“纪念钟香崇院士诞辰100周年”耐火材料专题前言

马成良, 胡俊华, 张海军

2021, 40(10): 3189-3190.

摘要 ( 104 )

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连铸用烧成铝碳质滑板研究现状

刘耕夫, 廖宁, 纪子旭, 李亚伟

2021, 40(10): 3193-3199.

摘要 ( 94 )

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烧成铝碳质滑板是连铸控流系统的关键功能材料之一,在使用过程中需要承受钢水和渣液的冲刷、快速和反复的热冲击,以及潜在的氧化风险,因此对材料的力学性能、热震稳定性和抗氧化性提出了严苛的要求。近年来,为了持续提高烧成铝碳质材料的上述性能,延长其使用寿命,针对材料结构和组成的优化进行了不断研究,主要包括从金属铝、单质硅等主要添加剂原位形成陶瓷相增强,发展到纳米碳源协同原位陶瓷相增强增韧,以及近期的层状化合物协同纳米碳及原位陶瓷相强韧化和抗氧化。

氮气气氛下Al对SiC-MgAl₂O₄复合材料物相和结构演变的影响

古晨伟, 王战民, 赵世贤

2021, 40(10): 3200-3205.

摘要 ( 60 )

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以SiC、MgAl₂O₄细粉为主要原料,分别添加质量分数为1%、3%、5%、7%、9%和12%的金属Al,置于流动氮气中,在1 500 ℃下保温5 h烧成得到SiC-MgAl₂O₄复合材料,对烧后试样进行XRD、SEM及EDS分析。结果表明,1 500 ℃高温烧结后,材料体系发生一系列复杂反应,试样中物相均以β-SiC、MgAl₂O₄、氮化物和sialon相为主。部分金属Al在高温下氮化形成氮化铝,并参与sialon相和MgAlON形成的反应。尖晶石则转变为富铝尖晶石和MgAlON两相共存。随着Al含量的增加,尖晶石中固溶铝含量达到极限时,析出α-Al₂O₃。Al含量的增加使得结合相Si-Al-O-N的形貌发生变化,由板带状向板柱状过渡,最终发育成形貌较为清晰的板层状。经SEM-EDS分析,sialon相中固溶一定量的Mg元素,为sialon多型体Mg-sialon相。

热震条件下Al₂O₃-O’-SiAlON-SiC复合材料氧化行为研究

苏凯, 陈晓雨, 张婧, 王子昊, 刘新红

2021, 40(10): 3206-3212.

摘要 ( 55 )

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以板状刚玉(骨料和细粉)、α-Al₂O₃微粉和硅粉等为原料,在1 500 ℃下埋炭保温3 h烧结制备了Al₂O₃-O’-SiAlON-SiC复合材料。研究了热震及不同热震次数对复合材料氧化行为的影响。研究结果表明:在无热震和热震条件下,试样氧化增重率在900~1 300 ℃均随温度升高而增加;热震氧化条件下的增重率大于无热震条件,且随热震次数增加,氧化增重率略有增加。无热震条件下,试样恒温氧化曲线类似于抛物线型,而热震条件下,试样氧化曲线接近直线型。因此,热震明显促进了复合材料的氧化,其原因在于热震使试样表面的氧化保护膜破裂,试样产生微裂纹,为氧气进入试样内部提供通道,进而加速材料氧化。

基于反向传播人工神经网络对SiC氧化反应行为的预测研究

赵春阳, 王恩会, 方志, 郭春雨, 段兴骏, 侯新梅

2021, 40(10): 3213-3218.

摘要 ( 46 )

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以SiC为代表的非氧化物耐火原料作为高温结构材料重要组分,被广泛应用于冶金高温行业。在实际应用过程中,SiC的氧化行为加速了对应耐火材料的高温性能失效,导致其服役寿命大大缩短。因此明晰非氧化物耐火原料在高温环境下的氧化行为尤为重要,利用动力学模型分析氧化行为是目前最常用的手段。但动力学模型的建立往往需要大量的数据处理工作,且很难同时满足描述准确性高和模型参数简单两个条件。随着人工智能与大数据技术在材料领域的应用探索,反向传播人工神经网络(BP-ANN)有望在此方面取得突破。本文以典型非氧化物耐火原料SiC为例,通过建立神经网络,训练、预测SiC的氧化行为,预测结果与实验数据的相对误差均小于3%,用预测数据回归计算的反应活化能和反应速率常数与实验数据计算结果的相对误差低于4%,表明BP-ANN在研究非氧化物耐火原料的氧化行为方面具有巨大应用前景。

热处理温度对ZrO₂纤维复合ZrO₂-C材料性能的影响

陈海军, 徐恩霞, 李淼, 高金星, 葛铁柱

2021, 40(10): 3219-3225.

摘要 ( 49 )

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浸入式水口是钢铁连铸工序中关键的功能耐火材料,其中以渣线部位的工作环境最为恶劣。目前,最适合的渣线材料是ZrO₂-C材料。为了提高浸入式水口的性能,本文以氧化锆与鳞片石墨为主要原料,添加增强材料氧化锆纤维及金属硅粉等,以酚醛树脂为结合剂制备ZrO₂-C复合材料。比较了1 000 ℃、1 200 ℃和1 500 ℃三种热处理温度对ZrO₂-C材料的性能及显微结构的影响,结果表明,在热处理温度高于1 200 ℃时,ZrO₂-C材料中的硅粉与石墨发生反应生成碳化硅,大量晶须状碳化硅与ZrO₂纤维交错在一起形成网络结构,提高了材料的力学性能和抗热震性。

烧成工艺对花岗岩基轻质隔热材料性能的影响

潘孟博, 李祥, 戚文豪, 杜浩然, 吴晓鹏, 赵飞, 马成良

2021, 40(10): 3226-3231.

摘要 ( 45 )

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以花岗岩废料、黏土、长石为主要原料制备了花岗岩基轻质隔热材料。研究了不同烧成工艺制度(烧成温度、保温时间、升温速率)对该隔热材料性能的影响,确定最优烧成制度,制备出表观密度小、抗压强度高、常温导热系数小的高性能隔热材料。结果表明,以5 ℃/min从常温升至1 000 ℃,再以3 ℃/min升至1 200 ℃并保温30 min,在此烧成工艺制度下制备的隔热材料试样的表观密度为0.6 g/cm³,常温抗压强度18.11 MPa,常温导热系数为0.2 W/(m·K),综合性能最好。

不同铝基原料对MgO-Al-C材料性能和显微结构的影响

韩晓源, 石凯, 夏熠, 洪思阳, 刘洋, 商剑钊

2021, 40(10): 3232-3240.

