芮遨宇, 王里, 马国伟

2023, 42(7): 2281-2289.

摘要 ( 155 )

PDF (14081KB) ( 141 )

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混凝土材料的制备与性能优化是建筑3D打印结构化发展与应用的基础。3D打印混凝土材料的宏观力学性能、长期耐久性能均与界面细观结构直接相关。本文明确了3D打印混凝土层间界面水分状态(水膜)的形成机制,测试了不同打印层厚条带的水膜随时间的演化规律,通过CT扫描技术研究了层间间隔时间、打印层厚、环境状态对层间界面孔隙特征的影响,揭示了层间界面水分状态、层间界面孔隙特征及层间黏结性能三者之间的相互影响机制。结果表明:层间界面孔隙率随单位面积上层间界面水分质量的增长而降低,层间界面水分质量是较打印参数而言更直接的层间界面状态影响因素;层间水分状态和界面细观孔隙特征直接影响着3D打印混凝土材料的宏观力学强度。

低中放射性废物处置用高整体容器密封材料的制备与性能研究

李秋, 韦琦, 耿海宁, 李华辉, 陈伟

2023, 42(7): 2290-2299.

摘要 ( 116 )

PDF (9402KB) ( 83 )

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为开发具备大流动性、高强度和高耐久性能的高整体容器黏接填充密封材料,并使其能满足在低中放射性废物处置过程中多种严酷环境下服役300年的要求,本文以硅酸盐水泥、硅灰为胶凝材料,磨细石英砂为惰性填充材料,通过颗粒最紧密堆积原理获取初步配方,并以硅微粉替代部分水泥后,研究硅微粉对密封材料流变性能、孔隙结构、力学性能、耐久性能以及氮气渗透系数的影响。结果表明:硅微粉提高了密封材料的流动度及流变性能,降低了28和56 d的孔隙率,提高了劈裂抗拉强度、抗收缩性能、抗化学侵蚀性能、抗渗性能以及抗冻性能,但对其抗压强度及静弹性模量作用不明显。加入10％(质量分数)硅微粉的密封材料各项性能均优于国家标准要求,可以满足在严酷环境下安全服役300年要求。

碳化硅晶须对水泥基材料抗拉及断裂性能的影响

韩炎兴, 邵斯杰, 施韬, 蓝滢佳

2023, 42(7): 2300-2308.

摘要 ( 116 )

PDF (11621KB) ( 122 )

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碳化硅晶须具有高强度、高弹性模量等优良特性。以减水剂作为分散剂制备碳化硅晶须,用来改性水泥基复合材料。通过“8”字模抗拉试验、圆环抗裂试验,以及基于数字图像相关法的预制裂缝三点弯曲试验来测试断裂性能,通过压汞试验研究孔结构,并通过SEM观测碳化硅晶须改性水泥基复合材料微观结构。结果表明,碳化硅晶须能使材料在裂缝扩展时产生裂纹偏转。碳化硅晶须的桥接效应和拔出机制可以有效控制裂纹扩展,增强水泥基材料的抗裂性能和抗拉强度;碳化硅晶须的掺入会使水泥砂浆的总孔隙率略有增加,但对水泥基材料抗拉强度和断裂性能无不利影响。

碳纳米管在超细水泥灌浆料中的应用研究

刘云霄, 张春苗, 蔡凯旋, 顾凡, 周辉, 李晓光

2023, 42(7): 2309-2316.

摘要 ( 84 )

PDF (3875KB) ( 68 )

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为改善超细水泥灌浆料的性能,将多壁碳纳米管(MWCNTs)加入超细水泥灌浆料中,测试了其对灌浆料强度、可灌性相关参数,以及灌入混凝土缝隙后黏结效果的影响。结果表明:直径为10~20 nm的MWCNTs在超细水泥灌浆料中的最佳掺量为0.10%(质量分数),此时灌浆料56 d抗折强度、抗压强度、折压比相对于未掺加时分别提高了24.3%、23.4%、7.1%;随MWCNTs掺量增加,灌浆料的流动度降低,黏度增加,需要的灌浆压力增加,即灌浆料的可灌性逐渐降低,但在掺量不高于0.10%(质量分数)时,灌浆料硬化后灌浆区域孔隙率随MWCNTs掺量提高未明显增加,灌浆效果没有明显降低;劈裂抗拉试验结果显示,掺加MWCNTs可使灌浆料与混凝土的黏结性能明显增强。

内掺白云石水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性能

张超, 温勇, 李宇航, 李承诺, 封彦羽, 赵瑞翔

2023, 42(7): 2317-2325.

摘要 ( 86 )

PDF (9130KB) ( 81 )

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为考察白云石对水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性能的影响,本文采用10%、20%、30%(质量分数,下同)白云石掺入水泥净浆与水泥砂浆试件中,在低温条件下浸泡于5%硫酸镁和5%硫酸钠溶液中,并进行硫酸盐侵蚀试验。定期观察试件的宏观形貌变化,并定量分析其侵蚀产物。测定水泥砂浆试件抗折强度与抗压强度并进行宏观分析,以此得出不同种类硫酸盐对试件生成碳硫硅钙石的影响。采用热力学模拟探究白云石对水泥胶凝体系产物的影响。结果表明:当白云石掺量为10%~20%时,能抑制水泥基材料中碳硫硅钙石的生成,水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性能有较大提高,水泥砂浆试件抗折强度有明显改善,这与热力学模拟结果基本一致。

硅烷偶联剂改性钢纤维水泥基复合材料弯曲性能研究

孙庭超, 曾德明, 曹明莉

2023, 42(7): 2326-2335.

