申艳军, 郝建帅, 白志鹏, 周子涵, 李玉根, 廖太昌, 张凯峰

2021, 40(12): 3879-3890.

摘要 ( 298 )

PDF (5719KB) ( 252 )

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采取“因地制宜,就地取材”策略,合理地将沙漠砂用于混凝土制备,是缓解西北地区建筑用砂供需矛盾的一种有效途径。本文首先通过文献研究与统计分析相结合的方法,归纳总结了不同地区沙漠砂基本理化特性;其次,梳理了现阶段沙漠砂制备混凝土研究状况,并对其所存在问题进行了总结概括;最后,展望了沙漠砂混凝土未来研究发展方向。研究表明,沙漠砂在一定条件下可替代或部分替代骨料用于制备混凝土,沙漠砂部分代替河砂制备的混凝土的工作性、力学性能及耐久性(抗冻性、抗高温性)能够满足一般的工程要求,部分情况下甚至优于普通混凝土。本研究可为沙漠砂混凝土在实际工程中的应用提供借鉴,并可为实现沙漠砂的绿色开采及资源化利用提供新的模式参考。

混凝土碱硅酸反应膨胀预测模型的研究进展

龚青南, 王德辉

2021, 40(12): 3891-3902.

摘要 ( 110 )

PDF (15802KB) ( 55 )

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本文综述了混凝土碱硅酸反应(alkali-silica reaction, ASR)膨胀预测模型的研究现状,ASR对混凝土结构造成的损伤修复难度高,修复成本大,应对这类耐久性问题主要以预防为主,补救为辅,而精确的预测模型可以评估混凝土结构的实时状态,有助于抑制混凝土中的ASR。本文首先概述了混凝土ASR的过程和机理,然后详细介绍了ASR膨胀预测模型的研究现状。ASR建模过程中需要考虑反应物含量、温度、湿度、胶凝材料组成和骨料尺寸等多种因素的影响。ASR模型主要包括理论模型、结构模型(宏观模型)和材料模型(细观模型),理论模型主要用来描述ASR的化学机理和预测骨料的最劣粒径,但该模型只适用于特定类型的骨料;材料模型在材料层面上解释了受ASR影响的混凝土的劣化机理,却忽略了混凝土收缩和徐变等因素的影响;结构模型通常被用来模拟和预测混凝土结构在ASR下的力学行为,但未充分考虑碱硅酸膨胀的化学过程以及离子扩散对ASR膨胀的影响。

分子动力学模拟研究钙硅摩尔比对水化硅酸钙结构与力学性能的影响

徐晓飞, 汤盛文, 何真

2021, 40(12): 3903-3909.

摘要 ( 192 )

PDF (5851KB) ( 98 )

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水化硅酸钙(C-S-H)作为硅酸盐水泥基材料的主要结合相,对水泥基材料的耐久性、物理力学性能有显著影响。本文构建了钙硅摩尔比(Ca/Si)从1.1到1.9的5个C-S-H模型,并通过分子动力学模拟了C-S-H 模型沿x、y和z方向的纳米压痕测试,然后采用典型的Oliver-Pharr方法分别计算它们的压痕模量和硬度。模拟结果表明:随着钙硅摩尔比的增加,C-S-H的密度会逐渐降低,水硅摩尔比会逐渐增加,平均硅链长会有所降低;C-S-H的力学性能受钙硅摩尔比的影响很大,随着钙硅摩尔比的增加,硅链缺陷程度增加,钙硅片层状结构的稳定性会相应降低,C-S-H结构抵抗外界变形荷载的能力减弱,从而导致压痕模量和硬度降低。平行于钙硅层方向的压痕模量和硬度值比较接近,而垂直于钙硅层方向的值略低,C-S-H近似于横观各向同性结构。随着钙硅摩尔比的增加,三个方向的值逐渐接近,C-S-H具有从横观各向同性变为各向同性的趋势。

硫硅酸钙-硫铝酸钙水泥熟料矿物组成的优化研究

沈燕, 王培芳, 朱航宇

2021, 40(12): 3910-3917.

摘要 ( 87 )

PDF (4172KB) ( 43 )

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硫硅酸钙-硫铝酸钙水泥是一种新型低碳水泥,硫硅酸钙矿物的水化活性对水泥性能具有积极作用。本文利用离子掺杂制备了硫硅酸钙-硫铝酸钙水泥,研究了硫硅酸钙、硫铝酸钙矿物以及后掺石膏的配比优化。结果表明,硫硅酸钙-硫铝酸钙水泥熟料的实际矿物组成与设计含量较为一致。硫铝酸钙含量的增加有利于提高水泥的早期强度,其适宜含量范围为30%~40%(质量分数);水泥的强度随着硫硅酸钙含量的增加而提高,当其设计含量增加至48%(质量分数)时,水泥强度降低,该矿物的适宜含量范围为40%~55%(质量分数),其优化含量根据硫铝酸钙的含量而有所不同。石膏的添加有利于硫硅酸钙-硫铝酸钙水泥强度的增长,与天然石膏相比,硬石膏更能促进水泥强度的发展;水泥的后掺石膏优选硬石膏,其优化掺量为8%(质量分数),28 d强度达到76 MPa。硬石膏掺量的增加促进了钙矾石的形成,但过高掺量的硬石膏会抑制硫硅酸钙的水化。

基于响应曲面法的纳米颗粒增强水泥浆体制备研究

王志航, 白二雷, 许金余, 罗鑫, 孟欣, 刘高杰, 任彪, 朱靖塞

2021, 40(12): 3918-3926.

