郭宜杭, 李黎, 杨晨欣, 石玉琼

2022, 41(10): 3347-3358.

摘要 ( 312 )

PDF (3027KB) ( 214 )

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随着我国“双碳”战略的持续推进,绿色低碳环保的天然纤维在水泥基材料中的应用已成为建筑行业的研究热点,得到了广泛关注。但植物纤维的力学性能差,同时存在老化和粘结力减弱等问题,很难直接应用于混凝土基体。本文综述了植物纤维的微观结构和性能,植物纤维对混凝土力学性能、耐久性和热物理性能等宏观性能的影响,植物纤维增强混凝土凝结时间、界面粘结和内养护的微观演变机制。讨论了植物纤维增强混凝土中基体改性和纤维改性的方法,深入了解不同方法的作用机理,寻求更加有效地改善性能的途径。剑麻纤维和竹纤维对混凝土性能有良好的提升作用,应用最为广泛。最后展望了植物纤维的可持续发展方向,为今后进一步研究植物纤维增强混凝土提出参考建议。

硫硅酸钙-硫铝酸盐水泥研究进展

苏敦磊, 董丰源, 刘洪星, 李秋义

2022, 41(10): 3359-3368.

摘要 ( 213 )

PDF (15805KB) ( 105 )

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硫铝酸盐水泥具有煅烧温度低、CO₂排放少、快硬早强以及抗冻抗渗等优良特性,在建材、固废领域具有广阔的应用前景,并衍生出贝利特-硫铝酸钙、贝利特-硫铝酸钡钙等一系列硫铝酸盐水泥。然而,硫铝酸盐水泥主要矿物成分贝利特(β-C₂S)具有水化活性低、水化速度慢的缺点,易导致水泥后期强度增长缓慢。硫硅酸钙(C₅S₂$\bar{\text{S}}$)曾被认为是一种“惰性”矿物,但在硫铝酸盐体系下可表现出比β-C₂S更强的水化活性,因此硫硅酸钙-硫铝酸盐水泥(TSAC)的研究具有重要意义。本文从C₅S₂$\bar{\text{S}}$矿物的形成和水化、TSAC的制备和性能等方面,综述了C₅S₂$\bar{\text{S}}$和TSAC的研究现状,并提出了TSAC需进一步研究和解决的问题,如固废原料探寻、TSAC性能调控以及TSAC熟料矿物组成优化等,以期为新型低碳水泥的研究和应用提供积极有利的参考和支持。

原位光催化水泥基材料的制备及性能

李俊杰, 刘海龙, 杨广磊, 张丽娜, 姜葱葱, 程新, 王丹

2022, 41(10): 3369-3376.

摘要 ( 78 )

PDF (9757KB) ( 55 )

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光催化剂在水泥基材料中的分散性问题一直是制约光催化水泥基材料性能的主要因素之一。本文通过在水泥基材料成型过程中加入铋系光催化前驱体溶液实现原位光催化水泥基材料的合成,提高光催化剂在水泥基体中的分散性,赋予水泥基材料光催化性能的同时改善水泥基体抗压强度。通过扫描电镜和EDS能谱对光催化水泥基材料微观结构和成分进行表征。结果表明,光催化水泥基材料对罗丹明B的降解效率最高可达91.64%,对氮氧化物的降解效率最高可达到15.03%,早期机械强度提升约10%。光催化剂在水泥基体中分散更加均匀,同时水泥基体致密度提高。本文揭示了原位光催化水泥基材料的光催化性能与机械性能的提升机制,为其他功能性水泥基材料的制备提供了理论基础。

海水海砂砂浆力学与毛细吸水性能及微观结构研究

于星星, 薛善彬, 张鹏, 郭旗

2022, 41(10): 3377-3385.

摘要 ( 61 )

PDF (6114KB) ( 42 )

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对不同龄期、水灰比的海水海砂砂浆(SSM)试块开展了抗压、抗折强度测试,通过称重法研究了水灰比、龄期及水温对SSM毛细吸水性能的影响,并基于低场核磁共振技术研究了SSM力学、毛细吸水性能与微观结构的关系,最后将基于多孔介质毛细管吸水模型计算的代表性毛细管直径与基于低场核磁横向弛豫时间估算的砂浆孔隙直径进行了对比分析与讨论。结果表明,SSM前3天强度发展较快,水灰比为0.4的SSM试块养护3 d时的抗压、抗折强度分别为养护28 d时的56.2%、70.3%。当水温从20 ℃升至40 ℃时,水灰比为0.4、养护28 d的SSM试件毛细吸水系数增大1.2倍。长期一维吸水过程中,试件单位面积累计毛细吸水量与吸水时间的0.25次幂呈线性关系。随龄期增长,SSM试件孔隙率呈减小趋势。基于毛细管吸水模型得出的代表性毛细管直径与基于低场核磁横向弛豫时间估算的砂浆孔隙直径较为接近。

聚甲醛纤维增强砂浆的力学性能和干燥收缩试验研究

周至阳, 梅军鹏, 李海南, 廖宜顺, 徐智东, 牛寅龙, 李雨浓

2022, 41(10): 3386-3393.

摘要 ( 46 )

PDF (11707KB) ( 40 )

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本文研究了不同长度聚甲醛(POM)纤维单掺和混掺对砂浆流动度、抗折强度、抗压强度、弯曲韧性及干燥收缩的影响,并通过扫描电镜观测了其微观结构。研究发现,砂浆流动度随POM纤维长度和掺量增大而下降,混掺纤维比单掺对砂浆流动度的影响更小。POM纤维能有效提高砂浆的抗折强度,但掺量超过0.6%(体积分数,下同)时增强效果减弱,与未掺纤维试样相比,0.6%掺量的6 mm纤维对试样28 d抗折强度提升最高,为14.67%,抗压强度随纤维掺量增加而降低。12 mm纤维比6 mm及混掺对试样弯曲韧性提升更明显,最大提高49.43%。纤维的掺入可显著降低试样的干燥收缩率,且随纤维掺量增加,试样90 d干燥收缩率先减小后增大。与未掺纤维试样相比,0.6%掺量的6 mm纤维试样90 d干燥收缩率下降最多,为27.39%。混掺POM纤维在掺量0.6%以上时仍可显著提升砂浆的抗折强度并减小干燥收缩率。

可再分散乳胶粉改性水泥基薄喷材料研究

乔巧, 柴虎成, 张笑天, 张海波

2022, 41(10): 3394-3402.

