建筑3D打印助力美丽乡村建设

张亚梅

2022, 41(9): 3344-3345.

摘要 ( 105 )

PDF (3427KB) ( 74 )

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再生粗骨料混凝土抗冻性能研究进展

刘恩铭, 林明强, 谢群

2022, 41(9): 2963-2978.

摘要 ( 184 )

PDF (13694KB) ( 101 )

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将再生粗骨料应用于混凝土制备可有效减少原材料生产对生态环境的破坏,还可实现建筑废弃物的再生利用。但由于存在老旧砂浆包裹、原始缺陷较多等问题,再生粗骨料混凝土吸水率较高且薄弱界面较多,抗冻性能较差,对寒冷环境下的混凝土结构产生了极为不利的影响。本文综合分析国内外对再生粗骨料混凝土抗冻性能的研究现状,发现复杂脆弱的界面过渡区是再生粗骨料混凝土承受冻害时的薄弱环节,微裂缝和孔隙的发育使其在冻融循环过程中的性能不断降低。再生混凝土的抗冻性能随着再生粗骨料掺量的增加而加速劣化,再生粗骨料质量掺量应控制在50%以内。质量损失、相对动弹性模量和抗压强度是评价再生混凝土冻融损伤水平的常用指标,质量损失在试验初期会出现负增长情况,相对动弹性模量在有限冻融循环次数下的反应较不敏感,相比之下抗压强度能更好地体现再生粗骨料混凝土的冻融损伤水平。未来,还应对再生混凝土冻融损伤机理进行更加系统深入的研究,探究效果良好的非破坏性试验指标,以及在标准冻融试验的基础上结合特定工程环境对再生混凝土抗冻性能进行具体评价,推动再生粗骨料混凝土更加广泛的应用。

高贝利特硫铝酸盐水泥活化研究进展

张五怡, 聂松, 徐名凤, 周健, 李辉

2022, 41(9): 2979-2992.

摘要 ( 283 )

PDF (7135KB) ( 117 )

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基于我国提出的“双碳”战略目标,水泥行业应针对其高碳排放问题制定脱碳计划,因此,低碳水泥的研发和应用迫在眉睫。高贝利特硫铝酸盐水泥是一种在节能减排的同时能够资源化利用含铝工业废弃物的新型低碳水泥,未来也将会是一种具有高强度的低成本水泥。因此,高贝利特硫铝酸盐水泥的研发促进了水泥行业的绿色化发展。然而,水泥矿物组成中高活性无水硫铝酸钙含量较低,导致水泥石早期强度较低。对水泥早期活性进行研究可提升水泥强度,进而扩大其应用范围。本文通过简述高贝利特硫铝酸盐水泥的组成、特点和研究现状,从水泥主要矿物硅酸二钙、无水硫铝酸钙的活化和水泥矿物组成设计优化三个方面总结了影响高贝利特硫铝酸盐水泥活性的因素,旨在为高性能水泥的研制提供理论指导。

微生物菌落体系对混凝土裂缝自修复效果的影响综述

韩强强, 路伟, 姜鲁, 王亚妹

2022, 41(9): 2993-3007.

摘要 ( 119 )

PDF (21088KB) ( 82 )

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开裂是混凝土结构常见的病害,裂缝为外界水和侵蚀性介质提供了通道,侵蚀性介质的进入会导致混凝土耐久性能加速劣化,严重影响工程结构的服役寿命。为有效阻止有害离子的侵入,延长构件服役期限,裂缝的及时修补是目前建筑业所共同面临的问题。微生物自修复混凝土受到了研究学者的广泛关注,与传统混凝土不同,微生物自修复混凝土赋予结构裂缝自诊断、自修复的功能,其主要修复体系可分为两种:一元修复体系和多元修复体系。本文从两种不同修复体系角度分析了微生物自修复混凝土的修复效果,总结了各体系下面临的关键问题,对比了两种体系下自修复效果的优缺点,并展望了基于微生物矿化的混凝土裂缝自修复研究的发展方向。对已有研究成果总结发现,若以一种具有矿化功能的核心菌体为基础,再加入厌氧型细菌辅助矿化,可实现裂缝深度修复,这种新型矿化体系为基于微生物矿化的自修复混凝土的研究提供了新思路。

乳酸钠对超硫酸盐水泥强度的影响及作用机理

武双磊, 季军荣, 周威杰, 陈宇, 周润铎, 周洲, 陈胡星

2022, 41(9): 3008-3015.

摘要 ( 72 )

PDF (5801KB) ( 61 )

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超硫酸盐水泥是一种资源节约和环境友好型胶凝材料,但由于存在早期强度低等缺陷,限制了其推广应用。为提高超硫酸盐水泥早期强度,研究了乳酸钠掺量对超硫酸盐水泥强度的影响,通过ICP-OES、MIP、XRD、SEM等测试,分析了离子浓度、水化产物及微结构,并对相关机制进行了探讨。结果表明,超硫酸盐水泥中掺入少量乳酸钠能提高水泥强度,尤其是早期强度,但是掺量过高时其作用效果降低,甚至对强度不利。综合考虑早期强度和后期强度提高效果,乳酸钠掺量以0.25%(质量分数)左右为宜。乳酸钠提高超硫酸盐水泥强度的主要原因在于其能促进矿渣溶解,加快钙矾石和C-S-H等水化产物生成,从而改善水泥石微结构。

纳米Al₂O₃协同水性环氧树脂对水泥基锚固注浆材料改性研究

付宏渊, 付思妮, 邱祥, 蒋煌斌, 王江营

2022, 41(9): 3016-3027.

摘要 ( 54 )

PDF (7026KB) ( 37 )

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锚固注浆材料性能良好,可有效提高锚固结构的服役寿命。为解决传统水泥基锚固注浆材料在边坡工程中稳定性和力学性能不足的问题,采用纳米Al₂O₃、水性环氧树脂对水泥基锚固注浆材料进行改性获得复合改性水泥浆材。通过正交试验、扫描电镜和X射线衍射测试,研究不同水灰比及配合比下复合改性水泥浆材的基本性能和改性机制。结果表明,复合改性水泥浆材的流动度、凝结时间、抗压强度受水性环氧树脂掺量的影响均大于纳米Al₂O₃掺量,而漏斗黏度、析水率受纳米Al₂O₃掺量的影响大于水性环氧树脂掺量。复合改性水泥浆材具有稳定性高、析水率低、抗压强度高等特点,有效解决了传统水泥基锚固注浆材料存在的稳定性和力学性能不足的问题,且其最佳性能配合比为水灰比0.5、纳米Al₂O₃掺量5%(质量分数,下同)、水性环氧树脂20%、固化剂掺量2.0%。

絮凝剂对硅酸盐水泥砂浆性能的影响

王传林, 张思仪, 黄俊轩, 姜涛, 梁萍, 周芷冰, 王屹鸿

2022, 41(9): 3028-3035.

