修建得, 金祖权, 李宁, 侯保荣

2023, 42(3): 771-785.

摘要 ( 230 )

PDF (8870KB) ( 207 )

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氯离子传输是影响海洋工程钢筋混凝土服役寿命的关键因素。海洋大气中的氯离子可导致钢筋严重锈蚀,使混凝土结构的承载力降低和耐久性退化,严重威胁海洋工程钢筋混凝土结构的服役安全。但盐雾环境下的氯离子在混凝土中的传输机制极为复杂,呈多因素特征,需精确的盐雾试验来研究,并需要针对性更强的模型来描述其传输行为。鉴于此,本文对国内外盐雾环境下混凝土中氯离子传输的研究现状进行了系统综述,总结了海洋盐雾环境下探究混凝土中氯离子侵蚀的试验方法,讨论了影响氯离子传输的因素,归纳了氯离子传输模型,为海洋大气环境下钢筋混凝土结构的工程实践及科学研究提供借鉴和参考。

紫外预处理对硅酸盐水泥浆体早期碳化性能的影响

施晓晨, 水中和, 李浩源, 肖勋光, 孙涛, 王雷冲

2023, 42(3): 786-792.

摘要 ( 144 )

PDF (3874KB) ( 128 )

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预处理是碳化养护制度中的关键步骤,对水泥浆体碳化非常关键。在本文中,通过紫外线照射的方式对拟碳化养护的水泥试件进行预处理,并与标养预处理对比,测试并分析了硅酸盐水泥浆体的碳化深度、抗压强度、CO₂吸收量及水化产物结构形态变化。结果表明,在相同时间内,水泥试件经过紫外预处理后的质量损失是标养预处理的5.3倍,而在加速碳化后其碳化深度较标养预处理提高了2.4倍,碳化反应后其质量增加4.5倍,早期强度提高了18.9%,CO₂吸收量提高了0.25%。紫外预处理增加了碳化水泥试件高聚合度硅胶(Q³+Q⁴)的含量。因此,紫外预处理可明显加快试件失水和脱钙进程,对水泥试件碳化过程具有显著的增强作用。

硼砂与蔗糖对磷酸钾镁水泥性能的影响及作用机制

肖家发, 赵志远, 陈衡, 侯鹏坤, 盛春亮, 黄广臣

2023, 42(3): 793-801.

摘要 ( 143 )

PDF (12034KB) ( 117 )

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在保证凝结时间可控前提下,提高磷酸钾镁水泥早期强度是其工程应用的关键。本研究以硼砂、蔗糖为缓凝组分调控磷酸钾镁水泥水化和硬化过程。结果表明,与凝结时间相同的单掺硼砂、单掺蔗糖组相比,二者复掺(硼砂、蔗糖分别占MgO质量的1.5%、6.0%)的磷酸钾镁水泥水化第二放热峰明显延迟,但放热速率、总放热量均增大,水化产物MgKPO₄·6H₂O生成量增多,3 h强度提高104.1%,且后期强度与单掺硼砂组样品相当。

早期水热养护对铝酸钙水泥结构稳定性的影响

周剑峰, 杨涛, 张菁燕, 周文平, 高璇

2023, 42(3): 802-807.

摘要 ( 125 )

PDF (10048KB) ( 72 )

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稠油热采常使用具有早强和耐高温特性的铝酸钙特种水泥完成固井作业,为保证固井安全和采油效率,需明确早期水热养护对水泥硬化体结构稳定性的影响。本文研究了20、50、80 ℃下水泥的强度发展、矿物相组成和微观结构。结果表明,水热养护过程中铝酸钙水泥中的钙铝黄长石、CAH₁₀和C₂AH₈等主要矿物相逐步转变为胶结性差的颗粒状水榴石,导致硬化体结构疏松多孔,进而引发硬化体抗压强度衰退。掺入粉煤灰和矿渣无法有效抑制晶型转变和结构破坏,但六偏磷酸钠改性可使矿物相保持结构稳定性,六偏磷酸钠溶出的Na⁺、HPO^-₄与铝酸钙水泥溶出的Ca²⁺、[AlO₄]^5-反应生成水化磷铝酸钠钙(N-C-A-P-H)凝胶相产物,进一步提高了硬化体的致密度和胶结特性。

SMAF/PVA混杂纤维增强水泥基复合材料梁自复位与耗能性能试验研究

向吉朝, 杨曌, 熊浩, 汪裕章

2023, 42(3): 808-815.

摘要 ( 184 )

PDF (7389KB) ( 95 )

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在聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基复合材料(ECC)中掺入超弹性形状记忆合金纤维(SMAF),可形成具备良好自复位及耗能性能的新型SMAF-ECC。通过三点弯曲循环加载试验,研究了不同SMAF端头形状和直径下SMAF-ECC梁的自复位和耗能性能。结果表明:增大SMAF直径可有效提高复合梁耗能能力,但对自复位性能影响较小,试验中不同纤维直径造成的挠度自恢复率差异仅为5%;SMAF端头形状对试件自复位及耗能性能影响显著;打结形端头SMAF锚固性能最佳,卸载后试件主裂缝宽度显著减小,挠度自恢复率达到70%以上,试验曲线具有明显的旗帜形耗能特性。

循环拉伸下形状记忆合金纤维增强ECC的闭缝性能研究

刘宇, 杨曌, 邓鑫, 熊浩

2023, 42(3): 816-826.

摘要 ( 114 )

PDF (11318KB) ( 67 )

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将不同掺量和不同直径的形状记忆合金(SMA)纤维埋入工程水泥基复合材料(ECC)制得形状记忆合金纤维增强工程水泥基复合材料(SMAF-ECC),通过单轴循环拉伸试验研究SMA纤维直径和纤维掺量对SMAF-ECC试件拉伸应力-应变关系、残余应变、裂缝宽度和裂缝恢复率的影响。结果表明:打结形SMA纤维的加入提高了ECC的极限应变和极限抗拉强度;提高纤维掺量可有效提高SMAF-ECC试件的应变和裂缝恢复率,试验所得试件的最大应变恢复率和裂缝恢复率分别达到69%和77%;纤维直径在一定范围内增长,可以提高应变和裂缝恢复率,纤维直径过小会导致恢复率减小。研究成果为新型SMAF-ECC试件的推广应用提供了理论依据。

CSH-蒙脱石界面能对水泥固化蒙脱土抗压强度的影响

葛津宇, 韦华, 徐菲, 韩雪松, 朱鹏飞, 肖怀前, 李怀森

2023, 42(3): 827-836.