摘要 ( 58 )

PDF (3456KB) ( 38 )

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基于响应曲面法,考虑纳米颗粒掺量、减水剂掺量、水胶比三个关键影响因素,以水泥硬化浆体抗压强度为响应,利用中心复合设计法设计试验,建立纳米SiO₂、纳米CaCO₃、纳米Al₂O₃增强水泥浆体的强度模型,并以纳米CaCO₃增强水泥浆体强度模型为例,分析各因素对强度的影响规律,对强度模型进行验证。结果表明,当纳米颗粒与水泥质量比为0.027 0、减水剂与水泥质量比为0.017 5、水胶比为0.25时,三种纳米颗粒增强水泥浆体具有较高强度。纳米SiO₂、CaCO₃、Al₂O₃增强水泥浆体的强度模型具有较高的精度和可靠性。纳米CaCO₃增强水泥浆体的抗压强度响应值随着纳米颗粒掺量、减水剂掺量的增大先增大后减小,随着水胶比的增大逐渐减小。

纤维与水泥砂浆界面黏结性能研究

张献民, 陈雪芳, 李长辉, 霍海峰, 陈宇

2021, 40(12): 3927-3937.

摘要 ( 76 )

PDF (12509KB) ( 42 )

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本文采取“8字”型试件进行单根粗纤维拉拔试验,通过混合正交试验研究了纤维类型、纤维直径、纤维埋置长度及砂浆基体水胶比对纤维-砂浆界面黏结强度显著性优先次序,以及纤维与砂浆间最佳组合的影响。同时得到了纤维最大拔出荷载及荷载-滑移曲线,系统分析了纤维与水泥砂浆的界面黏结性能。试验结果表明,直径为0.6 mm、埋置长度为20 mm的聚丙烯粗纤维,水胶比为0.51的砂浆基体的界面黏结强度最大,其中平均黏结强度为7.71 MPa,等效黏结强度达到13.25 MPa。直径为0.6 mm、埋置长度为10 mm的聚乙烯醇(PVA)纤维,水胶比为0.41的砂浆基体的界面黏结强度次之。四种因素对界面黏结强度的影响优先次序为纤维种类、纤维直径、砂浆水胶比、纤维埋置长度,其中纤维种类对界面平均黏结强度的影响较为显著,纤维直径对界面等效黏结强度的影响较为显著。

硅酸盐水泥基复合电解质的制备及其在建筑储能器件中的应用

袁学锋, 王花

2021, 40(12): 3938-3944.

摘要 ( 67 )

PDF (8422KB) ( 42 )

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近几年,将水泥基复合材料用于建筑储能已成为研究热点之一。本文将硅酸盐水泥、丙烯酰胺(AM)混合制备了一种优化的水泥基复合结构电解质,并研究了AM质量分数分别为0%、25.0%、27.5%、30.0%、32.5%和35.0%时对结构电解质的离子电导率、力学性能及微观结构的影响。研究结果表明,增加AM的掺量有助于提高硅酸盐水泥基复合电解质的离子电导率,同时会不可避免地降低电解质的抗压强度。当AM掺量为30.0%时,可以使离子电导率和抗压强度达到理想平衡,抗压强度高达41.1 MPa,离子电导率最大为22.47 mS·cm^-1。此外,对结构电解质与还原氧化石墨烯(rGO)电极组装成一体式的结构超级电容器进行了一系列电化学性能测试,发现AM掺量为30.0%的硅酸盐水泥基复合电解质构成的结构超级电容器的面积比电容最大可以达到96.8 mF·cm^-2。在恒定电流为0.1 mA·cm^-2下充放电循环5 000次后,该结构超级电容器的面积比电容值保持率为91.08%,该结构超级电容器在建筑储能领域具有广阔的应用前景。

UHPC与普通混凝土试件界面黏结抗冻性能试验研究

谢剑, 陈玉洁, 孙雅丹

2021, 40(12): 3945-3955.

摘要 ( 91 )

PDF (17412KB) ( 54 )

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超高性能混凝土(UHPC)因为其较高的强度和优良的耐久性被认为是极具潜力的结构修补用材料之一。同时,UHPC与普通混凝土(NC)之间的界面黏结性能,是影响UHPC在混凝土加固修复工程中应用可靠性的关键因素。针对严寒环境,本试验对超高性能混凝土与普通混凝土(以下简称UHPC-NC)黏结试件开展－60 ℃的冻融循环试验,分析冻融循环后试件的宏观形态变化、质量变化率。通过黏结强度试验,获得界面的黏结强度以及相应的界面破坏模式。试验主要分析－60 ℃冻融循环对UHPC-NC试件界面黏结性能的影响,以及界面的不同处理方式(钢丝刷刷毛、高压水射流冲毛及劈裂)对抗－60 ℃冻融循环作用的影响,同时,对冻融作用下UHPC-NC试件的界面损伤机理进行初步探索。试验结果表明:－60 ℃冻融循环对UHPC-NC试件黏结强度有较大影响,劈裂组试件的界面黏结强度在经历10次、15次、20次冻融循环后分别下降为界面黏结基准强度的72.94%、55.62%及44.33%,界面黏结强度呈现先急速下降再缓慢下降的趋势;界面粗糙度越高,界面的剩余黏结强度越大,经历20次冻融循环后,劈裂组试件的剩余黏结强度为高压水射流冲毛试件的2.03倍。

含玻璃粉超高性能混凝土力学性能及微观结构研究

杨震樱, 周长顺

2021, 40(12): 3956-3962.

摘要 ( 55 )

PDF (4838KB) ( 67 )

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玻璃粉(GP)是一种环保型的固废材料。为了有效节约资源和解决环境污染问题,本文利用GP制备了一种绿色超高性能混凝土(UHPC),研究了GP作为一种矿物掺合料对UHPC力学性能和微观结构的影响。研究结果表明:GP的掺入改善了UHPC的流动性,并且降低了UHPC早期力学性能,但对后期力学性能产生显著的增强作用。当GP掺量为20%(质量分数)时,UHPC试样28 d的抗压强度趋近于基准组,而90 d的抗压强度较基准组提高了13.2%。且UHPC试样(90 d)表现出最低的总孔隙率,与基准组试样相比降低了14.6%。同时高密度水化硅酸钙凝胶的含量增加了20%,从而使UHPC形成更加致密的微观结构。GP具有良好的微集料填充效应和火山灰效应。

基于声发射技术的早龄期扰动对混凝土力学性能影响分析

张长江, 徐佰顺, 赵志蒙, 倪天蒙, 刘斌

2021, 40(12): 3964-3975.