摘要 ( 57 )

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以烧结镁砂骨料、电熔镁砂细粉、Al粉、N220炭黑为原料,酚醛树脂为结合剂,制备MgO-Al-C材料,研究了三种铝基原料(造粒氧化铝微粉、氧化铝空心微珠、六铝酸钙)对其常温抗折强度、高温抗折强度、抗热震性及抗氧化性的影响,并借助XRD和SEM对其物相组成及显微结构进行分析。结果表明,造粒氧化铝微粉是多孔结构,可吸收热应力,加入量为1%(质量分数,下同)时,可提高材料的常温抗折强度和抗热震性,明显改善材料的抗氧化性。氧化铝空心微珠是中空结构,可缓冲热应力,加入量为3%时,可明显提高材料的常温抗折强度,并具有较高的抗热震性和抗氧化性。六铝酸钙的热膨胀系数较低,可赋予材料较好的韧性,加入量不超过5%时,样品具有较好的抗热震性。

不同碳材料对铝碳浇注料性能的影响

邝昌柳, 王杏, 刘正龙, 丁军, 余超, 邓承继, 祝洪喜

2021, 40(10): 3241-3247.

摘要 ( 51 )

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含碳浇注料因碳材料的水润湿性差及高温氧化引起的材料性能差等问题一直备受关注。分别以热氧化石墨、ZrC包覆改性石墨和水热碳化生物质碳材料为碳源制备铝碳浇注料,研究不同碳材料对铝碳浇注料显气孔率、物理性能、物相组成,以及抗氧化性和抗渣侵蚀性能的影响。结果表明:引入热氧化石墨的浇注料具有最高的加水量,残留孔隙破坏了材料内部结构,浇注料机械性能较差;添加ZrC表面改性石墨可以降低浇注料的加水量,抗氧化性能较好,但对力学性能的提升无显著影响;以生物质碳材料为碳源可以显著提高浇注料的物理性能,相比于添加石墨的试样,生物质碳材料并未显著提升试样的抗渣侵蚀性能。

镁橄榄石制备六方柱状堇青石及其晶相和性能研究

李寅, 董博, 邓承继, 丁军, 祝洪喜, 王会, 余超

2021, 40(10): 3248-3256.

摘要 ( 84 )

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我国天然镁橄榄石矿物资源丰富,但其成分复杂,导致高效利用率和产品附加值低。为拓展镁橄榄石高效利用技术,以镁橄榄石、工业氧化铝和石英砂为原料,在空气气氛下经800~1 380 ℃保温2~8 h制备得到堇青石材料,并研究了原料组成和烧成制度对合成六方柱状堇青石的影响。结果表明,合成堇青石的最佳烧成制度为1 380 ℃保温8 h,此时堇青石合成纯度最高,晶型发育良好且晶粒为六方柱状。当烧成温度为1 380 ℃,保温时间由2 h延长至8 h后,材料中石英砂对应衍射峰消失,堇青石析出量增多,材料的结晶度得到提高,堇青石晶体点缺陷类型可能由V^"_Mg转变为O^"_i添加过量石英砂的试样经1 380 ℃保温8 h烧成后,堇青石晶粒被更多熔融相覆盖包裹,晶粒间间隔减小,堇青石材料更加致密,但堇青石材料的合成纯度并未得到提高。

纤维和遮光剂对纳米孔粉体隔热材料性能的影响

杜浩然, 邢益强, 李祥, 陈凯阳, 王世界, 马成良

2021, 40(10): 3257-3264.

摘要 ( 38 )

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新型高温隔热材料对工业窑炉高效节能作用显著,降低其高温辐射导热率有利于提高高温隔热性能。采用干压成型制备了添加不同种类和不同含量的纤维及遮光剂的纳米孔粉体隔热材料,分别测试了试样的常温耐压强度和不同温度下的导热系数,探讨了纤维和遮光剂对纳米孔粉体隔热材料的力学性能和隔热性能的影响,并利用SEM、EDS和FTIR对试样的微观结构和红外透射率进行了分析表征。结果表明,多晶莫来石纤维有效增强了纳米孔粉体隔热材料的耐压强度,掺杂9%(质量分数)多晶莫来石纤维试样在800 ℃的导热系数为0.047 W/(m·K),低于添加石英纤维的隔热材料;纳米SiC粉体和锆英石粉体作为遮光剂能够有效抑制辐射传热,降低高温辐射热导率,添加10%(质量分数)纳米SiC粉体遮光剂的隔热材料试样导热系数随温度的变化较小,在800 ℃仅为0.041 W/(m·K)。

改性SiO₂源对合成高纯莫来石材料结构及性能的影响

李可可, 朱先忠, 麦海香, 周超杰, 徐恩霞, 刘新红, 赵飞

2021, 40(10): 3265-3272.

摘要 ( 44 )

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在天然石英中引入质量分数为8%的γ-Al₂O₃,经1 550 ℃加热处理实现了对SiO₂源的掺杂改性。以不同SiO₂源和γ-Al₂O₃为原料,对比研究了改性SiO₂源对合成高纯莫来石材料结构和性能的影响。结果表明:SiO₂中掺入少量γ-Al₂O₃后,其熔融温度降低;改性SiO₂源在较窄的温度范围(1 570~1 580 ℃)内转化为富SiO₂液相。大量富SiO₂液相的形成促进了莫来石化反应,加速了颗粒重排,提高了材料的致密度,从而改善了高纯莫来石材料的反应烧结性能。在煅烧过程中,富SiO₂液相逐渐被反应消耗转化为高温相的莫来石;同时,改性SiO₂源熔融提供的液相环境,促进了莫来石晶体的各向异性生长。经1 700 ℃保温3 h煅烧后,莫来石晶体发育呈柱状并形成交叉的网络结构,增强了晶体间的结合程度。采用改性SiO₂源合成的高纯莫来石材料,表现出更好的力学性能。

硼酸铝-六钛酸钾晶须复合隔热材料制备与性能

尚佳琪, 刘浩, 王周福, 杨智谦, 陈森娜, 马妍, 王玺堂

2021, 40(10): 3273-3278.