摘要 ( 72 )

PDF (9707KB) ( 48 )

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聚合物改性水泥基韧性薄喷材料是煤矿巷道表面封闭材料的发展方向,可再分散乳胶粉具有增加水泥基材料黏结性、改善韧性的特点,但目前关于可再分散乳胶粉改性水泥基薄喷材料的研究较少。本文采用可再分散乳胶粉改性硅酸盐与硫铝酸盐复合水泥制备薄喷材料,研究了可再分散乳胶粉对浆液黏度、凝结时间以及结石体抗折和抗压强度、单轴压缩应力-应变、单轴拉伸荷载-位移的影响。结果表明,随可再分散乳胶粉掺量增加,浆液黏度快速增加的起始时间延长,凝结时间增加,结石体抗折、抗压强度均先升高后降低,在掺量为2.25%(质量分数)时达到最大值,压缩、拉伸破坏变形率均增加,韧性得到改善。通过微观分析阐释了可再分散乳胶粉对水泥基材料宏观性能的影响机理。

基于低场核磁共振技术水泥砂浆反复高温热损伤的研究

唐进才, 宁麟, 张增, 王皋, 唐俊林

2022, 41(10): 3403-3412.

摘要 ( 56 )

PDF (12962KB) ( 35 )

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为了研究水泥砂浆反复经历高温及局部水冷作用后的损伤演化特征,将水泥砂浆试件中部进行钻孔,将试件加热到400 ℃并且向孔洞注水冷却至室温,重复操作。采用低场核磁共振技术、数字声波仪器、数码显微镜分别研究了水泥砂浆试件在高温及局部水冷作用下的损伤行为。结果表明,随着高温及局部冷却次数增多,试件小孔孔径及数量不断增大,而大孔孔径则减小,试件在经过第一次处理后其性能劣化最明显,且局部注水冷却使得孔洞周围的损伤大于其他部位。同时,随着高温及局部冷却次数增多,概率密度峰值所对应的灰度值增大并向右移动。另外,高温弱化了胶凝材料与砂粒的胶结能力,反复高温处理使得水泥浆与砂粒之间的胶结能力进一步削弱,试件的波速减小,但孔洞中注水冷却产生的温度应力使得胶凝材料与砂粒的胶结能力急剧下降,温度骤降产生的温度应力对胶凝材料与砂粒间的胶结能力的影响远大于反复高温处理。

轻质骨料对泡沫混凝土性能的影响及其内养护机制

熊远亮, 刘超, 邓智聪, 陈春, 张亚梅

2022, 41(10): 3413-3419.

摘要 ( 71 )

PDF (8984KB) ( 46 )

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为降低泡沫混凝土干燥收缩,采用轻质骨料(页岩陶粒及粉煤灰陶粒)制备泡沫混凝土,研究了轻质骨料对泡沫混凝土抗压强度、干燥收缩、内部湿度及孔结构等的影响,并分析了轻质骨料的内养护机制。结果表明,轻质骨料能够调节泡沫混凝土的内部湿度,约束基体的变形,降低泡沫混凝土的干燥收缩。而轻质骨料也会在泡沫混凝土中引入缺陷,导致其强度降低。轻质骨料中大于100 nm的墨水瓶孔是内养护效果的控制因素,大于100 nm的墨水瓶孔数量越多,轻质骨料释水能力越强,内养护效果越好,制备的泡沫混凝土干燥收缩越小。

MgO膨胀剂对超高性能混凝土收缩性能的影响

杨东洋, 曹鸿猷, 黄京龙

2022, 41(10): 3420-3427.

摘要 ( 73 )

PDF (4968KB) ( 34 )

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为明确MgO膨胀剂(MEA)对超高性能混凝土(UHPC)收缩性能及抗压强度的影响,本文通过抗压强度和自收缩试验来评估不同活性、不同掺量MEA对UHPC的作用效果,并对其作用机理进行分析。结果表明,不同活性的MEA均能有效抑制UHPC的收缩,其中高活性的MEA水化速率相对较大,对UHPC早期的自收缩抑制效果明显。然而,MEA与水泥之间“争水效应”的存在,使得掺加高活性MEA的UHPC的抗压强度较同龄期掺加低活性MEA的UHPC的抗压强度低6%左右。MEA的掺量是影响其减缩效果的重要因素,当MEA掺量超过6%(质量分数)时,受UHPC基体自由水含量的限制导致其膨胀性能不能充分激发,难以进一步提升MEA的膨胀性能。综合考虑MEA对UHPC的收缩性能与力学性能的影响,本文建议选用活性值为220 s、掺量为6%的低活性MEA。

石粉对自密实混凝土收缩性能的影响

何世钦, 高鹏飞, 白紫云, 王辉, 孙东兴, 徐绍峰

2022, 41(10): 3428-3435.

摘要 ( 55 )

PDF (6677KB) ( 29 )

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为了研究石粉对自密实混凝土收缩性能的影响,设计了不同水胶比和石粉质量分数的试验,得到了水胶比为0.30、0.34、0.37,石粉质量分数为0%、10%、20%时自密实混凝土28 d龄期内自收缩和干燥收缩的变化规律。结果表明:自收缩随着水胶比的减小而增大,随着石粉质量分数的增加而增大;水胶比在0.30~0.37时,其对干燥收缩的影响不大;适量的石粉对干燥收缩几乎无影响,当石粉质量分数达到20%时,干燥收缩明显增大。在试验的基础上提出了考虑水胶比和石粉质量分数影响的自密实混凝土自收缩与干燥收缩预测模型。

骨料包浆预处理对礁石混凝土性能的影响

朱兆坤, 高旭, 范小春, 蓝少丁, 赵东三

2022, 41(10): 3436-3444.