摘要 ( 42 )

PDF (12787KB) ( 24 )

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为研究早龄期扰动对混凝土力学性能的影响并明确其影响机理,采用室内扰动的方法在混凝土凝结初期和凝结中期提供扰动并进行强度试验和声发射试验,从微观角度分析早龄期扰动对混凝土力学性能的影响。结果表明,早龄期扰动对混凝土力学性能影响较大,凝结初期受扰动混凝土抗压强度增大,凝结中期受扰动混凝土抗压强度减小,同时不同扰动参数变化对试件抗压强度影响不同。根据不同声发射参数分析,发现早龄期扰动后试件初始微裂纹数量越少,损伤越小,试件破坏时累积能量越大,产生剪切裂缝事件点所占比率越小。最后,从初始微裂纹角度解释了早龄期扰动对混凝土力学性能的损伤机理。

玄武岩纤维编织网增强混凝土高温后力学性能及损伤机理

侯振国, 何海英, 徐平, 孙维东, 代峻峰, 胡广钦

2021, 40(12): 3976-3984.

摘要 ( 44 )

PDF (25887KB) ( 28 )

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通过制备普通及高铝水泥玄武岩纤维编织网增强混凝土(TRC)薄板,采用四点弯曲试验、XRD衍射和扫描电镜微观分析,探究玄武岩TRC在高温作用后的力学性能和损伤机理。研究结果表明:玄武岩纤维织物能有效减小TRC薄板在高温下的变形,抑制裂纹的扩张,且高铝水泥玄武岩TRC高温后的变形及质量损失均小于普通水泥TRC;玄武岩TRC的抗弯承载力随着温度的升高近似呈线性降低,降低的主要原因是高温下混凝土基体损伤、纤维编织网高温劣化及纤维与基体的黏结劣化三者的共同作用;扫描电镜分析可知,高铝酸盐水泥基TRC比普通硅酸盐水泥基TRC更致密,对高温有更强的抵抗作用。本研究可为TRC在高温环境中的设计和应用提供借鉴。

基于ARIMA模型的硅钙渣水泥复合胶凝材料水化热预测

闫长旺, 申晓玮, 张菊, 王萧萧, 于泓源

2021, 40(12): 3985-3992.

摘要 ( 35 )

PDF (1118KB) ( 23 )

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预测硅钙渣水泥复合胶凝材料水化过程中产生的热量,对于这种材料在混凝土结构中的应用具有现实意义。本文基于ARIMA模型基本理论,建立了硅钙渣掺量分别为0%、10%、30%(质量分数,下同)下硅钙渣水泥复合胶凝材料的水化放热量预测模型,通过与试验数据的对比,验证了模型的准确性与可靠性;基于0%、10%、30%这三种硅钙渣掺量下复合胶凝材料的水化放热量试验数据,建立不同龄期下复合胶凝材料的水化放热量预测模型,并对其他硅钙渣掺量下复合胶凝材料的水化放热量进行预测。结果表明:0%、10%、30%这三种硅钙渣掺量下水化放热量预测值与试验值的相对误差均值均小于5%,这说明运用ARIMA模型预测硅钙渣水泥复合胶凝材料的水化放热量具有较高准确性和可靠性;其他硅钙渣掺量下复合胶凝材料水化放热量的预测结果符合实际变化趋势,进一步证明了ARIMA模型在水化热预测方面的可行性,这为定量研究与预测不同类型胶凝材料的水化放热量提供了一种有效方法。

干湿循环下煤矸石混凝土孔结构特性及抗氯离子侵蚀机理

邱继生, 张如意, 侯博雯, 关虓, 高徐军, 李蕾蕾

2021, 40(12): 3993-4001.

摘要 ( 34 )

PDF (4064KB) ( 24 )

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氯离子侵蚀是影响混凝土耐久性的重要因素。通过干湿循环试验,研究了煤矸石混凝土的抗氯离子侵蚀性能,分析了煤矸石体积取代率(0%、20%、40%、60%)对氯离子浓度分布和表观扩散系数的影响。通过压汞试验,测定了煤矸石混凝土的孔结构参数,通过计算其孔隙体积分形维数,研究了孔结构对煤矸石混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响。结果表明:随着煤矸石掺量的增加,自由氯离子的浓度先减小后增加,而表观扩散系数先增加后减小;煤矸石掺量为40%时,混凝土密实性最好,孔隙体积分形维数最大;与未添加煤矸石的混凝土相比,掺量40%的煤矸石混凝土氯离子浓度最低,此时抗氯离子侵蚀性能最好,且表观扩散系数下降35.68%。

侧限压缩过程中散体矸石变形及破碎特征研究

肖博, 李永亮, 李进, 王宇轩, 王梓旭

2021, 40(12): 4002-4010.

摘要 ( 42 )

PDF (12800KB) ( 22 )

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散体矸石宏观变形的主要来源是侧限加载过程中对试样初始孔隙的直接压缩,以及压实压密阶段粗矸破碎后对孔隙的再次充填。采用加载设备与声发射装置相结合的试验系统,以加载速率为影响因素,基于理论推导和试验数据分析,对侧限压缩过程中散体矸石的宏观变形、孔隙率和破碎程度等特征进行了系统研究。研究结果表明:直接压缩初始孔隙对宏观变形的影响最为明显;孔隙率随着应变的减小而增大,与应力呈单调递减的反比例型复合函数关系;对散体矸石破碎分形函数进行了重新推导,比较双对数曲线拟合斜率得出,加载速率越大,破碎程度越小;声发射定位数随着试验力的增大而不断增加,随加载速率的增大而减少,试样中部颗粒破碎最为密集;颗粒的破碎程度越大,对孔隙的二次填充率越高,孔隙不容易被进一步压缩,试样抗变形能力增强。

复杂环境下粉煤灰水泥石的离子浓度分布与维氏硬度劣化规律

王涛, 储洪强, 丁天云, 朱正宇, 曾有旭, 谢嘉璇, 蒋林华

2021, 40(12): 4011-4019.