摘要 ( 64 )

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以硼酸、氢氧化铝、六钛酸钾晶须(PTW)等为主要原料,采用固相烧结法制备了硼酸铝-六钛酸钾晶须复合隔热材料,研究了预合成硼酸铝晶须(ABW)对材料显微结构、力学性能及隔热性能等方面的影响。结果表明:随着制备温度的提高,ABW与PTW由点接触转变为晶须间通过K_1.5(Al_1.5Ti_6.5)O₁₆相结合,提高了复合隔热材料的致密度和耐压强度;细小的ABW在PTW之间形成了尺寸更小的孔隙,通过减少对流和辐射传热,显著提高了晶须复合隔热材料的隔热性能。控制PTW、预合成ABW、炭黑质量比为9∶1∶3,在1 100 ℃可制得体积密度为1.11 g/cm³、耐压强度为3.5 MPa、导热系数为0.11~0.16 W/(m·K)(200~800 ℃)的硼酸铝-六钛酸钾晶须复合隔热材料。

CaCO₃微粉对刚玉质弥散型透气砖性能的影响

邱鑫, 李方圆, 张仕鸣, 刘新红, 贾全利

2021, 40(10): 3279-3284.

摘要 ( 43 )

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弥散型透气砖因具有供气可靠性好、安全性高和精炼效果好等优点得到较多应用,然而其自身多孔结构导致的强度低和使用寿命短等缺陷限制了它的应用。为优化刚玉质弥散型透气砖的使用性能,本文以电熔白刚玉颗粒及细粉、α-Al₂O₃微粉、Cr₂O₃微粉等为主要原料,固定颗粒与细粉的质量比为85∶15,分别用质量分数为0%、1%、2%、3%的CaCO₃等量替代电熔白刚玉细粉,探索CaCO₃微粉的引入对弥散砖性能的影响。结果表明:随CaCO₃微粉加入量增加(0%~2%),弥散砖材料常温强度和高温强度增加,由于CaCO₃分解生成的CaO与基质中的Al₂O₃反应生成六铝酸钙,其相互穿插连接增加了基质间的结合程度,从而提高了材料的强度。

Cr₂O₃微粉加入量对Al₂O₃-Cr₂O₃质耐火材料性能的影响

康鑫, 张利新, 邓俊杰, 刘萍, 徐恩霞, 李素平

2021, 40(10): 3285-3291.

摘要 ( 42 )

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以电熔铬刚玉和白刚玉为主要原料,用Cr₂O₃微粉部分替代电熔铬刚玉细粉,研究了Cr₂O₃微粉加入量对Al₂O₃-Cr₂O₃质耐火材料常温和高温性能、物相组成和显微结构的影响。结果表明,随着Cr₂O₃微粉加入量的增加,原位形成了(Al_1-xCr_x)₂O₃固溶体,促进了烧结,材料的显气孔率先降低后升高,且(Al_1-xCr_x)₂O₃固溶体的晶格常数呈线性增加,符合Vegard定律。材料的常温抗折强度和常温耐压强度随Cr₂O₃微粉加入量的增加先升高后降低,在Cr₂O₃微粉加入量为15%(质量分数)时强度达到最大值。而当Cr₂O₃微粉加入量为20%(质量分数)时,由于有挥发现象,材料显气孔率上升,强度下降。材料高温抗折强度随Cr₂O₃微粉加入量的增加而增加,材料的残余强度保持率呈先降低后升高的趋势。

添加剂对酸性硅溶胶及料浆胶凝与流变行为的影响

杨雨菲, 刘浩, 王周福, 刘文元, 马妍, 王玺堂, 柳茂林

2021, 40(10): 3292-3297.

摘要 ( 64 )

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以酸性硅溶胶及其结合料浆为研究对象,通过对比胶凝时间、黏度、触变环面积、剪切应力等流变参数,研究了聚丙烯酰胺、氢氧化镁、柠檬酸三铵等对酸性硅溶胶及结合料浆流变行为、凝聚过程的作用规律。结果表明:氢氧化镁电离出Mg²⁺促进了酸性硅溶胶的缩合反应,对酸性硅溶胶胶凝过程的影响较为显著;氢氧化镁添加量的增加,增大了胶凝速度,酸性硅溶胶的稳定性下降。聚丙烯酰胺作为阴离子表面活性剂,通过空间位阻效应,缔合溶胶中的氢键,在溶胶中形成三维网络结构,同时聚丙烯酰胺水解吸附在溶胶胶团颗粒表面,加快了SiO₂粒子的絮凝,提高了酸性硅溶胶及其结合料浆的黏度。控制柠檬酸三铵的含量低于10 mg/mL,有助于降低硅溶胶结合料浆的黏度,提高体系的稳定性。

新型结合剂SioxX-Zero对喷煤管用无水泥浇注料显微结构和性能的影响

张思思, 王庆虎, 彭红, 李亚伟, 舒小妹, 戴长浩, 王丹滨, ARINDAM Mukherjee

2021, 40(10): 3298-3304.

摘要 ( 49 )

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喷煤管是水泥回转窑的关键承力部位,长期承受高温熟料粉尘和气流的剧烈冲刷,需具备优异的高温力学性能。本工作分别以新型SioxX-Zero和传统铝酸钙水泥为结合剂,采用板状刚玉、α-Al₂O₃微粉和碳化硅等为主要原料,分别在1 100 ℃和1 400 ℃热处理3 h,制备了喷煤管用无水泥和低水泥结合Al₂O₃-SiC质浇注料,并研究了新型SioxX-Zero结合剂对浇注料显微结构、常规物理性能和高温力学性能的影响。结果表明:与传统铝酸钙水泥相比,SioxX-Zero能有效提高浇注料流动值和延缓流动值衰减,改善其施工性能。同时,含SioxX-Zero的Al₂O₃-SiC质浇注料中原位生成了数量较多、尺寸较大的针状莫来石,大幅改善了材料的常温抗折/耐压强度、高温抗折强度和高温耐磨性能。

ZnO-B₂O₃玻璃对Li₂Zn₃Ti₄O₁₂-CaTiO₃复合陶瓷低温烧结及性能的影响

舒国劲, 袁世逢, 庞锦标, 窦占明, 杨俊, 刘凯, 韩光学

2021, 40(10): 3305-3310.