摘要 ( 90 )

PDF (5532KB) ( 65 )

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机制砂残留的不同浓度的絮凝剂会对混凝土相关性能产生不利影响。本文研究了三种絮凝剂(阴离子聚丙烯酰胺(APAM)、非离子聚丙烯酰胺(NPAM)和聚合氯化铝(PAC)),四种掺量(0%、0.015%、0.030%、0.050%,质量分数)对硅酸盐水泥流动度、凝结时间及力学性能的影响,并使用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)技术分析絮凝剂对硅酸盐水泥性能的影响机理,研究了减水剂、缓凝剂和分散剂在改善絮凝剂对砂浆流动度和力学性能产生的不利影响方面的作用。结果表明:APAM对净浆流动度的影响较大,NAPM的影响次之,PAC的影响不明显;APAM和NPAM均能小幅缩短净浆凝结时间,而PAC会小幅延长净浆凝结时间;三种絮凝剂均能小幅降低砂浆强度,且整体上掺量越高,下降幅度越大;三种絮凝剂基本不改变硅酸盐水泥水化产物,但APAM和PAC能促进水泥的水化,而NPAM抑制水泥的水化。共同使用减水剂和缓凝剂能显著提高掺有絮凝剂砂浆的流动度和抗压强度。

再生细骨料含水状态对砂浆性能的影响

徐鑫, 张鸿儒, 季韬, 赵宝军, 姚杰

2022, 41(9): 3036-3046.

摘要 ( 63 )

PDF (13821KB) ( 62 )

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采用再生细骨料取代质量分数30%河砂制备砂浆,通过预湿处理将再生细骨料含水率处理为其饱和面干吸水率的0%、30%、70%、100%,分别控制拌合用水量或总用水量一致,研究再生细骨料含水状态对砂浆性能及微观结构的影响规律。结果表明,拌合用水量一致时,砂浆流动度随再生细骨料含水率增大而增大,骨料含水状态对养护后期(28 d)力学性能的影响较小;总用水量一致时,砂浆流动度随再生细骨料含水率增大而减小,再生细骨料干燥状态下砂浆28 d力学性能较骨料含水状态下更好。两种用水量控制方案下,采用干燥再生细骨料配制的砂浆抗氯离子侵蚀性能均表现最优,且可达到与普通砂浆相当或更优的水平。微观结果表明,骨料的含水状态对微观结构影响显著,骨料预湿处理会对使新界面过渡区孔隙率增大、平均显微硬度下降,进而对宏观力学及耐久性能产生不利影响。在工程应用中保证流动度的前提下,应尽可能采用含水率低的再生细骨料配制砂浆。

北京延庆和怀柔明代长城灰浆微结构剖析对比研究

单思寒, 张瑞峰, 王琴, 朱宇华, 齐国栋

2022, 41(9): 3047-3058.

摘要 ( 60 )

PDF (30407KB) ( 38 )

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长城是世界文化遗产,长城灰浆是其保护修缮中的关键材料。本研究通过X射线荧光光谱分析、X射线衍射分析、热重分析、场发射扫描电镜、傅里叶红外光谱分析等对延庆及怀柔地区长城砌筑灰浆以及延庆长城不同部位灰浆的成分组成、晶体结构、微观形貌等进行系统剖析。结果表明,延庆和怀柔地区长城砌筑灰浆成分差异较大,怀柔灰浆中Mg、Si和有机物含量远高于延庆灰浆,这是由于怀柔灰浆石材原料中可能含有较多的菱镁矿,而且怀柔灰浆中含有少量的砂子。两地砌筑灰浆中均含有糯米,糯米使CaCO₃晶粒尺寸变小,结构更致密。同一地区不同部位和用途的灰浆组成也存在差异:灌浆灰浆与其他种类的灰浆差异较大,含有较多的砂子和石子,石缝灰浆中含有少量的细砂;路面砌筑灰浆碳化不充分,含有少量的Mg(OH)₂和Ca(OH)₂;砖砌筑、勾缝、路面砌筑灰浆中检测到糯米的存在,灌浆和石缝灰浆中未检测到糯米。本研究将为长城修复灰浆的配制提供理论依据。

联合活化多元辅助胶凝材料对蒸养混凝土性能的影响

佘亮, 傅平丰, 邓威, 陈雨齐, 王显聪

2022, 41(9): 3059-3067.

摘要 ( 54 )

PDF (11760KB) ( 30 )

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采用联合活化方法将粉煤灰微珠、粒化高炉矿渣、硅灰制备成高活性多元辅助胶凝材料,研究不同活化方式下,多元辅助胶凝材料对胶砂活性指数及水化产物的影响,探讨掺入多元辅助胶凝材料对混凝土抗压强度及抗硫酸盐侵蚀性能的影响,通过X射线衍射(XRD)、热重差热分析法(TG-DSC)和压汞法(MIP)对辅助胶凝材料水化产物及孔结构进行表征。结果表明:在静停6.0 h、90 ℃恒温4.5 h蒸汽养护(蒸养)后,联合活化后的多元辅助胶凝材料掺量为水泥质量的30%时,3 d、7 d和28 d胶砂活性指数分别为137.54%、140.06%和143.97%,浆体孔隙率为6.78%,胶砂流动度下降3.94%;当静停7.5 h、90 ℃恒温4.5 h蒸养后,与水泥组相比,混凝土1 d抗压强度提高了17.7%,且混凝土抗硫酸侵蚀系数提高5.8%;当静停6.0 h及90 ℃分别恒温4.5 h、7.0 h、12.5 h蒸养后,混凝土1 d抗压强度分别提高13.4%、16.2%和15.3%,7 d抗压强度分别提高16.3%、16.0%和15.2%。在联合活化作用下,辅助胶凝材料中高活性组分与水泥中Ca(OH)₂发生二次反应,促进水化硅酸钙(C-S-H)凝胶生成,优化了蒸养混凝土性能。

砂率及机制砂特性对混凝土流动性与颗粒膜层厚度的影响

肖世玉, 彭丙杰, 吴涛, 罗小东, 陶俊

2022, 41(9): 3068-3076.

