陶瓷材料3D打印技术 ——让复杂异形陶瓷材料构件制造成为可能

北京理工大学何汝杰供稿

2022, 41(1): 363-364.

摘要 ( 72 )

PDF (2407KB) ( 68 )

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CoFeMgAl-LDHs/CNTs复合材料对水泥水化及微观结构的影响

廖牧情, 熊志文, 柯国军, 邹品玉, 宋百姓, 金丹

2022, 41(1): 3-12.

摘要 ( 84 )

PDF (10347KB) ( 48 )

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通过进行水化热测试、非蒸发水含量测试、X射线衍射分析、扫描电镜分析、压汞测试及强度试验,研究了钴铁镁铝水滑石-碳纳米管复合材料(CoFeMgAl-LDHs/CNTs)对水泥水化过程、硬化水泥净浆孔结构及强度的影响。结果表明,CoFeMgAl- LDHs/CNTs复合材料通过成核作用显著提升了水泥3 d内的水化程度,从而显著提高了水泥净浆3 d内的抗压强度,3 d后强度提高效果逐渐减小,7 d后复合材料对硬化水泥浆体强度没有明显的提高作用。掺入CoFeMgAl-LDHs/CNTs复合材料的水泥净浆与空白净浆相比,胶凝孔和毛细孔含量明显增多,大孔含量有所降低,同时复合材料的桥联作用进一步优化了水泥净浆的微观结构,从而提高了水泥基体薄弱部位的应力承载能力。因此在同一龄期,复合材料掺入后硬化水泥净浆的强度有所增大。由于复合材料掺量的变化对孔径分布没有明显的影响,改变复合材料的掺量对同龄期硬化水泥净浆强度提升影响较小。

纳米C-S-H对矿粉-水泥体系水化的影响

徐智东, 梅军鹏, 王智鑫, 廖宜顺, 廖国胜, 李海南

2022, 41(1): 13-19.

摘要 ( 68 )

PDF (8914KB) ( 40 )

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C-S-H是通用硅酸盐水泥主要的水化产物,对水泥基材料的性能起着十分重要的作用,但水泥水化产物复杂,难以从水化产物中分离出纯净的C-S-H并研究其对水泥基材料的影响。故本文通过双分解法制备了纳米C-S-H(NC)颗粒,并将其掺入矿粉-水泥体系中,通过无接触式电阻率测定仪、X射线衍射仪、差热分析仪(DSC-TG)、扫描电镜、压汞测试仪(MIP)等探究了NC对矿粉-水泥体系水化的影响。研究发现,在1%~4%(质量分数)掺量范围内,掺入NC可缩短基体的凝结时间,并为水泥早期水化提供更多的活性位点,加速水化产物的形成和沉淀,促进水化产物之间的搭接,从而降低了基体孔隙率并使基体早期强度和水化浆体电阻率均有所提升。

碳纤维增强聚合物水泥注浆材料力学性能及其微观机理

胡春红, 王彦伟, 朱昌星

2022, 41(1): 20-26.

摘要 ( 70 )

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针对松散破碎巷道控制问题,普通水泥注浆存在诸多缺陷,且水泥颗粒不能注入半径小于0.2 mm的孔隙或者裂隙中。本文采用碳纤维、聚合物以及超细水泥制备试块,通过单轴压缩试验及巴西劈裂试验确定注浆材料的最佳配合比。试验结果表明,当碳纤维掺量为水泥掺量的1.0%(质量分数)时,水泥砂浆试块性能最佳。采用电子扫描显微镜(SEM)确定试块微观结构,结合聚合物成膜的Ohama模型和Konietzko模型,分析其微观结构形成过程及碳纤维失效模式,揭示碳纤维增强聚合物水泥注浆材料微观增强机理。本文为降低深部破碎煤岩巷道维护成本,实现深部开采可持续发展提供了技术支撑。

不同矿物掺合料对改性硫氧镁水泥性能影响的研究

闫浩康, 王硕, 时绪智, 袁兴栋, 隋玉武, 岳雪涛

2022, 41(1): 27-32.

摘要 ( 53 )

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为探究矿物掺合料对改性硫氧镁水泥的影响及作用机理,分别将不同掺量的粉煤灰、矿粉掺入改性硫氧镁水泥中,对其力学性能、耐水性和耐酸性进行测试,并结合X射线衍射和扫描电镜对其物相组成及微观形貌进行表征和分析。研究结果表明:粉煤灰的掺入会提高改性硫氧镁水泥的3 d强度,但后期强度有所下降,当粉煤灰掺量大于20%(质量分数)时,其28 d抗压强度相较于基准组损失了14.7%;掺入矿粉对改性硫氧镁水泥的前期强度影响较小,并导致后期强度下降,当矿粉掺量为30%~40%(质量分数)时,水泥的28 d强度损失率高达17.3%。适量的粉煤灰与矿粉均能够提升改性硫氧镁水泥的耐水性和耐硫酸腐蚀性,其中水泥的耐硫酸腐蚀性随着粉煤灰掺量的增加而增强,耐硫酸腐蚀效果最好时矿粉掺量为20%。

氧化镁质和硫铝酸钙膨胀剂对工程水泥基复合材料性能的影响

周建伟, 余保英, 孔亚宁, 杨文, 李毅, 亢泽千

2022, 41(1): 33-40.

摘要 ( 45 )

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本文研究了氧化镁质和硫铝酸钙膨胀剂对工程水泥基复合材料水化产物及微观结构的影响。结果表明:两种膨胀剂均会引起工程水泥基复合材料流动性能、力学性能的下降;掺入氧化镁质膨胀剂使得材料体系中大量生成富镁硅钙石,而掺入硫铝酸钙膨胀剂使得材料体系中钙矾石含量增大,两种水化产物均可以细化材料的孔结构,改善试样的抗氯离子渗透性能,5%(质量分数)掺量下硫铝酸钙膨胀剂试样的孔径比氧化镁质膨胀剂试样的更小,结构更加稳定。

轻骨料对砂浆力学与毛细吸水性能的影响

李春云, 薛善彬, 张鹏, 王俊洁, 高世壮

2022, 41(1): 41-50.