摘要 ( 91 )

PDF (11324KB) ( 82 )

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通过硅烷偶联剂(SCA)对钢纤维进行表面改性,使用扫描电子显微镜和红外光谱仪对改性后的钢纤维进行微观表征,利用弯曲试验和单纤维拔出试验研究了两种SCA(KH560与KH550)改性钢纤维水泥基复合材料的弯曲性能和单纤维的拉拔性能。结果表明,KH560改性钢纤维能提高水泥基复合材料早期的弯曲强度和韧性、单纤维的峰值黏结应力和拔出功,而在后期,KH560劣化了钢纤维-基体界面,对弯曲性能和单纤维的拉拔性能产生了不利影响。KH550则呈现出与KH560相反的规律。KH550与KH560体积比为5∶5和7∶3的改性组能提高钢纤维水泥基复合材料早期和后期的弯曲性能,并有效改善钢纤维-基体界面黏结性能。复合SCA提高了钢纤维表面的粗糙度,并能在钢纤维-SCA-基体界面实现化学键连接。复合SCA有效提高了钢纤维水泥基复合材料的弯曲强度和韧性。

基于核磁共振技术对水泥砂浆高温后孔隙结构及水分迁移特征的研究

何娅兰, 宁麟, 李炀, 钟秀杰

2023, 42(7): 2336-2343.

摘要 ( 95 )

PDF (7879KB) ( 73 )

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为研究高温后水泥砂浆内部水分迁移特征,将水泥砂浆试件300、400、500 ℃高温处理后表面镀蜡(留有一个上表面),随后将试件未镀蜡一端置于液面下2 cm进行自渗吸试验。采用核磁共振(NMR)技术T₂谱及核磁共振成像研究高温作用后水泥砂浆试件水分迁移情况及特征。结果表明,随着处理温度升高,试件胶凝孔和气孔或裂隙占比增大,而毛细孔占比逐渐降低,试件吸水质量减小,吸水质量前24 h内快速增加,随后减缓并趋于稳定。同时,高温作用影响毛细管吸水率,当处理温度小于等于400 ℃时,高温可增大毛细管吸水率;当处理温度大于400 ℃时,高温反而削弱毛细管吸水率。通过引入毛细吸收系数S来表征毛细管吸水率,S在6 h前大于10,而在6 h后减小超过2个数量级。另外,水分迁移存在优先孔径,在毛细孔中迁移的优先孔径为10~480 nm,在气孔或者裂隙中迁移的优先孔径为1 680~16 800 nm,且随浸水时间增加,水分更倾向由大孔传输到较小孔隙中。最后,通过核磁共振成像可实时观测到水分迁移位置由外到内,迁移速度与试件处理温度呈正相关。

黏土矿物对聚羧酸减水剂在净浆、砂浆和混凝土中分散性的影响

熊军红, 欧阳东

2023, 42(7): 2344-2353.

摘要 ( 77 )

PDF (3600KB) ( 76 )

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为解决黏土矿物给实际施工带来的负面影响,以丙烯酸(AA)、异戊醇聚氧乙烯醚(TPEG)和水解聚马来酸酐(HPMA)为原料合成抗泥型聚羧酸减水剂(PCE),并对其进行结构表征。在添加不同用量和不同黏土矿物的条件下,测试了PCE在净浆、砂浆和混凝土中的分散性;用总有机碳(TOC)测定仪测试了不同黏土矿物对PCE的吸附能力;通过XRD测试了三种黏土矿物与PCE相互作用后的层间距。结果表明:黏土矿物对PCE的负作用和吸附量顺序是蒙脱土>高岭土>伊利土;PCE通过表面吸附与伊利土和高岭土相互作用,通过层间吸附与蒙脱土相互作用。

聚合氯化铝对聚羧酸减水剂黏土吸附性的影响

景国建, 徐凯丽, 徐兴伟, 牛腾, 韩乐冰

2023, 42(7): 2354-2360.

摘要 ( 78 )

PDF (3574KB) ( 57 )

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砂石骨料中附带的黏土矿物对水泥基材料的工作性能具有严重劣化作用,制约了聚羧酸减水剂的分散功能。本文通过Zeta电位、吸光度、X射线衍射等方法研究了聚合氯化铝对聚羧酸减水剂黏土吸附性的影响规律,进而研究了其对掺加钙基膨润土砂浆和混凝土工作性能的改善效果,并探明了相互作用机理。结果表明,聚合氯化铝降低了钙基膨润土对聚羧酸分子的表面吸附量,但不能抑制插层吸附作用,在一定程度上改善了聚羧酸减水剂的黏土耐受性。6%(质量分数)的聚合氯化铝改善了掺加钙基膨润土砂浆和混凝土的工作性能,这为解决实际工程中含泥骨料的使用难题提供了一种性价比较高的新策略。

产地来源和陈化方式对石灰结构和性能的影响

王琴, 张瑞峰, 郭志翔, 齐国栋, 朱宇华, 汤羽扬

2023, 42(7): 2361-2371.

摘要 ( 72 )

PDF (16004KB) ( 58 )

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本文采用X射线荧光分析(XRF)、X射线衍射分析(XRD)、热重分析(TG)、压汞测试(MIP)和场发射扫描电子显微镜(SEM)等手段,研究了产地来源和陈化方式对石灰成分、结构和宏观性能的影响。结果表明:不同产地石灰中Ca和Mg元素的含量不同。石灰在陈化过程中,陈化方式、产地来源和陈化时间均会影响氢氧化钙的晶粒尺寸和晶体形貌,氢氧化钙的晶粒尺寸均随着陈化时间的延长而减小;浸水陈化效果优于密封陈化和天然陈化效果;产自南石楼地区的石灰采用浸水陈化时所制备的石灰晶粒尺寸更小,活性更高,氢氧化钙含量更高,在成型硬化和养护后可以形成更加致密的微结构,且具有更优异的力学性能。本研究将为古建修缮用石灰的制备和工程应用提供指导。

机制砂中泥粉对砂浆与混凝土性能的影响

余震, 孙江涛, 吴定略, 卢自立, 何涛, 李志堂, 沈卫国

2023, 42(7): 2372-2381.