摘要 ( 49 )

PDF (3103KB) ( 43 )

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在保持混凝土胶材总量、水胶比不变情况下,设计了不同砂率、不同种类砂搭配的混凝土配合比,通过测试混凝土扩展度、扩展时间(T₅₀₀),结合浆膜层厚度(PFT)、水膜层厚度(WFT)计算,详细分析了PFT、WFT与新拌混凝土流动性的关系。结果表明,混凝土流动性受PFT和WFT的影响较大,且不同种类砂搭配制备混凝土的流动性、PFT、WFT均存在较大差异。混凝土扩展度随PFT、WFT的增加而增加,且关联度较高,T₅₀₀随PFT、WFT的增加而减少,但相关性较差。PFT、WFT的变化主要源于机制砂石粉含量、细度模数以及骨料空隙率的变化,当石粉含量过高时,虽然会引入更多浆体使PFT增加,但同时也会引起体积水胶比减小,比表面积增大,导致WFT变小,混凝土流动性反而变差。

硅灰和减缩剂对混凝土自收缩和孔隙的影响

黄正峰, 欧忠文, 罗伟, 王飞, 王廷福

2022, 41(9): 3077-3083.

摘要 ( 72 )

PDF (3510KB) ( 48 )

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硅灰和低水胶比会降低混凝土总孔隙率,但增加了混凝土自收缩,使其产生微裂纹。本文研究了掺入硅灰和减缩剂(SRA)对不同水胶比的混凝土自收缩和微观、宏观尺度孔径分布的影响。结果表明:掺入10%(体积分数)的硅灰会使混凝土自收缩增加27.3%~28.8%;而加入减缩剂使混凝土自收缩降低68.0%~85.1%,且对含有硅灰的混凝土样品降幅更大。此外,掺入硅灰和减缩剂可以使混凝土总孔隙率分别降低5.1%~6.0%和35.9%~39.7%,但硅灰会增大混凝土100 nm以下孔隙和100 μm以上孔隙的体积占比,而减缩剂对这两类孔隙的体积则会起相反作用。同时,自收缩与100 μm以上孔隙体积分数呈明显正相关关系。

钙铝类水滑石对混凝土抗盐冻性能的影响

单继雄, 李军, 侯永生, 胡艳民, 刘畅

2022, 41(9): 3084-3090.

摘要 ( 58 )

PDF (4484KB) ( 39 )

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以氯盐为主要成分的除冰盐会导致混凝土发生盐冻破坏,而钙铝类水滑石(CAHL)可以对氯离子进行吸附固化。为研究CAHL对混凝土抗盐冻性能的影响,在C30混凝土中分别掺加胶凝材料质量0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的CAHL,测试不同CAHL含量对混凝土抗压强度、电通量、盐冻剥落质量、自由氯离子浓度的影响。结果表明:当CAHL掺量≤1.5%时,随着掺量的增加,混凝土的抗压强度逐渐增大,而电通量逐渐降低,说明合适的CAHL掺量可以提高混凝土的致密性;随CAHL掺量的增加,Friedel's盐的衍射峰逐渐增强,说明CAHL可以较好地固化氯离子;CAHL通过提高混凝土致密性和固化氯离子有效降低了盐冻条件下混凝土中的自由氯离子含量;与空白样相比,CAHL掺量为1.5%时的混凝土经28次单面盐冻剥落后质量损失下降22.9%。

考虑材料参数和应力水平的氯离子扩散系数多因素预测模型

余波, 黄俊辉, 汪加梁, 秦荷成

2022, 41(9): 3091-3099.

摘要 ( 47 )

PDF (5158KB) ( 27 )

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针对传统氯离子扩散系数预测模型无法综合考虑材料参数和外荷载影响而导致预测精度不高的缺陷,建立了综合考虑材料参数和应力水平的氯离子扩散系数多因素预测模型。首先基于311组快速氯离子迁移测试法的试验数据,定量分析了水胶比、砂率、矿物掺合料(粉煤灰、矿粉、硅灰)掺量等材料参数以及应力水平对氯离子扩散系数的影响规律;然后结合两阶段分析方法和逐步回归分析方法,建立了综合考虑材料参数和应力水平的氯离子扩散系数多因素预测模型;最后通过与传统预测模型和试验数据的对比,验证了该模型的有效性与精确性,其模型可决系数为0.90。

冰凌作用下天然浮石混凝土磨损规律研究

王萧萧, 冯蓉蓉, 荆磊, 刘曙光, 闫长旺, 姜琳

2022, 41(9): 3100-3106.

摘要 ( 40 )

PDF (4344KB) ( 30 )

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冰磨损是导致水工混凝土损伤的重要因素之一。为探究冰凌作用下天然浮石混凝土的磨损规律,以内蒙古地区的天然浮石为粗骨料,研究浮石骨料体积分数、水胶比、胶凝材料硬度对冰磨损天然浮石混凝土的影响规律,分析了不同因素对天然浮石混凝土磨损量影响的显著性,运用超景深显微镜对冰磨损下天然浮石混凝土的表观形貌进行观测。结果表明:冰磨损天然浮石混凝土磨损量随浮石骨料体积分数和水胶比的增加而增加,随胶凝材料硬度的增加而降低;浮石骨料体积分数和水胶比对天然浮石混凝土磨损量的影响较为显著;在切削磨损和疲劳磨损的共同作用下天然浮石混凝土表层材料脱落,磨损表面孔壁被破坏,孔洞增大。

基于楔入劈拉法的湿态混凝土双K断裂特性试验研究

楼建敏, 张国辉, 杨振东, 孙俊崇, 李虎

2022, 41(9): 3107-3114.