摘要 ( 45 )

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采用等体积取代法制备了5种不同体积取代率的轻骨料水泥砂浆,借助抗压、抗折试验和称重法,研究了内掺轻骨料对水泥砂浆力学和毛细吸水性能的影响规律,并基于低场核磁共振技术和扫描电镜技术分析了内掺轻骨料砂浆微观结构特征。结果表明:内掺力学强度较低的轻骨料可对水泥砂浆整体力学性能产生影响,随着轻骨料取代率的增加,砂浆抗压、抗折强度相应降低;毛细吸水率随轻骨料取代率、养护龄期的增加而降低。核磁共振试验数据表明:小孔孔隙体积占比随着轻骨料取代率的增多而降低,中孔和大孔孔隙体积占比则与取代率呈正相关;随着龄期的增长,小孔信号弛豫幅值降低。利用扫描电镜对轻骨料砂浆界面过渡区观察,发现轻骨料砂浆界面区结构较致密。同时,由于水化产物堵塞轻骨料表面微孔,形成不透水边界和内部封闭孔,在毛细吸水过程中内掺轻骨料砂浆表现出高孔隙度低渗透性的特征。

早强剂和防冻剂对不同类型引气剂性能的影响

夏强, 温金保, 唐修生, 杜志芹, 刘兴荣

2022, 41(1): 51-59.

摘要 ( 46 )

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为了提高严寒环境下混凝土早期强度和抗冻性,常将引气剂与早强剂和防冻剂复合使用,而复合使用时的起泡、稳泡性能及机理尚不明确。本文选取了3种引气剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、三甲基十六烷基溴化铵(CTAB)以及脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-9),系统比较了早强剂(Na₂SO₄、NaNO₂)和防冻剂(乙二醇)对不同引气剂溶液的表面活性、泡沫性能以及引气混凝土含气量的影响。结果表明:Na₂SO₄、NaNO₂的加入都会降低引气剂溶液临界胶束浓度(c_m),乙二醇增大了CTAB的c_m,而对SDBS和AEO-9的c_m影响不大;引气剂溶液泡沫高度变化符合指数衰减模型,Na₂SO₄、NaNO₂和乙二醇降低了SDBS和CTAB泡沫稳定性,却不同程度地提高了AEO-9泡沫的稳定性;混凝土含气量结果与引气剂溶液泡沫性能具有一定相关性,也存在明显的差异性。

超高含水率水泥固化泥炭土压缩模量和固结系数研究

陶然, 王荣, 范衍琦, 董俊全, 史江伟

2022, 41(1): 60-67.

摘要 ( 40 )

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泥炭土具有高含水率、高有机质含量、大孔隙比和低剪切强度等特点。化学固化常用于提升泥炭土地基承载力和抵抗变形能力。通过开展单向固结试验,研究了含水率、有机质含量、pH值、水泥掺量和掺料粒径对水泥固化泥炭土压缩模量和固结系数的影响。研究表明,随着水泥掺量和养护龄期增加,水泥水化反应生成的凝胶不断增长,固化土压缩模量随之增长。泥炭土初始含水率从600%降至300%后,固化土压缩模量增加了3.5倍。有机质含量从40%增至80%(质量分数)时,固化土压缩模量降低了50%。pH值从7.0降至3.5时,固化土压缩模量降低了15.8%。固化泥炭土的压缩模量和固结系数受含水率、水泥掺量影响最大,有机质含量次之,pH值影响最小。掺石英砂能提升固化泥炭土的压缩模量,且石英砂粒径越小,固化土压缩模量增幅越大。

轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板的抗冲击性能

李方贤, 李建新, 肖民, 任蒙蒙

2022, 41(1): 68-75.

摘要 ( 38 )

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为了对轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板的抗冲击性能进行定量表征和破坏形式进行定性描述,评价复合墙板抗冲击性能的优劣,利用质量为2 040 g的钢球分别从1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m的高度自由落体冲击复合墙板,同时辅以全幅高达2 000帧/s的超高速相机拍摄试验过程,研究了不同结构的轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板的抗冲击性能。结果表明,采用钢丝网、纤维、玻璃纤维网格布三种增强方式可以提升轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板的抗冲击性能,三种复合墙板分别在冲击高度为2.0 m、2.0 m和2.5 m时出现裂缝,吸能比例的最大值分别为97.80%、96.70%和96.57%,玻璃纤维网格布增强方式的轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板具有更好的抗冲击性能;轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板表面不同位置处抗冲击性能具有差异性,非龙骨区域的吸能比例和硅酸钙板吸收能量小于龙骨区域,具有更好的抗冲击性能。

低温下泡沫混凝土的动态力学性能

吴森宝, 宗琦, 王军国, 汪海波, 王梦想, 贾虎

2022, 41(1): 76-87.

摘要 ( 71 )

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为了研究低温下泡沫混凝土的动态力学性能,采用φ100 mm的铝制分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对不同温度下泡沫混凝土试件进行冲击压缩试验,得到了不同温度、应变率下的泡沫混凝土的应力应变曲线、能量参数、破碎形态等。结果表明:当应变率在62.59 s^-1以下时,泡沫混凝土应力应变曲线分为线弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段;当应变率超过62.59 s^-1时,其应力应变曲线分为线弹性阶段、屈服阶段、局部失稳、应力平台、破坏阶段;常温、0 ℃、-10 ℃、-20 ℃和-30 ℃下,泡沫混凝土的动态抗压强度以及吸收能在对应的应变率分界点前表现出显著的应变率效应,但超出该分界点后,应变率效应便不再明显;泡沫混凝土的动态峰值抗压强度与吸收能随温度的降低而提高,但峰值应变随温度降低而降低;泡沫混凝土冲击破碎后的块度随着温度的降低逐渐变大。在低温环境下泡沫混凝土的抗动载设计中,对于泡沫混凝土的峰值抗压强度、吸收能,应优先考虑温度效应的影响,而对于其峰值应变,应优先考虑应变率效应。

聚丙烯粗纤维对泵送混凝土性能的影响及灰色关联分析

梁宁慧, 任联玺, 周侃, 胡恒, 周本炜

2022, 41(1): 88-99.