摘要 ( 116 )

PDF (12280KB) ( 80 )

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为探明水化硅酸钙(CSH)凝胶-蒙脱石界面能对水泥固化蒙脱土无侧限抗压强度的影响,通过分子动力学模拟方法对蒙脱石和CSH结合界面区能量进行定量计算,并结合灰色关联度分析和X射线衍射(XRD)表征,讨论模型的正确性和偏差来源。研究表明:CSH-蒙脱石界面能由范德华力、氢键能与静电作用组成;CSH-蒙脱石界面能与水泥固化蒙脱土无侧限抗压强度具有较好的相关性,界面能随着水分子数增加而降低,随着蒙脱石层数增多而先减小后增大;通过调整水胶比及胶土比可使CSH-蒙脱石界面处斥力达到最大或引力达到最小,进而控制水泥固化蒙脱土无侧限抗压强度性能达到最优。

冻融循环后PVA-ECC拉伸性能衰减规律研究

高秀梅, 刘曙光, 闫敏

2023, 42(3): 837-844.

摘要 ( 117 )

PDF (5726KB) ( 71 )

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为研究聚乙烯醇纤维水泥基复合材料(PVA-ECC)冻融后的拉伸性能,分别对PVA-ECC试件冻融0、25、50、75、100、125、150次后进行拉伸试验,通过试件表面特征和拉伸特征参数综合评价PVA-ECC冻融后的拉伸性能,并采用向量自回归滑动平均(VARMA)模型探索冻融循环后拉伸特征参数之间的规律。结果表明,冻融循环试验后,试件均出现不同程度的损伤,损伤程度随冻融循环次数增加逐渐增大。初裂强度与抗拉强度随冻融循环次数的增加逐渐降低,拉伸应变与应变能随冻融循环次数的增加呈先升高后降低的趋势。基于试验数据建立了拉伸特征参数的关系式,进一步揭示了冻融循环后拉伸特征参数的衰减规律。

不同环境下碳铝酸钙的稳定性研究

余海燕, 徐晴, 王英翔, 董德宇

2023, 42(3): 845-853.

摘要 ( 129 )

PDF (7979KB) ( 71 )

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氯离子引发的钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土耐久性的重要因素之一,化学固结法是从根本上解决氯离子对钢筋混凝土结构侵蚀作用的主要方法。通过X射线衍射分析、热重分析、扫描电子显微镜和化学分析对不同环境下碳铝酸钙的稳定性进行研究。结果表明,碳铝酸钙呈六方片状,在低于120 ℃时具有良好的热稳定性,在氯盐和硫酸盐溶液中很不稳定,碳铝酸钙中的CO^2-₃容易被Cl^-和SO^2-₄取代生成Friedel’s盐和钙矾石。碳铝酸钙在酸性环境中不稳定,会与酸发生化学反应,在pH≥11的碱性环境中可以稳定存在。

不同硅质原料水热合成水化硅酸钙物相及其反应效率的研究

刘志, 任子杰, 高惠民, 王康, 宋昱晗, 管俊芳

2023, 42(3): 854-860.

摘要 ( 125 )

PDF (4498KB) ( 81 )

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为探究不同硅质原料对水热合成水化硅酸钙物相的影响,研究了温度和硅钙比对产物的影响。采用X射线衍射(XRD)分析了水化硅酸钙物相,并探究了不同硅质原料与Ca(OH)₂的反应效率。结果表明,不同硅质原料与Ca(OH)₂的反应效率由高到低依次为硅藻土、石英、珍珠岩;在硅藻土-石灰体系中,硅藻土中非晶态二氧化硅的Si—O更易被破坏,具有不稳定性,致使硅藻土反应效率更高。在石英-石灰体系中,随着钙硅比的提高,空气中的CO₂参与反应,生成碳硅钙石与片柱钙石,且托贝莫来石与硬硅钙石会逐渐消失,通过合理调控硅钙比和水热温度可有效地控制反应产物,这对于不同硅质原料的选择、水热合成水化硅酸钙中产物的控制及水热合成水化硅酸钙应用领域具有重大意义。

HPMC及硼砂对新型防漏高强注浆料性能及微观结构的影响

陈新明, 张浩文, 焦华喆, 杨柳华, 荣阳阳

2023, 42(3): 861-870.

摘要 ( 102 )

PDF (14335KB) ( 75 )

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与传统注浆料相比,防漏高强注浆料具有防漏和高强两大特性,但其过快的凝结速度严重影响施工质量。为了解决凝结速度过快以及泌水问题,研究了羟丙基甲基纤维素(HPMC)和硼砂对防漏高强注浆料凝结温度、凝结时间、保水率、抗折强度和抗压强度的影响。结果表明:当HPMC掺量在0.20%~0.30%(以下掺量均为质量分数)时,硼砂掺量的增加会导致最高凝结温度上升以及恒温时间缩短;掺入HPMC不仅可以提高浆料的保水率,且对注浆料具有一定的缓凝效果,与硼砂同时使用时能增强注浆料的缓凝效果;随着硼砂掺量的增加,浆液结石体的抗折强度和抗压强度呈先增大后减小的变化趋势, HPMC可以减弱硼砂对浆液结石体强度的影响,但是,随着HPMC掺量的增加,浆液结石体强度逐渐降低。当硼砂掺量为0.07%、HPMC掺量为0.25%时,防漏高强注浆料能够在保证良好力学性能条件下获得更好的工作性能,此时,初凝时间达到1 h以上,3 d抗压强度达到36.58 MPa。增加HPMC掺量会导致钙矾石(AFt)晶体由柱状向针状转变,片状单硫型水化硫铝酸钙(AFm)逐渐减少,使结构松散,硼砂掺量为0.07%、HPMC掺量为0.25%时,AFt晶体呈柱状且分布均匀,相互之间具有较多的搭接点,结构更为致密。

氧化镁膨胀剂对UHPC浆体早期孔结构演变的影响

张占强, 陈平, 李顺凯, 明阳, 刘荣进, 李航, 赵欢

2023, 42(3): 871-877.

