万瑞, 杨利青, 霍伟荣, 马园, 李生武, 郭晨, 王鹏飞

2022, 41(8): 2589-2603.

摘要 ( 357 )

PDF (5678KB) ( 218 )

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近/中红外激光和超连续光源在红外光电对抗、生物医疗、遥测感知和激光探测及测距(LIDAR)等领域具有十分重要的应用价值。近年来,基于软玻璃光纤来产生和传输高亮度近/中红外(特别是2~5 μm)激光方面的研究取得了显著进展。在中红外软玻璃基质中,具有相对较低声子能的碲酸盐玻璃对于设计近红外和中红外激光器和放大器、高功率中红外激光传输和传感应用无源光纤具有特别的吸引力。本文重点总结了低损耗碲酸盐玻璃的关键制备技术,并综述了碲酸盐玻璃及光纤在稀土掺杂中红外发光方面的研究进展,最后对碲酸盐玻璃及光纤应用存在的问题和发展趋势进行了总结和展望。

水泥基材料氯离子结合机理及影响因素研究综述

耿圆洁, 孙丛涛, 孙明, 张余果, 段继周

2022, 41(8): 2604-2617.

摘要 ( 137 )

PDF (11499KB) ( 108 )

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水泥基材料的氯离子结合能力主要取决于水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和Friedel's盐的含量及其稳定性,两者的含量越高、稳定性越好,水泥基材料的氯离子结合能力越强。对水泥基材料氯离子结合能力的分析需考虑多种因素的影响,如水泥种类、矿物掺合料种类、温度、氯离子浓度、阳离子类型、硫酸盐侵蚀和碳化等因素,它们会通过直接影响C-S-H凝胶和Friedel's盐的生成量,或间接影响孔隙液pH值和离子浓度改变C-S-H凝胶和Friedel's盐的稳定性,进而影响其物理吸附能力与化学结合能力,促使氯离子重新结合或释放,导致氯离子结合能力变化显著。本文综述了上述影响因素下,水泥基材料中C-S-H凝胶和Friedel's盐含量、稳定性的变化,及其对氯离子结合能力的影响,并为今后的研究方向提出了建议。

超硫酸盐水泥净浆的酸性侵蚀劣化机制

高富豪, 王露, 刘数华

2022, 41(8): 2618-2627.

摘要 ( 74 )

PDF (13112KB) ( 76 )

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本文对比研究了超硫酸盐水泥(SSC)与硅酸盐水泥在盐酸侵蚀条件下的力学性能变化规律,探讨了SSC的酸性侵蚀劣化机制。测试了SSC净浆试件正常养护后在盐酸溶液以及清水中抗压强度的变化,并计算了抗压强度保持率;采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和热重分析(TG-DTG)等微观测试方法分析了SSC在盐酸侵蚀下水化产物种类和数量的变化,并探究了其微观结构的演化过程,分析了劣化机理。结果表明:不同于硅酸盐体系,SSC体系主要水化产物为钙矾石和水化硅酸钙;与硅酸盐水泥相比,SSC在酸中具有较高的抗压强度保持率和更好的抗酸性侵蚀性能;盐酸侵蚀SSC后,SSC主要水化产物均被分解,体系中存在二水石膏和大量的二氧化硅胶体,而硅酸盐水泥体系中则存在大量的二氧化硅胶体。

EVA对硫铝酸盐水泥净浆微观结构和力学性能的影响

何香香, 梅军鹏, 姜天华, 李海南, 徐智东, 王智鑫, 周兰兰, 周至阳

2022, 41(8): 2628-2636.

摘要 ( 81 )

PDF (7459KB) ( 74 )

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研究了乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)对硫铝酸盐水泥(CSA)净浆抗压强度、凝结时间、干燥收缩、质量损失及浆体内部温度的影响规律,并通过XRD、FTIR、SEM及EDS等测试手段对6 h、28 d龄期时的水化产物及微观结构进行分析。结果表明:掺入EVA后CSA净浆的凝结时间显著缩短,6 h的抗压强度升高,而1 d、3 d、28 d的抗压强度降低;CSA净浆的干燥收缩和质量损失率随着EVA掺量的增加逐渐减小;EVA的掺入提高了CSA净浆内部温度曲线的峰值,加快了峰值出现的时间。微观分析表明:EVA对CSA净浆6 h的水化具有促进作用,使其生成了更多的钙矾石,而对其28 d的水化具有抑制作用,水化产物有所减少。

SO₄^2-/C₃A对单矿C₃S水泥浆体中碳硫硅钙石形成的影响

李相国, 田博, 何超, 吕阳, 蹇守卫, 姜东兵, 张乘, 周阳

2022, 41(8): 2637-2643.

摘要 ( 72 )

PDF (6232KB) ( 64 )

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碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀是一种以碳硫硅钙石为生成产物的硫酸盐侵蚀,碳硫硅钙石的形成过程与水泥基材料中铝源及外界环境中硫酸盐密切相关。以铝酸三钙(C₃A)为铝源,Na₂SO₄溶液为侵蚀介质,采用单矿硅酸三钙(C₃S)制备水泥浆体,通过XRD、FTIR、SEM/EDS等测试技术表征不同SO^2-₄与C₃A摩尔比(S/Al比)对单矿C₃S水泥浆体中碳硫硅钙石形成的影响,旨在揭示碳硫硅钙石形成机理并探讨抑制其形成的方法。结果表明:当S/Al比为3时,侵蚀14个月后在侵蚀产物中依然没有检测到碳硫硅钙石;当S/Al比为6和9时,侵蚀3个月即可检测到碳硫硅钙石,这表明外部硫酸根离子浓度越高越有利于碳硫硅钙石的形成。

CCUS环境下水泥单矿C₃S的CO₂腐蚀动力学研究

高强, 梅开元, 王德坤, 张力为, 张春梅, 程小伟

2022, 41(8): 2644-2653.