摘要 ( 45 )

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为研究聚丙烯粗纤维掺量、长径比对泵送混凝土和易性与力学性能的影响,在基准混凝土中加入不同掺量和长径比的聚丙烯粗纤维,开展聚丙烯粗纤维混凝土(CPFRC)坍落度、扩展度、抗压强度和劈裂抗拉强度试验,并基于灰色关联理论量化纤维掺量、长径比的增强效应。研究结果表明,聚丙烯粗纤维对泵送混凝土的坍落度、扩展度、抗压强度和劈裂抗拉强度影响显著。相比于基准混凝土,聚丙烯粗纤维掺量为3 kg/m³时,混凝土和易性表现最优,抗压强度的增强效应最好,坍落度与扩展度分别降低了1.41%和15.76%,7 d、14 d和28 d抗压强度分别增长了20.42%、14.96%和11.49%;聚丙烯粗纤维掺量为6 kg/m³时,混凝土劈裂抗拉强度的增强效果最为明显,7 d、14 d和28 d劈裂抗拉强度分别增长了27.46%、13.61%和15.92%。当聚丙烯粗纤维掺量为3 kg/m³,长径比为47.5时,混凝土的和易性与力学性能最优,长径比对和易性与力学性能的总关联度达到0.849。

分散剂对蒸汽养护玻璃纤维混凝土抗渗性能的影响

杨文瑞, 黎惠莹, 冯中敏, 王世玉, 汤智毅

2022, 41(1): 100-108.

摘要 ( 39 )

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玻璃纤维在混凝土中的分散程度影响玻璃纤维混凝土的力学性能和抗渗性能,本文研究了高分子型超分散剂(B193)、聚醚改性聚合物(S-3101B)和羧甲基纤维素钠(CMC)对玻璃纤维混凝土微观结构、表面状况、抗压强度、劈裂抗拉强度和抗渗性能的影响。结果表明:三种分散剂能改善玻璃纤维混凝土中玻璃纤维的分散性,但是掺入分散剂S-3101B后会使混凝土产生大量孔隙,降低玻璃纤维混凝土的力学性能和抗渗性能;当分散剂B193掺量为0.5%(相对于胶凝材料的质量分数,下同)时,玻璃纤维混凝土试件的抗渗性能最好,渗水高度降低16.6%,当分散剂CMC掺量为0.5%时,渗水高度降低7.1%。最后建立了掺加三种分散剂的玻璃纤维混凝土渗水高度和分散剂掺量之间的关系曲线,可供工程设计参考。

掺花岗岩石粉的管桩高强混凝土微结构和力学性能研究

黄晓燕

2022, 41(1): 109-117.

摘要 ( 37 )

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本文采用蒸压养护方式制备管桩高强混凝土,以相同配合比的标准养护混凝土为对比组,分别研究磨细砂和石粉双掺时石粉取代率(花岗岩石粉/(花岗岩石粉+磨细砂),质量比)和石粉单掺时石粉掺量(花岗岩石粉/(花岗岩石粉+水泥),质量比)对管桩高强混凝土强度的影响,并通过XRD、ESEM等方法研究掺花岗岩石粉的管桩高强混凝土水化产物的种类及形貌特征。结果表明:蒸压养护下,混凝土强度随石粉取代率和石粉掺量的增加均先增大后减小, 石粉取代率为25%和石粉掺量为20%时混凝土强度分别达到最大值。由于花岗岩石粉中的SiO₂在蒸压条件下会与水泥水化产物Ca(OH)₂发生火山灰反应并生成托勃莫来石,使混凝土更为密实,因此相同配合比条件下蒸压养护3 d的混凝土强度高于标准养护28 d的混凝土强度。

基于相关向量机模型的混凝土综合性能预测

张研, 王鹏鹏, 吴哲康

2022, 41(1): 118-125.

摘要 ( 37 )

PDF (2182KB) ( 22 )

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为快速获取及评价混凝土的综合性能,选取影响混凝土综合性能的6个主要因素为输入数据,混凝土综合性能(28 d强度、坍落扩展度及表观密度)为输出数据,建立基于相关向量机(RVM)的混凝土综合性能预测模型,对14组学习样本进行拟合训练,并对其余5组预测样本进行预测。结果表明:在相同的样本条件下,与BP神经网络模型进行对比,RVM模型预测精度更高,离散性更小;同时,与实际值相比,RVM模型预测的混凝土综合性能指标的平均相对误差均明显小于BP神经网络模型预测得到的平均相对误差,进一步验证了RVM模型对混凝土综合性能预测的可靠性,具有较好的推广价值。

暗肋夹芯式轻骨料混凝土外墙板热工性能研究

李琮琦, 吴昊, 杨滢, 马欣伟, 钱磊, 陈波, 张超

2022, 41(1): 126-133.

摘要 ( 36 )

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为解决现有建筑能耗中由墙体引起的热损失问题,本文提出一种暗肋夹芯式复合轻质保温墙板,并围绕该种新型墙板的热工性能开展研究。首先分别测试轻骨料混凝土、聚苯颗粒混凝土的热工参数,研究内外叶及芯层不同厚度组合、内置钢筋网及平面桁架对复合墙板热工性能的影响。然后将试验结果与理论分析结果进行对比,验证理论分析模型的可靠性,为复合保温墙板的热工设计提供基础研究支撑。对比常规预制混凝土外墙板,新型复合墙板表现出良好的热工性能。

聚氨酯涂层加固混凝土梁的力学性能研究

雷波, 黄显彬

2022, 41(1): 134-140.

摘要 ( 37 )

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通过对混凝土试件进行试验研究,在应变率为0.000 3 s^-1和0.065 s^-1的加载条件下进行三点弯曲试验,模拟静态荷载和冲击荷载,评估聚氨酯(PU)涂层在静态荷载和冲击荷载作用下增强混凝土试件力学响应的有效性。结果表明,PU涂层(在混凝土试件的正面或反面)的应用对提高混凝土结构的延性具有积极作用,最大应变和累积应变能随着PU涂层厚度的增加近似线性增加,反面涂覆的方法在静态荷载作用下对混凝土结构的加固效率更高,采用正面涂覆的方法可增强混凝土结构的抗冲击性,通过增加涂层厚度能有效提高加固能力。PU涂层在试件的最终破坏过程中不会脱胶,这意味着材料具有良好的附着力,能有效减弱试件的破碎效应。

黏土矿物的结构特征及其吸附二氧化碳的研究进展

李瑞红, 李晓玉, 李浩然, 赵珂萍, 彭康

2022, 41(1): 141-152.