摘要 ( 38 )

PDF (4992KB) ( 25 )

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采用楔入劈拉法,针对浸泡在自由水环境中0 h、2 h、5 h、24 h、120 h的3种强度等级(C20、C30、C40)混凝土开展含水率及双K断裂力学特性变化规律研究,为服役于水环境下的混凝土结构安全度评估提供支撑。研究表明:混凝土强度等级越高,吸水速度越慢,含水率越低,达到饱和状态所需浸泡时间越长;混凝土起裂断裂韧度与失稳断裂韧度均随含水率的增大呈近似线性降低。C20、C30、C40混凝土饱和状态的起裂断裂韧度较干燥状态分别降低了29.6%、23.2%、33.4%,失稳断裂韧度较干燥状态分别降低了22.7%、23.9%、33.8%。相同含水率条件下,混凝土起裂断裂韧度与失稳断裂韧度降低幅度基本相似。P-CMOD曲线均明显存在线弹性未起裂阶段、稳定扩展阶段、失稳扩展阶段。随含水率增大,线弹性及稳定扩展阶段斜率均逐渐降低,失稳扩展阶段下降趋势越来越平缓。临界裂缝口张开位移随含水率增大而逐渐降低,混凝土变形能力降低,韧性逐渐减弱。

基于热重-质谱联用技术测定EVA的方法探究

张杰, 刘永佳, 侯静文, 李妍

2022, 41(9): 3115-3120.

摘要 ( 85 )

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乙酸乙烯酯-乙烯共聚物乳胶粉(EVA)应用广泛,其检测技术的发展至关重要。本研究利用热重-质谱联用技术(TG-MS),在质量维度上建立了一种对EVA进行定量分析的方法。通过热重-红外-气质联用仪探究了EVA的热解过程,结果表明EVA的热解可分为三个阶段,其中第二阶段脱乙酰化步骤产生大量的乙酸能被清晰识别,同时在此步骤中也有低分子量的(CH)_n碎片和丙酮产生。随着热解温度升高,分子量较大的苯环衍生物和(CH)_n碎片在高温下被检测到。这表明在脱乙酰过程中聚合物主链末端发生了断链反应,随着温度的升高,不饱和烯烃结构热解产生芳香挥发物。通过在线质谱监测等温脱乙酰化反应,确定酮类物质的生成并不会影响脱乙酰化反应的进行,因此使用乙酸对EVA进行定量分析是合理的。通过MS信号与乙酸质量关联,建立了EVA的定量分析方法,为分析样品中EVA的定量检测提供了一种新方案。

黄金尾矿制备水泥和混凝土的研究进展

张啸, 王璜琪, 王栋民

2022, 41(9): 3121-2128.

摘要 ( 74 )

PDF (2770KB) ( 46 )

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黄金生产具有高价值、高成本、高污染、高排放的特点,黄金产业的绿色化对可持续发展具有重要意义。由于黄金矿石的含矿量低,生产过程中会产生大量尾矿,这些尾矿大量占用土地,造成巨大的环境负担,因此,黄金尾矿的资源化利用具有重要意义。黄金尾矿中富含硅元素,尾矿颗粒细小且具有潜在的火山灰活性,利用黄金尾矿生产水泥混凝土是实现尾矿建材化利用的理想途径。本文从黄金尾矿的物理-化学特性、颗粒特征和宏观颗粒群性质等方面出发,分析了黄金尾矿用于制备水泥熟料、砂浆及混凝土制品的可能性,总结了国内外利用黄金尾矿生产水泥、砂浆混凝土的研究进展,旨在为黄金尾矿的建材资源化高效利用和相关研究提供借鉴和参考。

磷石膏热分解研究现状

吴泳霖, 张伟, 奠波, 陈建军

2022, 41(9): 3129-3137.

摘要 ( 86 )

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热分解是磷石膏资源化利用的关键,但在不添加还原剂和催化剂的条件下,存在能耗高、成本高、分解率低等缺点,不利于磷石膏的循环再利用,因此寻找能降低磷石膏分解温度、提高分解率的还原剂和催化剂成为当下的研究重点。本文对磷石膏在还原剂和催化剂作用下的热分解过程及其研究状况进行了综述。研究发现,CO和焦炭等燃料型传统还原剂能有效降低磷石膏的分解初始温度,提高分解率,在实际应用中更为成熟。然而,燃料型传统还原剂的应用给磷石膏的热分解也带来了成本压力。添加非传统还原剂(如硫磺、H₂S)和催化剂不仅能降低磷石膏热分解的成本,还能减少温室气体CO₂的排放,但该研究目前还处于试验阶段。寻找能耗和成本更低、分解率更高的还原剂和催化剂是未来实现磷石膏绿色、低碳、高效资源化利用的研究方向。

红砂岩集料对水稳基层强度与抗软化性能的影响

陈福玲, 温郁斌, 单俊鸿, 魏杰, 周明凯, 高鹏

2022, 41(9): 3138-3147.

摘要 ( 46 )

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红砂岩具有遇水软化的特性,通过与石灰岩集料对比,研究了红砂岩粗、细集料硬度与抗软化性能及其对水泥稳定基层(水稳基层)强度与抗软化性能的影响规律,并通过界限含水率、XRD与SEM测试,对比了红砂岩、石灰岩集料浸水前后的矿物成分与微观形貌。结果表明,红砂岩集料浸水后质量减少,硬度降低,抗软化性变差,制备的红砂岩水稳基层强度、软化系数低于石灰岩水稳基层,但红砂岩粗集料制备的水稳基层强度、软化系数降低幅度小于红砂岩细集料制备的水稳基层。红砂岩集料中的黏土矿物遇水崩解剥落、膨胀疏松化是红砂岩水稳基层强度、软化系数降低的主要原因。本研究可以为红砂岩在路面基层材料中的组成设计与工程应用提供理论参考。

养护温度对凝灰岩基胶凝材料力学性能的影响机理

张平, 马旭东, 韩世界, 古龙龙, 王章彦

2022, 41(9): 3148-3153.