摘要 ( 162 )

PDF (7730KB) ( 87 )

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氧化镁膨胀剂(MEA)是一种性能优异的外加剂,可以补偿大体积混凝土收缩。本文采用压汞法(MIP)测试了不同活性水平的MEA对超高性能混凝土(UHPC)浆体1～7 d龄期孔结构演变的影响,并借助SEM及EDS对孔结构演变机理进行了分析。结果表明:颗粒粒径较小的高活性MEA更有利于丰富UHPC的粒径分布,实现基体最紧密堆积;不同活性的MEA均会增加1 d龄期UHPC浆体的孔隙率,但3 d以后各龄期浆体的孔隙率随MEA的掺入而降低,活性越高降低越明显;高活性MEA更有利于细化UHPC浆体3～67 nm的孔径;使用孔隙率及孔结构评价UHPC自收缩应考虑不同龄期的影响;MEA活性越高,水化生成的Mg(OH)₂晶体更多,有助于减小孔隙率并优化孔径;使用内掺法会增加硅灰的相对含量,增强硅灰的种子效应和火山灰效应,降低UHPC基体的最终孔隙率。

搅拌程序对高性能混凝土泵送性能的影响

申文凯, 元强, 纪友红, 曾荣, 李巍, 李富民, 史才军

2023, 42(3): 878-887.

摘要 ( 146 )

PDF (6148KB) ( 109 )

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本文研究了不同搅拌时间(120、210、300 s)和减水剂加入方式(先掺和后掺)对高性能混凝土(HPC)流变性能、压力泌水率、润滑层特性的影响规律,并分析了搅拌程序对HPC泵送性能的影响。结果表明:合理延长搅拌时间和后掺减水剂的方法均增加了HPC的流动性;高浆骨比增加了HPC达到最佳流动状态所需的搅拌时间;在一定范围内,增加搅拌时间降低了HPC的泵送阻力,但同时也增加了压力泌水率,降低了泵送过程中HPC的稳定性,增加了堵管风险;在不同搅拌程序下,HPC润滑层黏度系数变化和140 s泌水量变化与泵送阻力之间具有较好的相关性,可作为评价HPC泵送性能的有效指标。

不同MB值机制砂混凝土的性能和微观孔隙结构

葛成龙, 周海龙, 陈岩, 吕志刚

2023, 42(3): 888-897.

摘要 ( 114 )

PDF (4151KB) ( 74 )

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通过控制泥粉的含量测出不同亚甲蓝(MB)值,研究不同MB值对机制砂混凝土力学性能的影响规律,并分析孔隙结构特征与力学性能的关系,引入灰色关联熵,建立机制砂混凝土孔隙结构和孔径类别对抗压强度的关系模型。结果表明,机制砂混凝土的工作性能随MB值增加逐渐变差。机制砂混凝土的抗压强度与劈裂抗拉强度随MB值增加均呈先增大后减小趋势,28 d龄期MB值为1.10时强度最大,此时机制砂混凝土的T₂谱面积、孔隙度、束缚流体饱和度与100 nm以上有害孔占比均达最小值。自由流体饱和度与100 nm以下有害孔占比呈先增大后减小趋势,在MB值为1.10时达最大值,随后占比随MB值增大而减小,MB值为2.00时达最小值。通过引入灰熵关联度得出束缚流体饱和度和无害孔对抗压强度的关联度最大,并在此基础上建立GM(1,3)模型,7和28 d龄期的模型预测值和试验值的平均相对误差分别为0.47%和0.26%。

弯曲应力作用下不同钢筋种类和保护层厚度珊瑚混凝土的钢筋锈蚀研究

邓潇, 吴庆

2023, 42(3): 898-907.

摘要 ( 74 )

PDF (7845KB) ( 67 )

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通过自制设备对珊瑚混凝土构件进行弯曲应力加载试验,研究弯曲应力对珊瑚混凝土中不同保护层厚度下不同种类钢筋锈蚀的影响程度。通过ABAQUS有限元分析软件模拟钢筋珊瑚混凝土构件模型在弯曲应力作用下的应力大小和受力状态,并采用极化曲线、电化学阻抗谱分析对比分析不同种类钢筋在弯曲应力作用下的锈蚀情况。结果表明:自制设备可以较好地模拟弯曲应力和海洋环境耦合作用下的钢筋锈蚀情况;钢筋的耐腐蚀性能会随着弯曲应力的增大而降低;在一定保护层厚度范围(0～30 mm),增大弯曲应力对钢筋锈蚀的影响显著,但当保护层增大到一定程度(50 mm)时,增大弯曲应力对钢筋锈蚀的影响逐渐变小;弯曲应力对钢筋的影响程度由强到弱依次为HPB400钢筋、镀锌钢筋、304不锈钢钢筋。

玄武岩纤维陶粒混凝土抗裂性能与热工性能试验研究

朱振中, 刘元珍, 王文婧, 王鲜星, 段鹏飞

2023, 42(3): 908-916.