摘要 ( 137 )

PDF (5128KB) ( 104 )

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天然黏土矿物资源丰富、成本低廉、具有丰富的孔隙结构和稳定的化学性质,是实现减排和碳循环的一类优良固体吸附剂基体材料。本文概述了黏土矿物适用于CO₂固体吸附剂制备的结构特征,对高岭石、埃洛石、蒙脱石、凹凸棒石、海泡石和蛭石等黏土矿物基CO₂固体吸附剂进行了综述。介绍了其在工业烟气捕集及沼气提纯技术中的应用,最后指出合成吸附容量高、选择性强、吸附温区大、适用于产业化应用的黏土矿物基CO₂固体吸附剂并建立理论吸附模型是今后的研究重点。

分子模拟技术在高岭石研究中的应用进展

杨有威, 罗玉霞, 张青青, 王春英

2022, 41(1): 153-161.

摘要 ( 38 )

PDF (4643KB) ( 27 )

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高岭石是长石和其他硅酸盐矿物天然蚀变的产物,是一种不含水的铝硅酸盐矿物,其层状晶体结构使之具有优异的物理化学性能,从而得到广泛的应用。分子模拟技术是一种能在微观层面研究物质性质的科学方法,在材料科学研究中具有重要的作用。本文综述了分子模拟技术的基本原理和近年来该技术在高岭石开发应用中的研究进展,主要包含高岭石的理化性质、高岭石的掺杂改性对理化性质的影响、高岭石对离子/分子的吸附性能规律以及高岭石在矿产开发领域中的一些应用实例。根据高岭石的性质特点和实际需要,探讨了高岭石的吸附特性规律,高岭石的改性开发对吸附特性的影响以及理论指导在开发矿产资源方面的应用。

碱-矿渣水泥的水化、力学及干缩性能研究进展

石马刚, 柯国军, 邹品玉, 宋百姓, 唐小林, 金丹

2022, 41(1): 162-173.

摘要 ( 141 )

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碱-矿渣水泥是一种优良的绿色胶凝材料,由矿渣部分或全部取代水泥而制成。在碱激发剂的作用下矿渣水化产生活性,并且由于其独特的玻璃体分相结构导致碱-矿渣水泥的水化硬化产物表现出不同于普通硅酸盐水泥基材料的性能。本文介绍了矿渣的组成与结构,从理论层面解释碱-矿渣水泥具有潜在活性的原因,探讨了不同激发剂作用下碱-矿渣水泥的水化机理,并在此基础上综述其基本力学性能和干缩特性,为其在工程实践中的应用和推广提供依据。结合相关文献,总结了现有研究的不足并对今后的发展提出了建议。

单轴压缩固化泥炭土的弹塑性损伤模型试验研究

申林方, 何仕娟, 王志良, 陈玉龙

2022, 41(1): 174-181.

摘要 ( 43 )

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为了研究固化泥炭土的力学性能,将机制砂作为填充材料,水泥和磷石膏作为胶结材料,针对昆明泥炭土开展了一系列固化试验。根据固化土体的无侧限抗压强度试验和单轴循环加-卸载试验,讨论了泥炭土在不同水泥掺量和磷石膏掺量下的固化效果。基于损伤理论和应变等效性假设,建立了单轴压缩状态下固化泥炭土的弹塑性损伤模型。研究结果表明:固化泥炭土抗压强度随水泥掺量的增加而增大,同时随着磷石膏掺量的增加,强度增长速率表现为先增大后减小的趋势。固化泥炭土的应力-应变滞回曲线呈下部不闭合的新月形,且在塑性开始和接近破坏阶段不闭合区域面积较大,说明这两个阶段产生较大的能量损耗。最后,考虑水泥掺量和磷石膏掺量的影响,根据试验结果采用曲线拟合的方法,得到了固化泥炭土弹塑性损伤本构模型的各项参数。

低碱度水泥基材料固化模拟放射性焚烧灰性能与机理研究

韦琦, 耿海宁, 马浩森, 刘艳, 陈伟, 王东文, 潘社奇, 李秋

2022, 41(1): 182-191.

摘要 ( 36 )

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放射性焚烧灰中存在铝单质金属,其在碱激发水泥或硅酸盐水泥的高碱性孔溶液环境下会反应产生氢气,造成固化体膨胀与性能劣化。为克服此问题,本研究以水泥、硅灰和粉煤灰为主要原料,添加沸石、聚羧酸减水剂、定优胶和聚合硫酸铝协同改性制备低碱度水泥基材料,开展低碱度水泥基材料对模拟放射性焚烧灰的固化处置研究。结果表明:模拟放射性焚烧灰质量包容量为30%的低碱度水泥基材料固化体的28 d抗压强度达16.6 MPa以上,抗冻融性能、抗浸泡性能及抗冲击性能均满足GB 14569.1—2011《低、中水平放射性废物固化体性能要求-水泥固化体》的要求。Ce³⁺第42 d浸出率为4.41×10^-9 cm/d,累计浸出分数为3.4×10^-7 cm。低碱度水泥基材料固化模拟放射性焚烧灰过程中未产生大量氢气,其原因是,在早期孔溶液pH值较低,同时孔溶液中的高钙离子浓度延缓了焚烧灰中的单质铝与孔溶液发生反应释放氢气的速度,在后期孔溶液pH值低于11.75,焚烧灰中的单质铝不会与孔溶液发生反应。

玄武岩纤维对水泥稳定多孔玄武岩碎石力学性能的影响

吴启一, 姚华彦, 扈惠敏, 许泽宁, 吴林松, 鲍犇

2022, 41(1): 192-198.