摘要 ( 42 )

PDF (2630KB) ( 26 )

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凝灰岩是经过火山喷出散落在地面,经过压结和水化胶结固化而形成的一种火山灰碎屑岩,具有一定的火山灰活性。本文研究养护温度对凝灰岩基胶凝材料力学性能的影响,并借助FTIR、TG、SEM和MIP等对凝灰岩基胶凝材料水化产物的微观结构进行分析。结果表明,提高养护温度对凝灰岩基胶凝材料的力学性能具有一定的增强作用,提高养护温度不仅能提高早期强度,还可以提高后期强度,凝灰岩基胶凝材料的最佳养护温度为50 ℃。提高养护温度后凝灰岩基胶凝材料中没有生成新的水化产物,AFt和C-S-H等水化产物含量增加,Ca(OH)₂的含量减少。提高养护温度有利于增加凝胶孔和过渡孔占比,细化孔径结构,降低孔隙率,提高基体结构的致密度。

蒸汽养护条件下甲酸钙/纳米C-S-H复合对粉煤灰-水泥体系早期水化的影响

周兰兰, 梅军鹏, 李海南, 牛寅龙, 李雨浓, 徐智东, 王智鑫, 何香香

2022, 41(9): 3154-3161.

摘要 ( 48 )

PDF (7849KB) ( 45 )

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本文研究了蒸汽养护条件下,甲酸钙/纳米C-S-H(NC)复合对粉煤灰-水泥体系早期抗压强度的影响,并结合XRD、DSC-TG、MIP、SEM及FTIR等手段分析了其影响机理。结果表明:蒸汽养护条件下掺入甲酸钙能显著提高粉煤灰-水泥体系的早期抗压强度,且掺量为1.5%(质量分数)时效果最佳;甲酸钙能促进水泥和粉煤灰水化,提高水化产物的生成速率,降低粉煤灰-水泥体系的孔隙率和总孔容;在掺入甲酸钙的基础上掺入NC可进一步提高体系抗压强度,且随着NC掺量的增加而提高;NC能促进水化产物生成,提升水化程度,细化孔结构,提高体系致密度。

熔分赤泥熔渣纤维化过程中熔体性能研究

邢磊, 杜培培, 龙跃

2022, 41(9): 3162-3169.

摘要 ( 36 )

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以熔分赤泥为研究对象,探究熔分赤泥熔渣纤维化过程中熔体性能的变化规律,采用炉渣熔点熔速测定仪研究熔分赤泥熔化过程及熔化温度,采用FactSage热力学软件模拟熔分赤泥熔渣冷却过程中矿物析出种类、含量及开始析晶温度,采用X射线衍射仪和场发射扫描电子显微镜研究熔分赤泥熔渣不同温度下矿物组成与显微形貌,采用熔体物性综合测定仪研究熔分赤泥熔渣降温过程中的黏度变化。结果表明,熔分赤泥的熔化温度为1 236 ℃,熔分赤泥熔渣冷却过程中,1 300 ℃开始析出晶体,首先析出晶相为镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)。此外,综合分析熔分赤泥熔渣熔体性能,明确利用熔分赤泥熔渣纤维化制备无机纤维时的温度应高于1 433 ℃。

矿物掺合料对UHPC性能的影响

赵雅明, 张振, 王畔, 张明飞

2022, 41(9): 3170-3175.

摘要 ( 67 )

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传统超高性能混凝土(UHPC)的硅灰用量一般都比较高,导致其制作成本较高,而且自收缩比较大,对实际工程应用造成了一定的影响。本文用粉煤灰和矿粉部分或全部替代硅灰制备UHPC,并对其工作性能、力学性能、自收缩及孔结构特征进行了试验研究。结果表明:采用粉煤灰或矿粉替代硅灰可以改善UHPC拌合物的流动性,替代率越高,拌合物的流动度越大;当采用粉煤灰或矿粉替代50%(质量分数)硅灰时,在标准养护下,对28 d抗压强度的影响较小,而在高温蒸养下,则会导致28 d抗压强度下降,当替代率达到100%(质量分数)时,无论是标准养护还是高温蒸养,都会显著降低28 d抗压强度;采用粉煤灰或矿粉替代硅灰能降低细孔的占比,增大孔径,减少自收缩,且粉煤灰对于自收缩的抑制效果优于矿粉。

铁尾矿-钢渣集料微表处混合料路用性能及耐久性试验研究

刘名扬, 周彬, 颜峰, 陈龙江, 侯美晴

2022, 41(9): 3176-3189.

摘要 ( 57 )

PDF (20128KB) ( 53 )

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针对微表处路面耐久性不足、尾矿综合利用率低以及钢渣长期堆放造成环境污染等一系列问题,讨论了不同粒径钢渣及铁尾矿替代传统优质集料的可行性,利用材料分析技术及物理力学性能测试,揭示了不同粒径钢渣及铁尾矿的材料特征,制备了铁尾矿-钢渣集料微表处混合料。以混合料的黏聚性、耐磨耗性能、水稳定性、抗滑性能及抗车辙性能作为评价指标,分别采用黏聚力试验、湿轮磨耗试验、冻融循环湿轮磨耗试验、长期抗滑性能试验及轮辙变形试验对铁尾矿-钢渣集料微表处混合料的耐久性进行评价。结果表明:铁尾矿和钢渣对微表处混合料的耐磨耗性能、长期抗滑性能以及抗车辙性能具有显著增强作用;铁尾矿的掺入会对混合料黏聚性和抗水损害性能产生不利影响,且在20%(质量分数)掺量时加剧,但钢渣的掺入可以有效改善铁尾矿导致的黏附性差的问题;使用钢渣粗集料替代传统集料,同时掺入15%(质量分数)的铁尾矿细集料可以有效提升微表处路面的耐久性,从而延长微表处路面的使用寿命。

基于正交试验的粉煤灰-硅锰渣再生混凝土力学性能研究

王晨晨, 王学志, 陈东林, 贺晶晶

2022, 41(9): 3190-3201.

摘要 ( 46 )

PDF (7026KB) ( 25 )

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为研究固体废弃物取代混凝土原材料的适用性及对混凝土性能的影响,对16组粉煤灰-硅锰渣再生混凝土试块进行正交试验,研究当粉煤灰体积取代胶凝材料、硅锰渣体积取代砂、再生骨料质量取代粗骨料时不同取代量对混凝土坍落度、立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的影响。结果表明:当粉煤灰取代量为40%(体积分数)时,混凝土坍落度提高率最大,为14.5%,立方体抗压强度和劈裂抗拉强度均降低,降低率分别为7.2%、22.8%;硅锰渣的取代会降低混凝土坍落度,当硅锰渣取代量为80%(体积分数)时,立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的降低率最小,分别为0.5%、11.5%;再生骨料的取代会降低混凝土坍落度,当再生骨料取代量为100%(质量分数)时,立方体抗压强度的降低率为1.9%,劈裂抗拉强度的降低率为12.4%。通过优化模型NSGM(1,4)对混凝土立方体抗压强度进行模型预测,模型模拟平均相对误差为0.542%,模型预测平均相对误差为2.727%。

H₂SO₄-NaCl-H₂O体系中滤液循环利用对脱硫石膏晶须制备的影响

刘强, 汪潇, 金彪, 林星彤, 张建武, 王宇斌

2022, 41(9): 3202-3207.