摘要 ( 56 )

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采用传统固相反应法制备0.94Li₂Zn₃Ti₄O₁₂-0.06CaTiO₃(LZT-CT)复合陶瓷,采用高温熔融法制备ZnO-B₂O₃(ZB)玻璃;以ZB玻璃为烧结助剂,研究了添加不同质量分数(x=0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%)的ZB玻璃对LZT-CT复合陶瓷的烧结特性、物相组成、微观结构以及微波介电性能的影响。结果表明:ZB玻璃能有效地将LZT-CT复合陶瓷的烧结温度从1 175 ℃降低到875 ℃,并促进了LZT-CT复合陶瓷的致密化。当ZB玻璃掺量x≤2.5%时,LZT-CT复合陶瓷中除了LZT、CT相,没有出现其他新相。随着ZB玻璃添加量增加,复合陶瓷的体积密度、介电常数(ε_r)、品质因数(Q×f)均先增加后减小,谐振频率温度系数(τ_f)变化不大,在(-2.25~4.51)×10^-6/℃波动。当ZB玻璃掺量为2.0%时,LZT-CT复合陶瓷在875 ℃烧结2 h,获得最大体积密度(4.22 g/cm³)以及优异的微波介电性能,ε_r=23.9,Q×f=58 595 GHz,τ_f=-0.14×10^-6/℃。

化学成分检测助力机制砂混凝土性能提升

庄凯群, 马永胜, 宋少民, 刘瑞朝, 郭宇轩, 蒋泽宇

2021, 40(10): 3311-3315.

摘要 ( 62 )

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通过对机制砂进行化学成分检测,以不同氧化物含量将机制砂区分为高钙含量机制砂、高硅含量机制砂、高铝含量机制砂、高铁含量机制砂,四种机制砂在吸附性和与外加剂相容性等方面各具特点,根据每种机制砂的特性,调整混凝土外加剂组分,以改善混凝土的工作性能,使其满足工程质量要求。

低水胶比水泥基材料后续水化的研究进展

李港来, 史才军, 吴泽媚, 李宁, 刘翼玮

2021, 40(10): 3316-3325.

摘要 ( 91 )

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低水胶比水泥基材料的孔隙率低,力学性能、耐久性能和抗冲击性能优异。然而,低水胶比水泥基材料中的自由水含量低且可供水化产物沉淀的空间有限,限制了水泥颗粒的水化反应,导致其内部存在大量未反应的胶凝材料。本文阐述了水泥的后续水化过程及机理,综述了后续水化对低水胶比水泥基材料微观结构、体积稳定性和强度等方面影响的研究进展。最后对目前低水胶比水泥基材料后续水化研究中存在的一些问题进行了总结和展望,旨在为低水胶比水泥基材料的长期稳定性研究和应用提供理论依据。

混凝土振捣技术研究现状与发展趋势

温家馨, 黄法礼, 王振, 易忠来, 谢永江, 李化建, 程欢

2021, 40(10): 3326-3336.

摘要 ( 203 )

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振捣是混凝土施工的关键一环,选择合适的振捣装备和方法有助于提高混凝土施工效率和施工质量。但由于混凝土内部不可见,混凝土振捣密实效果评价及质量把控主要依赖人的经验判断,制约了振捣技术的进一步提升。为提升混凝土振捣施工质量,本文总结了混凝土振捣密实机理,分析了混凝土振捣密实过程及其影响因素,比较了混凝土振捣密实效果的评价方法,阐述了混凝土振捣技术的研究现状,提出了混凝土振捣技术智能化的发展方向。

高温碳化养护对干硬性水泥净浆强度及微观性能的影响

林忠财, 朱芳萍, 王敏

2021, 40(10): 3337-3344.

摘要 ( 63 )

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碳化养护可在加快水泥制品早期强度发展的同时固定二氧化碳,因此已引起国内外学者的广泛关注,然而,高温对碳化养护进程的影响却未见报道。本文选用5个温度(20 ℃、100 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃)对干硬性水泥净浆进行碳化养护,探究了抗压强度随碳化温度的变化规律,并结合热重分析、X-射线衍射、红外光谱及扫描电镜等方法对碳化养护后样品的微观性能进行表征。结果表明:抗压强度及碳化程度随温度的升高表现出先增加后趋于平缓的趋势,碳化温度为140 ℃的试件相比碳化温度为20 ℃的试件抗压强度增长近4倍,表明高温碳化是加速养护的有效措施,适当的高温可以蒸发部分自由水,有利于碳化反应进行。此外,高温碳化养护生成了高聚合程度的无定形硅胶和三种不同晶型的碳酸钙(CaCO₃),其中文石和球霰石所占比例相比于常温碳化有所上升。

高贝利特硫铝酸盐水泥改性白水泥的物理力学性能与水化作用

兰明章, 王浩, 陈智丰, 葛仲熙, 王剑锋, 裴天蕊

2021, 40(10): 3345-3351.

摘要 ( 37 )

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白色硅酸盐水泥(白水泥)具有较好的白度,是一种具有装饰效果的胶凝材料。针对该种水泥凝结时间长、早期强度发展慢及收缩变形较大等问题,采用高贝利特硫铝酸盐水泥对白水泥进行改性,系统研究了掺入10%~30%(质量分数)的高贝利特硫铝酸盐水泥对白水泥凝结时间、胶砂强度和自由膨胀率的影响。使用水化微量热仪、XRD、TGA、SEM等方法对复合胶凝体系水化过程、水化产物和微观形貌进行分析。结果表明:高贝利特硫铝酸盐水泥增大了白水泥水化放热率,显著缩短了白水泥的凝结时间;改性后的白水泥水化产物生成了大量的AFt,穿插生长在C-S-H凝胶中,消耗掉了部分Ca(OH)₂,使结构更加致密,强度更高,膨胀性能更好。

纳米二氧化硅/氧化石墨烯复合物对普通硅酸盐水泥力学性能的影响

阴钰娇, 吴飞

2021, 40(10): 3352-3358.