摘要 ( 37 )

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通过开展一系列劈裂强度测试、无侧限抗压强度测试和弯拉强度测试,研究了玄武岩短切纤维对水泥稳定多孔玄武岩碎石力学性能的增强作用。龄期为7 d的混合料劈裂试验表明,玄武岩短切纤维对水泥稳定多孔玄武岩碎石的劈裂强度具有显著的增强效果,其中长度为18 mm的纤维对混合料劈裂强度的增强效果优于12 mm、24 mm的纤维。掺加长度18 mm玄武岩纤维的水泥稳定多孔玄武岩碎石,其劈裂强度、无侧限抗压强度、弯拉强度等随着纤维掺量增加先增大后减小;当掺量为碎石质量的0.10%时,纤维对混合料各项力学性能的增强效果最好;随着养护龄期的延长,混合料力学性能不断提升。研究表明掺加玄武岩短切纤维可提高水泥稳定多孔玄武岩碎石的路用性能。

黄土-粉煤灰基新型充填材料性能研究

赵兵朝, 王海龙, 翟迪, 马云祥, 韦启蒙, 王京滨

2022, 41(1): 199-208.

摘要 ( 36 )

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充填开采是实现矿山安全绿色开采的重要途径,要求充填材料来源广泛,成本低,且必须能满足充填工艺需求。为探究黄土含量对膏体充填材料流动性和力学性能的影响规律,通过室内试验测定了不同类型粉煤灰、不同黄土含量条件下膏体充填材料的屈服应力和抗压强度等参数。研究结果表明:用黄土替代粉煤灰制作充填体,取材方便,成本低,且黄土颗粒能很好地包裹大颗粒,减少颗粒输送中对管道内壁的磨损,提升料浆流动性;随着黄土含量增加,充填体抗压强度会逐渐增大,但当黄土含量超过12.5%(质量分数)后,黄土细颗粒会阻碍水泥和其他物料之间的黏结,导致抗压强度有所降低;黄土与粉煤灰质量比为2∶8、3∶7,养护期为28 d时,充填材料既符合充填工艺要求,又能最大程度降低充填成本。

原状粉煤灰对超高性能混凝土性能的影响

孙婧, 王宏, 兰建伟, 周凯, 刘宏波

2022, 41(1): 209-217.

摘要 ( 41 )

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为提高粉煤灰的综合利用率,降低原料成本,采用未经磨细和分选的原状粉煤灰等质量替代硅灰来制备超高性能混凝土(UHPC),并研究了不同掺量的原状粉煤灰对UHPC力学性能及微观结构的影响。结果表明:原状粉煤灰的掺入可使UHPC中胶凝材料的粒度呈梯度分布,形成良好的微级配;并且使新拌混凝土的流动度增大,影响了钢纤维在UHPC基体中的分布;当原状粉煤灰掺重不超过30%时,UHPC抗折强度随着原状粉煤灰掺量的增加呈现不同程度的增长,30%原状粉煤灰掺量的UHPC抗折强度与不掺粉煤灰的空白样相比提高了34%;由于原状粉煤灰水化缓慢,当原状粉煤灰掺量在0%~40%时,UHPC抗压强度随着原状粉煤灰掺量的增加有所下降。孔结构分析表明:UHPC的平均孔径以及总孔体积均随着原状粉煤灰的掺入而减小,基体更加密实;当原状粉煤灰掺量为30%时,SEM照片显示钢纤维与UHPC基体结合紧密,界面黏结增强。

塑钢纤维磷渣混凝土弯曲性能研究

杨壮, 邓建华, 昝彩平, 杜凯, 代旭东

2022, 41(1): 218-225.

摘要 ( 32 )

PDF (7857KB) ( 17 )

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以不掺塑钢纤维的磷渣混凝土为基准,对纤维长度为30 mm、40 mm、55 mm和纤维掺量为3 kg/m³、6 kg/m³、9 kg/m³的塑钢纤维磷渣混凝土进行四点弯曲试验,研究不同纤维长度和纤维掺量对磷渣混凝土弯曲性能的影响规律。研究结果表明:随着塑钢纤维长度和掺量的增加,磷渣混凝土的抗弯强度随之增加,塑钢纤维长度为55 mm,掺量为3 kg/m³时,对磷渣混凝土抗弯强度增强效果最佳,抗弯强度比基准组提高了56%;随着塑钢纤维长度和掺量的增加,磷渣混凝土弯曲韧性指数不断增大,弯曲韧性不断提高,塑钢纤维长度为55 mm,掺量为9 kg/m³时,弯曲韧性指数I₂₀比基准组提高了9.8倍。

碱激发矿渣-玻璃粉基泡沫混凝土性能研究

龚建清, 杨倩, 郭丽, 范苏杰, 蔡光伟

2022, 41(1): 226-234.

摘要 ( 54 )

PDF (9777KB) ( 49 )

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采用玻璃粉部分替代矿渣制备碱激发胶凝材料,研究了玻璃粉含量(10%、20%、30%、40%,质量分数)对碱激发矿渣-玻璃粉基(AASG)泡沫混凝土性能的影响。对AASG泡沫混凝土流动性、抗压强度、干燥收缩、吸水率、软化系数和抗冻性进行了研究,并通过扫描电子显微镜和X射线衍射仪对机理进行了分析。结果表明:10%~40%掺量的玻璃粉使AASG泡沫混凝土的流动性提高了5.0%~25.6%;抗压强度随玻璃粉掺量的增加先增大再减小,玻璃粉掺量为20%时,7 d和28 d抗压强度最高,与对照组相比分别提高15.0%和23.8%;玻璃粉掺量为20%时,AASG泡沫混凝土的干燥收缩、吸水率、软化系数和抗冻性最佳;SEM分析发现,玻璃粉有助于孔结构的优化和提高微观结构的致密性;XRD分析表明,AASG泡沫混凝土的主要反应产物为 C-(N-)A-S-H和水滑石。将玻璃粉作为矿渣的替代品来制备AASG泡沫混凝土是可行的,为其在回填工程和固废利用提供理论支撑。

Na₂SiO₃/Na₂CO₃复合制备清洁型碱矿渣胶凝材料

张立恒, 陈佩圆, 谭伟博, 王永辉

2022, 41(1): 235-240.