摘要 ( 79 )

PDF (6029KB) ( 79 )

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为研究机制砂中泥粉对砂浆和混凝土性能的影响,使用蒙脱土、高岭土、伊利土三种泥粉以不同质量比取代机制砂制备砂浆和混凝土,测试不同种类和含量泥粉下砂浆和混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能,并通过X射线衍射(XRD)和压汞法(MIP)分析泥粉种类和含量对砂浆水化产物和孔结构的影响。结果表明,不同种类和含量泥粉的掺入会不同程度地降低砂浆和混凝土的工作性能。伊利土和高岭土在较低掺量下可以提高砂浆和混凝土的力学性能和耐久性能,在较高掺量下会产生负面影响;而蒙脱土在较低掺量下就会降低砂浆和混凝土的力学性能和耐久性能。泥粉的掺入没有明显改变砂浆的主要水化产物种类,砂浆的孔隙率、平均孔径和累计孔体积会随着泥粉掺量的增加而增大。

氯离子含量对中高强混凝土抗压强度和耐久性的影响

张晨剑, 谢嘉磊, 王志豪, 方思怡, 巴明芳

2023, 42(7): 2382-2391.

摘要 ( 89 )

PDF (8693KB) ( 69 )

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为了更好、更安全地利用丰富的海砂资源,减缓河砂供应难题,通过大规模的试验研究了净化海砂中不同氯离子含量对C40~C70混凝土抗压强度、抗碳化性能、抗硫酸盐侵蚀性能、钢筋锈蚀程度、抗氯离子渗透性能及电化学性能的影响及机理。结果表明,当氯离子含量不高于0.150%(质量分数,下同)时,随着氯离子含量的增加,C40~C70混凝土的抗压强度提高并且后期抗压强度持续增长,同时C40~C70混凝土的抗碳化性能和抗氯离子渗透性能也有所提高。当氯离子含量不高于0.060%时,C40~C70混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能增强,当氯离子含量不低于0.150%时,硫酸盐的侵蚀加剧。当氯离子含量不高于0.008%时,钢筋锈蚀会延缓,当氯离子含量不低于0.060%时,钢筋锈蚀会加速。

基于ISSA-GRU的混凝土抗压强度预测

段妹玲, 张单, 袁锦虎, 孙爱军, 强晟

2023, 42(7): 2392-2400.

摘要 ( 73 )

PDF (3655KB) ( 72 )

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考虑到抗压强度对混凝土设计的重要影响,本文提出了改进麻雀搜索算法(ISSA)和门控循环单元(GRU)结合的ISSA-GRU预测模型,实现对高性能混凝土抗压强度的精准预测。对收集的数据集进行归一化处理后,利用基于光谱-理化值共生距离(SPXY)法对数据集进行训练集和测试集划分,采用GRU对高性能混凝土抗压强度进行回归预测,并通过引入动态惯性权重的ISSA,加强对GRU网络参数的寻优效率。结果表明,在使用相同数据样本的情况下,将ISSA-GRU模型与长短期记忆(LSTM)网络、核极限学习机(KELM)和支持向量回归(SVR)模型进行比较,其均方根误差RMSE分别降低了9.3%、37.5%、33.5%,平均绝对误差MAE分别降低了13.5%、38.5%、41.7%。同时,研究了训练集数据量和输入变量对模型预测性能的影响,研究结果表明,所提出的模型能高效寻找超参数,具有较高的预测精度和较好的适应性,为多样化原材料和混凝土特定性能的发展提供可行参考。

基于RSM-BBD的高原地区桥墩混凝土性能试验研究

彭勇军, 刘娟红, 李华, 李康

2023, 42(7): 2401-2408.

摘要 ( 64 )

PDF (5625KB) ( 54 )

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针对高原地区桥墩混凝土服役环境的特点,探究矿物掺合料对桥墩混凝土性能的影响效果。采用Box-Behnken Design响应面法(RSM-BBD)设计了15组试验,详细研究了粉煤灰、矿渣和硅灰掺量对混凝土强度和冻融性能的影响规律。以28 d抗压强度、200次冻融循环后混凝土质量损失率和相对动弹性模量为响应值构建响应面模型,旨在揭示响应参数和目标响应值的相关关系及多目标响应值条件下桥墩混凝土的合理配合比。结果表明,与基准组混凝土相比,适量的矿物掺合料有利于提高混凝土强度,增强混凝土的耐低温冻融性能。混凝土的强度和抗冻融性能主要受单因素的影响,其中矿渣和硅灰能提高混凝土的抗压强度,粉煤灰和硅灰则可以提高混凝土的抗冻融性能。各因素的交互作用对混凝土各性能有不同程度的影响,其中矿渣和硅灰掺量的交互作用对28 d抗压强度影响显著,粉煤灰与硅灰掺量的交互作用对质量损失率影响显著,粉煤灰与矿渣掺量的交互作用对相对动弹性模量影响显著。基于目标响应值和响应优化,本试验条件下矿物掺合料的合理配合比为粉煤灰、矿渣和硅灰掺量分别为20%、15%和10%(质量分数)。

GFRP-珊瑚礁混凝土柱偏心受压承载性能及弯曲延性分析

关纪文, 陈华, 常萍, 梁庆文, 但宇, 杨汉宁, 陈红梅

2023, 42(7): 2409-2418.

摘要 ( 66 )

PDF (5252KB) ( 54 )

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为研究偏心距、配箍率对玻璃纤维复合材料(GFRP)筋珊瑚礁混凝土柱偏心受压承载性能和弯曲延性的影响,对5根珊瑚礁混凝土柱进行偏心受压试验,研究偏心距对试件承载性能、GFRP纵筋应变、混凝土应变、竖向位移及柱中挠度的影响。基于上述5组偏心距,采用ANSYS软件建立15根珊瑚礁混凝土柱模型,即每组偏心距下分别设计0.375%(箍筋间距分别为100、75、50 mm,下同)、0.500%、0.750%三种配箍率构件。最后,提出构件弯曲延性、截面曲率的计算方法。结果表明:随着偏心距增加,构件的承载力减小,受压侧GFRP纵筋应变增长速度减小;配箍率的增加不仅提高了试件承载力,同时减小了柱中挠度。构件承载力及弯曲延性的理论计算值同ANSYS软件模拟结果吻合良好。

SAP内养护混凝土断裂过程声发射特性

金子恒, 谢发祥, 蔡定鹏, 韩旭, 掌昀

2023, 42(7): 2419-2428.

