水率偏高,多为砂质黏土;荣昌地区陶土可塑性略低于宜兴的紫砂原料;另外荣昌陶土中的重金属含量微小,不足以造成陶瓷产品中的重金属溶出危害。

基于十字交叉法的陶瓷胶粘剂剪切蠕变性能研究

林立尘, 万德田, 刘小根, 李恺, 包亦望, 李月明, 孙熠

2021, 40(9): 3130-3137.

摘要 ( 60 )

PDF (12844KB) ( 27 )

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本研究设计了“十字交叉法”陶瓷胶粘剂剪切蠕变试验装置,选取刚性环氧树脂及柔性硅酮结构胶进行剪切蠕变试验,研究了环境温度、剪切应力、粘结面积等因素对胶粘剂剪切蠕变的影响,通过模型拟合对胶粘剂的剪切蠕变行为进行了分析和预测,探究了两种胶粘剂的蠕变破坏模式。结果表明:采用十字交叉法能够准确便捷地测试陶瓷胶粘剂的蠕变性能。增大胶粘层柔性、提高环境温度、增大剪切应力都会加速蠕变的发展,但粘结面积对蠕变速率无明显影响。刚性环氧树脂胶粘剂试样的蠕变失效形式为粘结层内聚破坏及界面脱粘,符合时间硬化模型;柔性硅酮结构胶试样失效形式为粘结层内聚破坏,符合Burgers模型。

LAS微晶玻璃在离子交换后的去结晶相变化及机械性能表征

韩韩, 彭瑞欣, 李筱凡, 赵会峰, 姜宏, 马艳平

2021, 40(9): 3138-3144.

摘要 ( 132 )

PDF (6423KB) ( 90 )

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Li₂O-Al₂O₃-SiO₂(LAS)系微晶玻璃是一种高性能的实用微晶玻璃体系,以Li₂O、Al₂O₃和SiO₂作为主要原料,采用整体析晶法制备了以透锂长石(LiAlSi₄O₁₀)为主晶相的微晶玻璃,并采用低温离子交换单元盐浴的方法,对其进行化学强化。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜等设备研究了LAS系微晶玻璃化学强化后的表面形貌和机械性能。结果表明,化学强化后此体系微晶玻璃表面出现去结晶相,维氏硬度显著降低,但抗弯强度显著提高,强化10 h时,表面出现约740 nm的非晶相层,抗弯强度达到最大值472 MPa。

Ge₂₀Sb₁₀Se₆₅Te₅硫系玻璃制备及Ti丝除杂机理研究

张宝东, 许军锋, 常芳娥

2021, 40(9): 3145-3151.

摘要 ( 51 )

PDF (3373KB) ( 33 )

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为了研究Ge-Sb-Se-Te四元硫系玻璃制备工艺和Ti丝除杂机理,通过盐浴冷却技术制备了Ge₂₀Sb₁₀Se₆₅Te₅硫系玻璃,并测试了其结构、红外透过率、玻璃特征温度和热膨胀系数,采用Kissinger和Augis-Bennett理论对Ge₂₀Sb₁₀Se₆₅Te₅玻璃的结晶活化能进行了分析研究。结果表明,所制试样为非晶结构,玻璃化转变温度T_g=531 K(升温速率为10 K/min),Kissinger和Augis-Bennett理论得到的结晶活化能分别为115.74 kJ/mol和131.53 kJ/mol。通过Ti丝除杂有效去除了氧杂质,得到的玻璃试样红外透过性能良好,并最后检测了Ti丝表面反应后的残留物质。热膨胀分析发现升温速率加快,玻璃在屈服点和软化点的膨胀量增加,这个结果解释了试管中的低温样品在重新加热时,升温过快石英试管经常裂开的原因。

热处理温度对铁镍合金膜层微观结构和镀膜玻璃性能的影响

曹文龙, 黄友奇, 臧曙光, 祖成奎, 欧迎春, 刘超英, 许少坤, 杨幼然

2021, 40(9): 3152-3158.