摘要 ( 56 )

PDF (9675KB) ( 55 )

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在碳捕集、利用和封存(CCUS)井下,油井水泥因长期受井下高温、高压和高酸性流体的作用会遭受碳化腐蚀导致水泥环失效。为了模拟CO₂地质封存井下碳化腐蚀环境,本文将油井水泥的主要单相矿物硅酸三钙(C₃S)置于不同温度(30 ℃、60 ℃、90 ℃),并密封在8.0 MPa的气相或液相的CO₂碳化环境下,采用XRD和TGA相结合的分析方法,分析水泥单矿C₃S受CO₂腐蚀环境的影响规律。根据非稳态Fick扩散的渗透理论模型,建立腐蚀产物定量分析结果与腐蚀龄期的数学模型,拟合得到C₃S受CO₂腐蚀后的产物生成系数,以此评价不同CO₂腐蚀因素对C₃S的影响程度。结果表明:在CO₂气相环境中,温度升高将显著加剧对C₃S的腐蚀且产生溶蚀现象;而在CO₂液相环境下,高温(90 ℃)使C₃S水化反应加剧并形成阻滞层,降低CO₂对C₃S的腐蚀速率。

氢氧化钾-钠水玻璃激发剂对碱激发矿渣胶凝材料性能的影响

王玲玲, 司晨玉, 李畅, 孙小巍, 周红红, 郭世萌

2022, 41(8): 2654-2662.

摘要 ( 98 )

PDF (5669KB) ( 69 )

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采用氢氧化钾调节钠水玻璃模数制备复合碱激发剂,以钠水玻璃模数、碱掺量为变量,分析氢氧化钾对钠水玻璃激发矿渣胶凝材料性能的影响,研究氢氧化钾-钠水玻璃激发矿渣胶凝材料在流动度、凝结时间及抗压强度等方面的变化规律。结果表明,氢氧化钾-钠水玻璃复合激发剂的激发效果优于单一钠水玻璃激发剂。当钠水玻璃模数为1.2、碱掺量为8%(质量分数)时,氢氧化钾-钠水玻璃激发矿渣胶凝材料流动度可达240 mm,7 d、28 d抗压强度可达98.88 MPa和104.59 MPa,比同等条件下的钠水玻璃激发矿渣胶凝材料7 d、28 d抗压强度分别提高了16.7%和22.9%。

吸水性微胶囊界面修饰提高水泥基材料抗渗性研究

张璐, 毛倩瑾, 伍文文, 李润丰, 韩磊, 王子明, 崔素萍

2022, 41(8): 2663-2671.

摘要 ( 69 )

PDF (4655KB) ( 67 )

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在自修复水泥基材料中,微胶囊与水泥基体间的界面结合决定着微胶囊被裂缝触发的概率,从而影响自修复效果。本文针对吸水性微胶囊的界面结合问题,利用硅烷偶联剂KH550修饰环氧/海藻酸钙微胶囊表面,以改善其与水泥基体间的界面结合情况。采用X射线光电子能谱仪、电感耦合等离子体发射光谱仪等表征硅烷偶联剂在微胶囊表面的键合状况,利用压汞法分析水泥基材料的孔结构,并测试水泥基材料的抗渗性与自修复效果。结果表明,硅烷偶联剂能够与微胶囊外壁的海藻酸钙发生化学键合,微胶囊与水泥基体间的界面结合得到有效改善,水泥基体中有害孔数量减少,无害孔和少害孔数量增加,水泥基材料的抗渗性和自修复效果获得提升。

利用丝束电极技术研究氧浓度对海水海砂砂浆中钢筋锈蚀的影响

高源, 金祖权, 李宁

2022, 41(8): 2672-2683.

摘要 ( 54 )

PDF (13985KB) ( 45 )

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为探明氧浓度对海水海砂砂浆中钢筋锈蚀的影响,采用丝束电极技术,研究不同氧浓度(5%、21%、85%,体积分数)和水胶比(0.48、0.18)的海水海砂砂浆中电极表面腐蚀电位分布与电化学阻抗谱的时变规律。结果表明,丝束电极的极化电阻随腐蚀龄期的增加而降低,腐蚀电流密度随腐蚀龄期的增加而增加,且水胶比越大、氧浓度越高,两者的变化幅度越大。根据测试结果可判断,钢筋腐蚀的概率随氧浓度的增加而增大:较低的氧浓度(5%)可大大延缓钢筋由氯离子引发的脱钝行为,从而有效抑制钢筋腐蚀;而在高氧环境下,砂浆中钢筋的锈蚀是一个由局部到全面逐步氧化的非均匀锈蚀过程。减小水胶比可有效提高海水海砂水泥基体系中钢筋的耐腐蚀能力。

玄武岩复合材料筋增强ECC受拉性能及裂缝控制机理

欧阳建新, 郭荣鑫, 万夫雄, 马倩敏, 杨洋

2022, 41(8): 2684-2695.

摘要 ( 148 )

PDF (17567KB) ( 50 )

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工程水泥基复合材料(ECC)因其高韧性和多缝开裂特性成为研究热点,纤维复合材料(FRP)因具有抗拉强度高、密度小、耐腐蚀性好等优点而受到广泛关注。为研究玄武岩复合材料(BFRP)筋增强ECC(BFRP-ECC)的受拉性能以及筋材对基体的裂缝控制机理,考虑了基体类别和配筋率等因素,对ECC狗骨试件、BFRP-ECC和BFRP-砂浆薄板试件进行了单轴拉伸试验,同时借助数字图像相关法(DIC)技术获得了试件受拉过程中的全场应变和开裂状态,基于Richard的弹塑性应力应变公式提出了BFRP-ECC单轴受拉应力应变本构模型。结果表明:BFRP-ECC的极限拉应力随配筋率的增加而增大;ECC基体对复合材料的受拉性能增强效果优于砂浆基体,同时以ECC为基体的复合材料在裂缝间距和宽度控制上都明显优于以砂浆为基体的复合材料;BFRP筋能增加BFRP-ECC裂缝处的桥连应力,减小裂缝间距和宽度,增加裂缝数量。本文建立的BFRP-ECC单轴受拉应力应变本构模型与试验数据吻合良好,较好地反映了BFRP-ECC受拉应力应变关系。

碳纤维-钢纤维水泥基复合材料电学性能试验研究

王聪聪, 杜红秀, 石丽娜, 樊祺

2022, 41(8): 2696-2705.