摘要 ( 80 )

PDF (10594KB) ( 69 )

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基于三点弯曲试验,研究了高吸水性树脂(SAP)混凝土缺口梁在不同加载速率下的损伤特性。采用声发射(AE)技术监测断裂损伤过程,通过荷载-裂缝张开口位移(P-CMOD)曲线计算峰值能量和累积能量的变化,采用RA-AF关联分析法对缺口梁损伤时释放的AE信号进行了损伤模式分析。试验结果表明:随着加载速率的增加,SAP混凝土强度增加,拉伸型裂缝的比例显著降低;而随着SAP含量的提升,相同加载速率下SAP混凝土的强度降低,拉伸型裂缝的比例呈先增加后降低的趋势,适当的SAP可以增加拉伸型裂缝的比例。研究结果可为SAP混凝土在工程中的实际应用提供参考。

基于灰色-神经网络组合模型的纤维混凝土腐蚀劣化预测模型研究

戎泽斌, 王成

2023, 42(7): 2429-2438.

摘要 ( 64 )

PDF (3601KB) ( 68 )

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将体积掺量为0.3%的聚乙烯醇(PVA)纤维掺入C30混凝土,分别开展不同浓度溶液作用下的全浸泡-烘干试验,从而探究PVA纤维混凝土的抗劣化性能。以劣化试验数据作为原始样本值,分别建立GM(1,1)模型、BP神经网络模型和GM(1,1)-BP神经网络组合模型对样本数据进行拟合精度对比,并对35~50次循环后的相对动弹性模量数值做出预测,分析整体变化趋势。结果表明:混凝土试件在10倍基准浓度溶液下的评价指标变化最稳定,表明PVA体积掺量为0.3%的试件在高浓度溶液下的抗劣化性能较好;GM(1,1)模型对样本的整体趋势变化预测较为准确;BP神经网络模型对样本单一点的变化趋势预测较为准确,整体精度最高;而组合模型克服了两种单一模型的不足之处,预测值与测试值的变化趋势一致,预测效果最好。

循环流化床灰蒸压加气混凝土中延迟形成钙矾石的研究

房天齐, 黄舒, 乔秀臣

2023, 42(7): 2439-2446.

摘要 ( 63 )

PDF (9568KB) ( 52 )

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以循环流化床灰(CFBA)取代煤粉炉粉煤灰(PFA),研究不同CFBA取代量和水泥掺量对蒸压加气混凝土(AAC)抗压强度和干密度的影响,借助化学滴定、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)探究钙矾石(AFt)在AAC中延迟形成的特点。结果表明,CFBA取代40%(质量分数)PFA、水泥掺量为20.0%(质量分数)条件下,能够制备满足干密度级别B05和强度级别A3.5要求的AAC。当CFBA分别取代40% PFA、100% PFA后,未经蒸压处理的空气养护试样中AFt含量于7 d达到最大值,分别为7.71%(质量分数)和18.60%;经过蒸压制得AAC后,再空气养护28 d,试样中延迟生成的AFt量均少于1.00%;而蒸压处理制得AAC后,再泡水养护28 d,CFBA取代40% PFA的试样中AFt生成量为2.57%,CFBA取代100% PFA的试样中AFt生成量达4.46%;CFBA取代100% PFA的AAC试样中延迟形成的AFt为典型高长径比针棒状晶体,存在体积安定性风险。

循环流化床飞灰对泡沫混凝土性能的影响

陈盟, 周明凯, 王杰, 陈立顺

2023, 42(7): 2447-2457.

摘要 ( 66 )

PDF (11990KB) ( 54 )

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为了研究循环流化床(CFB)飞灰对泡沫混凝土性能的影响,选择两种不同的CFB飞灰以及普通粉煤灰(FA),通过测量泡沫混凝土的抗压强度、流动度、孔结构和吸水率,研究飞灰掺量和种类对泡沫混凝土性能的影响,并通过扫描电子显微镜和X射线衍射仪对泡沫混凝土的微观形貌和物相组成进行表征。结果表明,CFB飞灰较高的硫钙含量和不规则的颗粒形貌会对泡沫混凝土的工作性造成不良影响。掺入低硫钙型CFB飞灰时,泡沫混凝土的强度随着CFB飞灰掺量增加而提高,50%(质量分数,下同)掺量时,7和28 d抗压强度均达到最大值,分别为1.30和2.25 MPa;掺入高硫钙型CFB飞灰时,泡沫混凝土的强度随着CFB飞灰掺量增加呈先增加后降低的趋势,7和28 d抗压强度分别在CFB飞灰掺量20%和10%时达到最大值,分别为1.42和2.00 MPa。CFB飞灰水化过程中生成的钙钒石和C-S-H凝胶能够填充孔隙,增加小孔占比,降低孔隙率,有利于泡沫混凝土抗压强度的提高和吸水率的降低。

GFRP布被动约束标准煤矸石混凝土圆柱轴压性能细观模拟

李庆文, 禹萌萌, 刘艺伟, 曹行, 高森林, 聂帆帆, 李玲

2023, 42(7): 2458-2471.

摘要 ( 66 )

PDF (14885KB) ( 54 )

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为研究细观模型的有效性,利用三维PFC-FLAC耦合方法构建玻璃纤维增强复合材料(GFRP)布约束煤矸石混凝土圆柱的细观连续-非连续耦合模型。通过已有试验数据验证了该模型的有效性,并在此基础上开展了0、2、4层GFRP布对煤矸石混凝土圆柱的轴压性能、破坏模式及吸能特性的影响研究。结果表明:建立的细观模型精度较高;煤矸石混凝土圆柱的极限破坏强度随GFRP层数增加而逐渐增大,能量吸收效率和体积比吸收能也均有相同的变化趋势,但存在增大比例减小的问题。从应力-应变曲线延性特征、峰值强度、破坏模式、总能量密度变化、能量吸收效率及体积比吸收能等六个方面综合考虑,兼顾经济成本与缠绕水平原则,确定GFRP布层数增加可以增强煤矸石混凝土圆柱的轴压性能。

单掺粉煤灰和矿渣粉对磷酸镁水泥水化进程及强度的影响

刘进, 韩达, 张增起

2023, 42(7): 2472-2478.