摘要 ( 33 )

PDF (7539KB) ( 22 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

本文对比研究了不同礁石骨料包浆预处理方法以及高性能包浆胶凝材料对礁石骨料物理性质、氯离子溶出行为以及力学性能的影响;并将包浆预处理后的礁石骨料用于制备礁石混凝土,讨论了包浆预处理和骨料替代率对礁石混凝土力学性能、氯离子渗透特性以及体积稳定性的影响。结果表明,包浆静置后烘干较包浆后自然风干与包浆后标准养护的预处理方式具有最好的骨料改性效果,礁石骨料的空隙率、吸水率、压碎值以及氯离子溶出特性等均被优化。当礁石骨料以20%、40%、60%体积替代率掺入混凝土中时,包浆礁石混凝土28 d抗压强度较未包浆礁石混凝土分别提高了6.67%、15.40%、20.05%,氯离子扩散系数分别降低了6.25%、17.31%、38.10%,干燥收缩率分别降低了5.81%、17.05%、24.43%。礁石骨料经过包浆后改变了其与水泥砂浆之间的界面过渡区,进而改善了礁石混凝土的力学性能、氯离子渗透性能以及体积稳定性。

再生混凝土单轴受压下多重界面过渡区的破坏机理研究

郭嘉, 高嵩, 班顺莉, 宫尧尧, 孟书灵

2022, 41(10): 3445-3457.

摘要 ( 57 )

PDF (20451KB) ( 48 )

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为研究再生粗骨料混凝土在单轴受压荷载下的破坏特性,使用数字图像相关技术记录混凝土立方体在破坏过程中的应变变化规律,并结合显微硬度测试、背散射电子成像技术等观测手段对界面过渡区的宽度和孔隙率进行定量表征。试验结果表明,分别经骨料强化和砂浆强化后,再生混凝土的抗压强度较未处理试样提升了17.86%和35.55%,说明砂浆强化更有利于提升再生混凝土的抗压强度。骨料强化可以提升老砂浆显微硬度值,降低老骨料-老砂浆界面过渡区孔隙率;砂浆强化可以提升新砂浆显微硬度值,降低老骨料-新砂浆界面过渡区以及新-老砂浆界面过渡区的孔隙率。经强化处理后的特定界面产生贯通裂缝的概率降低。

基于压电效应的纤维高性能混凝土损伤监测研究

段燕妮, 苗远, 张继承, 杜国锋

2022, 41(10): 3458-3464.

摘要 ( 43 )

PDF (7255KB) ( 28 )

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以纤维掺量为变量制作48个混凝土试件,压电陶瓷传感器作为信号激励器和信号接收器置于混凝土试件表面。基于压电效应对玄武岩-聚丙烯纤维增强高性能混凝土(BPHPC)的损伤进行实时监测。通过对单掺、混掺纤维混凝土的压电应力波信号进行分析,得到基于小波包分析法的损伤指数(DI),并拟合出纤维掺量-荷载-DI的函数关系。结果表明:通过外观损伤状态和压电应力波信号变化定性评价试件的健康状态,纤维的掺入能够降低混凝土的外观损伤程度;单掺纤维混凝土的试件应力波信号幅值比混掺纤维混凝土试件大;玄武岩纤维体积掺量为0.15%、聚丙烯纤维体积掺量为0.10%时试件的DI最小,当DI超过0.8时,可以认为试件被完全破坏;试验数据和试验现象吻合良好,通过压电陶瓷实时监测BPHPC损伤有较高的可行性。

初始缝高比对钢纤维混凝土断裂性能的影响

杨晓华, 罗滔, 刘晓剑, 叶尔木拉提

2022, 41(10): 3465-3474.

摘要 ( 46 )

PDF (12628KB) ( 24 )

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为研究初始缝高比对钢纤维混凝土断裂性能的影响,对三种不同初始缝高比(0.1、0.2、0.3)的钢纤维混凝土开展断裂韧性试验,计算相关的断裂参数,并借助声发射(AE)和数字图像法(DIC)分析了裂缝发展过程中AE能量和全场应变的变化规律。结果表明,钢纤维混凝土的断裂韧性随初始缝高比的增大呈减小趋势,当初始缝高比为0.3时钢纤维混凝土的断裂性能大幅下降。钢纤维混凝土的断裂过程可根据AE能量划分为弹塑性阶段、裂纹稳定扩展阶段和断裂阶段,随初始缝高比增加,弹塑性阶段持续时间减少。DIC分析结果表明,在整个加载过程中,预制裂缝尖端会产生较大的应力集中,裂缝的横向应变较大。研究结果揭示了钢纤维混凝土裂缝发展机理,可为其工程应用提供理论支持。

型钢与地聚合物混凝土粘结滑移性能研究

孙航, 陈娟, 胡现岳, 胡鹏兵

2022, 41(10): 3475-3484.

摘要 ( 37 )

PDF (7631KB) ( 30 )

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为了研究型钢与地聚合物混凝土之间的粘结滑移规律,对9个型钢地聚合物混凝土柱试件进行推出试验,研究地聚合物混凝土抗压强度、型钢的保护层厚度、型钢的锚固长度以及配箍率四个参数对型钢地聚合物混凝土试件荷载-滑移曲线、破坏形态以及粘结滑移性能的影响。结果表明:试件的荷载-滑移曲线具有相同的发展趋势,可将其划分为无滑移段、荷载上升段、荷载下降段和水平残余段四个阶段;试件的破坏模式为混凝土劈裂破坏,劈裂裂缝从加载端型钢翼缘产生,并向自由端发展;随着地聚合物混凝土抗压强度、型钢的保护层厚度和配箍率的提高,试件的特征粘结强度呈上升趋势;与普通水泥型钢混凝土不同,型钢的锚固长度增大也会使试件的特征粘结强度提高。根据试验结果,建立了特征粘结强度的计算公式,提出了型钢地聚合物混凝土的粘结-滑移本构模型,采用该模型计算得到的型钢地聚合物混凝土粘结-滑移曲线与试验曲线吻合度较高。

不同酯类单体对缓释型聚羧酸减水剂分散性能及分散保持性能的影响

黄泽文, 杨海明, 谭洪波, 戚华辉, 吕周岭, 李懋高

2022, 41(10): 3485-3492.