摘要 ( 52 )

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氧化石墨烯(GO)在水泥中的分散性较差,限制了其提高水泥基复合材料性能。采用溶胶-凝胶法制备了纳米二氧化硅/氧化石墨烯复合物(GOS),在模拟的水泥孔隙溶液中对比了GO和GOS的分散稳定性;同时,制备了添加纳米片的水泥浆体,研究了GO和GOS对其力学性能的影响。结果表明:GOS在水泥环境中的分散稳定性明显优于GO;与对照组相比,GO/水泥基复合材料的28 d抗折和抗压强度分别提高了20.48%和13.14%,而GOS/水泥基复合材料分别提高了35.42%和23.90%。微观分析表明,GO/水泥基复合材料内部形成花状水化晶体,GOS/水泥基复合材料内部的水化晶体彼此交联,结构致密,降低了水泥脆性,提高了韧性。

减缩型聚羧酸减水剂提高混凝土早期抗裂性的作用研究

张建, 毛倩瑾, 王子明, 黄丽娜, 崔素萍

2021, 40(10): 3359-3365.

摘要 ( 62 )

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减缩型聚羧酸减水剂(SRPC)是一类兼具减缩与减水双重作用的新型混凝土外加剂,它对混凝土早期抗裂性的作用将影响其在工程中的应用。本文利用平板抗裂试验对比测试了掺SRPC、聚羧酸减水剂(PCE)及小分子减缩剂(SRA)的混凝土早期抗裂性,并通过对表面张力、收缩率、孔结构、水化热等参数的分析,讨论了SRPC影响混凝土抗裂性的作用机理。试验结果表明,尽管SRPC在掺量0.15%(质量分数)下的减缩效果弱于掺量1.5%(质量分数)的SRA,但SRPC表现出更佳的早期抗裂性能。机理分析表明,SRPC除了与SRA都是通过降低孔溶液表面张力及改变毛细孔结构从而减少混凝土的收缩外,还通过延缓水泥水化速率、降低早期水化放热量、抑制混凝土中水分蒸发等作用,改善混凝土的早期抗裂性。

聚醚型聚羧酸减水剂的合成和表征及对水泥的微观作用机制

张晓宇, 甄卫军, 关寿禄, 陈俊

2021, 40(10): 3366-3375.

摘要 ( 58 )

PDF (2462KB) ( 35 )

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本文以聚醚、丙烯酸、丙烯酸羟乙酯为原料,通过自由基聚合法合成了聚羧酸减水剂JS-PCE和BT-PCE。通过正交优化所得的JS-PCE合成条件为:聚合温度25 ℃,抗坏血酸-巯基丙酸混液、丙烯酸滴加时间分别为3 h、2.5 h,酸醚物质的量比为4.25∶1,引发剂加量为聚醚质量的1.10%。添加JS-PCE的水泥净浆流动度达230 mm,表现出较好的流动性。采用界面化学及电化学等方法探究了减水剂对水泥的微观作用机制,结果表明聚羧酸减水剂在水泥颗粒表面存在饱和吸附量,其与水泥颗粒存在强吸附作用,因此产生分散和减水作用。流变行为分析得出JS-PCE和BT-PCE的最佳折固掺量分别为0.3%、0.4%。

钢纤维轻骨料混凝土细观均匀化及受扭构件极限承载力研究

王辉明, 贺正波, 朱文

2021, 40(10): 3376-3384.

摘要 ( 31 )

PDF (4457KB) ( 21 )

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钢纤维轻骨料混凝土(SFLWC)因自重轻、耐热性好等优点,在土木工程中应用愈加广泛。由于其本质为多相复合材料,力学性能试验结果离散性大且试验费时耗力,因此采用细观均匀化理论预测其力学性能是有效方法之一。本文运用Mori-Tanaka均匀化理论,预测钢纤维体积掺量为0%、0.5%、1%、1.5%时钢纤维轻骨料混凝土的弹性模量,并以此为基础进行了钢纤维轻骨料混凝土的抗扭性能有限元分析,对受扭构件极限承载力经验计算公式提出修正建议。结果表明,均匀化理论得到的弹性模量预测值与规范中经验公式计算结果误差很小且与试验结果吻合很好,通过有限元计算得到的钢纤维轻骨料混凝土梁扭转曲线与相关试验结果符合较好,本文建议的极限扭矩计算修正公式与试验结果相比较为一致,故建议的修正公式对工程计算和应用有一定的实际参考价值。

端钩型钢纤维UHPC抗压强度的试验研究

常亚峰, 师俊平, 侯亚鹏

2021, 40(10): 3385-3395.

摘要 ( 43 )

PDF (8668KB) ( 34 )

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本文对5组超高性能混凝土(UHPC)立方体试件进行了轴心受压试验,观察不同纤维掺量及不同尺寸UHPC试件的破坏过程及破坏形态,研究了端钩型钢纤维及不同尺寸对UHPC受压性能的影响,比较各纤维体积掺量立方体试块的荷载-位移曲线,给出了纤维约束系数,分析了其对UHPC立方体抗压强度及压缩耗能的影响,建立了UHPC立方体抗压强度的预测模型。结果表明:与未掺纤维UHPC试件相比,掺入端钩型钢纤维的试件,在载荷达到极限荷载的40%左右时,试件开始发生损伤,在载荷接近极限荷载时,试件内部发生持续的快速断裂声响;掺入端钩型钢纤维的UHPC试件最终破坏呈多条斜向裂缝,且最终破坏时试件仍能保持完整形态,呈现“裂而不碎”的状态;随着端钩型钢纤维体积掺量的增加,试件的受压峰值荷载增加,且伴随着试件的变形增大;与未掺纤维UHPC试件相比,随着纤维掺量的增大,尺寸效应对UHPC的受压性能的影响逐渐减小。基于纤维约束指数,建立了UHPC立方体抗压强度的预测模型,预测结果与试验结果吻合度较高。

钢纤维改性橡胶混凝土与变形钢筋的粘结性能

王一泓, 陈超, 黄梦龙

2021, 40(10): 3396-3404.

摘要 ( 37 )

PDF (4037KB) ( 22 )

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本试验共设计制作4组钢纤维(钢纤维体积率分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%)改性橡胶混凝土粘结试件,采用中心拉拔试验的方法,系统研究了钢纤维体积率的变化对粘结破坏形态、初始粘结强度、极限粘结强度以及粘结滑移曲线的影响规律。研究结果表明:随着钢纤维体积率的增大,与橡胶混凝土相比,初始粘结强度分别提高了5.37%、8.35%、0.89%,极限粘结强度分别提高了9.44%、16.49%、12.91%。适量掺入钢纤维可以显著改善粘结试件的破坏形态。上升段、下降段以及残余段共同组成钢纤维改性橡胶混凝土的粘结滑移曲线,且粘结滑移曲线的饱满程度以及上升段斜率随着钢纤维体积率的增加而增加。基于试验结果,建立了钢纤维改性橡胶混凝土与变形钢筋的粘结滑移本构方程,该方程能为其在结构设计中提供一定的参考。

低温环境中新型水泥基材料抗拉性能和微结构的演化行为

张超, 杨海涛, 段品佳, 黄欢, 刘娟红

2021, 40(10): 3405-3413.