摘要 ( 68 )

PDF (4373KB) ( 67 )

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以石英粉作为参照,通过监测水化热、悬浮液pH值及凝结时间变化研究了粉煤灰和矿渣粉(GGBS)对磷酸镁水泥水化进程的影响,并测定了砂浆的抗压强度及硬化浆体的孔结构。结果表明,粉煤灰和矿渣粉对磷酸镁水泥的水化具有较强的延缓作用,且矿渣粉的缓凝效果更强。粉煤灰和矿渣粉能够改善硬化浆体的孔结构,其中矿渣粉的改善效果更为显著。在15%(质量分数)掺量下,单掺粉煤灰和矿渣粉的磷酸镁水泥砂浆2 h抗压强度都略高于纯磷酸镁水泥砂浆。掺粉煤灰的磷酸镁水泥砂浆后期抗压强度等于或略高于纯磷酸镁砂浆,掺矿渣粉的磷酸镁水泥砂浆后期抗压强度显著高于纯磷酸镁水泥砂浆。

钢渣混合土基层材料干缩及抗冻性能研究

徐瑞, 黄伟, 张丽, 张耄耋, 唐刚

2023, 42(7): 2479-2487.

摘要 ( 61 )

PDF (5694KB) ( 54 )

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为了解钢渣混合土基层材料在环境作用下的响应特性,分别以失水率、干缩应变、干缩系数和冻融质量损失率、冻融残留强度比为指标,开展了干缩和冻融循环试验研究。研究发现,随着钢渣占比的增加,钢渣混合土28 d干缩系数、冻融质量损失率均有所减小,冻融残留强度比先增后减,在钢渣占比50%(质量分数)时达到峰值96.1%,说明合适的钢渣占比既能抑制钢渣混合土的干缩,又赋予其较好的抗冻性能;随着水泥掺量的增加,28 d干缩系数、冻融残留强度比增加,冻融质量损失率减小,表明水泥掺量的增加不利于钢渣混合土的干缩性能但有利于其抗冻性能;土壤固化剂的掺入能改善钢渣混合土的干缩和抗冻性能。SEM分析表明,钢渣占比为50%、水泥掺量为5%配合比的钢渣混合土结构更紧密,8次冻融循环后整体性更好。通过对比不同基层材料的干缩系数和冻融残留强度比发现,钢渣混合土的干缩性能劣于水泥稳定碎石但优于水泥石灰稳定土,抗冻性达到甚至超过水泥稳定碎石。

赤泥-钢渣粉-水泥固化流态土性能试验研究

王聪聪, 刘茂青, 宋红旗, 庚利民, 杜红秀

2023, 42(7): 2488-2496.

摘要 ( 103 )

PDF (5333KB) ( 118 )

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为节约水泥资源,响应“双碳”目标,本文探究以工业固废赤泥和钢渣粉与水泥复合固化流态土,对不同赤泥和钢渣粉掺量下流态固化土的工作性能、抗压强度、电化学阻抗谱和微观结构进行试验研究。结果表明,改变赤泥-钢渣粉掺量可以调控流态固化土工作性能,坍落度随赤泥掺量的增大呈先增大后减小的趋势,赤泥掺量为10%(质量分数)时,坍落度达到最大值,为203.0 mm,凝结硬化时间随赤泥掺量的增大逐渐缩短,初凝时间为250~285 min。流态固化土的抗压强度主要由水化反应生成的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和钙矾石构成,赤泥掺量为20%(质量分数)时,28 d龄期的抗压强度达到最大值,为4.67 MPa,赤泥和钢渣粉存在协同作用,复掺赤泥和钢渣粉使C-S-H凝胶的生成量增加,流态固化土的力学性能得到了提升。随着赤泥掺量的增大,容抗弧半径、阻抗模值和相位角峰值、孔溶液电阻R_e和凝胶中双电层电容Q均呈先增大后减小的趋势,当赤泥、钢渣粉和水泥的质量比为2∶3∶5时均达到最大值,电化学阻抗谱及其等效电路拟合结果与抗压强度变化规律一致,电化学阻抗谱技术用于流态土固化效果的无损测试具有可行性。

铬铁矿对高炉渣制备微晶铸石晶化行为及理化性能的影响

王新翔, 王艺慈, 王晨, 罗果萍, 柴轶凡, 安胜利

2023, 42(7): 2497-2503.

摘要 ( 62 )

PDF (6451KB) ( 54 )

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以包钢高炉渣为主要原料,配加少量铬铁矿,在高温渣液降温过程中采用一步保温热处理方法制备微晶铸石,通过熔点测定、差热分析、X射线衍射,扫描电子显微镜观察并结合理化性能测试,研究了铬铁矿加入量对微晶铸石晶化行为和理化性能的影响规律,为包钢高炉渣的低成本高值化利用开辟了新途径。结果表明:在原料配比为高炉渣95%、铬铁矿5%(质量分数)时,微晶铸石整体析晶,主晶相为镁黄长石和铝黄长石,抗折强度为31.88 MPa,密度为3.439 g·cm^-3,吸水率为0.036%,耐酸性为0.145%,耐碱性为0.033%,符合国家建筑材料标准,完全可以替代天然大理石和花岗岩用作建筑装饰材料。

矿物掺合料透水混凝土微观结构及性能分析

刘沛, 姚素玲, 董宪姝, 付元鹏, 李德浩

2023, 42(7): 2504-2512.

摘要 ( 70 )

PDF (7861KB) ( 70 )

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透水混凝土具有显著的孔隙特征,可有效缓解城市内涝,涵养地下水系。针对透水混凝土由孔隙大导致的抗压强度低等问题,采用矿物掺合料替代部分水泥作胶凝材料,能够实现降低生产成本并提高抗压强度的目的。本文以粉煤灰、矿渣、偏高岭土等固体废弃物为掺合料,通过抗压强度、透水性能测试分析矿物掺合料单掺、复掺、三掺对透水混凝土性能的影响,并探究其水化机理。结果表明:复掺以及三掺体系的透水混凝土力学性能明显优于单掺体系;当三掺体系粉煤灰、矿渣、偏高岭土掺量分别为15%(质量分数,下同)、15%、10%时,透水混凝土性能最佳,抗压强度达22.1 MPa,孔隙率和透水系数分别为14.3%、3.27 mm/s,满足行业标准。

玄武岩纤维加筋尾砂抗震液化试验研究

董致成, 王光进, 李耀基, 蔡彬亭, 王孟来, 李树建

2023, 42(7): 2513-2520.

