梁文杰, 谭洪波, 吕周岭

2023, 42(8): 2667-2682.

摘要 ( 175 )

PDF (11764KB) ( 362 )

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海洋工程建设中,海砂、珊瑚砂等原料中富含一定的氯盐,在配制过程中,原料中的氯离子进入钢筋混凝土引起内部侵蚀,导致钢筋混凝土结构失效。大量试验表明,水泥水化产物C-S-H凝胶和Friedel's盐在提高水泥基材料内源氯离子固化能力、降低钢筋锈蚀风险等方面发挥着重要作用。水泥矿物、掺合料、外加剂、类AFm相材料的存在影响着C-S-H凝胶和Friedel's盐的生成,进而改变水泥基材料的氯离子固化能力。本文综述了上述影响下C-S-H凝胶和Friedel's盐的变化,进而分析了水泥混凝土中内源氯离子的固化效果,为采用氯离子固化材料解决钢筋混凝土氯离子侵蚀问题提供参考。

矿渣-高贝利特硫铝酸盐水泥抗硫酸盐侵蚀机理的研究

裴天蕊, 齐冬有, 邹德麟, 蔡永慧, 汪智勇, 郝禄禄, 王亚丽, 张钰, 刘洪印

2023, 42(8): 2683-2691.

摘要 ( 122 )

PDF (9645KB) ( 203 )

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硫酸盐侵蚀是混凝土耐久性的一个重要影响因素,为进一步提高高贝利特硫铝酸盐水泥(HB-CSA)基混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能,在HB-CSA中掺入粒化高炉矿渣(GBFS)以提高HB-CSA抗硫酸盐侵蚀性能。采用抗蚀系数来评价矿渣对HB-CSA砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响,并结合X射线衍射分析法、热重分析法、压汞法、扫描电子显微镜等测试方法,从微观层次对抗硫酸盐侵蚀机理进行了研究。结果表明,矿渣可以提高HB-CSA的抗硫酸盐侵蚀性能,HB-CSA的抗蚀系数可提高至1.51。GBFS-HB-CSA体系在抗硫酸盐侵蚀过程中,矿渣颗粒对HB-CSA孔结构的填充细化起主要作用,SO^2-₄和Ca(OH)₂共同激发矿渣中Al₂O₃与SiO₂水化生成凝胶和钙矾石(AFt),凝胶和AFt填充在浆体孔隙中,细化了浆体孔径,使浆体结构密实,降低了离子渗透性,从而提高HB-CSA抗硫酸盐侵蚀的能力。

孔结构和含水量对水泥净浆矿化养护性能的影响

石信超, 房晶瑞, 郅晓, 陈阁, 马腾坤, 张帅, 曲齐齐

2023, 42(8): 2692-2702.

摘要 ( 101 )

PDF (19319KB) ( 168 )

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矿化养护水泥基材料在提高水泥制品性能的同时又能永久封存CO₂,被认为是一种非常有前景的减碳技术。水泥基材料孔结构对矿化反应的影响尤为显著,本文通过改变初始水灰比(w/c=0.35、w/c=0.40、w/c=0.45)和预处理时间(2、4、6、8、16、24、48和72 h)制备不同孔结构的水泥净浆,研究了孔结构及含水量对水泥净浆矿化反应的影响规律。结果表明,不同初始水灰比的水泥净浆均在预处理时间为8 h时固碳率达到最大值,并且固碳率随着初始水灰比的增加而增加。同时,对于早期水化(24 h标准养护+8 h预处理)的水泥净浆,初始水灰比对孔结构的影响远大于水化程度。初始水灰比为0.45的水泥净浆经8 h预处理后再进行8 h矿化养护,其固碳率、矿化深度、抗压强度分别达到20.35%(固碳率均为质量分数)、12.49 mm、61.99 MPa,与28 d标准养护试块强度(54.25 MPa)相比,经矿化养护后的试块抗压强度提高14.27%。矿化反应主要产物是CaCO₃和硅胶,CaCO₃的填充优化了水泥净浆的孔结构,孔径大于50 nm的孔显著减少,且产物CaCO₃的主要晶型为方解石、文石。

聚合物对砂浆热老化后防水及力学性能的影响

张娜, 孙倩, 张鹏宇, 王冬梅, 王琴

2023, 42(8): 2703-2711.