摘要 ( 44 )

PDF (2995KB) ( 25 )

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为解决弱碱单独激发碱矿渣胶凝材料(AASM)时存在的力学性能弱、矿渣反应程度低等问题,缓解AASM的操作危害性,本文采用Na₂SiO₃/Na₂CO₃复合激发矿渣,研究了复合激发剂组成对AASM凝结时间、抗压强度、水化产物及自收缩的影响,并评估了AASM的环境效益。结果表明:随着Na₂CO₃碱当量的增加,AASM缓凝效果较为明显,抗压强度也有所降低,但抗压强度的降低幅度随龄期增大而减小。通过加入Na₂CO₃,AASM水化产物种类增多,C-(A)-S-H的峰值强度随Na₂CO₃碱当量占比的增加呈现出先增加后降低的趋势,因而解释了AASM浆体自收缩的变化。另外,由CO₂排放指数可以看出,Na₂SiO₃/Na₂CO₃复合激发矿渣较Na₂SiO₃单独激发更为清洁,环境效益显著。

Al₂O₃/Cu的界面微观结构及封接性能

范彬彬, 赵林, 谢志鹏, 康丁华, 刘溪海

2022, 41(1): 241-248.

摘要 ( 61 )

PDF (10289KB) ( 53 )

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采用活化Mo-Mn法和活性金属钎焊(AMB)工艺对Al₂O₃陶瓷进行金属化处理,分别研究了两种金属化工艺的界面形貌、新相的形成及显微结构的演变,并测试了Al₂O₃/Cu的力学性能和气密性。研究表明:采用活化Mo-Mn法的封接界面处出现玻璃相的迁移,形成了立方相MnAl₂O₄,可以提高封接强度。AMB工艺中活性元素Ti与Al₂O₃反应依次形成厚度为0.64 μm的TiO和1.03 μm的Cu₃Ti₃O。各层间热膨胀系数(CTE)的差异给钎焊接头提供了良好的热弹性相容性且降低了残余应力。活化Mo-Mn法的封接强度((60.2±7.7) MPa)比AMB工艺((43.1±6.9) MPa)高,但在气密性方面两者并无明显差别(均在2.3×10^-11 Pa·m³·s^-1左右)。

基于深度学习的平纹C_f/SiC复合材料原位拉伸损伤演化与断裂分析

杜永龙, 张毅, 王龙, 郭纬愉, 程相伟, 张大旭

2022, 41(1): 249-257.

摘要 ( 83 )

PDF (11955KB) ( 68 )

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为揭示平纹C_f/SiC复合材料的拉伸损伤演化及失效机理,开展了X射线CT原位拉伸试验,获得材料的三维重构图像,利用深度学习的图像分割方法,准确识别出拉伸裂纹并实现其三维可视化。分析了平纹C_f/SiC复合材料损伤演化与失效机理,基于裂纹的三维可视化结果对材料损伤进行了定量表征。结果表明:平纹C_f/SiC复合材料的拉伸力学行为呈现非线性,拉伸过程中主要出现基体开裂、界面脱黏、纤维断裂及纤维拔出等损伤;初始缺陷易引起材料损伤,孔隙多的部位裂纹数量也多;纤维束外基体裂纹可扩展至纤维束内部,并发生裂纹偏转。基于深度学习的智能图像分割方法为定量评估陶瓷基复合材料损伤演化与失效机理提供了有效分析手段。

熔融渗硅对石墨氧化行为的影响

杨金华, 董禹飞, 艾莹珺, 刘虎, 周怡然, 焦健

2022, 41(1): 258-265.

摘要 ( 41 )

PDF (15252KB) ( 39 )

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分别在500 ℃、700 ℃、900 ℃及1 100 ℃空气条件下,对石墨及渗硅石墨进行氧化实验,以分析熔融渗硅对等静压石墨氧化行为的影响。采用扫描电镜(SEM)分析了样品表面及内部形貌,通过压汞法表征了样品的孔隙结构,并对材料的力学性能进行了测试分析。结果表明:500 ℃条件下,石墨和渗硅石墨均未发生明显的氧化失重现象;温度为700 ℃时,石墨的氧化失重率随时间延长明显增加,而该温度下渗硅石墨的氧化失重率变化较小。而且,渗硅石墨在700 ℃时仍能保持较好的强度,而此温度下,石墨随氧化时间的延长,强度明显降低,甚至被氧化成粉末状。因此,熔融渗硅在提高材料抗氧化性能的同时能够显著提升材料的强度。

SiC陶瓷表面增韧用环氧树脂基增韧剂的制备与性能研究

李林虎, 唐修检, 王龙, 何东昱, 刘谦, 谭俊

2022, 41(1): 266-276.

摘要 ( 51 )

PDF (12030KB) ( 45 )

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碳化硅陶瓷在磨削加工中极易产生崩碎损伤,在碳化硅陶瓷磨削层实时涂覆增韧剂是降低崩碎损伤的新方法。以E51双酚A型环氧树脂、无水乙醇、651型低相对分子质量聚酰胺树脂和1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)为主要成分制备了一种增韧剂,通过测量增韧剂在碳化硅陶瓷表层的接触角、浸润深度与固化时间,探究了增韧剂各组分的添加量与碳化硅陶瓷表面粗糙度对增韧剂润湿性能与固化速率的影响规律,优化出一种润湿性能好、固化速率快的增韧剂。结果表明:增韧剂的最佳质量配比为m(E51双酚A型环氧树脂)∶m(无水乙醇)∶m(651型低相对分子质量聚酰胺树脂)∶m(DBU)=1∶0.9∶0.5∶0.02,该增韧剂在碳化硅陶瓷表层的浸润时间约为160 s,浸润深度约为40 μm,可使碳化硅陶瓷的表层硬度降低约25%;增韧剂的润湿性能随着溶剂的增加或碳化硅表面粗糙度的增大而提高,促进剂添加量的改变对增韧剂的润湿性能几乎无影响;增韧剂的固化速率随溶剂的增加而降低,随促进剂的增加而提高,但当促进剂达到饱和时,固化速率不再提高。

亚微米氧化铝粉体在建筑陶瓷板材中的应用研究

苏华枝, 余有根, 刘一军, 谢范峰, 黄玲艳, 吴建青

2022, 41(1): 277-284.