摘要 ( 33 )

PDF (5469KB) ( 25 )

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为实现脱硫石膏晶须的绿色生产,以预处理后的脱硫石膏为原料,使用硫酸调节反应溶液pH值,通过水热法制备脱硫石膏晶须,通过在有、无试剂补偿条件下滤液的循环利用,研究滤液循环次数对晶须品质、溶液pH值、Na⁺浓度的影响。结果表明,在无试剂补偿条件下,随滤液循环次数增加,滤液pH值逐渐升高,Na⁺浓度逐渐降低,浓度损失为27.3%~34.6%。在有H₂SO₄和NaCl试剂补偿的条件下,滤液循环次数对反应前后溶液中Ca²⁺浓度变化影响不大,但对晶须结晶形貌、长径比、品质有一定的影响;当滤液循环次数小于5次时,获得的晶须品质相对较好。

废玻璃粉作为辅助胶凝材料对砂浆性能影响及作用机理

李方, 杨健, 李粒珲

2022, 41(9): 3208-3218.

摘要 ( 85 )

PDF (8081KB) ( 63 )

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作为辅助胶凝材料掺入混凝土是废弃玻璃回收利用的途径之一。研究废玻璃粉掺料对砂浆性能影响及作用机理,结果可为该类应用提供指导。本文研究0~0.075 mm、0.075~0.15 mm和0.15~0.3 mm这三组不同粒径废玻璃粉作为辅助胶凝材料对砂浆力学性能及碱硅酸反应(ASR)膨胀作用的影响。研究发现:掺入玻璃粉粒径为0~0.075 mm可将砂浆28 d抗压强度增加5%~15%,ASR膨胀率减小20.2%;掺入玻璃粉粒径为0.15~0.3 mm则使砂浆28 d抗压强度降低5%~8%,ASR膨胀率增加39.7%。采用热重分析、等离子电感耦合、扫描电镜及能谱分析试验对反应产物、孔溶液、微观结构及其元素分布进行检测。分析认为粒径粗的玻璃粉碱骨料活性强,易发生ASR,导致膨胀率增加;粒径细的火山灰活性强,发生火山灰反应生成了膨胀率低的低钙硅比水化硅酸钙凝胶,该产物不仅会吸收Na⁺、K⁺,从而减少用于发生ASR的反应物含量,而且更密实,有利于降低孔隙率,减少水的渗透,提高抗压强度并抵抗膨胀压。

废弃玻璃粉对水泥石高温抗压强度和微观结构的影响

李成, 耿晨梓, 代丹, 王春雨, 宋维凯, 姚晓

2022, 41(9): 3219-3226.

摘要 ( 44 )

PDF (4713KB) ( 29 )

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废弃玻璃粉作为一种高SiO₂含量的固体废弃物,可以有效防止油井水泥石在高温下的强度衰退,从而提升深井、超深井固井水泥环长期封隔完整性。本文研究了150 ℃、21 MPa下,不同粒径废弃玻璃粉对水泥石抗压强度、渗透率和微观结构的影响。结果表明:150 ℃、21 MPa下净浆水泥石180 d抗压强度为8.57 MPa,较1 d衰退76.04%;掺入废弃玻璃粉可以提高水泥石抗压强度的长期稳定性,在内掺40%(质量分数)粒径为45 μm的废弃玻璃粉情况下,水泥石在180 d时抗压强度为31.85 MPa,较1 d仅衰退3.95%,渗透率为1.28×10^-2 mD,较1 d降低16.88%;掺入废弃玻璃粉改变了水泥石150 ℃、21 MPa下的物相组成,净浆水泥石的主要结晶相为氢氧化钙和水硅钙石,掺入不同粒径废弃玻璃粉的水泥石主要结晶相为硬硅钙石和托贝莫来石;内掺40%粒径为45 μm的废弃玻璃粉的水泥石中托贝莫来石晶粒尺寸稳定;随龄期增加,净浆水泥石孔结构向大孔径发展,内掺40%粒径为45 μm的废弃玻璃粉的水泥石的孔结构更加致密,180 d内各龄期均以凝胶孔为主。

不同类型减水剂对渣土基高流态回填材料性能的影响

谭正日, 谭洪波, 吕周岭, 孔祥辉, 蹇守卫, 马保国

2022, 41(9): 3227-3233.

摘要 ( 57 )

PDF (3664KB) ( 42 )

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相比传统回填材料,渣土基高流态回填材料具有高流态、自流平、自密实等优点,能够有效避免因压实不充分导致的工程问题。然而,渣土基高流态回填材料在使用中存在易沉陷、易泌水等问题,限制了其工程化应用空间。在本文中,选择了聚羧酸减水剂(PCE)、脂肪族减水剂(SAF)、萘系减水剂(FDN)、三聚氰胺减水剂(PMS)四种减水剂来调节渣土基高流态回填材料的用水量和流动度,同时比较了四种减水剂对渣土基高流态回填材料性能的影响。结果表明:在保持相同流动度下,四种减水剂的减水效果从高到低依次为PCE＞SAF＞PMS＞FDN;在经时流动度方面,FDN体系较其他减水剂体系在1 h内具有更好的流动性,四种减水剂体系的流动度保持性从优到劣依次为FDN＞PCE＞PMS＞SAF;四种减水剂均能降低渣土基高流态回填材料的泌水率,缩短渣土基高流态回填材料的凝结时间。

碳化硅纤维高温抗氧化性研究进展

向宇, 余金山, 王洪磊, 周新贵

2022, 41(9): 3234-3242.