摘要 ( 97 )

PDF (8062KB) ( 94 )

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抗裂性能和热工性能是陶粒轻骨料混凝土应用于建筑围护墙板的重要性能。为研究陶粒预湿时间与玄武岩纤维体积掺量对玄武岩纤维陶粒混凝土抗裂性能与热工性能的影响,本文开展了玄武岩纤维陶粒混凝土轴心抗压强度、弹性模量及导热系数试验,并以弹强比和导热系数为指标对其抗裂性能和热工性能进行评价。结果表明:陶粒预湿和外掺玄武岩纤维均会增大混凝土的导热系数,但热工性能仍满足公共建筑外墙用陶粒混凝土的规范要求;当玄武岩纤维体积掺量为0.2%、陶粒预湿时间为72 h时,混凝土试件的导热系数为0.100 2 W/(m·K),弹强比为1 109,在满足热工性能要求的同时,其抗裂性能提升幅度最大,提升率为19.5%;基于现有的混凝土弹性模量与轴心抗压强度转换公式模型,提出了适用于玄武岩纤维陶粒混凝土的修正模型,相关系数为0.905 7。

生态混凝土植生与抗冲刷性能研究

乔建刚, 董进国, 李明浩, 刘翔, 李庆楼

2023, 42(3): 917-924.

摘要 ( 109 )

PDF (4215KB) ( 92 )

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通过设计生态混凝土植生试验以及包含3种坡面状况、4种边坡坡度、3种降雨强度的冲刷试验对生态混凝土的植生性能及其与植物结合后的抗冲刷性能展开研究。植生试验结果表明:植生20天时,生态混凝土组植株最高为22.5 cm,植物斑化指数为95.37%,植物覆盖率为102.6%,生态混凝土组与素土组的植物茎叶生长状况相差不大,但素土组植物根系普遍更长;植生40天时,两组根系分布范围接近。冲刷试验结果表明:素土边坡与生态混凝土覆土边坡的土体流失量在特定条件下会随降雨累积量的增加产生激增,而生态混凝土植生边坡的土体流失量在各条件下均未激增;相同冲刷条件下抗冲刷性能为生态混凝土植生边坡＞生态混凝土覆土边坡＞素土边坡。

铁尾矿在电磁吸波建筑材料中的研究进展

宁旭文, 杨浪, 饶峰, 孙传琳, 方屹, 张凯铭

2023, 42(3): 925-938.

摘要 ( 100 )

PDF (17707KB) ( 86 )

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铁尾矿是我国大宗工业固废的主要组成部分,库存量大,若不加以处理,将会造成环境污染风险和二次资源浪费,如何高效资源化利用铁尾矿是安全消纳大宗工业固废的重要保障。本文基于铁尾矿的基本性质和利用途径,以及电磁吸波原理,主要介绍了铁尾矿及其改性电磁吸波材料研究,以及铁尾矿在水泥基吸波混凝土和地质聚合物吸波胶凝材料中的研究,着重阐述了铁尾矿在水泥基混凝土中的吸波性能和机理研究进展,探讨了通过地质聚合反应制备铁尾矿基地质聚合物吸波混凝土的可行性及其性能,可为铁尾矿基地质聚合物在多功能建筑材料方面的应用提供借鉴,为提高铁尾矿固废资源的综合利用率,解决尾矿堆积、环境污染等问题提供解决思路。本文旨在总结铁尾矿在吸波建筑材料的研究进展并进一步推动地质聚合物吸波建筑材料的发展。

花岗岩锯泥和大理石废石粉制备发泡陶瓷

董祎然, 赵成琳, 郭伟, 姜葱葱, 黄世峰, 程新

2023, 42(3): 939-947.

摘要 ( 112 )

PDF (16967KB) ( 124 )

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为实现“双碳”目标,推动大宗固废的资源化利用,开发探究多种固废协同制备发泡陶瓷材料的方法理论,以花岗岩锯泥和大理石废石粉为主要原料,SiC为发泡剂,通过高温烧结制备高闭气孔率的发泡陶瓷,研究原材料配比、烧结温度以及发泡剂掺量对发泡陶瓷的孔结构及性能的影响。结果表明,大理石废石粉中的CaCO₃在高温下分解出的CaO是有效的助熔剂,能够破坏Si—O键,降低液相的黏度,促进发泡。同时CaO能够与SiO₂反应生成硅灰石,提高材料的机械强度。在烧结温度为1 130 ℃、大理石废石粉质量掺量为10%、SiC质量掺量为1.0%时,制备的发泡陶瓷孔结构均匀,综合性能最佳,闭口气孔率为79.16%,体积密度为583.42 kg/m³,抗压强度为3.86 MPa,吸水率为0.40%。本研究为花岗岩锯泥和大理石废石粉回收利用制备发泡陶瓷提供了理论基础。

海水海砂火山渣混凝土断裂性能试验研究

黄一杰, 张靖雪, 田翔升, 殷磊

2023, 42(3): 948-959.

摘要 ( 111 )

PDF (9650KB) ( 103 )

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海洋岛礁工程建设面临着取材困难、运输与材料成本昂贵等问题。为此,开发了新型海水海砂火山渣混凝土(SSAC),以推动海工建设的发展。通过混凝土三点弯曲梁断裂试验,探讨了不同缝高比(0.2、0.3、0.4)和组料类型对SSAC断裂力学性能的影响,获取了双K断裂韧度、断裂能与软化曲线等断裂参数的变化规律。结果表明,受粗骨料的影响,采用火山渣的混凝土的荷载-裂缝口张开位移曲线(P-CMOD)与普通混凝土相似,但其下降段更为陡峭。SSAC断裂韧度小于普通混凝土,且均不受缝高比影响。受海水海砂的影响,SSAC的断裂韧度和断裂能较淡水河砂火山渣试件分别提高14.30%和6.77%。基于试验数据,推导得出考虑组料影响的双K断裂韧度与软化关系计算公式,计算结果与试验结果吻合良好。

煤矸石基泡沫陶瓷的制备及性能研究

张敬浩, 孟凡会, 王丽娜, 戴露霏, 姚隆帆, 李忠

2023, 42(3): 960-969.