摘要 ( 69 )

PDF (7589KB) ( 65 )

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为优化水泥基复合材料的电学性能,以碳纤维(CF)和钢纤维(SF)为导电材料,通过抗压强度试验、交流阻抗测试、扫描电镜测试和升温试验,研究了碳纤维和钢纤维的体积掺量对水泥基复合材料抗压强度和电学性能的影响。结果表明,碳纤维-钢纤维水泥基复合材料的抗压强度随碳纤维掺量增大呈先增大后减小的趋势。碳纤维、钢纤维的渗滤阈值分别为0.35%和0.6%(均为体积分数),复掺碳纤维和钢纤维使水泥基复合材料的导电性能大幅增强,产生了明显的正向混杂效应,碳纤维和钢纤维体积掺量达到渗滤阈值后,继续增大纤维掺量对导电性能的提升作用不大。用ZSimp Win软件拟合得到等效电路各电路元件数值,并结合SEM照片分析了导电机制。碳纤维-钢纤维水泥基复合材料具有良好的电热性能,当输入功率为7.9 W,通电30 min、60 min、90 min后,其平均温度可达到33 ℃、43 ℃、50 ℃,通过曲线拟合得到了温度随时间变化的回归方程。

静水压力下超高性能混凝土的抗氯离子渗透性能

韦建刚, 陈荣, 黄伟, 陈镇东, 陈宝春, 陈培标, 朱卫东

2022, 41(8): 2706-2715.

摘要 ( 64 )

PDF (12907KB) ( 59 )

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本文通过氮气吸附和脱附试验对超高性能混凝土(UHPC)的孔结构进行分析,研究了钢纤维体积掺量和矿物掺合料体积掺量对UHPC在不同静水压力作用下氯离子传输行为的影响,并结合扫描电镜和能谱仪进行UHPC的微观形貌分析。结果表明:钢纤维的掺入增大了UHPC基体孔隙体积,矿渣的掺入能够降低基体孔隙率,早期蒸养后再标准养护至28 d时,大量掺入粉煤灰会使总孔隙率增大;随着静水压力的增大,同一深度下的氯离子浓度和表观氯离子扩散系数也增大,在2 MPa作用下更为显著;自由氯离子含量和总氯离子含量呈线性关系,钢纤维的掺入降低了氯离子结合能力,而矿渣和粉煤灰的掺入能有效提升氯离子结合率,氯离子结合率最高可达到46.29%;扫描电镜和能谱分析试验发现钢纤维锈蚀仅发生在UHPC表面。

混凝土孔结构及其分形维数与氯离子扩散性能的关系

张庆章, 方燕, 宋力, 徐宁, 康子寒

2022, 41(8): 2716-2727.

摘要 ( 71 )

PDF (7343KB) ( 63 )

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氯离子扩散系数是研究海洋环境下混凝土结构耐久性的重要参数之一。通过开展不同水胶比混凝土的压汞试验和盐雾扩散试验,研究了混凝土内部孔隙率、孔径分布及临界孔径对氯离子扩散系数的影响规律。结合Menger海绵体模型,建立孔体积分形维数与氯离子扩散系数的关系。结果表明:孔隙率和临界孔径与无量纲化氯离子扩散系数的相关性很高,可作为反映混凝土氯离子扩散性能的重要参数;通过数学分析计算得到的孔表面分形维数分布在2.56~3.86之间,孔体积分形维数分布在2.85~2.98之间;基于压汞法和分形理论计算得到的孔体积分形维数可以作为评价氯离子扩散系数的指标,在孔径小于10 nm、10～100 nm、100～1 000 nm以及大于1 000 nm四类区间,氯离子扩散系数随孔体积分形维数的增加而下降。

持续荷载与冻融循环耦合作用下纤维混凝土损伤性能研究

孙杰, 冯川, 吴爽, 马稳, 孙明星

2022, 41(8): 2728-2738.

摘要 ( 52 )

PDF (6433KB) ( 49 )

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为了研究纤维混凝土在持续荷载与冻融循环耦合作用下的损伤性能,开展了不同压应力水平(0、0.3、0.5)作用下的纤维混凝土冻融循环试验,研究了不同应力水平作用下试件质量损失、相对动弹性模量和抗压强度损失等参数随冻融循环次数的变化规律。结合损伤力学,以超声波波速为损伤变量,分析了冻融损伤与荷载耦合作用的变化关系,并基于Weibull分布建立了冻融损伤预测模型,推导出冻融损伤与抗压强度的演化方程。结果表明,随着冻融循环次数的增加,冻融损伤程度表现出加剧上升的现象,应力水平为0.3的耦合作用能减小纤维混凝土的冻融损伤,应力水平为0.5的耦合作用会进一步加剧纤维混凝土的冻融损伤。建立的损伤预测模型具备较高的可行性,能够较精准预测不同冻融循环次数后的损伤,推导的演化方程相关性较好,能灵活实现损伤与强度之间的转化。

FRP筋异强混凝土叠浇梁挠度与延性研究

张建波, 陈升平, 卢应发

2022, 41(8): 2739-2747.

摘要 ( 59 )

PDF (6461KB) ( 38 )

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为提高纤维增强聚合物(FRP)筋异强混凝土叠浇梁的抗弯性能与延性,研究了钢纤维掺量、钢纤维混凝土叠浇层厚度对FRP筋异强混凝土叠浇梁的影响。以钢纤维体积掺量(0%、0.5%、1.0%、1.5%)与钢纤维混凝土叠浇层厚度(0 mm、180 mm、210 mm、300 mm)为变量,对6根FRP筋异强混凝土叠浇梁进行三分点弯曲试验,并对试验梁的破坏过程、破坏形态、裂缝宽度以及跨中挠度进行分析。研究结果表明:钢纤维的掺入改善了FRP筋异强混凝土叠浇梁的受力性能,使其由脆性破坏向延性破坏发展;随着钢纤维掺量、钢纤维混凝土叠浇层厚度的增加,FRP筋异强混凝土叠浇梁的极限承载力提高了9%~33%,抗弯性能提升了4%~21%,延性提升了22%~89%。基于试验与理论分析,建立了钢纤维作用下的FRP筋异强混凝土叠浇梁挠度计算公式与延性评价方法。

基于正交试验的透水再生混凝土性能优化试验研究

夏冬桃, 李向阳, 胡军安

2022, 41(8): 2748-2758.