摘要 ( 59 )

PDF (5036KB) ( 33 )

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为探究不同酯类单体对缓释型聚羧酸减水剂分散性能及分散保持性能的影响规律和作用机理,采用不同分子结构酯类单体作为改性原料制备不同缓释型聚羧酸减水剂,并通过水泥浆体经时流动度、Zeta电位、总有机碳、电导率、傅里叶红外光谱、核磁共振氢谱等测试分析其宏观分散性能及分散保持性能与微观结构的变化规律及作用机理。结果表明:采用单酯类单体(丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸甲酯)和双酯类单体(马来酸二甲酯)作为功能单体改性的缓释型聚羧酸减水剂分散保持性能较为优异,4 h时流动度相比初始流动度仍有所提升,同时相比未改性空白组,4 h 时流动度显著提升,后期分散性能更为优异。主要机理为:碱性环境下酯基在水泥浆体中缓慢水解出锚固基团羧基阴离子,发挥分散作用;不同分子结构的酯类单体位阻效应和基团电负性存在差异,导致水解速率和水解程度不同,从而使各种缓释型聚羧酸减水剂分散性能及分散保持性能存在差异。

聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石的疲劳性能研究

熊延华, 屈会朋, 阳应荣, 汪晓洪

2022, 41(10): 3493-3500.

摘要 ( 45 )

PDF (1868KB) ( 20 )

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为研究掺聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石的疲劳性能,首先根据聚乙烯醇纤维对水泥稳定碎石力学性能的影响规律,确定纤维最佳掺量和长度。基于间接拉伸疲劳试验和Weibull分布,对其疲劳寿命测试结果进行分析并建立疲劳方程。结果表明,聚乙烯醇纤维最佳掺量和长度为0.06%(质量分数)和24 mm;在最佳掺量和长度下,与未掺加纤维的水泥稳定碎石材料相比,聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石的无侧限抗压强度提高约24%,劈裂强度提高约26%;对比不掺纤维的水稳碎石材料,其疲劳寿命也呈显著优势,当水泥用量为4%(质量分数)时,掺聚乙烯醇纤维与不掺纤维水泥稳定碎石斜率b之比为0.94~0.99,截距a之比为1.06~1.23。

地质聚合物固定重金属离子的研究进展

陈帅, 王庆平, 王彦君, 吴求刚, 赵恒, 陈孝杨, 卢春阳

2022, 41(10): 3501-3510.

摘要 ( 109 )

PDF (2520KB) ( 85 )

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地质聚合物作为一种新型铝硅酸盐绿色材料,具有机械性能优异、耐久性高、原料来源广、能源消耗小和生产工艺简单等优点,被广泛应用在建筑材料、耐火材料和固定重金属离子等领域。地质聚合物固定重金属离子的机制可分为物理机制(物理包封和离子交换)和化学机制(化学键合、形成化合物和还原剂耦合)。本文综述了近年来地质聚合物在固定重金属离子领域的研究进展,简要介绍了地质聚合物的制备流程及地质聚合反应过程,重点介绍了地质聚合物固定重金属离子的机制。此外,介绍了添加剂种类和掺量、碱激发剂种类和掺量、硅铝比、养护温度和重金属离子对固定效果的影响。最后,总结了近年来地质聚合物固定重金属离子领域的研究应用进展,分析了存在的问题并对未来研究方向进行了展望。

铜尾矿建材化应用研究现状及矿物组成影响作用规律

施麟芸, 匡敬忠, 刘松柏, 鲁亚, 严峻

2022, 41(10): 3511-3524.

摘要 ( 52 )

PDF (6901KB) ( 38 )

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我国铜尾矿排放及储量巨大,造成环境污染和资源浪费。铜尾矿矿物成分复杂、颗粒粒度较细等问题限制了铜尾矿的高效高附加值利用。本文综述了铜尾矿的矿物属性、物理化学性能特征及其在建材化应用过程中的技术和控制要求,从铜尾矿用于蒸压加气混凝土、水泥基材料、水泥熟料、砖、微晶玻璃、多孔材料、充填材料等多个途径,总结了铜尾矿的主要应用方式、作用特征和主要成分的影响作用规律。为铜尾矿等固废生产型企业协同建材行业系统解决尾矿资源化问题提供参考,协同建材行业的发展方向和产品要求,提出了未来尾矿资源建材化处置的关键性问题,为真正实现尾矿的产品资源化利用提供支持。

钙基膨润土钠化工艺过程及其对矿浆黏度影响研究

苗艳晖, 赵云良, 陈立才, 高仁波, 宋少先, 张婷婷

2022, 41(10): 3525-3532.

摘要 ( 33 )

PDF (10887KB) ( 20 )

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为解决膨润土钠化过程中矿浆变黏的问题,系统研究了碳酸钠用量、矿浆浓度以及分散剂对钠化效果及矿浆黏度的影响,探讨了降低矿浆浓度和加分散剂的作用机理。结果表明:当采用降低矿浆浓度的方法时,“卡房”结构明显减少,矿浆变黏的问题得到改善,但同时会增大矿浆量,增加处理难度;当采用添加分散剂焦磷酸钠的方法时,磷酸根离子吸附在蒙脱石的正电性边缘,可以增加蒙脱石之间的排斥力,从而降低矿浆的黏度,有利于提高钠化效果。当焦磷酸钠用量为0.5%(质量分数)、矿浆浓度为5%(质量分数)、碳酸钠用量为5%(质量分数)时可制得高品质的钠基膨润土,与未钠化相比,在该条件下钠化1.5 h,得到的钠基膨润土胶质价由95 mL/15 g提高至975 mL/15 g,膨胀指数由8 mL/2 g提高至25 mL/2 g。

锰渣与再生砖骨料制备免烧砖的性能及应用

白敏, 龙广成, 谢友均, 王凡, 石莹莹, 周天阳

2022, 41(10): 3533-3541.