摘要 ( 44 )

PDF (5955KB) ( 29 )

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地铁工程混凝土结构处于硫酸盐、氯盐及杂散电流共存的复杂环境。本文针对地铁工程环境下混凝土的耐久性问题,研究了硫酸盐、氯盐及电场共同作用下,粉煤灰掺量对水泥石内硫酸根离子浓度分布、氯离子浓度分布和维氏硬度分布的影响,并基于Logistic函数建立维氏硬度预测模型,最后采用XRD分析了水泥石劣化的机理。结果表明:随侵蚀深度的增加,水泥石内硫酸根离子浓度不断降低,氯离子浓度呈现先增后降的趋势;侵入水泥石的氯离子和硫酸根离子的含量都随粉煤灰掺量的增加而先减后增,当粉煤灰掺量为10%(质量分数)时,侵入水泥石的氯离子与硫酸根离子的含量最低;被侵蚀后的水泥石内维氏硬度分布分为劣化区、增强区和完好区三个区域;预测模型可以准确表征水泥石内维氏硬度分布规律;适量粉煤灰的掺入可以减少受侵蚀后试件内的钙矾石(AFt)和石膏含量。

粉煤灰基地聚合物无机涂料的制备与性能

范影, 李缘, 刘长明, 杨彬, 刘雪霆

2021, 40(12): 4020-4029.

摘要 ( 53 )

PDF (5095KB) ( 44 )

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以低钙型粉煤灰为主要原料,硅酸钠和氢氧化钠为复合碱激发剂,硅烷偶联剂(KH550)为增强材料,硅丙乳液为辅助成膜物质制备地聚合物无机涂料。研究了硅烷偶联剂掺量、反应温度以及水固比对地聚合物无机涂料的成膜性、耐水性和耐洗刷性等性能的影响,并通过XRD、FTIR、SEM、TG-DSC分析了无机涂料的微观结构及其耐高温性能。结果表明,当制备温度为60 ℃、水固比为0.31(质量比)、硅烷偶联剂掺量为3.6%(质量分数)时,地聚合物无机涂料在室温下的成膜性良好,无开裂现象,涂料24 h内质量吸水率为1.84%,耐洗刷性可达12 000次,7 d时硬度为154 s。地聚合物无机涂层内部主要是无定形的硅铝酸盐凝胶,硅烷偶联剂经水解、键合生成簇状产物填充在涂层的孔隙之间,增加了涂层的密实性,抑制了裂纹的产生。涂层在25~800 ℃的失重率为12.0%~13.0%,未发现明显的地聚合物热分解现象,说明涂层耐高温性能良好。

硅灰对超轻水泥基复合保温材料性能的影响

吴子豪, 王武祥, 刘晓通, 王爱军, 张磊蕾, 杨俊

2021, 40(12): 4030-4036.

摘要 ( 39 )

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超轻水泥基复合保温材料(UCIM)是以水泥为胶凝材料,膨胀聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)颗粒、掺合料、泡沫剂、改性剂和水等为主要原料,采用物理发泡工艺制备而成。UCIM由EPS颗粒与泡沫混凝土基体互穿构成,不同品种的掺合料等效替代水泥后,能不同程度影响水泥浆体对EPS颗粒的包裹性,从而影响UCIM结构的均匀性与制品性能。通过设计不同掺量的掺合料,对比硅灰、偏高岭土及矿粉所制备的UCIM的均匀性及强度,结果表明,当采用硅灰时,UCIM未产生分层离析现象且制品强度试验结果较好;通过微孔拍摄及强度、热工性能测试,系统研究了硅灰掺量对UCIM的泡沫混凝土基体的孔结构、强度和导热系数的影响,结果表明,适宜掺量的硅灰能提高UCIM的力学性能,使UCIM的泡沫混凝土基体的平均孔径减小,进而有利于降低UCIM导热系数。

固体碱激发矿粉/粉煤灰注浆材料性能及机理研究

曹巍巍, 雷涛, 闵召辉, 徐肖龙, 段鹏鹏

2021, 40(12): 4037-4043.

摘要 ( 68 )

PDF (7821KB) ( 33 )

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以矿粉和粉煤灰为主要原料,NaOH和Na₂SiO₃·5H₂O为固体碱激发剂,制备地聚合物注浆材料,考察激发剂的模数、掺量及养护条件对材料性能的影响。当固体碱激发剂模数为1.0,掺入量为8%(质量分数)时,注浆材料初凝时间为120 min,工作时间可达50 min,经28 d养护后抗折和抗压强度分别可达7.1 MPa和42.7 MPa。相较于非密闭养护,密闭养护有利于早期强度形成,1 d、3 d、7 d抗压强度分别提高了38.0%、38.2%和19.3%。XRD、FT-IR、SEM/EDS测试结果表明,原料水化完全,最终产物包含无定形水化产物、钙沸石、水合铝硅酸钠钙矿和C-S-H凝胶等组分。反应过程中原料的Si—O—Al、Si—O—Si发生重组生成凝胶物质,并团聚成钙沸石类球形产物,提高材料强度。

钢渣微粉-粉煤灰基地质聚合物性能研究及微观结构分析

张西玲, 郭海峰, 汤子奇, 何志伟, 宋丽婷, 余梦琴

2021, 40(12): 4044-4051.