摘要 ( 44 )

PDF (7041KB) ( 32 )

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低温环境中混凝土的抗拉性能是影响“全混凝土”液化天然气储罐长期安全服役的重要因素。本文研发了一种新型耐低温高性能水泥基材料(CHC),利用拉伸试验机研究了低温循环(20~-165 ℃)前后CHC的抗拉性能,借助压汞孔隙率测试和核磁共振测试分析了CHC的孔结构特征。结果表明,相比于C60混凝土,CHC的总孔隙率较低,抗拉强度较大,峰后变形能力较强。低温循环后,微裂缝的出现和总孔隙率的增加导致CHC和C60混凝土的峰值应力下降。相比于C60混凝土,CHC中裂缝的宽度较小,总孔隙率的增加量较少,故CHC峰值应力的下降幅度较低。本研究证实低温循环前后CHC的抗拉性能均优于C60混凝土,这源于CHC优异的孔结构和钢纤维的掺入。

赤泥脱碱方法及其机理研究进展

陈珊, 陈允建, 谢鑫, 董泽靖, 张琴, 伏江丽, 黄建洪

2021, 40(10): 3414-3426.

摘要 ( 368 )

PDF (1673KB) ( 150 )

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赤泥是氧化铝生产过程中产生的强碱性废弃物,其强碱性是制约自身大规模综合利用的重要因素。因此十分有必要对赤泥进行脱碱,以期实现赤泥的综合利用,保障铝工业可持续发展。论文综述了国内外赤泥脱碱方法,如水洗法、酸浸法、石灰法、盐类浸出法、CO₂法、生物法等;同时从自由碱和化学结合碱的角度分析了各种脱碱方法的特点及主要脱碱机理,总结出赤泥脱碱的原理主要是中和反应、沉淀反应及钠置换反应。最后剖析了各种脱碱方法存在的问题,并对赤泥脱碱的研究提出了建议,这将为赤泥脱碱技术的进步以及赤泥的综合利用提供参考。

pH值对云南红黏土力学特性及微观结构的影响

潘泰, 赵贵涛, 黄英

2021, 40(10): 3427-3434.

摘要 ( 44 )

PDF (6945KB) ( 36 )

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为探明土体在酸碱污染情况下力学特性和微观结构的演化规律,以云南红黏土为研究对象,以不同浓度的盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)为污染源,考虑酸碱全范围pH值变化和作用时间对红黏土抗剪强度的影响,并采用扫描电子显微镜(SEM)观察红黏土微观结构的变化。结果表明:与经历pH值为8.2的溶液处理过的红黏土相比,随着pH值升高或降低,红黏土的抗剪强度τ_f、黏聚力c、内摩擦角均呈现下降趋势;当pH值为0.5和13.8时,随着酸碱作用时间延长,红黏土的抗剪强度τ_f、黏聚力c、内摩擦角逐渐减小,7 d之后趋于稳定;对酸碱污染红黏土的SEM照片及其特征参数进行分析,发现酸碱污染红黏土抗剪强度衰减是酸碱溶液侵蚀土体结构导致的;碱污染红黏土与酸污染红黏土相比较,前者工程性质更差。该研究成果对云南红土地区水环境恶化型工程病险的认识和防治具有指导意义。

SAP内养护对碱激发矿渣胶凝材料性能的影响

李相国, 许金生, 姜东兵, 吕阳, 何晨昊, 张乘, 傅秋艳

2021, 40(10): 3435-3441.

摘要 ( 53 )

PDF (944KB) ( 28 )

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碱激发矿渣(AAS)胶凝材料存在早期收缩大、开裂风险高的问题,限制了其工程应用。本文采用TAM、TGA、MIP等方法研究了高吸水性树脂(SAP)内养护对AAS胶凝材料水化热、水化产物及孔结构的影响,同时研究了SAP对AAS胶凝材料抗压强度及自收缩的影响规律。结果表明,SAP的加入会增加基体的孔隙率,降低AAS浆体的抗压强度,但是随着水化时间的延长,SAP的内养护作用可以促进矿渣水化,抗压强度的降低幅度逐渐减小。SAP的加入对AAS胶凝材料的水化放热过程有一定的延迟作用,表现为诱导期延长,第二放热峰滞后。SAP的加入使AAS胶凝材料水化产物总量增加,增加程度随着模数的增加而提高。此外,SAP抑制AAS浆体自收缩效果明显,添加SAP之后自收缩降低率最高可达81%。

温度和激发剂浓度对碱激发矿渣净浆流变特性的影响

陶俊, 唐建辉, 李平, 白银, 刘健, 温东辉

2021, 40(10): 3442-3449.

摘要 ( 61 )

PDF (1272KB) ( 33 )

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为了获得温度和激发剂浓度对碱激发矿渣净浆流变特性的影响,以NaOH为激发剂,S95粒化高炉矿渣为被激发组分,探讨了不同激发剂浓度(1 mol/L、2 mol/L和3 mol/L)和温度(20 ℃、30 ℃和40 ℃)下矿渣净浆在凝结硬化过程中屈服应力和表观黏度的变化特征。结果表明:以NaOH为激发剂的矿渣净浆表现出非牛顿体特征,屈服应力的发展符合Bingham流体模型。激发剂浓度和温度越高,碱激发矿渣净浆的屈服应力发展越快,并且屈服应力平稳期和增长期时长均随激发剂浓度和的提高而缩短;表观黏度时变模型可通过η=η₀+e^-btⁿ表示,且初始表观黏度η₀、b和n值均随温度和激发剂浓度的提高而提高。

尾矿砂改性混凝土的强度与声发射损伤特征研究

王文杰, 磨季云

2021, 40(10): 3450-3456.