摘要 ( 60 )

PDF (3418KB) ( 57 )

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透水混凝土在缓解城市内涝、噪音效应和热岛效应等方面具有广泛的应用前景,但多孔导致的强度偏低限制了其进一步推广应用。本文采用再生粗骨料和聚丙烯纤维配制高性能透水再生混凝土,设计五因素四水平正交试验,采用极差法分析水胶比、目标孔隙率、再生粗骨料取代率、粉煤灰掺量和聚丙烯纤维掺量对透水再生混凝土抗压强度、有效孔隙率、透水系数的影响规律。结果表明:透水再生混凝土抗压强度影响因素的主次顺序为目标孔隙率>再生粗骨料取代率>水胶比>聚丙烯纤维掺量>粉煤灰掺量;透水再生混凝土抗压强度最大为48.26 MPa,此时透水系数为1.96 mm/s;随着目标孔隙率的提高抗压强度呈线性下降的趋势;40%再生粗骨料等质量取代天然粗骨料后,透水再生混凝土的抗压强度达到28.7 MPa,提高119.08%,透水系数增加9.44%;掺入0.11%体积掺量的聚丙烯纤维后透水再生混凝土的抗压强度达到27.4 MPa,提高幅度为10.48%,而且透水性能不会降低。研究结果可以为高性能透水再生混凝土的制备提供依据。

短切碳纤维对混凝土孔结构及特征的影响

王慧孜, 聂良学, 罗鑫, 刘鹏程

2022, 41(8): 2759-2766.

摘要 ( 104 )

PDF (7097KB) ( 69 )

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为探究短切碳纤维(CFs)对混凝土内部孔结构微观特征的影响规律,制备体积掺量分别为0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.5%的短切碳纤维增强混凝土(CFC)试件,采用压汞法(MIP)分析各组试件内部孔结构特性,并引入分形理论对孔径分形规律展开进一步探讨。结果表明:掺入适量的CFs可有效降低混凝土总孔隙量和平均孔径,且掺量为0.1%时改善效果最佳;混凝土内部孔径具有显著的分形特性,各组试件ln(W_n/r²_n)、ln Q_n曲线拟合相关系数R²均在0.996以上,斜率可作为孔表面积分形维数(D_p);随着CFs掺量的增加,D_p先减小后增大,且D_p越大,平均孔径越大,进一步验证了CFs对混凝土内部结构的改善规律。

不同掺合料混凝土与锈蚀钢筋间粘结-滑移力学性能试验研究

庄彬彬, 萧超雄, 刘强, 邓嘉辉, 汪大洋

2022, 41(8): 2767-2773.

摘要 ( 48 )

PDF (6347KB) ( 43 )

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采用中心拉拔法对普通混凝土(PC)、水泥基渗透结晶防水混凝土(CCCW)、聚丙烯纤维混凝土(PFRC)与热轧带肋钢筋进行粘结-滑移试验。通过电化学锈蚀方法对钢筋进行加速锈蚀,研究锈蚀后钢筋与混凝土粘结性能。结果表明:在混凝土中引入适量聚丙烯纤维及水泥基渗透结晶防水材料能够显著提升其对钢筋的极限粘结强度,分别提高了20.8%、6.8%;无论是否添加掺合料,钢筋-混凝土拉拔试件的极限粘结力均随着锈蚀率的增大呈线性下降趋势。基于锈蚀构件拉拔试验结果,拟合出不同混凝土的极限粘结强度与锈蚀率计算公式,发现随着锈蚀率的增大,聚丙烯纤维及水泥基渗透结晶防水材料能减缓钢筋-混凝土极限粘结强度下降速度。

钢丝网架瓦形保温屋面板及其抗弯性能研究

孙诗兵, 李大运, 吕锋, 王万甫, 田英良, 金晓冬,
王英顺, 王书元, 辛柱宾, 姜立松

2022, 41(8): 2774-2784.

摘要 ( 52 )

PDF (12544KB) ( 32 )

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村镇传统民居的屋面系统多为坡屋面系统,但传统坡屋面系统施工复杂,安全性较差,保温不足,已不能满足建设新农村的需要,现设计一种新型钢丝网架瓦形保温屋面板来替代传统的坡屋面系统。本文从屋面板的原材料、瓦形、结构出发,选用纤维水泥基材料作为基材,钢丝网架保温复合板作为保温层,采用Abaqus软件根据现有的瓦形建模,设计出鳞形瓦屋面板、波形瓦屋面板和筒形瓦屋面板。对以上三种瓦形屋面板进行模拟抗弯计算,选出具有最优力学性能的瓦形制作钢丝网架瓦形保温屋面板。本研究制作的屋面板尺寸为4 500 mm×835 mm×185 mm,自重为159 kg/m²,传热系数为0.45 W/(m²·K)。通过三点抗弯性能测试,在4 020 mm跨距下,该屋面板所能承受的最大载荷为8.70 kN,实际测试弯矩为8.74 kN·m。基于装配式思想制作的新型钢丝网架瓦形保温屋面板具有优良的力学性能和保温性能,为特色传统村镇坡屋面系统的研究提供参考。

F^-在方解石表面的吸附及其对方解石表面性质的影响

殷玉兰, 陈俊宏, 谢燕, 敖先权

2022, 41(8): 2785-2791.

摘要 ( 40 )

PDF (4010KB) ( 51 )

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氟元素主要存在于磷矿和萤石等矿物中,这些矿物中都伴生有方解石脉石矿物,在浮选分离的弱酸条件下,矿物表面的F^-会部分溶出并吸附到矿物表面,从而影响矿物表面性质。本文研究了F^-在方解石表面的吸附及其对方解石表面性质的影响机理。结果表明,在矿浆pH 值为5.5时,F^-以化学吸附的方式吸附在方解石表面,随着吸附时间的增加吸附量逐渐增加,90 min时方解石对F^-的吸附达到平衡。在油酸钠(NaOL)为捕收剂时,F^-的存在会降低方解石表面的疏水性。通过Zeta电位测试、溶液化学计算和X射线光电子能谱仪(XPS)分析表明,F^-会和方解石表面的Ca²⁺反应生成CaF₂沉淀,占据方解石表面的Ca位点,降低NaOL在方解石表面的吸附量。

镍铁渣砂对泡沫混凝土孔结构及收缩开裂性能的影响

熊远亮, 朱玉, 李保亮, 陈春, 张亚梅

2022, 41(8): 2792-2799.