摘要 ( 48 )

PDF (5559KB) ( 40 )

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采用钢渣微粉和粉煤灰为主要原材料制备地质聚合物,以抗压强度为指标优化制备条件,探讨影响地质聚合物强度的因素,利用SEM、XRD和TG-DSC等手段对产物的微观形貌、物相组成和热稳定性进行分析表征。研究表明,地质聚合物的抗压强度随着钢渣微粉掺量和激发剂掺量增加先增加后减小,随温度增加而增加,其中养护温度影响最显著,水玻璃模数影响最小。最佳工艺条件为:水玻璃模数1.0、激发剂掺量20%(质量分数)、钢渣微粉掺量20%(质量分数)、液固比0.3、养护温度60 ℃。其3 d和7 d抗压强度高达40.11 MPa和43.03 MPa,固化Pb²⁺后对其强度影响较小,固化率在99.99%以上。地质聚合物表面致密度高,无明显裂纹,未观察到明显的钢渣颗粒轮廓,晶相结构主要为石英和莫来石,热稳定好。

水玻璃激发下HBSS-PG-AC复合胶凝材料水化性能分析

卿三成, 马丽萍, 杨静, 敖冉, 殷霞, 穆刘森

2021, 40(12): 4052-4060.

摘要 ( 38 )

PDF (9776KB) ( 45 )

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以磷石膏(PG)、热焖钢渣(HBSS)、硅酸盐水泥和铝酸盐水泥(AC)为主原料,水玻璃为碱激发剂制备复合胶凝材料。在养护龄期0~28 d内,测试了该材料的抗压强度与膨胀率,并通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和比表面积及孔隙率(BET)测试,分析了磷石膏、热焖钢渣和铝酸盐水泥间的水化协同机理。结果表明,过0.300 mm筛孔的钢渣微粉同时具备良好的骨架填充作用和水化胶凝性能。水化过程中水玻璃可提高钢渣表面玻璃体网络结构的溶解速率,促使钢渣与铝酸盐水泥生成C-A-S-H。同时,铝酸盐水泥与磷石膏反应生成的钙矾石可抑制C-A-H水化过程中的相变收缩。此外,若铝酸盐水泥比例过高,大量钙矾石和C-A-H会迅速生成并覆盖于钢渣表面,阻碍Na₂SiO₃促进钢渣玻璃网络结构的溶解。本文可为磷石膏和钢渣协同资源化利用提供理论依据。

基于粒形分析的再生细骨料颗粒特性和制备砂浆性能研究

石艳柯, 张洛兵, 王宇航, 刘巍巍, 侯荣彬, 马军涛

2021, 40(12): 4061-4069.

摘要 ( 55 )

PDF (5348KB) ( 37 )

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运用数字图像技术分析再生细骨料的颗粒形貌参数,以此为基础对再生细骨料的堆积密度、吸水率、压碎值等颗粒特性开展研究,并对再生细骨料制备水泥砂浆的工作性能和力学性能进行了分析。实验结果表明,再生细骨料与同级配的标准砂和天然河砂相比,钝度、长宽比、坚固度和球度等指标均相对较低,压碎值和吸水率显著增加;使用再生细骨料制备水泥砂浆时,质量替代量达到30%时流动度明显下降,质量替代量达到40%时抗压强度和峰值应力显著下降。

再生混凝土抗硫酸盐侵蚀机理及可靠性分析

杜康武, 魏伟, 蔡晨晖, 孙鑫, 乔宏霞

2021, 40(12): 4070-4076.

摘要 ( 51 )

PDF (5793KB) ( 26 )

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通过不同质量掺量的再生粗骨料(0%、30%和50%)和再生细骨料(0%和15%)来制备再生骨料混凝土(RAC),研究硫酸盐干湿循环试验中RAC质量和相对动弹性模量的劣化规律,并评判不同掺量下RAC抗硫酸盐侵蚀的能力。结果表明:随硫酸盐干湿循环次数的增加,相对动弹性模量先增大后减小,质量损失率则先下降后上升;干湿循环80 次时,再生粗骨料混凝土的相对动弹性模量最大损失达60%,质量最多增长0.43%。此外,利用一元Winner分布建立可靠度模型,对硫酸盐干湿循环下RAC的演变规律进行评判,并结合扫描电镜(SEM)试验对侵蚀后的RAC微观形貌进行分析。

以硼砂为助熔剂使用含钛高炉渣制备发泡陶瓷

李嘉昊, 梁宗宇, 杨合, 马明龙

2021, 40(12): 4077-4083.

摘要 ( 71 )

PDF (9899KB) ( 38 )

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以紫色页岩、含钛高炉渣为原料,硼砂为助熔剂,碳化硅为发泡剂制备发泡陶瓷,通过对气孔率、闭孔率、孔径分布、表观密度、抗压强度、导热系数进行测量,研究了原料配比和硼砂添加量对发泡陶瓷气孔结构和物理性能的影响。结果显示:当原料中含钛高炉渣比例增加时,试样的平均孔径增加,气孔均匀性下降;硼砂的加入会使试样抗压强度降低,孔隙率增大,导热系数变小。当发泡陶瓷原料配比(质量分数)为高炉渣30%,页岩70%,添加4%的硼砂和0.2%的碳化硅时,制备出的发泡陶瓷的表观密度为0.374 g·cm^-3,导热系数为0.121 W·m^-1·K^-1,抗压强度为2.59 MPa,满足建筑外墙保温发泡陶瓷的要求。发泡陶瓷主要晶相为斜长石,同时伴有部分透辉石、石英和少量的铁板钛矿。

黄杨木制备SiC木质陶瓷的性能与表征

曹宇, 张立强, 陈招科, 黄航涛

2021, 40(12): 4084-4091.