摘要 ( 54 )

PDF (15148KB) ( 40 )

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锰渣与再生砖骨料均属于大宗固废,提升大宗固废利用率具有重要的环境效益和经济效益。本文利用锰渣、再生砖骨料等制备了免烧砖,探究了锰渣掺量对免烧砖各项性能的影响,且对其微观结构及有害物质浸出行为进行了分析。结果表明:制备的免烧砖外观质量优良,色泽均一,尺寸标准;结合强度要求和抗冻性要求,锰渣掺量不超过10%(质量分数)时,可制备出强度、耐水性和耐久性优异的MU20免烧砖,锰渣掺量不超过15%时,可制备出性能优异的MU15免烧砖;掺适量锰渣的免烧砖中形成了较多的钙矾石相,有利于强度发展。锰渣和再生砖骨料制备的免烧砖可以应用于人行道等市政工程,应用效果良好。研究结果可为锰渣低碳资源化利用以及生态砖制品的生产和应用提供技术支持。

煤气化粗渣-矿渣基地质聚合物的制备与性能

赵利杰, 张彤, 黄伟, 苏壮飞, 刘泽

2022, 41(10): 3542-3547.

摘要 ( 32 )

PDF (6625KB) ( 27 )

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在煤气化粗渣基地质聚合物中复掺矿渣可改善其早期力学性能。本文以煤气化粗渣和矿渣为原料制备地质聚合物,系统研究了不同矿渣掺量对煤气化粗渣基地质聚合物早期力学性能及微观结构的影响。利用X射线衍射、压汞测试、扫描电镜、傅里叶红外光谱等方法对煤气化粗渣-矿渣基地质聚合物的微观结构进行分析表征。结果表明,当矿渣掺量增加时,地质聚合物抗压强度呈逐渐增大趋势。矿渣掺量为40%(质量分数)时,样品28 d抗压强度高达53.1 MPa。由微观分析可知,掺入矿渣后地质聚合物表面生成了大量水化硅铝酸钙/钠(C(N)-A-S-H)凝胶,使地质聚合物微观结构更为致密,力学性能得到改善。

流态固化土用无熟料胶凝材料的性能研究

周永祥, 刘倩, 王祖琦, 郝彤, 冷发光

2022, 41(10): 3548-3555.

摘要 ( 63 )

PDF (9856KB) ( 42 )

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流态固化土是近年来为提高市政、建筑工程狭窄空间回填质量而发展的一种新材料。本文采用钢渣粉、CFB脱硫灰、稻壳灰等多种低品质固废作为无熟料胶凝材料制备流态固化土,并对流态固化土的无侧限抗压强度、干燥收缩性能、重金属浸出性能、微观结构等开展相关试验。研究表明:采用无熟料胶凝材料制备的流态固化土,其拌合物流动扩展度和无侧限抗压强度可满足一般填筑工程的要求,硬化体的干燥收缩值明显低于同掺量的水泥固化土,且无重金属浸出毒性超标的风险;在多种固废协同作用下,土颗粒聚集成团,孔隙明显减小,絮状的凝胶与针棒状的钙矾石晶体相互交织,附着在土颗粒表面,联结土颗粒,使得固化土的强度显著提高。

硫酸盐浸泡环境下CaO-Na₂CO₃激发矿渣砂浆性能退化及机理研究

梁咏宁, 陈李全, 张迎, 林旭健, 季韬

2022, 41(10): 3556-3566.

摘要 ( 43 )

PDF (14760KB) ( 35 )

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以Na₂SO₄和MgSO₄溶液为侵蚀介质,研究了在浸泡环境下CaO-Na₂CO₃激发矿渣(CNS)砂浆和普通硅酸盐水泥(OPC)砂浆经硫酸盐侵蚀前后的抗折强度、抗压强度及不同深度处的SO^2-₄浓度,结合X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、压汞法(MIP)等测试方法分析了CNS砂浆和OPC砂浆的侵蚀产物及孔结构,对比讨论了Na₂SO₄和MgSO₄对CNS砂浆和OPC砂浆的侵蚀机理。结果表明:CNS砂浆的水化产物主要是低Ca/Si比的水化硅铝酸钙(C-A-S-H),不存在氢氧化钙,碳酸钙的填充作用使其孔结构优于OPC砂浆,并且在相同侵蚀环境下,CNS砂浆的抗硫酸盐侵蚀能力大于OPC砂浆;MgSO₄侵蚀环境下CNS砂浆的侵蚀产物主要是水镁石(腐蚀后期会带动试件表面的砂浆一起剥落)和无黏聚力的水化硅铝酸镁(M-A-S-H);与Na₂SO₄相比,MgSO₄对CNS砂浆的腐蚀性更强。

矿渣基轻质多孔地质聚合物的制备与孔结构研究

朱泽天, 葛雪祥, 樊传刚, 张卫鹏, 牛茂祥, 李圣军, 华磊

2022, 41(10): 3567-3577.

摘要 ( 51 )

PDF (16335KB) ( 37 )

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以矿渣微粉为主要原料,硅酸钠和氢氧化钠混合溶液为碱性激发剂,铝粉为发泡剂,制备地质聚合物基轻质多孔材料,系统研究了发泡剂、水灰比以及萘系减水剂对材料孔结构与物理性能的影响。结果表明,Al粉在碱性激发剂作用下快速反应生成H₂,促使地质聚合物浆体泡沫化形成多孔材料,且材料的干密度和抗压强度随Al粉掺量的增加迅速降低。当Al粉掺量超过0.40%(质量分数,下同),泡孔急剧增大,导致泡孔聚并,强度显著降低。提升水灰比可降低泡孔生长阻力,促使密度快速减小。但水灰比＞0.40后,浆体黏度和激发剂浓度显著降低,凝结时间延长,孔径增大,结构劣化,其最优水灰比为0.35。此外,萘系减水剂可有效调节多孔地质聚合物的孔结构,仅添加0.4%的萘系减水剂即可促使孔径分布均一,孔壁完整性提升,试样抗压强度提升。

碱激发矿渣/粉煤灰净浆/砂浆力学性能研究

庄培镇, 马玉玮, 罗甜恬, 刘卫森, 傅继阳

2022, 41(10): 3578-3589.