摘要 ( 66 )

PDF (8625KB) ( 52 )

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本文采用镍铁渣机制砂(简称镍铁渣砂)制备泡沫混凝土,研究镍铁渣砂对泡沫混凝土抗压强度、变形及收缩开裂的影响,并采用SEM、X-CT研究泡沫混凝土微观结构。结果表明,镍铁渣砂掺量为5%(质量分数,下同)时泡沫混凝土的抗压强度最高,而镍铁渣砂掺量超过10%时会引入界面缺陷,降低混凝土的强度。镍铁渣砂能够约束基体的变形,减少水泥用量,降低泡沫混凝土的收缩,提高其抗裂性能。当镍铁渣砂掺量由0%增加到20%时,泡沫混凝土的抗裂等级由V级提高到II级。镍铁渣砂具有作为泡沫混凝土生产原料的潜力。

云浮硫铁矿尾矿特性及其用作辅助性胶凝材料的性能分析

殷素红, 曾绍洪, 曹文湘, 吴焕勋

2022, 41(8): 2800-2809.

摘要 ( 48 )

PDF (6100KB) ( 49 )

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云浮硫铁矿尾矿堆存量巨大,影响周边环境且浪费资源。本文探讨将尾矿用作辅助性胶凝材料的可行性,以期实现尾矿的高消纳量利用,分析了尾矿的矿物与化学组成以及硫的赋存状态及含量,研究了尾矿用作辅助性胶凝材料的性能和含有的石膏、黄铁矿的演变及其对性能的影响。结果表明:云浮硫铁矿尾矿属于高硫型尾矿,尾矿中的硫以黄铁矿(FeS₂)、磁黄铁矿(Fe_1-xS)、石膏三种矿物形态存在;在硬化水泥浆体中,尾矿中的FeS₂在180 d龄期时氧化程度仍很低;石膏在28 d龄期时大部分已反应生成钙矾石(AFt),是影响性能的主要因素;掺30%(质量分数)硫铁矿尾矿的水泥胶砂28 d活性指数最高可达74%,但相较于3 d和7 d,28 d活性指数不增长甚至下降,180 d龄期抗压强度出现倒缩;将尾矿同时用作水泥混合材和调凝剂可能是一种更好的利用方式。

高硅型铁尾矿机械活化效果及机理研究

梁志鹏, 孙畅, 毕万利, 赵明泽, 关岩

2022, 41(8): 2810-2818.

摘要 ( 52 )

PDF (2711KB) ( 41 )

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为促进铁尾矿工程应用,以辽宁本溪高硅型铁尾矿为例,研究机械活化方式和活化时间对铁尾矿形貌及活性的影响。通过粒度分析、胶砂试验和石灰吸附测试等,探究机械活化对铁尾矿粒径分布、比表面积、活性指数和火山灰活性的影响;通过X射线衍射和扫描电镜分析,探究胶凝体系的水化反应机理。结果表明:机械活化可以优化铁尾矿粒径,提高颗粒圆度,降低颗粒表面结晶度,且粉磨40~60 min效果最佳;湿磨活化50 min时,活性指数达96.6%,火山灰活性大幅提升,湿磨活化效果显著优于干磨;机械活化促进了铁尾矿与水泥的二次水化反应,提升了胶凝体系性能。

高强粉煤灰-渣土人造骨料的制备与微结构表征

张日红, 明维, 万文豪, 刘云鹏

2022, 41(8): 2819-2827.

摘要 ( 55 )

PDF (18039KB) ( 63 )

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研究了不同比例工程渣土与粉煤灰对高强、低吸水率人造骨料物理性能的影响规律,并利用X射线衍射仪、X射线显微成像系统(X-CT)、压汞仪及扫描电镜等手段研究导致人造骨料物理性能差异的原因。结果表明,人造骨料的密度和强度随着粉煤灰掺量的提高先上升后降低,吸水率先降低后上升,当粉煤灰掺量为50%(质量分数)时,可制备表观密度为2.17 g/cm³,抗压强度为22.88 MPa,吸水率为0.055%的高强、低吸水率人造骨料。人造骨料强度的降低和吸水率的提高主要是液相不足造成的孔隙率增加,原料中Al₂O₃含量过高会导致骨料难以形成液相,影响其物理性能。

碱性条件下钛石膏晶须生长工艺及机理分析

黄佳, 金应荣, 杨华琳, 陈伟, 李玉玲, 王志杰

2022, 41(8): 2828-2835.

摘要 ( 65 )

PDF (4225KB) ( 48 )

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以工业副产钛石膏为原料,氢氧化钙饱和溶液为溶剂,七水硫酸镁为晶型助长剂,采用水热法制备α-半水硫酸钙晶须。研究了碱性环境下反应温度、反应时间、浆料固液比、晶型助长剂用量、体系总体积以及体系pH值对α-半水硫酸钙晶须产率及形貌的影响,分析了晶须的生长机理。结果表明在碱性水热环境中,钛石膏先转变为α-半水硫酸钙,再逐渐依附于既有晶须生长,形成粗大的晶须,在较优的工艺条件下,α-半水硫酸钙晶须产率可达71.6%,晶须表面光滑,长径比为70。

磷石膏粒径对湿拌砂浆性能及微观结构的影响研究

张粤, 王宏杰, 杨林, 陈鸿, 曹建新

2022, 41(8): 2836-2843.