摘要 ( 45 )

PDF (9723KB) ( 39 )

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SiC木质陶瓷是近年来应用前景广阔的新型陶瓷材料,以绿色可再生的木材为原材料,通过反应烧结工艺制备出的陶瓷具有优良的高温力学性能。为探究影响生物质陶瓷性能的因素,将黄杨木在800 ℃氮气保护下热解形成生物质炭坯,然后在1 650 ℃和1 900 ℃两种高温下进行熔融渗硅制备SiC木质陶瓷。利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)研究SiC木质陶瓷的物相组成和微观结构,采用阿基米德排水法和三点弯曲法测定陶瓷的开孔率、密度和弯曲强度,再使用维氏硬度计测定SiC木质陶瓷的显微硬度。研究结果表明:在1 650 ℃下通过熔融渗硅可以得到微观结构均匀的SiC木质陶瓷,在1 650 ℃比在1 900 ℃下熔融渗硅制备陶瓷的力学性能更优异,陶瓷的密度更大,为2.27 g/cm³,此时弯曲强度为192.45 MPa;游离Si会提高SiC木质陶瓷的密度,增强陶瓷的弯曲强度。

Fe-Cr-Ni-Mn系黑色陶瓷颜料的制备及呈色性能分析

李治桥, 张翔, 马国军, 刘孟珂, 王强

2021, 40(12): 4092-4101.

摘要 ( 69 )

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以Fe₂O₃、Cr₂O₃、MnO和NiO为原料,采用固相合成法制备Fe-Cr-Ni-Mn系黑色陶瓷颜料,并使用X射线衍射仪、色度仪、扫描电子显微镜、紫外-可见分光光度计等分析手段对所制备颜料进行了表征,研究了原料配比、烧结温度、保温时间和冷却方式等对颜料呈色性能的影响。结果表明:当原料中Fe₂O₃、Cr₂O₃、MnO和NiO的摩尔比为6:1:1:1,烧结温度为1 150 ℃,保温时间为45 min,采用随炉冷却时,颜料颗粒细小,粒度分布均匀,其L^*、a^*与b^*值分别为18.02、0.20和0,禁带宽度为1.25 eV,呈纯正黑色,且物相主要由NiFe₂O₄、NiCr₂O₄和Ni[Mn_0.5Cr_1.5]O₄组成;将所制备颜料应用于黑色陶瓷釉,釉面呈纯正黑色,且光滑致密,表明所制备颜料具备优异的着色性能和应用潜力。

CaO/MgO对花岗岩尾矿微晶玻璃物相和性能的影响

罗云龙, 王辅, 竹含真, 廖其龙, 徐国梁, 刘来宝, 张礼华

2021, 40(12): 4102-4108.

摘要 ( 51 )

PDF (8036KB) ( 39 )

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以花岗岩尾矿为主要原料(掺入质量分数:56%),TiO₂为主晶核剂,适量Na₂SiF₆为助熔剂和晶核剂,添加部分辅助原料,采用整体析晶法,制备了R₂O-CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂系花岗岩尾矿建筑微晶玻璃。研究了CaO/MgO质量比对微晶玻璃析晶能力、物相、微观结构及性能的影响。结果表明:CaO/MgO质量比的增加有利于增强基础玻璃的析晶能力,当CaO/MgO质量比≤0.88时,微晶玻璃的主晶相为钙长石和角闪石,当CaO/MgO质量比＞0.88时,主晶相转变为钙长石,且钙长石衍射峰的强度随着CaO/MgO质量比的增加而增大;随CaO/MgO质量比的增加,晶体数量逐渐增多,晶粒尺寸增大;微晶玻璃的体积密度和显微硬度随CaO/MgO质量比的增加呈先增大后减小的趋势,当CaO/MgO质量比为0.57时,体积密度达到最大值2.752 5 g/cm³,当CaO/MgO质量比为0.71时,显微硬度达到最大值为8.6 GPa。

燃烧器芯数对CVD熔石英玻璃性能的影响

陈彦君, 周倩, 黄耀松

2021, 40(12): 4109-4117.

摘要 ( 45 )

PDF (6805KB) ( 35 )

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本文通过数值模拟研究了燃烧器芯数对CVD熔石英玻璃性能的影响,讨论了采用五芯、七芯和九芯三种结构燃烧器时沉积面上的温度、OH^-浓度及SiO₂浓度分布,并分析了不同氢氧当量比的影响规律。结果表明:相比于五芯结构燃烧器和七芯结构燃烧器,采用九芯结构燃烧器可以在沉积面获得更加均匀的SiO₂浓度分布和温度分布;当使用九芯燃烧器时,氢氧当量比为1.5可以提高沉积面上温度、OH^-浓度和SiO₂浓度的分布均匀性,从而有利于提高熔石英玻璃的折射率均匀性。

粘结层对压电纤维复合材料机电响应行为的影响

沈杰, 宋佳畅, 周静, 周晶晶, 黄瑞, 申冰菲

2021, 40(12): 4118-4127.

摘要 ( 50 )

PDF (12597KB) ( 52 )

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本文从功能材料力-电耦合的角度分析了粘结层参数对压电纤维复合材料(macro fiber composites, MFC)机电响应行为的影响。通过有限元模拟计算发现,减少粘结层厚度及增大其介电常数有利于缓解MFC介电失配现象,提高有效电场加载,从而获得高压电性。试验制备了MFC并进行了驱动及传感性能表征,试验结果与模拟仿真一致。减少粘结层厚度和弹性模量,及增大其介电常数,能有效增大MFC尖端位移和输出电压,提高驱动和传感性能。该研究对驱动和传感用MFC的设计提供了指导。

Li⁺掺杂浓度对Sr₃ZnNb₂O₉:Eu³⁺荧光粉发光特性的影响

袁高峰, 崔瑞瑞, 张鑫, 邓朝勇

2021, 40(12): 4128-4136.

摘要 ( 47 )

PDF (10778KB) ( 29 )

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Li⁺作为电荷补偿剂可以提高Sr₃ZnNb₂O₉:Eu³⁺荧光粉的发光强度和热稳定性。本文通过高温固相反应成功制备了Sr₃ZnNb₂O₉:xEu³⁺,yLi⁺(0≤x≤0.5,0≤y≤0.5)荧光粉,为了鉴定和描述样品的物相、发光特性和热稳定性,进行了XRD和发光光谱测试。结果表明:Eu³⁺和Li⁺已经成功掺入到基质材料中,并取代Zn²⁺位点;Li⁺的最佳掺杂浓度为0.3(摩尔分数),浓度猝灭类型是在最近邻离子之间;掺杂Li⁺提高了荧光粉的热稳定性,活化能为0.193 eV,CIE色坐标为(0.651,0.349),非常接近国际照明委员会规定的标准色坐标。

Bi₂MoO₆@CQDs/TiO₂纳米管阵列的制备与光电催化性能

张大龙, 何硕, 林祖祥, 戴高鹏, 刘素芹, 肖作安, 蔡爽

2021, 40(12): 4137-4143.