摘要 ( 97 )

PDF (8351KB) ( 50 )

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开展碱激发材料力学性能的研究有利于促进其在实际工程中的应用。本文研究了矿渣掺量及细骨料掺量对碱激发净浆/砂浆抗压强度、弹性模量及应力-应变曲线的影响。结果表明:矿渣的掺入能够显著提高碱激发净浆/砂浆的抗压强度和弹性模量;细骨料掺量增多会降低抗压强度,但会提高弹性模量。净浆28 d弹性模量在12.83~19.53 GPa,砂浆28 d弹性模量在18.72~23.10 GPa。细骨料掺量为40%(质量分数)时,砂浆峰值应力和峰值应变出现明显下降,弹性模量变大。采用分段式方程对碱激发矿渣/粉煤灰净浆/砂浆的应力-应变曲线进行拟合,拟合曲线与实测曲线吻合良好。拟合结果表明碱激发净浆/砂浆应力-应变下降段曲线随矿渣掺量与龄期增加而变陡,反映材料脆性增强,与上升段曲线规律一致。

复掺矿物掺合料对氯氧镁水泥耐水性能的影响

翟健梁, 赖淏, 毛楠, 田桂成, 王昊宇, 郭豪彦, 熊锐

2022, 41(10): 3590-3598.

摘要 ( 55 )

PDF (6021KB) ( 31 )

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为了更好地促进氯氧镁水泥(MOC)的工程化应用,研究了原料配比、单掺不同磷酸盐改性剂、复掺磷酸与矿物掺合料改性剂对MOC耐水性能的影响。采用抗折强度、抗压强度(力学性能),变异系数(强度随改性剂掺量变化的稳定性),耐水系数(耐水性能)综合评价了改性剂对MOC耐水性能的改善效果,并结合扫描电子显微镜分析耐水性能改善机理。结果表明:当原料摩尔比n(MgO):n(MgCl₂):n(H₂O)=7:1:15,且1.0%磷酸和60%硅灰(占MgO的质量分数)复掺时,MOC的耐水性能改善效果最佳,改性后MOC的耐水系数在1.1以上;微集料填充效应、火山灰效应、强度相(P5)稳定性的增强效应共同提升了MOC的耐水性能。

基于Box-Behnken响应面法优化无水磷石膏疏水改性工艺

刘浩, 聂晨晨, 李宏萍, 周俊, 杨兰文, 谢贵明

2022, 41(10): 3599-3607.

摘要 ( 43 )

PDF (6108KB) ( 21 )

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磷石膏(PG)是磷酸湿法工艺中产生的固体废渣,大量堆存造成环境污染。PG经球磨和煅烧处理得到的无水磷石膏(APG)再经表面疏水改性后可用作高分子材料的填料,在材料中起到增韧、增强作用,提高材料的综合力学性能,成为PG资源化利用的一种有效途径。以APG为主要原料,以活化指数为响应值,通过单因素试验和响应面法对APG疏水改性工艺条件进行优化。结果表明,响应曲面建立的数学模型拟合度较高,NaOH浓度、KH570添加量和反应时间3个因素对活化指数均有显著影响,其中KH570添加量是影响改性效果的主要因素。APG最优疏水改性条件为:NaOH浓度2.6 mol/L,KH570添加量3.10 g,反应时间149 min。最优条件下改性APG的活化指数为0.968 9,接触角为84.51°。

单轴受压地质聚合物再生混凝土损伤特性及本构模型研究

张逸超, 陈星伊, 陈旭升, 周静海, 王飞, 王庆贺

2022, 41(10): 3608-3614.

摘要 ( 32 )

PDF (2094KB) ( 22 )

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建筑固体废弃物与工业固体废弃物的协同、高效处置对固体废弃物的综合利用有着重要意义。本文采用CT扫描技术与数字体相关法,对单轴受压地质聚合物再生混凝土的损伤演化特性进行分析,并以此建立单轴受压地质聚合物再生混凝土损伤本构模型。研究结果表明,地质聚合物再生混凝土内部非均匀应变场的产生是其发生破坏的主要原因,考虑数值特征和空间特征的损伤因子与应变呈5次函数关系,基于应变等效原理建立的损伤本构模型可以较好地表征在荷载作用下的应力-应变关系。本研究可以为地质聚合物再生混凝土在工程上的应用提供理论基础和技术支撑,同时为再生混凝土的力学损伤研究提供新方法。

再生骨料特征参数对混凝土强度的影响

秦拥军, 渠长伟, 罗玲, 田盼盼, 陈洁静

2022, 41(10): 3615-3623.

摘要 ( 41 )

PDF (11414KB) ( 25 )

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再生骨料(RCA)对混凝土的性能影响极大,了解RCA对混凝土性能的影响,对提高RCA的利用效率,降低建筑行业碳排放并响应国家“双碳”政策至关重要。本文借助CT扫描技术获取了四组不同RCA替代率下掺锂渣再生混凝土的骨料特征图像,运用数字图像处理方法获得了RCA的形状系数(SF)、棱角度(AN)、棱角与表面纹理(AT)指数及三维球体度(SP),分析了它们的分布规律及特点,并通过灰色关联分析方法建立了骨料特征参数与抗压强度的联系。结果表明:RCA具有较高的不规则性,由于骨料残留的砂浆量不同,其表面呈现粗糙且多棱角的特点;四个骨料特征参数均表现出较高的灰色关联度,其中SP关联性最大,达到0.942;在合理的骨料混合比例下,试验样品可以满足C30混凝土强度的要求,且在30%(质量分数)RCA替代率下力学性能最优。

二氧化硅气凝胶纳米网络骨架强化方法研究进展

孙强, 冯军宗, 姜勇刚, 李良军, 冯坚

2022, 41(10): 3624-3633.