摘要 ( 39 )

PDF (5939KB) ( 21 )

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为了研究尾矿砂改性混凝土的受压损伤特征,对4组不同磷矿尾矿砂取代率的混凝土进行了单轴压缩-声发射监测试验。根据混凝土受压损伤时所释放的声发射(AE)信号,定量探讨了材料的损伤程度,并以AE指标为基础分析了混凝土损伤演化特征。结果表明:混凝土的应力-应变曲线可分为弹性变形、塑性变形、断裂破坏和残余变形4个阶段;随着尾矿砂含量增加,混凝土的抗压强度先增加后保持稳定,尾矿砂取代率为30%(质量分数)的改性混凝土峰值抗压强度最大;由AE信号提出了损伤因子,损伤因子-应变曲线表明普通混凝土的结构损伤主要在塑性变形阶段,而尾矿砂改性混凝土的结构损伤集中在塑性变形和断裂破坏阶段;一定比例的磷矿尾矿砂有助于提高水泥砂浆的密实度,从而增强抗压强度和变形性能。这为尾矿砂改性混凝土的研究提供了重要参考。

黄金尾矿材料及环境属性研究

朱建平, 乐红志, 朱俊阁, 白荣, 李洪达

2021, 40(10): 3457-3463.

摘要 ( 40 )

PDF (2696KB) ( 28 )

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黄金尾矿是金矿开采过程中常见的固体废弃物,大部分尾矿直接堆积在尾矿库中得不到回收利用,带来了一系列的社会和环境问题,对其进行资源化利用的研究愈发迫切。采用XRD、XRF、SEM、激光粒度仪、TG、DSC等测试手段对黄金尾矿的材料属性进行基础性研究,采用ICP、低本底多道γ能谱仪、pH值测定等测试方法进行环境属性研究。讨论了重金属溶出含量、放射性比活度和酸碱性,分析了黄金尾矿对环境的危害程度和二次利用可行性。研究结果表明:30 d重金属溶出含量小于地表水Ⅲ类水限值;放射性内外照射指数I_Ra=0.1、I_γ=0.4,均小于国家限制标准,为黄金尾矿在建筑行业领域的综合应用提供参考。

煤矸石堆存区周边土壤重金属污染特征及风险评价

王延东, 李晓光, 黎佳茜, 李伟, 张明天, 赵琛, 张列宇, 李卫平

2021, 40(10): 3464-3471.

摘要 ( 45 )

PDF (3196KB) ( 22 )

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为探究长期堆存煤矸石中重金属在周边盛行风向土壤里的分布特征及潜在风险,以宁夏枣泉煤矿煤矸石堆存区周边土壤为研究对象,对煤矸石堆存区周边盛行风向土壤中5种重金属(Cu、Zn、Pb、Cr、Mn)总量及重金属赋存形态特征进行深入分析,开展了土壤重金属生物活性分析及评价。结果表明:由于煤矸石的长期堆放、风力、雨水淋溶等,堆存区边缘处重金属(Zn、Pb和Mn)含量较高,且随着距离的增大呈下降趋势;相关性分析中土壤pH值与Zn、Pb含量呈极显著负相关性,与Mn含量呈显著负相关性,与Pb和Cr的可交换态呈显著负相关性,总氮(TN)与Cu的有机质结合态呈极显著负相关性,与残渣态呈极显著正相关性;RAC评价结果表明Pb在土壤中具有较高风险水平,其余重金属潜在风险水平较低。

氧化锆纤维增强超薄陶瓷板的制备及力学性能研究

钟辛子, 曹丽云, 黄剑锋, 刘一军, 欧阳海波, 汪庆刚

2021, 40(10): 3472-3478.

摘要 ( 62 )

PDF (5540KB) ( 38 )

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建筑陶瓷薄板作为一种轻薄、低能耗的家装产品而逐渐成为市场的发展潮流,如何进一步对其实现减薄和增强也成为研究的热点。本文以建筑陶瓷高铝粉料为基体,设计二次球磨法并引入长径比为70~82的氧化锆纤维作为增强相,借助KH570表面改性剂改善纤维/基体(F/M)的界面结合,制备了氧化锆纤维增强超薄陶瓷板。研究表明,采用二次球磨工艺可以有效实现纤维在基体中的分散,当氧化锆纤维的掺杂量为3%(质量分数)时,超薄陶瓷板的弯曲强度可达到106.4 MPa,相较于空白样(96.8 MPa)提升了9.92%。在高温固相反应中,陶瓷熔融相的Na⁺、K⁺对氧化锆晶格的渗透作用会引起四方晶系氧化锆相向锆英石相的转变,四方晶系氧化锆相内部存在微裂纹拓展、颗粒弥漫增强、“纤维桥联-断裂拔出”等多种良性增强机制。

高硅铝比小晶粒NaY分子筛/高岭土复合物的合成及其催化裂化性能

王文凯, 谭涓, 王诗涵, 邱鑫

2021, 40(10): 3479-3489.

摘要 ( 42 )

PDF (4258KB) ( 16 )

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以两种不同粒径的高岭土为原料,采用水热法合成了高硅铝比小晶粒NaY分子筛/高岭土复合物,通过XRD、SEM、晶粒度分析和N₂物理吸附等表征手段对复合物进行了结构和形貌表征。结果表明,与商品NaY相比,高岭土合成样品的结构稳定性和水热稳定性显著提高,以细化高岭土为原料合成样品的晶粒尺寸达310 nm,比表面积达807 m²·g^-1。以改性NaY分子筛/高岭土复合物为活性组分制备了催化裂化催化剂,采用NH₃程序升温脱附(NH₃-TPD)技术对其酸性特征进行了分析,并在小型微反装置上对其重油催化裂化性能进行了评价。研究结果发现,随着骨架硅铝比增大,催化剂表面酸中心强度增加,而酸量下降。采用细化高岭土合成的NaY分子筛/高岭土复合物的分子筛晶粒更小,催化剂酸中心数量以及催化裂化性能均大幅度提升。随着高温焙烧高岭土/偏高岭土质量比的增加,合成产物中的高岭土基质含量增加,催化剂表面酸中心强度下降。以原料高温焙烧高岭土/偏高岭土质量比为0.5,骨架硅铝比为6.1(摩尔比)的样品制备的催化剂,去柴重油转化率高达85.4%,同时有高达64.2%的汽油收率,表现出优异的重油催化裂化性能。

燃烧法制备铝酸铜色料的研究

程智鹏, 刘昆, 徐轶男, 方圆, 江财水, 李豪, 于欢, 包启富, 周健儿

2021, 40(10): 3490-3496.