摘要 ( 31 )

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采用建筑陶瓷板的制备工艺,将亚微米氧化铝粉体加入到陶瓷板材坯料中,研究了其对陶瓷板材外观、烧结性能和力学性能的影响。结果表明:在常规的生产条件下,亚微米氧化铝粉体主要以α-Al₂O₃颗粒的形式均匀分布在坯体中,具有较强的增白效果。当氧化铝粉体加入量在15%(质量分数)以内时,陶瓷板材样品的吸水率低于0.1%,烧结致密化程度较高,抗弯强度随加入量增加而提高。当加入量继续增加,吸水率增大,抗弯强度下降。氧化铝粉体加入量为15%(质量分数)时,样品的抗弯强度达到最高值96 MPa,比未外加氧化铝的样品提高了30%。在白度较低的低品质原料中,通过加入亚微米氧化铝粉体可大幅度提高产品的白度和强度,既可减少优质资源的消耗,又能较好地满足陶瓷板材对装饰效果和力学性能的要求。

发泡剂对空心石英玻璃微球结构的影响

潘彬, 谢俊, 蔡棋, 张峰, 熊德华, 张继红, 王静, 韩建军

2022, 41(1): 285-294.

摘要 ( 50 )

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空心玻璃微球因具有低密度、高强度、耐高温等优点而被广泛研究。采用喷雾造粒法与粉末法相结合,掺入发泡剂,以射频等离子体作为热源制备空心石英玻璃微球,研究了SiC、CaSO₄、CaCO₃三种发泡剂对制备空心石英玻璃微球的影响。结果表明,通过喷雾造粒法将发泡剂与SiO₂充分混合形成粗坯颗粒,再利用射频等离子设备对粗坯粉末进行高温烧结,得到空心石英玻璃微球。其中CaSO₄、CaCO₃发泡剂效果较差,所产生的气体难以留在玻璃微球内部形成中空气泡;而SiC发泡剂效果最好,在射频等离子烧结过程中产生气体,被玻璃液包裹形成空心结构,得到的玻璃微球平均真密度为1.799 5 g/cm³。选用菲利华石英块状疏松体作为SiO₂原料,当m(SiO₂)∶m(SiC)∶m(H₂O)为100∶3∶300时,可制备出平均真密度为0.72 g/cm³的空心多孔石英玻璃微球。

Na₂O-Al₂O₃-SiO₂-P₂O₅玻璃的结构和析晶性能研究

王明忠, 刘红刚, 钟波, 许银生, 李继忠, 陆平

2022, 41(1): 295-301.

摘要 ( 58 )

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采用熔融-淬冷法制备了不同(Al₂O₃+P₂O₅)含量的碱铝硅酸盐玻璃,通过拉曼光谱、X射线衍射光谱、扫描电镜研究了其结构特征和析晶性能。发现随着(Al₂O₃+P₂O₅)含量减少,玻璃中Na₂O含量增加,玻璃化转变温度从685 ℃降低到622 ℃,当减少至摩尔分数为22%时,出现析晶峰且起始析晶温度降低。拉曼光谱表明Q⁴_P对应的拉曼峰强度变低且逐渐向低波数方向移动,说明Na₂O作为网络修饰体使硅酸盐玻璃结构逐步解聚,玻璃的析晶能力逐渐增强。结果表明:当(Al₂O₃+P₂O₅)摩尔分数为22%时热处理后的样品存在晶型转变,700 ℃热处理时以NaAlSiO₄霞石晶体为主,900 ℃时转变为以Na_6.8Al_6.3Si_9.7O₃₂霞石晶体为主。当(Al₂O₃+P₂O₅)的摩尔分数为21%和20%时,热处理后的样品能稳定析出Na₃PO₄和Na_6.8Al_6.3Si_9.7O₃₂晶体。热处理后的样品析出了耐酸侵蚀性较差的富磷相和Na₃PO₄晶体,导致化学稳定性变差。

磁性羟基磷灰石制备的研究进展

李静, 刘金坤, 颜廷亭, 冷崇燕, 陈希亮, 陈庆华

2022, 41(1): 302-311.

摘要 ( 77 )

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羟基磷灰石(HAP)是一种典型的生物活性材料,已在骨外科、牙科临床等方面得到了广泛的应用。由于HAP比表面积大,吸附能力强,HAP在药物递送、污水处理等领域也得到了广泛应用。磁性纳米颗粒具有良好的电磁性能、可回收性和电磁制热性能,已受到越来越多的关注。近年来,为了结合以上两种材料的优点,将磁性材料与羟基磷灰石相结合是上述领域研究应用的重点方向。此前,有综述报道过关于磁性羟基磷灰石复合材料的制备研究,但重点关注于与其他材料的复合,缺乏针对磁性羟基磷灰石制备方法的系统总结。本文以掺杂和包覆两种将磁性引入羟基磷灰石的方式为出发点,系统总结了磁性羟基磷灰石的经典制备方法及其优缺点,并讨论了其相关应用,特别是论述了进一步研究拓展的关键问题以及今后的研究趋势,以期为磁性羟基磷灰石的深入拓展提供参考。

木醋液改性羟基磷灰石对溶液中Cd²⁺的吸附特性

杨晨琛, 万亚珍, 梅丹丹, 张文辉, 张爽爽, 周灿

2022, 41(1): 312-322.

摘要 ( 32 )

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水体中存在Cd²⁺会危害人体健康,Cd²⁺污染的去除是一个需要解决的问题。以羟基磷灰石(HAP)和低成本的木醋液(WV)为原料,通过水浴搅拌制备了木醋液改性羟基磷灰石(WV-HAP),并将其应用于去除溶液中Cd²⁺的研究。利用XRD、FT-IR、SEM、BET对WV-HAP进行了表征,通过吸附试验探究溶液初始pH、初始离子浓度、接触时间和温度对WV-HAP对Cd²⁺吸附特性的影响。结果表明:在吸附剂添加量2 g/L、温度298 K、Cd²⁺初始浓度100 mg/L、pH=5、吸附时间4 h时,WV-HAP的平衡吸附容量为46.43 mg/g;WV-HAP对Cd²⁺的吸附过程符合Langmuir等温吸附模型和准二级动力学模型;热力学研究表明吸附过程是吸热的;通过对吸附Cd²⁺前后的WV-HAP进行表征,发现吸附机制主要是表面吸附、孔道吸附和离子交换。WV-HAP表现出优于HAP的对溶液中Cd²⁺的吸附能力,是一种潜在的Cd²⁺吸附材料。

叶蜡石改性膨胀型涂料阻燃性能研究

李依诺, 赵江平, 王亚超, 寇晓飞, 薛晶晶

2022, 41(1): 323-331.