摘要 ( 38 )

PDF (9033KB) ( 32 )

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为提高TiO₂的可见光光电催化活性,本文用Bi₂MoO₆和碳量子点(CQDs)对TiO₂纳米管阵列(TNA)进行了改性。以CQDs、Bi(NO₃)₃·5H₂O和Na₂MoO₄为原料,通过简单的溶剂热法,在TNA中沉积了CQDs和Bi₂MoO₆,成功制备了新型Bi₂MoO₆@CQDs/TNA。扫描电镜(SEM)和元素mapping分析结果表明,CQDs和Bi₂MoO₆成功涂覆在TNA管壁上。通过在可见光下降解甲基橙(MO)溶液,评价了所制备的光催化剂的光电催化性能。结果显示,经3 h的光电催化降解,Bi₂MoO₆@CQDs/TNA对MO的去除率比Bi₂MoO₆/TNA高32%。CQDs优异的上转换光致发光(UCPL)性能促进了TiO₂在可见光下被激发产生光生载流子,同时Bi₂MoO₆与TiO₂的耦合抑制了光生载流子的复合,从而提高了Bi₂MoO₆@CQDs/TNA的光电催化活性。

CdTe纳米颗粒的制备及与GSH电子转移机制研究

林艳辉, 边亮, 宋绵新, 董发勤, 曹启龙, 李伟民, 李海龙, 李宇, 罗伟格, 张金梅, 张琴, 张娇, 罗伟恢, 杨敏

2021, 40(12): 4144-4150.

摘要 ( 29 )

PDF (6884KB) ( 25 )

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以CdCl₂·2.5H₂O为镉源,TeO₂为碲源,水合肼为还原剂,利用共沉淀-还原法制备了CdTe纳米颗粒。采用扫描电镜、X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪、傅里叶红外光谱仪和固体紫外-可见分光光度计对CdTe纳米颗粒的形貌、结构和光吸收性能进行表征。结果表明,水浴温度为80 ℃、水浴时间为6 h、烧结温度为400 ℃、烧结时间为2 h时制备的CdTe有较高的结晶度和较好的光吸收性。通过荧光光谱测试发现,CdTe溶液的荧光强度随谷胱甘肽(GSH)浓度的增加而增大,在0.005~0.8 mmol/L检测范围的检测极限(LOD)为0.004 mmol/L。该研究为制备CdTe荧光探测器提供了新技术,而且为解释GSH在CdTe溶液中的荧光响应提供了依据。

基于反射裂缝防治的玄武岩经编纤维布阻裂性能研究

申爱琴, 龙虹均, 郭寅川, 李鹏, 翟超伟

2021, 40(12): 4151-4157.

摘要 ( 60 )

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针对沥青路面面层出现的轻度反射裂缝问题,为增强防治措施,本文对玄武岩经编纤维布阻裂性能进行了试验研究。通过冲击韧性试验与动态疲劳试验研究了玄武岩经编纤维布和对照土工合成材料(玻纤格栅、聚酯玻纤布)的防反性能,最后对沥青混合料加铺不同土工合成材料后的抗冲击性能与抗疲劳性能进行了相关性分析。研究结果表明:加铺玄武岩经编纤维布,沥青混合料的冲击韧性可提升70%以上;玄武岩经编纤维布在防治裂缝产生与延缓裂缝扩展方面均表现出了优于玻纤格栅和聚酯玻纤布的能力,在沥青混合料中铺设玄武岩经编纤维布可获得最好的疲劳抗裂性能。铺设土工合成材料后,混合料的冲击韧性与其疲劳寿命相关性较好,采用冲击韧性预估沥青混合料加铺土工合成材料后的抗疲劳性能具有可行性。

PAPI型聚氨酯改性沥青性能与微观机理

王力, 张增平, 朱友信, 刘浩, 陈俐企, 班孝义

2021, 40(12): 4158-4166.

摘要 ( 64 )

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为了研究聚氨酯(PU)对沥青的改性机理,以多亚甲基多苯基多异氰酸酯(PAPI)与聚己二酸乙二醇酯二元醇(PEA)、聚四氢呋喃(PTMEG)合成两种PU预聚体,并用其制备PU改性沥青。采用针入度、软化点、延度、黏度试验测试改性沥青基本性能,并通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、原子力显微镜(AFM)、热重(TG)分析、差示扫描量热法(DSC)对其微观结构及反应机理进行分析。研究结果表明,PAPI型PU可以通过物理和化学反应协同改善沥青的高低温性能,PU的加入可使沥青针入度降幅超过20%,软化点提升高于35%,延度性能提升超350%,两种PU改性剂均可显著提升沥青的黏度。PU与沥青反应生成PU-沥青枝接物提高了相容性,导致改性沥青的官能团比例发生变化,PU掺入后会增大沥青中蜂形结构的高度,从而提高沥青的高温性能。PAPI-PEA型PU改性沥青热稳定性优于PAPI-PTMEG型PU改性沥青,而PAPI-PTMEG型PU改性沥青具有更低的玻璃化转变温度。

氢氧化铝/有机改性蒙脱土复合改性沥青性能研究

贾晓军, 申爱琴, 王超, 郭寅川, 王涵, 杨小龙, 吴寒松

2021, 40(12): 4167-4177.