摘要 ( 36 )

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以三水合硝酸铜、九水合硝酸铝和甘氨酸为原料,采用燃烧法制备了铝酸铜(CuAl₂O₄)棕色色料。采用SEM、XRD、FT-IR、TG-DTA和UV-Vis等测试手段,研究了煅烧制度和铜铝摩尔比(Cu/Al)对色料物相组成、微观结构、呈色性能的影响。结果表明,当Cu/Al摩尔比为1∶2.4,煅烧温度为1 100 ℃(不进行保温)时,可以得到呈色性能最佳的CuAl₂O₄色料,其色度值为L^*=46.22、a^*=24.43、b^*=27.09。

MgO含量对微晶玻璃结构及性能的影响

彭瑞欣, 韩韩, 林鸿剑, 李筱凡, 姜宏

2021, 40(10): 3497-3503.

摘要 ( 104 )

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锂铝硅系微晶玻璃是一种具有优异的光学、力学性能的微晶玻璃材料。本文制备了以透锂长石和二硅酸锂为主晶相的锂铝硅系透明微晶玻璃,并通过DSC、XRD与SEM研究了MgO含量对该微晶玻璃析晶行为及结构的影响,利用维氏硬度、抗弯强度等测试方法研究了MgO含量对该微晶玻璃力学性能的影响。结果表明,当MgO含量(质量分数)从0%增加至3%,基础玻璃的析晶温度从771 ℃降低至729 ℃,析晶能力增强,微晶玻璃的结晶度从62%增加至72%,晶粒尺寸从29 nm增大至33 nm。随着MgO含量的增加,微晶玻璃中会析出β-石英固溶体,抗弯强度增大。

铝酸钙准二元玻璃硬度和抗碎裂性组成依赖的结构起源探究

王琰, 高运周, 陶海征, 顾少轩

2021, 40(10): 3504-3510.

摘要 ( 38 )

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理解玻璃的硬度和抗碎裂性与结构的关系对制备高硬耐摔功能玻璃具有重要的理论指导意义。为探究铝酸钙(CaO-Al₂O₃)准二元玻璃硬度和抗碎裂性随CaO含量的变化规律,采用激光加热气动悬浮方法,制备了组分为xCaO·(100-x)Al₂O₃(x=42.3、50.0、63.1、75.0,摩尔分数)的系列玻璃样品。利用显微维氏硬度仪、激光共聚焦显微拉曼光谱仪、X-射线衍射仪和魔角旋转固体核磁共振波谱仪,对制备的铝酸钙准二元玻璃的硬度、抗碎裂性和结构进行了详细的表征。结果表明:随着CaO含量增加,玻璃硬度逐渐下降,于x=42.3时硬度最大(8.09 GPa);而玻璃的抗碎裂性随CaO含量增加先降低后急剧增加,并于x=42.3时表现出最大的抗碎裂性(11.8 N)。随着CaO含量增加,平均键能的下降是玻璃硬度下降的原因;高铝含量(x=42.3)的铝酸钙玻璃中部分铝以五配位形式存在,在承受载荷冲击过程中容易改变配位数来耗散能量,是抗碎裂性最大的结构根源。

端面摩擦对玻璃压缩强度的影响

陆华成, 熊雪梅, 钟东海, 郑宇轩, 周风华

2021, 40(10): 3511-3515.

摘要 ( 35 )

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为了研究端面摩擦对玻璃压缩强度的影响,采用铜箔和凡士林对压缩接触面进行减摩处理,使用MTS试验机对钠钙硅玻璃样品进行应变率为10^-4 s^-1的准静态压缩试验,利用高速摄影记录了试件的破坏过程,进一步分析了玻璃强度的统计分布规律。试验结果表明:玻璃样品的接触面只有凡士林时,在压缩过程中出现显著裂纹及部分表面碎片脱落;玻璃样品在接触面加入铜箔后再涂凡士林,整个压缩过程受力均匀,未出现显著裂纹或碎片脱落,呈现为理想的均匀压缩状态。端面摩擦力的降低导致玻璃压缩强度的显著降低,这主要是因为减小摩擦力使试样端部所承受的横向约束变弱,试样处于更加接近单轴应力的状态,一定程度上减少了围压引起的强化效应。

模拟高放废液玻璃固化体析晶性能研究

孟保健, 朱永昌, 焦云杰, 赵崇, 万伟, 韩勖, 崔竹, 杨德博

2021, 40(10): 3516-3522.

摘要 ( 50 )

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以焦耳炉生产的含16%(质量分数)模拟高放废液(HLW)的硼硅酸盐玻璃固化体作为实验材料,研究了玻璃固化体在不同热处理温度下的析晶行为和热稳定性。结果表明:部分固化体在实际生产和储存过程中内部已经出现辉石晶相,已析晶玻璃的活化能较未析晶玻璃低40~60 kJ/mol;热处理试验证实辉石相在700~900 ℃内析出,同时随结晶度的增加玻璃固化体的表观颜色也发生变化。研究析晶与热历史之间的相关性有助于预测高放废物玻璃中结晶相的产生,研究结果可为焦耳炉固化工艺的进一步控制提供理论依据。

气孔玄武岩超薄罩面沥青路面降温效果和性能研究

张楠, 范群保, 郑南翔

2021, 40(10): 3523-3532.

摘要 ( 61 )

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为了缓解城市热岛效应和降低沥青路面温度,在NovaChip型超薄罩面沥青混合料中掺入气孔玄武岩,采用自行研发的室内模拟热辐射系统对车辙板试件进行照射并采集不同层位处温度,对比不同气孔玄武岩掺量下的沥青混合料降温性能和路用性能。研究结果表明:随着气孔玄武岩体积掺量的增加,试件的上表面温度逐渐升高;相比较于0%掺量,25%、50%和75%掺量下试件2 cm处最大降温分别为2.0 ℃、4.2 ℃和5.9 ℃,试件底面最大降温分别为2.4 ℃、5.1 ℃和6.6 ℃,导热系数降低了39.1％、50.7％和61.8％;随着气孔玄武岩掺量的增加,沥青混合料的高温性能适当提高,低温性能几乎不变,水稳定性能降低,抗滑性能先增加后降低;最终综合降温性能和水稳定性能确定了气孔玄武岩推荐体积掺量为25%~30%。

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