摘要 ( 48 )

PDF (7047KB) ( 50 )

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选取四种不同粒径磷石膏,分别与机制砂、水泥及外加剂混合制备了湿拌砂浆,考察了磷石膏粒径对砂浆工作性及力学性能的影响,并通过XRD、TG-DSC、MIP以及SEM测试探究了磷石膏粒径对湿拌砂浆水化产物及微观结构的影响机理。结果表明,随着磷石膏粒径增大,湿拌砂浆工作性及力学性能呈先增大后减小的趋势,当掺入30%(质量分数)粒径为53~106 μm的磷石膏时,湿拌砂浆稠度损失19%,保水率为90%,28 d抗压强度为10.7 MPa,14 d拉伸黏结强度为0.25 MPa,可满足抗压强度大于10 MPa的技术指标要求。随着磷石膏粒径增大,磷石膏中的共晶磷含量减少,水泥水化过程受抑制程度减弱,砂浆中水化硅酸钙(C-S-H)生成量增多,且在远离CaSO₄·2H₂O颗粒的区域有大量C-S-H出现。然而,砂浆硬化体的孔体积却呈先减小后增大的趋势,当掺入30%(质量分数)粒径为53~106 μm的磷石膏时,砂浆的孔体积最小,仅为0.130 9 mL/g。磷石膏粒径范围适宜控制在53~106 μm,此时湿拌砂浆具有良好的工作性及力学性能。

石膏矿渣水泥混凝土抗硫酸钠侵蚀性能研究

孔亚宁, 周建伟, 高育欣, 杨文, 余保英, 程宝军

2022, 41(8): 2844-2850.

摘要 ( 58 )

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石膏矿渣水泥具有低水化热、良好抗化学侵蚀性能等优点,是一种低碳绿色胶凝材料。为了明确原材料对石膏矿渣水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响,对比研究了不同化学组成及活性矿粉制备的石膏矿渣水泥混凝土的强度发展及抗硫酸钠侵蚀性能。结果表明:提高矿粉中Al₂O₃含量可以有效提高石膏矿渣水泥混凝土早期3 d强度;石膏矿渣水泥混凝土在硫酸钠环境下表现出强度软化型劣化;提高水泥用量、降低水灰比可以有效提高低活性矿粉制备的石膏矿渣水泥混凝土的抗硫酸钠侵蚀性能,但不利于高活性矿粉制备的石膏矿渣水泥混凝土的抗硫酸钠侵蚀性能。研究为低活性矿粉制备石膏矿渣水泥混凝土及其寿命预测提供试验数据支撑。

再生微粉对干混砂浆性能的影响研究

高敏, 郭启龙, 杜磊, 华亮, 刘荣浩, 王春雅, 马稚童

2022, 41(8): 2851-2859.

摘要 ( 47 )

PDF (9890KB) ( 41 )

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为了促进建筑垃圾的再生利用,通过再生微粉替代部分水泥制备干混砂浆,探究再生微粉细度、掺量和复掺比对砂浆稠度、抗压强度、抗折强度和显微结构的影响规律。结果表明,随着再生微粉颗粒细度的减小,砂浆稠度整体呈下降趋势,28 d抗压、抗折强度均呈增加趋势,研磨40 h时,其强度达到最大值。随着再生微粉掺量的增加,砂浆稠度呈下降趋势,28 d抗压、抗折强度呈先增加后降低的趋势,当掺量为10%(质量分数)时,抗压强度达到最大值。随着再生微粉复掺比(质量比)的增大,砂浆稠度呈下降趋势,砂浆的28 d抗压、抗折强度呈先增加后降低的趋势,当研磨20 h的微粉与未研磨微粉复掺比为6∶4时,其抗压强度达到最大值。

球霰石型碳酸钙的调控制备研究进展

王鑫, 韦明, 刘琨

2022, 41(8): 2860-2870.

摘要 ( 112 )

PDF (2195KB) ( 80 )

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球霰石型碳酸钙具有独特的物理、化学、生物和机械特性,在日用、生物医药和新材料等领域极具应用前景。然而,球霰石型碳酸钙是碳酸钙三种无水晶体中热力学性能最不稳定的一种,极易转换为文石型或方解石型碳酸钙,尤其是在潮湿环境或者水溶液中,这就导致球霰石型碳酸钙在生产、加工和应用方面存在诸多困难。因此,球霰石型碳酸钙的稳定制备一直是碳酸钙领域的热点之一。本文综述了近些年来有关球霰石型碳酸钙的稳定调控制备方法,包括碳化法、复分解法、生物矿化法、模板法等,并将这些方法按照制备原理和实施工艺进行了分类归纳,阐述了它们的优缺点及应用前景,分析了在调控制备过程中各项因素的影响规律,旨在为实现工业上球霰石型碳酸钙的稳定制备提供理论参考。

石榴石型固态电解质Li₇La₃Zr₂O₁₂的改性研究现状

李金瑶, 董生德, 马路祥, 周园

2022, 41(8): 2871-2878.

摘要 ( 78 )

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固态电解质是高安全性、高能量密度的全固态锂电池的核心部件,其典型代表Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)具有高离子电导率、高机械强度、高电化学稳定性、低界面阻抗以及对锂金属负极良好的稳定性等优势,是科研人员重点关注的对象之一,但与液态电解质相比,目前LLZO仍存在低离子电导率和与电极固-固界面接触等问题。本文主要简介了LLZO的晶体结构、改性方式等对其离子电导率及界面阻抗的影响,同时对LLZO现存的问题进行了总结,对LLZO的未来发展方向进行了展望,为探索全固态锂电池的实际生产应用提供理论指导。

硼碳氮多孔材料的制备及其吸附再生性能研究

林国强, 郭玉呈, 许蒙, 李建保, 陈拥军, 骆丽杰

2022, 41(8): 2879-2888.