摘要 ( 55 )

PDF (9586KB) ( 48 )

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基于地震荷载作用下尾砂发生液化现象,本文提出一种增强尾砂抗震液化特性的方法,即玄武岩纤维加筋尾砂。为验证纤维加筋尾砂的抗液化特性效果及其机理,运用动三轴仪对纤维加筋尾粉砂展开一系列动力试验,研究了同质量分数(0.3%)下不同长度(3、6、9、12、15、18 mm)以及相同长度(9 mm)下不同质量分数(0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%)的纤维对尾砂抗液化性能影响。结果表明,纤维加筋尾砂能够有效提升尾砂的抗液化特性。就增强尾砂的抗液化效果而言,纤维存在最优长度和最优掺量分别为9 mm、0.3%。通过SEM发现,玄武岩纤维填充在尾砂颗粒的孔隙与裂隙中,并与尾砂颗粒发生缠绕、包裹等现象,甚至一些被包裹的纤维之间相互弯曲交织,构建成三维网状的“桥梁”纽带。

玄武岩纤维对磷石膏基复合材料耐久性能的影响

黄莹蓥, 孔德文, 崔庚寅, 谢浪, 王玲玲

2023, 42(7): 2521-2531.

摘要 ( 60 )

PDF (18571KB) ( 66 )

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通过在磷石膏基复合材料(PGC)中掺入不同直径、长度和掺量的玄武岩纤维(BF),探究BF对PGC耐久性能的影响。结果表明,BF的掺入能显著降低PGC的溶蚀率。随着BF掺量的增加,试样干湿循环和冻融循环强度整体提高,且与绝干强度变化机制类似,其中干湿循环的抗压和抗折强度较空白组分别提高了约22.3%和100.3%,冻融循环的抗压和抗折强度则分别提高了近46.5%和124.0%。同时,PGC的干湿循环与冻融循环强度系数整体随着BF掺量的增多而增大,干湿循环抗压和抗折强度系数分别上升至0.95和0.92,冻融循环抗压和抗折强度系数分别增长至0.71和0.62,这表明PGC耐久性能得到显著改善。此外,BF直径对PGC耐久性能的影响并不显著。本研究结果可以为纤维改性石膏基复合材料的耐久性能研究提供一定的参考。

钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土力学与断裂性能

丁亚红, 邹成路, 郭猛, 张美香, 吕秀文

2023, 42(7): 2532-2540.

摘要 ( 57 )

PDF (9932KB) ( 58 )

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通过立方体抗压试验、劈裂抗拉试验与三点弯曲试验,探讨再生粗、细骨料较高取代率和钢纤维掺量对再生混凝土力学性能与断裂性能的影响。测试了试件28 d的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度与双K断裂韧度,分析了再生混凝土基本力学性能与断裂性能之间的相关性,提出了钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土起裂断裂韧度及失稳断裂韧度与劈裂抗拉强度的计算关系。结果表明:再生粗、细骨料以50%质量取代率分别替换天然碎石与河砂,钢纤维体积掺量为1.0%时,抗压强度与劈裂抗拉强度达到最高,分别达到天然混凝土的77.12%与93.97%。掺加1.0%的钢纤维后,试块的失稳断裂韧度明显增加,并且在再生细骨料掺量为50%时均超过了天然混凝土。

二维剥片对蒙脱石漆雾凝聚剂的影响

周亚坤, 赵云良, 高仁波, 陈立才, 张婷婷

2023, 42(7): 2541-2550.

摘要 ( 63 )

PDF (17582KB) ( 65 )

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水性漆在涂料市场的份额逐年快速攀升,但采用传统漆雾凝聚剂处理水性漆废水存在水性漆去除率不高、二次污染等问题。本文开发了二维剥片型蒙脱石漆雾凝聚剂,显著提升了蒙脱石漆雾凝聚剂的分散稳定性和对水性漆废水中水性漆的去除率,并用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜-X射线能谱(SEM-EDS)分析、Zeta电位分析仪、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、紫外分光光度计探究了二维剥片对蒙脱石漆雾凝聚剂的影响及蒙脱石漆雾凝聚剂的作用机理。结果表明:蒙脱石漆雾凝聚剂处理水性漆废水的机理主要是蒙脱石中的羟基和Si—O中的O与水性漆的羧基之间形成了氢键,使水性漆被吸附在蒙脱石表面;剥离程度较高的蒙脱石电负性更强,能保持更好的分散稳定性;剥离程度的增加使蒙脱石漆雾凝聚剂的分散稳定性和对水性漆的去除率显著提升,当二维剥片型蒙脱石用量为水性漆废水的1.125%(体积分数)、阳离子型聚丙烯酰胺用量为水性漆废水的1.000%(体积分数)时,水性漆去除率可达98.770%;与市售蒙脱石漆雾凝聚剂相比,本产品处理水性漆废水后水性漆去除率更高。

添加剂对无水硫酸钙晶须生长的影响及分子动力学模拟

秦思成, 吴锦绣, 齐源昊, 柳召刚, 胡艳宏, 冯福山, 李健飞, 张晓伟

2023, 42(7): 2551-2562.

摘要 ( 88 )

PDF (18063KB) ( 86 )

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以硫酸铵废水为原料,采用水热法制备了无水硫酸钙晶须(CSW)。首先研究了十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和不同聚合度的聚乙二醇(PEG)对CSW生长行为的影响。然后用Materials Studio 2020软件对SDBS吸附在CSW表面进行分子动力学模拟,计算得到各晶面吸附能。结果表明,产物均为正交晶系的CSW。未加添加剂制备出的CSW平均长度为65.27 μm,长径比为40,但表面粗糙,分布不均匀。加入4%(质量分数)SDBS制备出的CSW形貌最优,分布均匀,表面光滑且均为针状,平均长度为136 μm,长径比为62。SDBS能促进CSW以螺旋位错的形式沿轴向生长,提高CSW长径比。

晶种溶液辅助合成ZSM-5沸石及偏三甲苯异构化催化性能研究

张红智, 张燕挺, 宋金锐, 刘景怡, 高玉芳, 李宁, 李晓峰

2023, 42(7): 2563-2578.