摘要 ( 49 )

PDF (7105KB) ( 49 )

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二氧化硅气凝胶是一种具有高孔隙率、高比表面积、低热导率等诸多优异特性的纳米多孔材料,在航天、化工、建筑等众多领域有着广阔的应用前景。但是,二氧化硅气凝胶的网络骨架存在本征陶瓷脆性,限制了其实际应用。本文从气凝胶纳米颗粒颈部强化设计角度出发,介绍了液相强化法和气相强化法两类网络骨架强化策略的研究进展,并对以上两种强化策略的增强机理进行了阐释,最后对二氧化硅气凝胶网络骨架强化技术的发展方向提出了展望。

低成本多孔非对称陶瓷过滤膜的制备与性能研究进展

马娟, 程从密, 刘琪, 牛艳飞

2022, 41(10): 3634-3646.

摘要 ( 39 )

PDF (10975KB) ( 43 )

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陶瓷膜因具有机械强度高、耐高温、化学稳定性好、孔径分布可控、再生性能好和环境友好等诸多优势而被应用于众多行业。然而,其生产成本较高导致市场占有率低。此外,陶瓷膜还面临高渗透性和高选择性不能兼备的难题,这限制了其大规模应用。本文综述了采用廉价原料、添加烧结助剂和优化制备工艺来降低非对称陶瓷膜生产成本以及提高其性能方面的研究,分析了相关措施对陶瓷膜的利弊,并展望了陶瓷膜未来的发展方向和应用前景。

镧掺杂PMN-PT陶瓷在准同型相界处的相组成调控

包国翠, 李坤, 杨光, 崔佳宁, 施东良, 林国豪, 方必军

2022, 41(10): 3647-3657.

摘要 ( 36 )

PDF (10186KB) ( 47 )

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采用两步预烧工艺制备Pb_{0.962 5}La_0.025(Mg_1/3Nb_2/3)_1-zTi_zO₃(z=0.28、0.29、0.30、0.31)陶瓷,其准同型相界(MPB)的化学组成位于PbTiO₃含量为0.29 mol和0.30 mol附近。选取准同型相界两侧的化学组成,制备四方晶相Pb(Mg_1/3Nb_2/3)_0.66Ti_0.34O₃和三方晶相Pb_1-1.5xLa_x(Mg_1/3Nb_2/3)_1-yTi_yO₃(x=0.083 3~0.041 7,y=0.206 7~0.273 3)陶瓷粉体。将两种晶相粉体按照设计比例(三方晶相摩尔分数w=0.3、0.4、0.5、0.6)混合,干压成型,烧结成化学组成相同、晶相占比不同的Pb_{0.962 5}La_0.025(Mg_1/3Nb_2/3)_0.70Ti_0.30O₃陶瓷。研究了晶相组成对陶瓷压电性能、介电性能、铁电性能的影响。结果表明,高温烧结后,陶瓷中的三方晶相和四方晶相占比与配料比基本一致。当w=0.5时,1 250 ℃烧结陶瓷中三方晶相与四方晶相含量占比分别为0.47、0.53,晶粒平均尺寸为(5.24±0.23) μm,相对密度为96.76%。陶瓷的压电应变常数d₃₃、径向机电转换系数k_p、厚度机电转换系数k_t、相对介电常数ε_r、剩余极化强度P_r和场致应变系数S(1 Hz、3.5 kV/mm)分别为1 014 pC/N、0.67、0.64、10 955、24 μC/cm²和0.21%。该方法可人为调控化学组成位于准同型相界的陶瓷的晶相占比。

多孔SiC陶瓷/石蜡复合相变材料定型封装及热性能研究

徐照芸, 罗团生, 马登杰, 海万秀, 何思霖

2022, 41(10): 3658-3666.

摘要 ( 38 )

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以微米级SiC粉为原料,采用冷冻干燥工艺制备具有连贯层状孔结构的SiC陶瓷。以多孔SiC陶瓷为基体,石蜡为相变芯材,通过真空浸渍法制备多孔SiC陶瓷/石蜡复合相变材料,研究了石蜡在层状多孔SiC陶瓷内的浸渗行为及复合材料的储热性能。结果表明,层片状多孔SiC陶瓷的显微形貌对石蜡的浸渗过程及储热性能有明显影响。当石蜡负载量为21.7%(质量分数)时,复合相变材料熔融温度为59.6 ℃,凝固温度为53.9 ℃,相变潜热为28.4 J/g,室温下的热导率为2.4 W·(m·K)^-1。复合相变材料吸热峰和放热峰强度随着石蜡负载量减少而降低,当温度为200 ℃时,多孔SiC陶瓷/石蜡复合相变材料失重为5%(质量分数),表明材料具有良好的热稳定性。复合相变材料在100 ℃热处理30 min后陶瓷基体未发生形变,经100次热循环后具有稳定的相变潜热和良好的定型能力。

硅酸钠模数对SiO₂气凝胶结构和表面改性机制的影响

徐静, 赵永奇, 徐成强, 窦金孝, 赵小蕙, 余江龙

2022, 41(10): 3667-3674.

摘要 ( 38 )

PDF (4826KB) ( 21 )

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以粉煤灰为原料制备五种不同浓度的硅酸钠溶液,采用溶胶-凝胶法对硅酸钠溶液进行处理,在常压干燥条件下获得了疏水性SiO₂气凝胶。通过测试气凝胶的密度、比表面积和接触角,研究了硅酸钠溶液模数m对气凝胶结构的影响,阐述了气凝胶表面疏水改性的亲核取代S_N1化学反应机制。研究结果表明,气凝胶的疏水性能与其表面连接的硅甲基—Si—(CH₃)₃数目有直接关系,当硅酸钠模数m=2.50时,气凝胶的疏水性能最佳。气凝胶的密度和比表面积均随硅酸钠模数的增大而增大,当硅酸钠模数m=0.75时,气凝胶的密度和比表面积最小,其值分别为0.073 9 g/cm³和588.5 m²/g。

微波烧结陶瓷结合剂金刚石砂轮研究

张於亮, 汪振华, 姜志嵩, 张铁

2022, 41(10): 3675-3679.