摘要 ( 107 )

PDF (4679KB) ( 91 )

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SiC纤维作为SiC_f/SiC复合材料的重要承载部分,在高温氧化环境下的微观结构演变和性能变化直接影响SiC纤维的实际应用。本文综述了SiC纤维的氧化机理和氧化模型、氧化行为的影响因素以及提高抗氧化性的方法。根据氧分压将SiC纤维的氧化行为分为被动氧化与主动氧化;氧化环境如水氧环境下的高温氧化加快了SiC纤维氧化层厚度的增加和裂纹的产生,致使SiC纤维的力学性能下降;SiC纤维的自身组成与微观结构也会对氧化结果产生各不相同的影响。本文对SiC纤维在高温环境下的应用具有一定的借鉴作用。

质子交换膜燃料电池研究现状及发展

童鑫, 熊哲, 高新宇, 侯俊伟, 刘怡颖, 廖铠丰, 吴伟创, 吴伟斌, 齐龙, 王海林, 蔡位子

2022, 41(9): 3243-3258.

摘要 ( 412 )

PDF (6536KB) ( 214 )

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质子交换膜燃料电池是一种高效清洁的发电技术,具有反应动力学快、启动温度低等特点。目前质子交换膜燃料电池技术发展迅速,有望得到广泛推广和普及。本文从质子交换膜燃料电池核心组件出发,对近年来质子交换膜燃料电池的发展进行了简要概述。从材料出发,对核心组件进行分类,详细介绍了质子交换膜、催化剂以及气体扩散层的研究现状和技术特点,综述了各组件的研究方法、改进方法以及研究进展,展望了质子交换膜燃料电池的研究方向和未来发展趋势。基于高温环境下的各种优势,具有短侧链、低当量的且适用于高温低湿环境的质子交换膜仍将是重点研究对象。质子交换膜燃料电池将进一步向低Pt甚至无Pt方向发展,同时未来将实现无增湿条件下的水平衡。

直拉法单晶硅制备过程控氧技术研究进展

张梦宇, 李太, 杜汕霖, 黄振玲, 赵亮, 吕国强, 马文会

2022, 41(9): 3259-3271.

摘要 ( 154 )

PDF (9423KB) ( 106 )

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随着我国光伏行业的快速发展,直拉(CZ)法制备的单晶硅朝着大尺寸、高品质、低成本的方向发展,然而随着单晶硅尺寸越来越大,其内部氧杂质含量偏高的问题也越来越突出。本文在介绍CZ法制备单晶硅过程中氧杂质传输机理的基础上,归纳总结了单晶硅生产过程的控氧技术现状,分析了热场结构优化、工艺优化、掺杂元素、氩气流场优化以及新型CZ技术对单晶硅氧杂质含量的影响规律,并对控氧技术的发展方向提出了展望。

K⁺掺杂LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂材料的制备及电化学性能研究

郭丽芳, 解玉龙, 本措吉

2022, 41(9): 3272-3278.

摘要 ( 41 )

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锂离子电池正极材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂具有放电比容量大、热稳定性好、成本低、安全性能好等优点,但其倍率性能有待进一步提升。本文采用水热法制备了K⁺掺杂LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂材料LNCM-xK。通过X射线衍射谱、场发射扫描电镜和X射线光电子能谱表征LNCM-xK的形貌和结构,通过电化学工作站和蓝电测试系统测试其电化学性能。结果表明:K⁺掺杂能有效降低阳离子混排程度,改善LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂材料的电化学性能,其中当x=0.125时K⁺掺杂LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂样品(LNCM-0.125K)阳离子混排程度最低;LNCM-0.125K样品电化学性能最佳,0.2 C下50次循环后容量保持率为96.15%;在不同电流密度(0.2 C,0.5 C,1 C,2 C,5 C)下进行倍率性能测试,连续充放电30次后LNCM-0.125K样品容量保持率为97.00%。

Ta、Ba共掺杂石榴石型Li₇La₃Zr₂O₁₂电解质的制备及性能研究

申奥, 周嘉诚, 谢殿臣, 江雪, 马树成, 罗亚历

2022, 41(9): 3279-3287.

摘要 ( 46 )

PDF (10092KB) ( 40 )

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传统锂离子电池采用有机电解液体系,能量密度难以进一步提升,同时存在一定的安全隐患。采用无机固体电解质构建全固态锂电池,在提高电池能量密度同时可兼顾安全性问题。在众多无机固体电解质中,Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)石榴石电解质具有离子电导率高、与金属锂接触稳定等优势,成为受人关注的材料。为了进一步提高该材料的导电性,采用固相法合成Ta、Ba共掺杂LLZO(Li_7-x+yLa_3-yBa_yZr_2-xTa_xO₁₂)电解质,采用X射线衍射、扫描电子显微镜和电化学阻抗法分析样品的物相结构、微观形貌及离子电导率。结果表明,Ta⁵⁺掺杂能够稳定立方相结构,Ba²⁺作为掺杂剂和烧结剂,促进晶粒生长和陶瓷致密化,从而降低总电阻。其中,Li_6.45La_2.95Ba_0.05Zr_1.4Ta_0.6O₁₂样品在室温下的总电导率为1.07×10^-3 S·cm^-1,活化能为0.378 eV。Ta⁵⁺/Ba²⁺共掺杂有利于制备高致密度和高电导率的石榴石型电解质材料。

单分散大粒径介孔二氧化硅微球的制备及表征

关彤, 靳钊, 邵华锋, 孙金芮

2022, 41(9): 3288-3295.

摘要 ( 99 )

PDF (9612KB) ( 63 )

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以正硅酸四乙酯(TEOS)为硅源、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为乳化致孔剂,采用酸催化法得到部分缩合的聚硅酸乙酯(PES),再经碱进一步催化得到介孔二氧化硅微球。分析了酸催化剂用量、旋蒸温度对PES粘度及聚合程度的影响以及PES粘度对二氧化硅微球粒径的影响,并研究了氨水用量、乳化致孔剂种类、乳化致孔剂用量以及搅拌速度和后处理方式对二氧化硅微球性质的影响。利用扫描电子显微镜、旋转粘度计、氮吹吸附仪、傅里叶变换红外光谱仪等对所得微球进行表征。结果表明,所制备的介孔二氧化硅微球球形完整,粒径分布均匀,纯度高,微球平均孔径为10.164 4 nm,孔体积为1.023 023 cm³/g,比表面积为396.528 1 m²/g。

氧化铝陶瓷压缩破坏过程离散元数值模拟

邱镁钫, 张青艳, 郑宇轩

2022, 41(9): 3296-3303.