摘要 ( 116 )

PDF (26452KB) ( 104 )

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以煤矸石和废玻璃为主要原料制备泡沫陶瓷,研究了煅烧温度和Na₃PO₄添加量对泡沫陶瓷的物相结构、显气孔率、抗压强度及表观密度等的影响。结果表明:陶瓷样品的线性膨胀率随煅烧温度的升高而逐渐增加,表观密度随煅烧温度的升高而逐渐降低;提高煅烧温度或Na₃PO₄添加量使泡沫陶瓷的平均孔径、显气孔率逐渐增加,抗压强度下降,表观密度呈不同的变化趋势,但未明显影响晶体结构。通过优化制备条件发现,当Na₃PO₄添加量为3%(质量分数)、煅烧温度为1 140 ℃时,样品孔径均匀,平均孔径为0.92 mm,抗压强度达到4.72 MPa,表观密度为0.69 g/cm³。本研究的煤矸石基泡沫陶瓷制备工艺简单,成本低,为煤矸石资源化利用提供了一条可行途径。

凝胶注模-发泡法制备煤矸石多孔吸声材料的工艺研究

黄学辉, 常宇, 宋晓展, 杨娜

2023, 42(3): 970-977.

摘要 ( 84 )

PDF (6067KB) ( 81 )

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本文以煤矸石为基体组分,以十二烷基硫酸钠为发泡剂,以氯化铵为促凝剂,以硼砂为烧结助剂结合凝胶注模法及发泡法制备了多孔吸声材料,并研究了水固比、胶凝剂含量和烧结温度等因素对浆料黏度和多孔吸声材料显气孔率、吸声系数以及抗折强度的影响,最终制得显气孔率为49.54%、1 600 Hz频段吸声系数为0.953、抗折强度为2.67 MPa的多孔吸声材料。结果表明:水固比对浆料的黏度和多孔吸声材料显气孔率、吸声系数以及抗折强度都有显著影响;胶凝剂含量主要影响材料的显气孔率,进而影响材料的抗折强度;烧结温度主要影响材料的孔径分布,进而影响材料不同频段的吸声系数。水固比0.35、胶凝剂含量35%(质量分数)、烧结温度700 ℃为最佳制备工艺参数。

一步直接烧结制备全固废煤气化渣微晶玻璃的性能变化研究

李宇, 张弦, 刘治平, 王云飞, 张铁柱, 张宇轩, 欧阳顺利

2023, 42(3): 978-988.

摘要 ( 85 )

PDF (15386KB) ( 72 )

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以煤气化渣为原料,采用一步直接烧结法制备了全固废煤气化渣微晶玻璃,并研究了烧结温度和时间对全固废煤气化渣微晶玻璃晶相演变、机械物理性能和微观结构的影响。结果表明,煤气化渣具有较强的析晶能力,得到的微晶玻璃主晶相为钙长石相。在800~1 150 ℃,随烧结温度的升高,微晶玻璃结晶度先增高后有所降低。过高的烧结温度会使微晶玻璃内部出现片状结构,理化性能下降。烧结温度在1 110~1 120 ℃,微晶玻璃晶粒细小且分布密集,表现出较好的物理性能。烧结时间对样品性能的影响较小。在烧结温度1 120 ℃、烧结时间2 h条件下,微晶玻璃维氏硬度为6.92 GPa,抗折强度为38.29 MPa,抗压强度为432.72 MPa,体积密度2.618 g/cm³,吸水率为0.21%,耐酸碱性分别为3.13%和0.92%,力学性能较优,但吸水率及化学稳定性方面还有较大提升空间。

从粉煤灰中提取白炭黑及其硅烷偶联剂改性工艺研究

向杰, 黎建宏, 王桂芳, 薛清远, 何建桥, 刘书均, 胡青艳

2023, 42(3): 989-1000.

摘要 ( 90 )

PDF (8943KB) ( 78 )

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为了提高粉煤灰综合利用附加值,基于酸碱联合法系统研究从粉煤灰中提取SiO₂最佳条件,并在最佳提取条件下,提出了新型的简化传统改性白炭黑的制备方法。研究表明,粉煤灰经过800 ℃预活化后,在硫酸(固液比(g/mL)为1∶8,3 mol/L)氛围下保持80 ℃反应90 min后成功转化成硅酸凝胶,并在质量分数为30%的NaOH作用下溶解提纯,最后调节溶液pH值得到SiO₂含量大于93%(质量分数)的白炭黑,此时SiO₂的提取率为95.7%。此外,在新型改性白炭黑制备方法研究中,硅烷偶联剂KH560与形成的白炭黑通过Si—O—Si化学键发生键合,成功覆盖在白炭黑表面。当改性剂用量为2 mL/g、改性温度为70 ℃、改性时间为60 min时,获得分散性、疏水性及粒径均匀度较好的改性白炭黑,其SiO₂含量仍达95.97%(质量分数),比表面积(381.97 m²/g)是未改性白炭黑的2.78倍,粉体亨特白度达91.43%,符合A类工业级白炭黑的相关标准。

碳酸化预处理对钢渣-水泥复合胶凝材料体积安定性及水化活性的影响

房延凤, 王凇宁, 佟钰, 孙小巍, 丁向群, 苏文

2023, 42(3): 1001-1007.

摘要 ( 83 )

PDF (7891KB) ( 76 )

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钢渣水化活性差,体积安定性不良限制了其作为辅助性胶凝材料的应用,但钢渣具有很好的碳酸化活性。本文在对钢渣进行预处理的过程中通过调整CO₂浓度及碳酸化时间,调控钢渣的碳酸化程度,分析了碳酸化对钢渣微观结构及固碳效果的影响,同时评价了碳酸化钢渣作为辅助性胶凝材料的可行性。结果表明:含30%(质量分数)钢渣的水泥砂浆试块3、28 d抗压强度较未掺钢渣水泥砂浆分别降低了43.2%和30.0%,净浆试块经压蒸试验后由于膨胀过大而溃散;CO₂浓度对钢渣的固碳量有显著的影响,高浓度(体积分数为99.9%)CO₂进行碳化养护3 min时钢渣固碳量就达到了3.67%。钢渣的体积安定性与碳酸化程度呈正相关,而过度碳酸化处理会降低其水化活性,掺加30%(质量分数)碳酸化预处理3、10 min钢渣的砂浆3 d抗压强度较掺加30%原始钢渣的砂浆分别提高了28.3%和15.8%。

碱激发剂对单组份碱激发镍渣水泥混凝土抗碳化性能的影响

王雪芳, 曾天鑫, 周豪杰

2023, 42(3): 1008-1015.