摘要 ( 72 )

PDF (27215KB) ( 89 )

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以四丙基氢氧化铵为模板剂,商业硅溶胶为硅源,在100 ℃下合成了晶种溶液。同时,在无模板剂体系下,以晶种溶液辅助成功合成了结晶度良好的ZSM-5沸石,并探究了其合成条件。采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、N₂吸附-脱附、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线荧光光谱(XRF)和氨气程序升温脱附(NH₃-TPD)测试方法对合成的沸石样品进行表征。结果表明:在无模板剂存在下,仅添加0.5%(质量分数)晶种溶液即可合成ZSM-5沸石;同时,在最佳合成条件下,170 ℃晶化8 h可合成亚微米级ZSM-5沸石团聚体,粒径为500 nm左右。此外,在偏三甲苯异构化反应中,硅铝比为30的样品具有更好的催化性能,其偏三甲苯质量转化率、均三甲苯质量收率及均三甲苯选择性分别为32.81%、20.81%和63.42%。

热激励去极化电流技术在无机材料中的应用

张效华, 张寓涛, 张杰, 施赟舟, 曲海默, 张力, 张曜, 骆宇, 卞帅帅, 郭蔚嘉, 陈雨谷, 岳振星

2023, 42(7): 2579-2588.

摘要 ( 130 )

PDF (8504KB) ( 88 )

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热激励去极化电流(TSDC)测量技术可以提供存在于材料体系中的缺陷类型信息,例如空间电荷、偶极子、陷阱电荷等。通过TSDC谱分析,可研究偶极子和可动离子的性质,以及激活能、弛豫时间、荷电粒子浓度等微观参数,进而更好地理解与缺陷有关的物理本质。本文介绍了当前TSDC技术在无机材料中的应用现状,整理归纳出TSDC技术在线性介质、非线性介质、陶瓷-聚合物复合材料中的研究结果与最新进展,从本质上揭示无机材料中缺陷与性能之间的内在关联。有望拓展TSDC技术在无机材料中的应用,为无机材料微观机制研究提供新思路。

氨水对溶胶-凝胶法制备硅溶胶粒径及稳定性的影响

熊江敏, 段宁, 陆成龙, 张银凤, 李崇瑞

2023, 42(7): 2589-2596.

摘要 ( 96 )

PDF (11740KB) ( 89 )

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本文以正硅酸乙酯(TEOS)为原料,在以氨水为催化剂的碱体系中,采用溶胶-凝胶法制备了二氧化硅溶胶。通过SEM-EDS、XRD、热重分析、激光粒度分析、Zeta电位等分析手段,研究了氨水的加入量对二氧化硅溶胶粒径以及稳定性的影响。研究结果表明,当pH值在11~12、氨水与TEOS的摩尔比R(n(NH₃·H₂O)∶n(TEOS))在1~10时,随着R值的增大,二氧化硅溶胶平均粒径y与R值x呈指数相关趋势,其拟合函数为y=2.22x^1.79,相关性为0.96,粒径从10.17 nm (R=1)增加到142.48 nm (R=10),且胶粒的粒径分布半高宽从9.89 nm (R=1)增加到171.61 nm (R=10)。二氧化硅溶胶的稳定性则与氨水的加入量呈下抛物线趋势,其凝胶时间从684 h (R=1)下降到28 h (R=5),再上升到780 h (R=10)。

固相合成法制备工程化应用的大应变压电陶瓷材料

李伟, 盖学周, 汪跃群

2023, 42(7): 2597-2602.

摘要 ( 87 )

PDF (4099KB) ( 74 )

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随着我国科技水平的飞速发展,激光惯性导航系统的精度要求越来越高。采用工业级原材料,通过固相合成法制备了铌锑-铌镍-锆钛酸铅(PSN-PNN-PZT)四元系大应变压电陶瓷材料,讨论了不同含量Sr对PSN-PNN-PZT压电陶瓷材料介电性能、压电性能的影响。结果表明:当Sr含量为1%(摩尔分数)、n(Zr)/n(Ti)=43/57(摩尔比)时,PSN-PNN-PZT组成位于准同型相界附近,压电陶瓷性能较优,获得了一种相对介电常数ε^T₃₃/ε₀、机电耦合系数k_p、压电常数d₃₃、介电损耗tan δ、居里温度T_c分别为4 090、0.664、686 pC/N、0.016 5及213 ℃的大应变压电陶瓷材料;基于该材料配方制备的ϕ24 mm×ϕ5 mm×0.4 mm压电陶瓷圆环,在100 V的驱动电压下产生的应变量能达到2.500 5 μm,较现有的PZT-14(P14)材料提升32.4%,能应用于高精度激光陀螺稳频器中,提高压电陶瓷微位移驱动器的可靠性。

基于机器学习的轻质低膨胀幕墙玻璃组分设计研究

田静, 黄依平, 苗恩新, 李苑, 刘军波, 张本涛, 刘涌, 韩高荣

2023, 42(7): 2603-2612.

摘要 ( 88 )

PDF (8965KB) ( 84 )

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随着机器学习技术的不断发展和玻璃材料数据的逐步积累,基于数据驱动的组分设计方法已成为玻璃新材料开发的一种有力手段。本文采用随机森林回归算法构建了包含56种氧化物的玻璃组分与性能预测模型,并采用SHAP分析等方法进行了可解释性研究,实现了在高维组分空间对线膨胀系数、密度及弹性模量的准确预测。利用该预测模型在Si-Al-B-Ca-Mg-Na六元氧化物组分空间中对约118万个玻璃配方进行快速预测,并对优选的4组硼硅酸盐玻璃样品进行测试。结果表明,样品的线膨胀系数分布在(52.00~58.00)×10^-7℃^-1,密度分布在2.34~2.39 g/cm³,弹性模量分布在67.00~74.00 GPa,与模型预测结果相符,且优于相关规范要求。

热处理对锂铝硅玻璃微观结构及机械性能的影响

胡伟, 尹勇明, 孟鸿

2023, 42(7): 2613-2620.