摘要 ( 55 )

PDF (7705KB) ( 50 )

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陶瓷的压缩破坏是一个爆炸式破碎的过程,在短时间内急剧释放大量能量,并伴随大量高速飞行碎片的产生,实验上较难获取陶瓷压缩破坏过程中碎片的飞溅速度。本文采用离散元数值模拟氧化铝陶瓷的压缩破碎过程,分析了不同应变率下产生碎片的尺寸分布、碎片的平均飞溅速度,以及试件内部不同区域碎片的速度变化规律。研究表明:(1)陶瓷的表观破坏强度以及破碎后碎片的平均飞溅速度与加载应变率正相关;(2)碎片飞溅速度与其初始位置相关,外侧碎片的飞散速度最大,随着初始位置与试件中心轴距离的减小,碎片飞溅速度逐渐减小;(3)随着加载应变率的提高,碎裂产生的碎片数逐渐增多,对应的碎片平均尺寸变小。进一步讨论了试件压缩破碎过程中的能量守恒和转换模式,并对碎片飞溅的平均速度进行了理论分析。

水泥结合铬刚玉浇注料抗危废炉渣侵蚀行为研究

廖梓昕, 李亚伟, 廖宁, 刘会林

2022, 41(9): 3304-3314.

摘要 ( 47 )

PDF (16540KB) ( 42 )

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铬刚玉浇注料是重要的危废焚烧炉炉衬材料之一,但危废来源广泛,成分复杂,导致炉渣的成分存在差异,从而影响炉衬的使用寿命。本文以铝酸钙水泥结合铬刚玉浇注料为研究对象,选取了富含CaO、Fe₂O₃和SiO₂的三种典型危废炉渣,研究了上述危废炉渣对铬刚玉浇注料烧成前后的侵蚀/渗透行为和Cr(Ⅵ)形成的影响。结果表明,材料的抗渣侵蚀和渗透性能与渣的黏度、渣与材料的界面反应以及材料的孔隙结构有关。就渗透性而言,高SiO₂渣和高Fe₂O₃渣与材料界面反应后形成了低熔点的霞石等物相,促进了渣渗透;高CaO渣与材料反应后形成了高熔点的六铝酸钙等物相,减缓了渣渗透,造成渣渗透深度顺序为高SiO₂渣>高Fe₂O₃渣>高CaO渣。相比之下,将材料进行烧成处理可以显著降低基质中CaO的反应活性,而且可以实现微孔化,渣的渗透行为受到抑制,尤其是高SiO₂渣的渗透显著降低。静态坩埚抗渣侵蚀性与渣液的渗透行为有关,由于渣的显著渗透行为,反而降低了渣的侵蚀指数。高CaO渣与试样反应后渣液黏度上升,且生成高熔点的铝酸钙相减缓渣液渗透,渣作用在材料界面时间增长,导致高CaO渣的侵蚀指数略高。

陶瓷相结合粉煤灰漂珠轻质隔热材料的制备及性能研究

董博, 闵昌胜, 陈博, 邓承继, 谢哲, 杨千秋, 丁军, 祝洪喜, 杨昕雨, 余超

2022, 41(9): 3315-3323.

摘要 ( 51 )

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以钾长石和粉煤灰漂珠为主要原料,矾土为调质剂,在空气气氛下经900~1 150 ℃保温1 h制备得到轻质隔热材料,并研究了烧成温度与矾土含量对轻质隔热材料服役性能的影响规律及作用机理。结果表明,通过提升烧成温度或增加矾土含量,能够有效优化轻质隔热材料的常温物理性能。当烧成温度为1 100 ℃、调质剂矾土质量分数为20%时,试样具有最佳物理性能,其体积密度约为(0.97±0.01) g·cm^-3,真气孔率约为(63.7±0.5)%,常温耐压强度达到(9.42±0.21) MPa,同时其300 ℃和600 ℃下的高温热导率分别约为0.147 W/(m·K)和0.229 W/(m·K),与一般轻质隔热材料相比同样具有优异服役性能,且制备成本较低。

生物模板法制备离子印迹磁性微马达及污水中Pb²⁺动态去除的研究

马桂红, 张青, 耿忠, 于海宝

2022, 41(9): 3324-3334.

摘要 ( 41 )

PDF (15230KB) ( 24 )

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离子印迹材料是一种传统的选择性去除离子的材料,但吸附能力低、成本高等缺点限制了其大规模实际应用。探索一种高吸附容量和低成本的新型材料来捕获污水中的Pb²⁺是非常必要的。本文以自然界中的荷花花粉为模板,通过水热、浸渍煅烧、光照还原和离子印迹法,成功制备了一种新型Pb²⁺印迹Janus磁性微马达复合材料。结果表明,非对称球形微马达对污水中Pb²⁺具有较高的选择性吸附能力,吸附最大值可达67.12 mg/g。Pb²⁺的吸附动力学和热力学过程符合伪二级动力学模型和Langmuir模型。此外,制备的样品具有良好的磁性,可进行方向控制和循环利用。本文为高效、高选择性去除污水中的Pb²⁺提供了一种有效的策略。

MOF衍生的Yolk-Shell结构NiCo/C复合材料的电磁波吸收性能

金红都, 洪屈, 林俊, 李珺, 凌瑜佳, 李孟荷, 陈太平, 温慧敏, 胡军

2022, 41(9): 3335-3343.

摘要 ( 47 )

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金属有机框架(MOF)衍生的多孔金属/碳复合材料由于具有大的表面积和孔体积,引起了电磁波吸收领域研究者的广泛关注。本文采用溶剂热法合成双金属NiCo-MOF,再通过煅烧制备了具有Yolk-shell结构的NiCo/C复合材料,采用SEM、XRD、拉曼光谱以及磁强计(VSM)等分析方法对比研究了不同Ni、Co质量比对NiCo/C复合材料吸波性能的影响。结果表明,随着Ni、Co质量比的变化,吸波性能发生了显著的改变。在9.4 GHz的频率下,Ni₁Co₁/C复合材料的性能达到最佳,最小反射损耗为-56.8 dB,有效吸收带宽为5.5 GHz。分析该复合材料的吸波机理发现,电磁波的多重反射、界面极化损耗、自然共振和交换共振是导致其吸波性能提高的重要原因。本文的研究结果为纳米多孔双金属MOF复合材料的制备与性能研究提供了研究思路。

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