摘要 ( 35 )

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采用氢氧化铝(ATH)和两种有机改性蒙脱土(OMMT-C、OMMT-F)对沥青进行阻燃抑烟改性,旨在提高隧道沥青路面的阻燃抑烟性能。通过测试三大指标来评价ATH/OMMT复合改性沥青的常规性能,测试极限氧指数(LOI)与烟密度(SDR)来评价其阻燃抑烟性能,利用动态剪切流变(DSR)试验研究其流变性能。基于综合指数法优选出ATH/OMMT复合改性沥青的最佳复掺配比,通过热重(TG)试验分析了ATH/OMMT复合改性沥青的热解燃烧特性并建立了阻燃性能预测模型。研究结果表明,ATH/OMMT复合阻燃剂提高了沥青的稠度与软化点,降低了沥青的低温性能。当ATH掺量为10%(质量分数),OMMT-C掺量为3%(质量分数)时,复合改性沥青的综合性能最优,其极限氧指数大于23%,符合路用阻燃沥青的标准,同时烟密度相对基质沥青降低了33.9%,初始分解温度较基质沥青提高了3~6 ℃,分解残余量提高率最高可达61.3%。ATH/OMMT-C复合阻燃剂通过阻隔热交换通道提高了沥青的阻燃抑烟性能,通过增加沥青的弹性成分提高了沥青的复数模量与车辙因子,以及高温抗变形能力。

胶粉表面氧化机理及对改性沥青储存稳定性的影响

程勇, 刘玉梅, 鞠健, 郑木莲, 潘希峰, 朱月明

2021, 40(12): 4178-4186.

摘要 ( 37 )

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为了增强胶粉表面活性,改善胶粉改性沥青的储存稳定性,分别采用H₂O₂溶液和NaClO溶液对废旧胶粉进行表面氧化处理,并考察了FeSO₄·7H₂O对H₂O₂溶液氧化过程的催化作用。通过傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)以及电子能谱(EDS)研究了胶粉氧化前后的微观结构,并采用48 h离析试验对胶粉氧化前后改性沥青的储存稳定性进行了表征。试验结果表明:在两种氧化剂的作用下,胶粉表面活性含氧基团增加,微观形貌发生改变;胶粉氧化前后的主要元素均为C、O、S,且氧化胶粉表面O元素的相对含量显著增加;此外,H₂O₂-FeSO₄溶液氧化的胶粉改性沥青储存稳定性显著提高,满足了我国对聚合物改性沥青的要求。

基于再生剂/新沥青扩散行为的老化沥青再生规律

徐金枝, 张滨焌, 张德鹏

2021, 40(12): 4187-4196.

摘要 ( 34 )

PDF (6056KB) ( 25 )

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采用试管法模拟再生剂/新沥青在老化沥青中的扩散,截取不同扩散位置处混溶形成的再生沥青,通过常规指标、流变性质及感温性分析,评价再生沥青性能指标随再生剂/新沥青扩散行为发展的变化规律,并探究不同温度及时间条件对再生剂/新沥青扩散行为的影响机制。结果表明:随再生剂/新沥青在老化沥青中的扩散,各层位混溶形成的再生沥青性能得到不同程度的恢复,且随层位呈现梯度变化趋势,距新旧沥青界面越远,再生沥青性能与老化沥青越接近;相同扩散位置处,RA-1型再生剂比SK-90新沥青具有更好的扩散能力和再生效果,尤其可显著提高再生沥青的低温抗裂性能;在一定范围内提高拌和温度和延长扩散时间,有助于提升再生剂/新沥青在老化沥青中的扩散能力,促进新旧沥青的融合。

钢渣沥青混合料薄层罩面层间剪切性能研究

罗程, 颜峰, 夏海廷, 卢开宇, 周彬, 冯明杰

2021, 40(12): 4197-4208.

摘要 ( 45 )

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为了探究钢渣沥青混合料薄层罩面层间剪切破坏机理,设计一种间断级配钢渣沥青混合料和两种构造深度的表面层,研究表面层构造深度、温度、SBR改性乳化沥青用量和应力比对钢渣薄层罩面层间剪切性能的影响。通过马歇尔稳定度试验、冻融劈裂试验和动稳定度试验评价薄层罩面及表面层沥青混合料的基本路用性能,直剪试验和剪切疲劳试验评价薄层罩面层间抗剪切性能。研究结果表明:钢渣集料的压碎值和磨耗值明显低于石灰岩集料,且与沥青的粘附性好,使得钢渣沥青混合料的路用性能优异;层间抗剪强度主要受温度控制,在相同测试温度下,随着黏结材料用量增加,表面层与薄层罩面的层间接触状态得到改善,从而提高了抗剪强度,但过量的黏结材料在表面层与薄层罩面之间形成滑动层,导致构造深度对层间剪切强度的作用减弱;薄层罩面的层间剪切疲劳寿命随应力比的升高而降低,通过剪切疲劳试验得到了疲劳寿命方程。

振动搅拌对掺铁尾矿砂水泥稳定碎石混合料的影响研究

王洪国, 苏纪壮, 张民, 汲平, 王鑫洋, 刘健

2021, 40(12): 4209-4216.

摘要 ( 38 )

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为综合分析铁尾矿砂水泥稳定碎石混合料路用性能的影响因素,本文对不同铁尾矿砂掺量(矿料质量的0%、5%、10%、15%、20%、25%)及不同成型方式(传统连续搅拌、振动搅拌)的水泥稳定碎石混合料的物理力学性能、耐久性及微观结构进行试验研究。研究结果表明,铁尾矿砂的加入能够提高水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度、间接拉伸强度、水稳定性、抗冻性。当铁尾矿砂用量为10%时,水泥稳定碎石混合料的强度、水稳定性、抗冻性达到最大值;当铁尾矿砂掺量为5%时,水泥稳定碎石混合料的疲劳寿命最长。振动搅拌制备试样较连续搅拌有更高的强度、水稳定性、抗冻性及耐疲劳性能;振动搅拌制备的铁尾矿水泥稳定碎石混合料内部水泥水化程度更高,水化产物分布更均匀,能够降低混合料因应力集中而破坏的风险。

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