摘要 ( 32 )

PDF (5805KB) ( 23 )

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为了提高陶瓷结合剂金刚石砂轮的性能,采用微波烧结技术,通过一系列试验,分析了陶瓷结合剂金刚石砂轮的微波烧结温度、陶瓷结合剂含量和金刚石磨料粒度对其性能的影响。结果表明:微波烧结温度是影响陶瓷结合剂金刚石砂轮性能的最主要因素,远超其余二者;陶瓷结合剂金刚石砂轮试样的洛氏硬度和抗弯强度在740 ℃时达到极大值且气孔率较小,此时洛氏硬度为66 HRB,抗弯强度为76.5 MPa,气孔率为17.8%;由微观组织观察可知陶瓷结合剂金刚石砂轮在740 ℃时可以实现陶瓷结合剂对金刚石磨料的均匀包裹,并且气孔较少。

激光改性玄武岩纤维性能研究

刘静, 孟鹏

2022, 41(10): 3680-3691.

摘要 ( 36 )

PDF (10296KB) ( 29 )

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采用高能激光束对玄武岩纤维进行表面改性,并制备玄武岩纤维/环氧树脂复合材料。利用扫描电镜、原子力显微镜、X射线衍射等手段,表征改性前后玄武岩纤维的微观形态、物相结构,系统研究了激光对纤维的微观组织变化、性能等影响规律,并测试了玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的力学性能。研究结果表明,随着激光功率的增加,玄武岩纤维表面缺陷深度和缺陷面积增加。当激光功率由0 W提高至120 W时,表面缺陷最大深度由9 nm增加至180 nm,表面缺陷的分布范围由3.5~6.5 nm增加至90~120 nm,表面粗糙度由1.41 nm增加至24.70 nm。激光改性后,玄武岩纤维单丝拉伸性能降低,由于激光对纤维的辐射作用,玄武岩纤维的表面缺陷深度与拉伸强度的关系不符合经典理论。激光改性前后,玄武岩纤维XRD谱峰位基本一致,表面所含元素的种类没有发生变化。激光改性使玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的力学性能有所改善,随着激光功率的增加,复合材料的拉伸强度和冲击强度呈先升高后降低的趋势。

不同冲击条件下微晶玻璃涂层冲蚀应力的有限元模拟

周黎明, 张智银, 刘建豪, 李延博, 柳炳琦, 龚伟

2022, 41(10): 3692-3698.

摘要 ( 37 )

PDF (3877KB) ( 49 )

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材料表面应力状态对材料的冲蚀磨损行为起着重要作用。本文利用有限元方法探讨了冲蚀角度、冲蚀速度、磨料粒径对微晶玻璃涂层冲蚀应力的影响,利用常温冲蚀试验机对微晶玻璃涂层在不同冲蚀角度下的体积磨损率进行了测定。结果表明,随冲蚀角度、冲蚀速度、磨料粒径增大,涂层的冲蚀应力均逐渐增大。在相同的冲蚀角度和冲蚀速度条件下,磨料粒径对涂层冲蚀应力的提升效果显著。微晶玻璃涂层冲蚀磨损率随冲蚀角度的增大而增加,其变化规律与冲蚀应力变化趋势基本一致,从而验证了有限元应力模拟的可靠性。

高稳定性SrF₂-Na₂O-Fe₂O₃-P₂O₅体系氟磷酸盐玻璃的制备与表征

李秀英, 陶歆月, 肖卓豪, 贺一峰, 李朝圆, 夏莹, 孔令兵

2022, 41(10): 3699-3707.

摘要 ( 39 )

PDF (4810KB) ( 22 )

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⁹⁰SrF₂和高Na₂O、Fe₂O₃、P₂O₅含量的废物是两大类核电废物,将两者联合固化可获得以SrF₂、Na₂O、Fe₂O₃和P₂O₅为主要组成的玻璃固化体。本文采用X-射线荧光光谱仪、X-射线衍射仪、红外光谱仪、热膨胀仪、差热分析仪等研究了各样品的玻璃形成能力、实际组成、结构及热稳定性;采用溶解速率法和产品一致性测试方法研究了样品的耐水性。结果表明:1 000 ℃熔融保温0.5 h制得的玻璃中Sr损失较小而F质量损失达30%~34%;随着P₂O₅/SrF₂摩尔比的降低,玻璃的热稳定性急剧降低,而耐水性却有明显的改善;具有焦磷酸盐玻璃结构的样品稳定性好,其中SrF₂为30%(摩尔分数)的玻璃既具有高耐水性又具有较高的热稳定性。

四硼酸钠改性水玻璃制备保温材料及其性能研究

冯静霞, 赵恒泽, 齐艺裴, 桑明明, 李晔

2022, 41(10): 3708-3716.

摘要 ( 39 )

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单一水玻璃发泡制备得到的保温材料具有不燃、质轻及导热系数低的优点,但耐水性较差制约了其实际应用。本文利用四硼酸钠改性水玻璃,采用低温烧结的方式制备得到保温材料。通过对该材料化学结构和物理性能的表征及离子浸出试验,研究四硼酸钠对材料性能的影响效果。结果表明:四硼酸钠能够有效降低材料中—OH的数量,并使Si—O结构更加复杂,从而提高材料的耐水性。当四硼酸钠的添加量为1%(质量分数,下同)时,其对材料中钠离子及硅酸根离子浸出的抑制效果最显著,两者的离子浓度分别降低65.33%和45.02%。当四硼酸钠的添加量为3%时,材料的软化系数可提高84.6%,其抗压强度、导热系数和表观密度分别为0.46 MPa、0.046 W/(m·K)和123.1 kg/m³。

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