摘要 ( 71 )

PDF (15934KB) ( 114 )

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将可再分散沥青粉末(EAP)、醋酸乙烯酯-乙烯共聚物(VAE)乳胶粉、苯乙烯-丙烯酸丁酯共聚物(SBA)乳液作为外加剂分别掺入水泥砂浆,通过热处理前后的吸水率测试、胶砂强度测试和微观形貌分析,研究了不同聚合物对水泥砂浆在70 ℃的耐热老化性能的影响。结果表明:试验采用的聚合物均可降低砂浆吸水率,且吸水率随聚合物掺量的增加而降低。SBA乳液的成膜性能优于粉体聚合物,因此SBA改性砂浆的表面防水效果最佳;两种可再分散聚合物粉末对比,同期热老化后EAP对砂浆防水改性效果优于VAE。经热老化后,沥青组分高温下具有一定的黏流性,EAP改性砂浆热老化后抗压强度降低,随EAP掺量增加,抗折强度先升高后降低,其强度变化主要体现为沥青组分在高温下的作用特点,VAE改性砂浆及SBA改性砂浆热老化初期聚合物膜结构阻碍水分迁移,热老化后期柔性的聚合物膜结构破坏造成强度高于热老化前的强度,其强度变化主要体现为传统聚合物改性砂浆的特点。

水化热抑制剂对复合胶凝材料体系早期水化动力学的影响

曾柯林, 温东昌, 杨蓉, 孙涛, 王雷冲, 韩金龙

2023, 42(8): 2712-2721.

摘要 ( 69 )

PDF (13028KB) ( 137 )

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本文研究了水化热抑制剂(TRI)对水泥-粉煤灰-矿渣复合胶凝材料早期水化过程。通过改变矿物掺合料在胶凝材料中的质量占比以及TRI的掺量,研究了胶凝材料的水化特性,并基于 Krstulovic-Dabic 水化动力学模型计算了反应速率常数、几何晶体生长指数等动力学参数。结果表明,矿物掺合料和TRI复合使用会延缓胶凝材料水化并降低最大放热速率;复合胶凝材料的水化过程均有结晶成核与晶体生长、相边界反应以及扩散3个阶段,Krstulovic-Dabic水化动力学模型能较好地模拟各复合胶凝材料的水化过程;矿物掺合料和TRI会影响复合胶凝材料水化产物的结晶成核以及晶体生长,并降低复合胶凝材料各阶段的水化速率。

轻质高性能混凝土力学性能及微观结构研究

褚洪岩, 安圆圆, 秦健健, 蒋金洋

2023, 42(8): 2722-2732.

摘要 ( 90 )

PDF (14835KB) ( 155 )

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轻质高性能混凝土(HPLC)具有密度小、强度高、耐久性优良的特点,在土木工程领域具有广阔的应用前景。根据改进的 Andreasen and Andersen模型设计HPLC初始配合比,探究不同掺量的页岩陶砂(SCS)对HPLC的工作性能、力学性能及耐久性的影响。此外,还探究了SCS对HPLC的微观形貌和孔结构的影响。研究表明:1)当SCS替代率为100%时,HPLC的表观密度为1 848.3 kg/m³,抗压强度达到123.22 MPa;2)掺入 SCS可以改善HPLC的力学性能,不同掺量的SCS使HPLC的抗压强度、抗折强度、弹性模量分别提高了8.88%~47.92%、22.50%~56.30%和3.49%~14.03%;3)掺入SCS可以改善HPLC的耐久性能,当SCS的替代率为100%时,HPLC的氯离子迁移系数较基准组降低了32.52%;4)由于SCS的掺入,HPLC的微观结构得到明显改善,使HPLC的孔隙率降低了14.86%~28.24%。

多元胶凝材料体系再生混凝土复合盐侵蚀耐久性退化规律

车志豪, 王家滨, 张凯峰, 范一杰

2023, 42(8): 2733-2742.

摘要 ( 66 )

PDF (5848KB) ( 111 )

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我国西北地区土壤及地下水中含有大量侵蚀性硫酸根离子、镁离子与氯离子,导致在役再生混凝土(RAC)耐久性退化,严重制约了RAC在西北地区新建结构中的使用。为了研究多元胶凝材料体系RAC复合盐侵蚀耐久性退化规律,采用全浸泡、部分浸泡及干湿交替三种方式,分别模拟RAC结构构件不同部位的破坏方式,开展RAC耐久性试验。以相对动弹性模量、质量损失率及相对抗压强度为指标,研究不同侵蚀方式下RAC耐久性退化规律,分析多元胶凝材料体系中辅助胶凝材料的搭配方式及取代率对RAC耐久性退化的影响。全浸泡方式下,粉煤灰-矿渣双掺RAC相对动弹性模量下降较慢;部分浸泡方式下,辅助胶凝材料的引入降低了RAC抗复合盐侵蚀能力;干湿交替侵蚀方式下,RAC物理力学性能整体呈先增大后减小的趋势,多元胶凝材料体系RAC皆表现出优于纯水泥RAC的抗盐侵蚀能力

碳纤维再生混凝土循环受压性能及本构关系研究

吴辉琴, 刘星池, 陈宇良

2023, 42(8): 2743-2753.