摘要 ( 122 )

PDF (12607KB) ( 89 )

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硼碳氮(BCN)多孔材料因其具有高的比表面积、优异的化学稳定性而被认为是一种优异的吸附材料。本文以废弃椰壳、硼酸(H₃BO₃)和尿素(CO(NH₂)₂)为原料,采用冷冻干燥法制备多孔生胚,并在NH₃气氛下通过高温固相反应法在不同的反应温度下合成BCN多孔材料。结果表明,随着反应温度的升高,BCN多孔材料孔径逐渐变大,当反应温度为950 ℃时平均孔径为2.1 nm。将BCN多孔材料用于吸附水中孔雀石绿(MG)有机染料,其最大吸附量可达1 239.8 mg·g^-1,5次循环再生后吸附量平均值仍高达1 138.6 mg·g^-1,说明BCN多孔材料具有优异的循环吸附性能。采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型、准一级和准二级吸附动力学模型研究了浓度、吸附时间和平衡吸附量之间的关系。结果表明,BCN多孔材料的吸附与准二级吸附动力学模型吻合,其对MG的吸附属于均匀表面单层分子的Langmuir等温吸附。BCN多孔材料展现出优异的吸附能力,是一种非常有应用前景的新型吸附剂。

预氧化处理对反应烧结碳化硅微观结构和弯曲强度的影响

郝鸿渐, 李海燕, 万德田, 包亦望, 李月明

2022, 41(8): 2889-2895.

摘要 ( 61 )

PDF (10644KB) ( 56 )

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本文提出了一种简单有效的预氧化处理方法,用来强化反应烧结碳化硅(RBSC),研究了800~1 300 ℃预氧化处理对其微观结构和力学性能的影响,探究了含不同尺寸压痕裂纹的材料在氧化前后残余弯曲强度的变化规律。结果表明,随着氧化温度的升高,RBSC的室温强度和Weibull模数均存在先下降后上升,然后再下降的趋势,主要原因是不同温度氧化后的RBSC表面形貌不同。在1 200 ℃下预氧化2 h,RBSC的弯曲强度和Weibull模数都明显变大,强度提升了19.9%,Weibull模数由7.3提升到11.8。然而,800 ℃低温氧化不完全和1 300 ℃高温氧化反应过于强烈均会导致弯曲强度和Weibull模数下降。在最优氧化条件(1 200 ℃氧化2 h)下,含压痕裂纹(载荷20 N)的RBSC试样的残余弯曲强度在氧化后由201.1 MPa提高到324.2 MPa,强化机理是高温氧化生成的SiO₂能够消除材料表面缺陷和微裂纹。

裂解碳包覆对SiC纳米纤维增强SiC陶瓷基复合材料性能的影响

熊艺莲, 陶吉雨, 杨佳豪, 陈建军, 郑竣一

2022, 41(8): 2896-2903.

摘要 ( 57 )

PDF (14219KB) ( 96 )

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以SiC纳米纤维(SiC_nf)为增强体,通过化学气相沉积在SiC纳米纤维表面沉积裂解碳(PyC)包覆层,并与SiC粉体、Al₂O₃-Y₂O₃烧结助剂共混制备陶瓷素坯,采用热压烧结工艺制备质量分数为10%的SiC纳米纤维增强SiC陶瓷基(SiC_nf/SiC)复合材料。研究了PyC包覆层沉积时间对SiC_nf/SiC陶瓷基复合材料的致密度、断裂面微观形貌和力学性能的影响。结果表明:在1 100 ℃下沉积60 min制备的PyC包覆层厚度为10 nm,且为结晶度较好的层状石墨结构;相比于纤维表面无包覆层的复合材料,复合材料的断裂韧性提高了35%,达到最大值(19.35±1.17) MPa·m^1/2,抗弯强度为(375.5±8.5) MPa,致密度为96.68%。复合材料的断裂截面可见部分纳米纤维拔出现象,但SiC_nf/SiC陶瓷基复合材料界面结合仍较强,纳米纤维拔出短,表现为脆性断裂。

氨基酸调控无水碳酸镁晶体结晶试验研究

崔万顺, 文伟翔, 闫平科, 高玉娟, 白阳

2022, 41(8): 2904-2909.

摘要 ( 46 )

PDF (8105KB) ( 47 )

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无水碳酸镁晶体作为一种新型无机功能材料引起了研究者们的广泛关注。以氯化镁为原料,碳酸钠为沉淀剂,合成了无水碳酸镁晶体,再以甘氨酸、组氨酸、丙氨酸及L-天门冬氨酸四种不同种类氨基酸作为添加剂,调控其结晶的粒度及形貌。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、激光粒度分析仪对合成产物进行表征,分析不同种类氨基酸对合成的无水碳酸镁晶体物相结构和形貌的影响。结果表明:在组氨酸调控下合成的无水碳酸镁结晶纯度高,生成的产物中n(Mg²⁺)∶n(CO^2-₃)为1∶0.94;L-天门冬氨酸调控合成的晶体纯度次之;甘氨酸和丙氨酸调控合成的晶体中掺杂大量碱式碳酸镁晶体。在组氨酸、L-天门冬氨酸、甘氨酸及丙氨酸四种氨基酸调控作用下,晶体结晶形貌依次呈凸面球三角形状、近球状、球状及不规则状,且无水碳酸镁晶体粒径分布均呈先上升后振荡下降最后小粒径拖尾的趋势。以上研究结果为无水碳酸镁晶体的仿生合成提供了参考。

MgO-Al₂O₃-SiO₂系透明玻璃陶瓷研究进展

付哲, 姚彬, 李浩, 张美荣, 邓磊波

2022, 41(8): 2910-2917.

摘要 ( 118 )

PDF (6505KB) ( 143 )

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透明玻璃陶瓷具有热膨胀系数可调、强度高、化学稳定性好的优点,且兼具透光/发光的特性,是一种在光学信息、生物技术、激光技术、红外遥感及民用照明等领域有着广泛的应用前景的新型功能材料。本文简述了玻璃陶瓷的透光机制,对形核剂、过渡金属离子及稀土离子掺杂MgO-Al₂O₃-SiO₂(MAS)系透明玻璃陶的析晶及透光/发光性能方面的研究进展进行了介绍,并简要分析了开发具备透光/发光性质的高结晶度MAS透明玻璃陶瓷材料存在的问题,最后展望了透明玻璃陶瓷的发展趋势与前景。

助熔剂和密着剂对搪玻璃的作用机理及其研究进展

郑杰希, 宫奎源, 张红阳, 薛洪喜, 徐坤山, 刘杰

2022, 41(8): 2918-2926.