摘要 ( 84 )

PDF (1358KB) ( 72 )

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碳化导致混凝土碱度下降,对钢筋混凝土结构的耐久性造成严重危害。本文以Na₂SiO₃、NaOH和Na₂CO₃为碱激发剂,探究碱激发剂种类与其中的Na₂O当量对单组份碱激发镍渣水泥砂浆抗碳化性能的影响规律。研究表明:当Na₂O当量相同时,单组份碱激发镍渣水泥砂浆的抗碳化性能以NaOH单掺组试件最优,Na₂SiO₃单掺组试件最劣;Na₂CO₃取代部分Na₂SiO₃后可提升水泥砂浆试件抗碳化能力,而取代部分NaOH后,水泥砂浆试件抗碳化能力则与Na₂O当量有关;随着Na₂O当量的增加,Na₂SiO₃单掺组与Na₂SiO₃&Na₂CO₃(3∶1)复掺组试件的抗碳化性能呈先增强后减弱的趋势;NaOH单掺组试件前期的抗碳化性能不断增强,试件后期的抗碳化性能呈先增强后减弱的趋势;NaOH&Na₂CO₃(3∶1)复掺组试件前期的抗碳化性能有所改善,但后期的抗碳化性能反而下降。

石屑湿喷混凝土的制备与性能研究

赵立, 孙江涛, 吴定略, 李志堂, 何涛, 关业程, 沈卫国

2023, 42(3): 1016-1024.

摘要 ( 94 )

PDF (2626KB) ( 66 )

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针对石屑利用率低的问题,制备了石屑湿喷混凝土,研究了石屑取代量(石屑对机制砂的取代量)、砂率及粉煤灰掺量对湿喷混凝土工作性能、抗氯离子渗透性能、抗硫酸盐侵蚀性能及孔结构的影响。结果表明,适当的石屑取代量可以改善混凝土力学性能和耐久性能,但石屑的取代量越大混凝土的工作性能下降越明显。与机制砂喷射混凝土相比,石屑湿喷混凝土具有良好的力学性能。在此基础上,适当的砂率和粉煤灰掺入量可以进一步提高石屑湿喷混凝土的工作性能和耐久性能,当喷射混凝土砂率为55%、粉煤灰掺量为20%(质量分数)时,石屑湿喷混凝土的综合性能达到最佳,对石屑应用于湿喷混凝土具有参考意义。

低介电常数磷酸盐微波介质陶瓷的研究进展

温红娟, 施思嘉, 吴修胜, 金正权, 李栋才, 曹菊芳

2023, 42(3): 1025-1036.

摘要 ( 138 )

PDF (8028KB) ( 97 )

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随着电子通信行业的迅速发展,微波介质陶瓷近年来成为关注的热点。磷酸盐微波介质陶瓷通常具有烧结温度低、介电常数较低、粉体材料容易制备,以及与银不发生显著反应等特点,故可作为低温共烧陶瓷。本文概述了正磷酸盐(PO₄)和焦磷酸盐(P₂O₇)系列陶瓷几种常见的晶体结构和微波介电性能,以及PO₄陶瓷的掺杂和复合。研究发现,当A位元素和P元素摩尔比大于1时,制备的样品是PO₄与P₂O₇的混合物。PO₄陶瓷的掺杂本质是通过A/B位离子取代起到改进介电性能的作用。PO₄陶瓷的复合对性能改进的原理是原样品温度系数若为负值,则可复合TiO₂使温度系数接近0;原样品温度系数若为正,则复合其他温度系数为负的材料中和温度系数。最后提出了当下磷酸盐微波介质陶瓷存在的问题和研究展望。

绿色氧化插层体系在石墨膨化剥离中的应用研究进展

王伟杰, 詹明哲, 朱星宇, 刘长春, 吴广鑫, 陈浩, 杨文杰

2023, 42(3): 1037-1047.

摘要 ( 77 )

PDF (8574KB) ( 62 )

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氧化插层是目前制备氧化石墨烯(GO)类单层/多层材料的主流方法之一,其关键步骤为氧化剂和插层剂的选择及工艺的匹配。传统工艺主要采用Hummers法,存在氮氧化物排放量大、环境危害大、安全性差等问题,本文综述了近年来氧化插层制备氧化石墨烯的研究进展,重点阐述了绿色氧化剂、插层剂的研究进展及相应工艺的改良与创新,系统分析了不同试剂的反应机理及应用效果,旨在寻找绿色环保、价格低廉、更适合工业化的制备方法。

石墨烯对铁基金属结合剂金刚石磨具性能的影响

李洪雪, 黄启忠, 王绍斌, 刘俊生

2023, 42(3): 1048-1053.

摘要 ( 84 )

PDF (4494KB) ( 73 )

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本文通过调整Fe-Co-Cu-Sn中石墨烯的含量来探究石墨烯对铁基金属结合剂金刚石磨具性能的影响。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、万能力学试验机等测试了铁基金属结合剂金刚石磨具的显微结构、物相结构、力学性能和物理性能。结果表明:结合剂中石墨烯的含量仅对晶相含量有影响;当石墨烯含量为0.4%(质量分数)时,磨具的抗弯强度最高,为256.0 MPa,较无石墨烯磨具提高了17.4%;随着石墨烯含量增加,石墨烯由片状均匀分布转变为逐渐团聚,断口组织由脆性断裂转变为韧性断裂,磨具的热膨胀系数逐渐降低,导热系数逐渐提高;磨具的磨耗比呈先增加后减少的趋势,当石墨烯含量为0.4%时,磨耗比最高,为199.8,较不添加石墨烯的磨具提高了约21%。

高碳铬铁渣基尖晶石-镁橄榄石高强陶瓷骨料的制备及性能

梁金源, 张礼华, 刘来宝, 焦茂鹏, 荆桂花, 刘川北, 辜涛

2023, 42(3): 1054-1062.