摘要 ( 100 )

PDF (1969KB) ( 75 )

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锂铝硅玻璃在深加工过程中会经历曲面成形和离子交换等热处理步骤,其压应力分布、结构强度均受到影响。本试验通过单杆静压测试、抗跌落性能测试及拉曼光谱等测试与表征,探究了420~640 ℃的热处理对锂铝硅玻璃性能的影响。结果表明,在低于玻璃应变点温度60 ℃至玻璃应变点温度范围内,热处理可以使锂铝硅玻璃机械性能增强,表现为密度提升、单位交换应力值增大、压应力深度减小以及单杆静压强度有所提高;拉曼光谱分析表明,上述温度范围内热处理使玻璃内部呈六元环的硅氧四面体、铝氧四面体的键长变短,对应拉曼振动峰强度下降,网络结构更加致密;而当热处理温度超过应变点,硅氧四面体之间的桥氧开始断裂,形成大量松散的“岛状”结构硅氧四面体,在高温情况下发生移动,机械性能下降。

Ⅳ类石英玻璃光学均匀性影响因素研究

袁晶, 宋学富, 孙元成, 杜秀蓉, 张晓强, 钟利强

2023, 42(7): 2621-2628.

摘要 ( 114 )

PDF (3723KB) ( 89 )

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Ⅳ类石英玻璃是一种重要的特种玻璃材料,在光学探测、惯性导航等领域内具有重要作用。光学均匀性是表征光学玻璃结构均匀性的一种重要方法,Ⅳ类石英玻璃的光学均匀性与硅氧网络结构分布一致性密切相关。本文通过四步法光学均匀性测试、紫外-可见-近红外光谱、红外反射光谱等方法,研究了羟基、金属杂质及氧缺陷的径向分布特点和硅氧键键角的径向变化,采用相关性分析研究了各影响因素对样品光学均匀性的影响。结果表明:表示玻璃光学均匀性的波前畸变t₀Δn沿玻璃半径先降低后升高;羟基的径向分布整体上与t₀Δn的径向变化相反,200 nm处透过率径向变化、硅氧键键角径向变化与t₀Δn的径向变化相近;羟基对Ⅳ类石英玻璃光学均匀性的影响较小,金属杂质、氧缺陷及硅氧键键角的径向变化是影响Ⅳ类石英玻璃光学均匀性的主要因素。

绿色可控低强材料组成与工作性能研究进展

王新岐, 邵捷, 问鹏辉, 曾伟, 王朝辉

2023, 42(7): 2629-2644.

摘要 ( 107 )

PDF (16448KB) ( 91 )

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可控低强材料(CLSM)作为一种能够自密实填充狭窄空间、便于二次开挖维修、促进固废资源化利用的绿色回填材料,可应用于管廊及台背等回填工程。为提升固废材料在CLSM中的应用水平,科学合理地指导CLSM材料组成设计,明确多因素影响下CLSM工作性能演变规律,本文系统梳理了CLSM固化材料和固化基料选用现状,并总结了固废材料在CLSM中的应用情况,对比评价了CLSM工作性能相关技术指标规范和测试标准,阐明了CLSM流动度、泌水率、凝结时间、干缩等工作性能在不同因素影响下的演变规律。鉴于当前CLSM相关研究已取得显著进展,进一步研究不同应用场景下基于综合性能调控的CLSM组成设计是推广CLSM工程应用亟待攻关的方向。

水泥稳定碎石抗离析评价方法研究

王明军, 翟新明, 邸文锦, 翟健梁, 关博文, 熊锐

2023, 42(7): 2645-2655.

摘要 ( 67 )

PDF (9734KB) ( 56 )

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针对现有的水泥稳定碎石离析评价方法难以精准评价混合料离析的情况,本文通过室内离析试验定量分析5种不同级配水泥稳定碎石混合料的抗离析性能,并引入形状离析系数L与筛分离析系数Seg,定量划分水泥稳定碎石混合料的离析程度。结果表明:与水泥剂量4%(均为质量分数)相比,水泥剂量5%的混合料抗离析性能大幅度提升,且水泥剂量5%和水泥剂量6%的混合料抗离析能力相差不大,因此更推荐5%的水泥剂量;当混合料的4.75 mm通过率为35%和40%时,混合料内部能形成强有力的力链结构,抵抗集料在下落过程中的离散趋势,且水泥剂量为5%和6%混合料的离析等级总保持在无离析和轻微离析状态,表现出优异的水泥稳定碎石抗离析性能。

受阻酚对灌缝胶体系的抗老化改性效果研究

刘汉超, 张凯华, 张菁燕, 滕新华

2023, 42(7): 2656-2666.

摘要 ( 58 )

PDF (1698KB) ( 56 )

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为研究受阻酚对沥青路面灌缝胶体系的抗老化改性效果,采用受阻酚1076、受阻酚二叔丁基对甲酚(BHT)以及受阻酚1010对制备的普通型灌缝胶进行改性,模拟现场施工情况进行老化试验,对比老化前后灌缝胶性能及黏弹性特征变化,并进行结构表征分析。结果表明,受阻酚1076可以在老化12 h内持续改善灌缝胶的抗老化性能;受阻酚BHT在老化6 h内可以有效遏制极性基团的生成,抑制灌缝胶模量的升高,但在长时间老化下其抗老化效果衰退明显;受阻酚1010在老化6 h内抗老化效果并不理想,但在老化12 h后可以有效抑制羰基的生成。受阻酚对灌缝胶体系的抗老化改性效果受到受阻酚分子结构、迁移性及其与灌缝胶体系相容性的影响。高相容性、低位阻效应以及低迁移性有助于受阻酚稳定、高效地提升灌缝胶的抗老化性。异佛尔酮二异氰酸酯可以有效改善受阻酚在灌缝胶中的分散性,从而进一步提升抗老化效果。

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