摘要 ( 84 )

PDF (1870KB) ( 56 )

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搪玻璃是一种在金属表面喷涂瓷釉(搪玻璃釉),经高温搪烧密着而成的复合材料,既具有玻璃的化学稳定性,又具有金属材料的硬度大、强度高等优良特性,同时表面光滑易清洗,因此在化工、医药等行业广泛应用。搪玻璃性能取决于搪玻璃釉的成分,搪玻璃釉包括基体剂、乳浊剂、助熔剂、密着剂等,其中助熔剂中含有低熔点物质,能够降低熔化温度,破坏搪玻璃釉连续的网络结构,形成新分子键,进而改良搪烧工艺;密着剂能够与金属基体发生化学反应,增强搪玻璃釉和金属基体的结合强度,进而提高力学性能。本文简要介绍了搪玻璃釉中的各类助剂,着重叙述了助熔剂和密着剂的组成及作用机理,为今后设计搪玻璃釉及提高搪玻璃设备性能提供了参考依据。

ZSM-5@t-ZrO₂制备及其对甲硫醇催化合成影响机制

裴丽洁, 刘飞, 曹建新, 杨安杰, 姚梦琴, 刘飘

2022, 41(8): 2927-2934.

摘要 ( 55 )

PDF (3578KB) ( 44 )

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采用水热包覆法和物理共混法分别制备了ZSM-5@t-ZrO₂和ZSM-5/t-ZrO₂复合催化剂,并以ZSM-5和t-ZrO₂为对比参考,研究了不同结构催化剂的物化性质和催化性能。在此基础上,借助漫反射傅里叶变换红外光谱,考察了反应温度和预硫化操作对ZSM-5@t-ZrO₂复合催化剂上甲醇和硫化氢反应分子吸附转化的影响。结果表明,水热包覆环境修饰了ZSM-5@t-ZrO₂复合催化剂的物化性质,提升了甲醇硫醇化反应的催化性能和抗积碳积硫失活能力。在反应压力1 MPa、反应温度380 ℃、预硫化1 h、N₂流量100 mL/min的条件下,甲醇转化率、甲硫醇选择性及甲硫醇收率分别达到92.02%、90.56%和82.76%。硫化氢分子在ZSM-5@t-ZrO₂催化剂的碱位上吸附解离为巯基,进而攻击甲氧基,这是甲硫醇合成反应的速率控制步骤。380 ℃的反应温度和预硫化操作有助于构建形成匹配的甲氧基和巯基生成速率,在提高催化性能的同时还可有效降低积碳积硫形成速率。

富勒醇修饰氮掺杂二氧化钛复合材料及其光催化性能研究

陈一凡, 唐国钦, 赵春霞, 陈业凯

2022, 41(8): 2935-2942.

摘要 ( 83 )

PDF (5407KB) ( 60 )

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本文采用四丁基氢氧化铵催化碱法制备富勒醇,并以富勒醇为原料,采用溶胶凝胶法制备富勒醇修饰氮掺杂二氧化钛光催化材料,对该复合材料的成分、结构等进行表征与分析,并研究复合材料的光催化还原CO₂的性能。结果表明,复合材料在可见光区的光吸收性能增强,表现出良好的室温可见光催化还原CO₂活性,其中CO平均生成速率达5.560 μmol·g^-1·h^-1,CH₄平均生成速率为0.789 μmol·g^-1·h^-1。分析认为,富勒醇复合与N掺杂有效提高了TiO₂的可见光催化活性。

刚性骨架COS-NMC材料制备及其电化学性能研究

何顺武, 田洪松, 李莹, 叶恩彤, 张丽, 林倩, 潘红艳

2022, 41(8): 2943-2953.

摘要 ( 58 )

PDF (8364KB) ( 43 )

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以壳寡糖(COS)为碳前驱体,三嵌段共聚物(F127)和正硅酸乙酯(TEOs)为模板剂,通过溶胶-凝胶法制备了一种用于超级电容器的原位氮掺杂介孔碳材料(COS-NMC-x)。借助质谱仪、TG-DTG、XRD、Raman光谱、N₂吸附/脱附、XPS、FT-IR、亲水性以及电化学评价等手段对材料进行了表征,以研究材料的物化性质和电化学性能。结果表明,COS-NMC-x材料的比表面积、孔容、氮原子数分数随超声时间的增加呈先增后减的趋势,当超声时间为15 min时,样品的比表面积、孔容、氮原子数分数到最大,接触角最小,分别为144.94 m²·g^-1、0.19 cm³·g^-1、7.59%和23.16°。同时对COS-NMC-x进行了电化学性能评价,在电流密度为0.5 A·g^-1时,样品的比电容为189 F·g^-1,远高于同组其他材料,说明较大的孔隙结构和氮原子数分数等有利于材料的电化学性能提升。在10 A·g^-1下经过5 000次循环之后,该材料的电容保持率达到114%,表现出良好的电化学性能,在超级电容器应用方面展现出巨大的应用潜力。

KBaB₅O₉的两步法制备及其过程动力学研究

全志林, 李志祥, 焦斌, 周贤委, 向德兴, 冯晓琴, 黄宏升

2022, 41(8): 2954-2962.

摘要 ( 50 )

PDF (2708KB) ( 44 )

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本文利用溶液法制备了K₂Ba[B₄O₅(OH)₄]₂·8H₂O,并将其进行热处理制备得到了KBaB₅O₉,利用XRD、FT-IR、TG-DTA-DTG对样品进行了表征。分析研究了由K₂Ba[B₄O₅(OH)₄]₂·8H₂O热处理制备KBaB₅O₉过程中的物相变化过程,其物相变化经历脱结晶水、脱羟基、重结晶、再分解、熔融再结晶5个阶段,其中结晶水的脱失分两步进行。运用Kissinger法、Flynn-Wall-Ozawa法、Šatava-Šesták法对K₂Ba[B₄O₅(OH)₄]₂·8H₂O结晶水第二步脱失过程的动力学参数进行了计算,可知K₂Ba[B₄O₅(OH)₄]₂·8H₂O结晶水第二步脱失过程的活化能E_s为151.94 kJ/mol,指前因子的对数值lg A_s为21.25 min^-1,机理函数G(α)=(1-2α/3)-(1-α)^2/3(其中α为转化率)。

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