摘要 ( 91 )

PDF (14332KB) ( 86 )

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西部地区的交通运输工程面临着极为复杂的工程地质挑战,而对适合西部深地环境使用的高性能混凝土骨料却鲜有研究。本文以高碳铬铁渣为主要原料,针对西部地区深地高温环境制备尖晶石-镁橄榄石高强陶瓷骨料,研究烧结温度、保温时间对尖晶石-镁橄榄高强陶瓷骨料物理性能、微观结构与晶体相对含量的影响。结果表明,提高烧结温度和保温时间可促进晶体生长发育,有效增强试样的物理性能。在烧结温度为1 500 ℃、保温时间为3 h条件下制备的尖晶石-镁橄榄高强陶瓷骨料的综合性能最优,表观密度为3 100 kg/m³,吸水率为1.4%,抗压强度为281.1 MPa,高碳铬铁渣的利用率达77.6%(质量分数)。将高强陶瓷骨料混凝土在80 ℃下养护28 d,其微观结构相比于高碳铬铁渣混凝土和普通骨料混凝土更为密实,界面过渡区得到显著改善,适用于深地高温环境。

平纹SiC纤维织物剪切性能

侯耀晟树, 郭纬愉, 杜永龙, 张毅, 张大旭

2023, 42(3): 1063-1073.

摘要 ( 104 )

PDF (12711KB) ( 74 )

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SiC纤维织物是耐高温陶瓷基复合材料的一种重要增韧材料。本文以平纹SiC纤维织物为研究对象,开展了单轴拉伸试验和±45°偏轴拉伸试验,得到了其拉伸和剪切性能;进行了纱线抽出试验,得到其经纬纱线间的摩擦系数;通过X射线CT检测,得到其细观结构;利用最小二乘法拟合出经纬纱线的横截面和卷曲形状曲线;通过建立纱线的简支梁模型,计算出剪切变形中经纬纱线摩擦力矩,预测了平纹SiC纤维织物的剪切应力-应变曲线。剪切变形过程分为纯剪和纱线挤压阶段,两个阶段的交界点为织物的锁紧角。研究结果对设计和制备平纹SiC纤维织物预制体具有参考价值。

氧化铝悬浮液流变性能及空间位阻影响机制

鲍志蕾, 李钢, 雷鑫, 江超, 于欢, 李凯钦

2023, 42(3): 1074-1080.

摘要 ( 80 )

PDF (5229KB) ( 80 )

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聚合物空间稳定机制是陶瓷悬浮液稳定的主要方式。本文以聚合物空间稳定的氧化铝悬浮液为研究对象,通过流变性能测试,研究了悬浮液体积分数、聚合物含量、颗粒粒径对悬浮液弹性模量的影响规律。结果表明,稳态剪切和振荡剪切两种流变测试模式都证明了悬浮液存在明显的弹性特征。确定了对于聚合物稳定的氧化铝悬浮液,影响弹性模量的核心要素为颗粒表面间距,因为颗粒表面间距影响了吸附聚合物的压缩程度。增大悬浮液体积分数、减小颗粒粒径均是通过降低颗粒表面间距以及被压缩吸附层的厚度使系统弹性模量上升,表现为弹性变大,最终影响悬浮液的稳定性。

基于数字图像处理的盐溶液过饱和比与结晶压力测量方法

晏静, 吴道勇, 吴诗雨

2023, 42(3): 1081-1085.

摘要 ( 76 )

PDF (5145KB) ( 62 )

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溶液过饱和比和结晶压力是研究多孔材料结晶破坏效应的主要参数,但目前没有很好的手段直接测量溶液过饱和比。观察溶液结晶现象发现,溶液结晶前后图像灰度会发生明显变化,因此本文提出一种基于数字图像处理(DIP)技术的盐结晶过饱和比和结晶压力的测量方法。该方法以图像为基础,得出灰度值与溶液浓度的关系,运用MATLAB软件绘出溶液过饱和比和结晶压力分布图。以Na₂SO₄溶液和NaCl溶液的结晶行为为例,得到Na₂SO₄溶液与NaCl溶液结晶的初始过饱和比在1.1~1.3,进一步计算了Na₂SO₄和NaCl的结晶压力理论值。Na₂SO₄和NaCl结晶破坏效应的差异与二者不同的结晶行为有关,Na₂SO₄晶体的蠕变生长行为导致其更具破坏性。

磷酸铁锂电池材料知识演进及发展趋势的可视化分析

高档妮, 郭宏伟, 王毅, 白赟, 高依博

2023, 42(3): 1086-1095.

摘要 ( 86 )

PDF (9312KB) ( 75 )

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本文从文献计量分析视角出发,对磷酸铁锂(LiFePO₄,LFP)电池材料研究领域的SCI-E论文进行梳理分析。利用CiteSpace6工具,基于SCI-E数据库构建了LFP电池材料研究领域的突显词时区图谱和关键词聚类可视化知识图谱,探究了LFP电池材料知识演进及可视化发展趋势。通过LFP电池材料突显词时区图谱,发现LFP电池材料的知识演进路径由制备方法延伸至应用领域的性能研究,最后到退役LFP电池材料的回收再利用。通过LFP电池材料关键词聚类可视化知识图谱发现,LFP电池材料的代表性发展趋势涉及动力电池性能提升技术、退役电池回收再利用和电池在线热失控管理等。

玻璃管水平拉制成型过程的数值模拟

卓耀彬, 吕碧飞, 宋小文, 杨辰龙, 叶晓平, 陈旭绍

2023, 42(3): 1096-1105.