摘要 ( 49 )

PDF (5993KB) ( 35 )

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为了研究不同热处理温度下铁镍合金薄膜的形貌结构以及镀膜玻璃的性能,本文采用真空电子束加热蒸发镀膜技术在玻璃基片上镀铁镍合金薄膜,通过多晶X射线衍射(XRD)和场发射扫描电子显微镜(FESEM)分析结构,测试镀膜玻璃的光学性能、电磁性能以及电磁屏蔽性能。结果表明:随着热处理温度的升高,薄膜的结晶性能变好,逐渐析出体心立方晶相,在(110)方向具有择优取向,当热处理温度过高时薄膜中出现孔隙;热处理温度对镀膜玻璃雾度的影响小于1%,但镀膜玻璃的可见光透过率、表面方块电阻和相对磁导率会随热处理温度变化呈现一定规律变化;铁镍合金镀膜玻璃在30 MHz以下的低频电磁波频段内的屏蔽效能大于30 dB,在14 kHz时最高达到55 dB,是一种低频电磁屏蔽的优选材料。

不同制备方法的橡胶沥青黏度特性对比分析

栗培龙, 王霄, 孙胜飞, 马云飞

2021, 40(9): 3159-3167.

摘要 ( 46 )

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为了明确制备方法和工艺条件对橡胶沥青黏度特性的影响,在不同制备温度、制备时间、胶粉粒径及胶粉掺量条件下,采用高速剪切和机械搅拌两种方式制备橡胶沥青,对比分析了两种制备体系橡胶沥青黏度变化规律及黏度构成差异。采用Arrhenius方程计算了两种体系橡胶沥青的黏流活化能(E_η),探究了其黏流特性的差异及温度敏感性。结果表明:两种制备体系的橡胶沥青黏度随制备温度、制备时间的增加及胶粉粒径的减小先增大后减小,在135 ℃、150 ℃以及165 ℃测试条件下,剪切橡胶沥青的黏度大于搅拌体系,而在180 ℃条件下呈现出相反规律;随胶粉掺量的增加,二者的黏度不断增大,且搅拌体系的黏度始终大于剪切体系。剪切体系的E_η大于搅拌体系,表明剪切体系橡胶沥青的黏度主要源于胶粉和沥青的交互作用,温度敏感性更强,而搅拌橡胶沥青的黏度主要来自胶粉的位阻效应,自身稳定性更好。

基于储存稳定性的橡胶改性沥青制备工艺

杨德胜, 郭豪

2021, 40(9): 3168-3176.

摘要 ( 75 )

PDF (7655KB) ( 41 )

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为了制备储存稳定性良好的橡胶改性沥青,基于高温混炼工艺,使用聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯嵌段聚合物(SBS)、芳烃油、辛烯聚合物橡胶反应剂(TOR)、稳定剂与橡胶粉对基质沥青进行复合改性。提出了橡胶改性沥青的制备方法,分析了改性剂对沥青常规性能和流变特性的影响,并通过荧光试验观察改性剂在沥青中的分散效果。研究结果表明:添加质量分数为25%的40目(380 μm)胶粉可以明显提高沥青的高温性能;180 ℃下剪切60~90 min后溶胀发育60 min可以得到稳定性良好的橡胶改性沥青;加入相容剂和稳定剂可以提高胶粉的溶胀与分散程度,改性剂之间对沥青性能的影响存在协同作用;复合改性沥青具有良好的弹性恢复能力和高温抗变形性能;橡胶粉、SBS在沥青中的溶胀程度和分散均匀性是影响沥青常规性能和储存稳定性的直接因素。

石墨烯复合橡胶改性沥青路面性能研究

雷润祥, 王永吉, 张富奎

2021, 40(9): 3177-3184.

摘要 ( 64 )

PDF (1488KB) ( 51 )

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本文结合甘肃柳敦公路试验段工程实例,研究石墨烯复合橡胶改性沥青(GRA)路面性能。通过常规试验、多应力重复蠕变(MSCR)试验、动态剪切流变(DSR)试验等方法分析研究了GRA性能,并对GRA混合料的路用性能进行了研究。结果表明:GRA与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)改性沥青相比,针入度降低了12.7%,软化点、高温稳定性及其高温抗变形能力相当,抗应力变形能力及应力敏感性有所提升;GRA与橡胶SBS改性沥青相比,软化点增加了14.1%,弹性恢复增加了6.5%,针入度相当,高温稳定性及其高温抗变形能力有所提升。GRA较SBS改性沥青混合料表现出良好的路用性能,现场混合料更易于压实,渗水较小、强度较高,但构造深度有所降低。

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