摘要 ( 32 )

PDF (6375KB) ( 23 )

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为了提高木质胶合板的阻燃性能,以聚磷酸铵(APP)-季戊四醇(PER)-尿素为基础配方,叶蜡石粉作为改性添加剂制备膨胀型阻燃涂料(IFRC);采用锥形量热仪、静态接触角测量仪、扫描电镜、X射线衍射仪和拉力机等仪器对试样的阻燃性能、疏水性能和力学性能进行了表征,并且研究了叶蜡石粉含量对所制备涂料性能的影响。结果表明:在膨胀型阻燃涂料中加入适量的叶蜡石可以提高涂料的阻燃效果,当掺加叶蜡石粉的质量分数为2%时,涂料的火灾增长指数(FGI)降低了47%,火灾性能指数(FPI)增加了89%,并且阻燃性能指数(FRI)提高至2.5倍;叶蜡石粉的加入促进涂层在燃烧过程中形成连续致密的炭层结构,并形成了可以有效隔绝氧气和热量的熔融态物质,进一步增强了涂料的阻燃隔热性能;此时涂层的疏水性能和燃烧后木质胶合板的力学性能达到最佳,水接触角增大了8°,拉伸强度提高了45%,断裂伸长率也提高至8.5倍。本文研究结果对木质胶合板阻燃体系涂料配方的开发有一定的参考作用。

IBTES-TiO₂@SiO₂复合溶胶对砂岩石质文物疏水性能的影响

王岗, 魏小红, 朱建锋, 柴玉梅, 张彪, 罗宏杰, 王芬

2022, 41(1): 332-341.

摘要 ( 44 )

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以异丁基三乙氧基硅烷(IBTES)和正硅酸乙酯、钛酸丁酯为主要原料,利用溶胶-凝胶(sol-gel)法制备了IBTES-TiO₂@SiO₂复合溶胶。并通过XRD、FT-IR、SEM、TEM等手段研究了IBTES-TiO₂@SiO₂的物相组成、微观形貌以及砂岩防护后涂层表面的超疏水、自清洁、耐候性能。结果表明:IBTES-TiO₂@SiO₂复合涂层的水接触角最高可达162°,且具有优异的自清洁性;喷涂处理后,砂岩的水蒸气透过性能依然保持良好,水蒸气透过量仅降低3.4%。IBTES-TiO₂@SiO₂复合涂层具有优异的耐候性能,TiO₂@SiO₂颗粒的加入可有效提高砂岩的耐酸、耐碱和耐紫外线老化性能。在300 h人工加速老化实验中,砂岩表面涂层依然具有超疏水防护性能。IBTES-TiO₂@SiO₂复合涂层对砂岩石质文物具有良好的防护效果,适用于砂岩石质文物保护。

溶剂型冷补沥青的开发及性能评价

木莲, 金佳宏, 刘侠, 鞠健, 董长江, 闫春梅

2022, 41(1): 342-353.

摘要 ( 60 )

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针对溶剂型冷补沥青性能不足及其技术指标评价方法不完善的问题,本文优选冷补沥青的材料组成,通过试验确定了冷补沥青的最佳制备工艺。采用正交试验设计方法研制一种性能优良的溶剂型冷补沥青,并对冷补沥青的性能评价方法进行了优化,通过对比试验对其路用性能进行了验证。研究结果表明,研发的溶剂型冷补沥青最佳配合比为m(基质沥青)∶m(稀释剂)∶m(增黏剂)∶m(表面活性剂)∶m(补强剂)∶m(抗剥落剂)=100∶(20~25)∶4∶1∶5∶0.2。确定了溶剂型冷补沥青的最佳制备工艺,在110 ℃热熔融沥青中加入定量稀释剂,用高速剪切机搅拌10 min,其次加入定量增黏剂、补强剂和表面活性剂的混合物,持续搅拌10 min,最后加入定量抗剥落剂搅拌10 min。综合考虑各因素,经优化后的性能评价方法能较好地反映冷补沥青的路用性能。基于正交试验设计方法和最佳制备工艺制备的溶剂型冷补沥青性能优于选择的成品冷补沥青,并且能够拌制出性能优良的混合料。

基于改进灰熵关联分析的混合型再生粗骨料评价指标及分级研究

谢祥兵, 包梦, 李广慧, 史科, 李晗

2022, 41(1): 354-362.

摘要 ( 42 )

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灰熵关联分析中分辨系数的确定是制约分析结果的关键因素。本文首先推导出了分辨系数的计算公式,在此基础上,通过室内配制混合型再生粗骨料,结合粗骨料路用技术要求,重点探究了废弃砖块对混合型再生粗骨料物理性质的影响;采用室内无侧限抗压强度试验分析了混合型再生粗骨料对水泥稳定碎石力学性能的影响;运用灰熵分析理论对混合型再生粗骨料性能指标与无侧限抗压强度进行关联性分析;通过非线性数据拟合的方法结合交通荷载等级和公路等级,确定出混合型再生粗骨料在基层中的适用范围;并对混合型再生粗骨料进行分级。结果表明:分辨系数取值不固定,在本文中最大值可取为1.000,最小值可取为0.141;混合型再生粗骨料替代石灰岩集料不超过20%(质量分数),且砖块在混合型再生粗骨料中的比例与交通荷载等级相关,最大值不宜超过40%(质量分数);经灰熵关联分析可把吸水率和压碎值作为混合型再生粗骨料分级指标,并将混合型再生粗骨料在道路工程中的应用等级分为三类。

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