摘要 ( 89 )

PDF (9949KB) ( 77 )

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为了改变玻璃管水平拉制成型以直觉知识为理论基础和经验设计为技术手段的现状,本文采用ANSYS Polyflow软件建立了玻璃管水平拉制成型过程中的传热和传质数值仿真模型,得到了温度场、速度场、压强场、黏度场等的变化情况。通过数值仿真分析,得出玻璃液流入温度、牵引速度、鼓入空气流入压强和旋转筒转速都是影响玻璃管成型的敏感工艺参数。玻璃液流入温度和鼓入空气流入压强与玻璃管外径成正比,与玻璃管壁厚成反比;牵引速度与玻璃管外径和壁厚都成反比;旋转筒转速与成型位置的偏心量成正比。本文提出的数值仿真模型将为提高玻璃管品质,缩短换品调整时间,提高生产效率,节约材料和能源消耗提供理论支撑。

红柱石原料高温结构演变及抗钾蒸气侵蚀行为研究

王治峰, 马淑龙, 任博, 李燕京, 徐义彪, 桑绍柏, 李亚伟

2023, 42(3): 1106-1114.

摘要 ( 107 )

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红柱石是铝硅系耐火材料重要的原料之一,因完全莫来石化后具有莫来石-高硅氧玻璃相相间的结构而表现出优异的抗碱侵蚀性能。然而,其莫来石化程度与抗碱侵蚀性能之间的关系尚未厘清。为此,本工作以粒度为3~5 mm的红柱石为研究对象,在1 450~1 600 ℃下热处理红柱石3 h,研究了红柱石的莫来石化过程与结构演变,并采用碱蒸气法研究了抗碱侵蚀行为。结果表明,随着热处理温度的提高,红柱石表面及裂纹附近先转变形成莫来石-高硅氧玻璃相结构,随后莫来石化转变不断向内部发展,直至完全莫来石化。红柱石莫来石化程度不同决定了其不同的抗碱侵蚀行为。1 450 ℃热处理后的红柱石表面及大裂纹附近形成的莫来石-高硅氧玻璃相复合层较薄,侵蚀以红柱石与钾蒸气直接反应为主,抗碱侵蚀性能较差;1 500 ℃及以上温度热处理的红柱石表面及大裂纹附近形成了一定厚度的莫来石-高硅氧玻璃相复合层,钾蒸气首先与高硅氧玻璃相反应形成含钾硅酸盐液相,随后该液相对莫来石相产生侵蚀溶解,阻止了碱蒸气对莫来石的直接反应侵蚀,从而使红柱石表现出优良的抗碱侵蚀性能。

四元矿化剂对硅砖微观形貌及物理性能的影响

王家燕, 董博, 余超, 邓承继, 丁军, 祝洪喜

2023, 42(3): 1115-1121.

摘要 ( 77 )

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以两种不同粒径的石英砂为原料,石灰乳和纸浆废液为结合剂,经1 430 ℃高温烧成制备硅砖,研究复合矿化剂及保温时间对硅砖物相组成、显微结构及主要物理性能的影响规律。研究结果表明,经1 430 ℃保温10 h后,烧成试样由鳞石英、方石英及少量残余石英组成。添加铁鳞粉-CaO-MnO₂-SiC或铁鳞粉-CaO-MnO₂-TiO₂四元矿化剂时,硅砖中典型的骨料-基质耐火材料结构消失,并逐步出现“均质化”效应。当矿化剂为铁鳞粉-CaO-MnO₂-TiO₂时,经1 430 ℃保温10 h后,烧成试样具有较好的综合性能,其体积密度、显气孔率及常温耐压强度分别约为(1.93±0.01) g·cm^-3、(14.9±0.1)%及(55.05±0.64) MPa。在最佳矿化剂组分及烧成制度基础上,延长保温时间至15或20 h时,材料中残余石英含量降低,但鳞石英含量增大,导致体积膨胀效应增强,使材料的物理性能受损。

轻质氧化镁含量对方镁石-镁铝尖晶石砖性能的影响

刘德嵩, 杨忠德, 林鑫, 谢虎, 张菡欣, 王开, 黄守武, 刘振英

2023, 42(3): 1122-1129.

摘要 ( 94 )

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以不同粒径的烧结镁砂、电熔镁铝尖晶石、镁铝尖晶石空心球为起始原料,采用固相烧结法制备了方镁石-镁铝尖晶石砖。通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征试样的物相组成和微观结构,利用阿基米德排水法测试试样的体积密度和显气孔率,研究轻质氧化镁含量和烧结温度对方镁石-镁铝尖晶石砖性能的影响。结果表明,随轻质氧化镁含量的增加,方镁石-镁铝尖晶石砖显气孔率呈增加趋势,而体积密度变化不明显,试样表现出优异的力学性能。当轻质氧化镁含量为25%(质量分数)时,方镁石-镁铝尖晶石砖的抗折强度最大为9.56 MPa,热导率最低为1.92 W·m^-1·K^-1。显微结构表明骨料和基质结合良好,并能形成微孔状通道。利用其特殊的微孔结构,提高了试样的力学性能和耐腐蚀性,进一步保护方镁石-镁铝尖晶石砖免受碱侵蚀。

晶相组成对硅质耐火材料抗碱侵蚀性能的影响

王含, 沈瑞麟, 王鸿妹, 汪庆卫

2023, 42(3): 1130-1136.

摘要 ( 100 )

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硅砖属于酸性耐火材料,具有高荷重软化温度和抗酸性渣侵蚀能力,但抗碱侵蚀能力很差,因此研究不同硅砖的抗碱侵蚀能力对硅质耐火材料的应用有重要意义。本文选用了四种硅砖(JG-95^#硅砖、BG-96A^#硅砖、ZES-99^#硅砖和DES-99^#硅砖),采用化学分析、显微结构分析、X射线粉末衍射分析和显气孔体密度分析等方法对比分析了四种不同硅砖晶相组成和晶相转变对抗碱侵蚀能力的影响,结果表明,ZES-99^#硅砖和DES-99^#硅砖的抗碱侵蚀能力明显优于JG-95^#硅砖和BG-96A^#硅砖,即二氧化硅含量较高的硅砖抗碱侵蚀能力更强,并且以方石英、鳞石英和熔融石英为主晶相的硅质耐火材料都具有良好的抗碱侵蚀能力。

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