摘要 ( 75 )

PDF (14404KB) ( 137 )

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为了研究循环荷载下碳纤维再生混凝土(CFRAC)的受压性能,以再生粗骨料取代率、碳纤维体积掺量和加载速率作为变化参数,设计并制作了40个圆柱体试件进行循环受压加载试验。试验观察了试件的破坏形态,获取了应力-应变曲线,分析了不同变化参数对峰值应力、峰值应变、塑性应变、刚度退化和应力退化等性能的影响规律。结果表明:碳纤维再生混凝土试件在循环荷载作用下主要发生脆性破坏;碳纤维改善了再生混凝土的循环受压性能,与未掺碳纤维混凝土相比,当碳纤维体积掺量为0.3%时,峰值应力和峰值应变分别提高了11.33%和12.22%;刚度退化与应力退化程度得到降低;当再生粗骨料取代率为100%时,峰值应力和峰值应变分别提高了10.16%和14.29%;最后,提出了碳纤维再生混凝土在循环受压下应力-应变本构方程。

钢-剑麻混杂纤维再生混凝土断裂性能研究

王二成, 李格格, 柴颖珂, 张红春, 李彦苍, 王燕杰

2023, 42(8): 2754-2763.

摘要 ( 64 )

PDF (12135KB) ( 107 )

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为改善再生混凝土(RAC)的断裂性能,通过三点弯曲断裂试验,研究了钢纤维、剑麻纤维及钢-剑麻混杂纤维对RAC试件断裂性能的影响。同时,采用数字图像相关(DIC)技术测得RAC试件的裂缝扩展全过程。结果表明:未掺纤维的RAC试件断裂性能较差,而掺入纤维后的RAC试件断裂性能明显提升;单掺钢纤维时,试件的起裂韧度与纤维掺量无关;单掺剑麻纤维时,最佳体积掺量为0.15%,其试件的起裂荷载较未掺纤维RAC试件提高了67%。单掺纤维和混掺纤维均可提高失稳韧度和断裂能,但混掺纤维效果更佳。当体积掺量为1.0%的钢纤维和体积掺量为0.30%的剑麻纤维混杂时,其起裂韧度、失稳韧度和断裂能较未掺纤维的RAC试件分别提高了83.92%、575.86%和1 244.05%。

超高性能纤维增强混凝土中钢纤维拔出行为研究

龚明子, 潘阿馨, 张子龙, 王涛, 饶先鹏, 陈晨, 黄伟

2023, 42(8): 2764-2772.

摘要 ( 73 )

PDF (2383KB) ( 117 )

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自行研发的纤维定位装置可较为精准地控制钢纤维的空间位置,基于此,研究了钢纤维埋置深度、直径和埋置角度对超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)中钢纤维拔出行为的影响。结果表明:随着钢纤维埋置深度增加,钢纤维最大拔出力、拔出功、最大拔出应力及钢纤维强度利用率均呈不断提高的趋势,而最大平均黏结强度却呈减小的趋势;随着钢纤维直径增加,钢纤维最大拔出力、拔出功和最大平均黏结强度相应增加,而钢纤维强度利用率和最大拔出应力均减小;随着钢纤维埋置角度增大,钢纤维最大拔出力和拔出功呈先上升后下降的趋势,分别在埋置角度为45°和30°时达到最大,而埋置角度为75°时,试件破坏模式表现为钢纤维拉断失效。

母岩类型及石粉含量对机制砂混凝土性能影响研究

冯玉钏, 贾小龙, 惠迎新, 韩方元, 万磊

2023, 42(8): 2773-2780.

摘要 ( 68 )

PDF (14616KB) ( 124 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

设计强度等级C50的机制砂混凝土,研究石粉含量、母岩类型对机制砂混凝土抗压强度、坍落度及微观性能的影响。通过EDS能谱分析、XRD及SEM等微观分析方法,揭示石粉含量、母岩类型对机制砂混凝土性能影响机理。结果表明,母岩类型对机制砂混凝土抗压强度影响较小。随着石粉含量增加,机制砂混凝土抗压强度呈先增后降的趋势,其中石粉含量为机制砂总质量的9%时,石灰岩机制砂混凝土抗压强度最优,为69.6 MPa;当石粉含量为6%时,辉绿岩机制砂混凝土抗压强度最优,为66.0 MPa;当石粉含量为12%时,花岗岩机制砂混凝土抗压强度最优,为68.3 MPa。混凝土坍落度随石粉含量增加而减小。石粉含量增加,在一定程度上抑制了水泥水化,导致未水化的水泥、粉煤灰数量增加;当机制砂混凝土抗压强度最优时,C-S-H凝胶中的Ca/Si(CaO和SiO₂物质的量比)最低;石粉含量及母岩类型对机制砂混凝土水化产物影响并不显著。

模拟结构用混凝土核废物高温熔融处理研究

刘春雨, 袁誉坤, 李丽丽, 方广, 徐凯

2023, 42(8): 2781-2786.

摘要 ( 68 )

PDF (1673KB) ( 107 )

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核设施退役过程中会产生大量污染或活化的低放射性混凝土核废物,相比于传统的水泥固化,玻璃材料因对放射性元素包容广、化学稳定性优良而被广泛应用于固化处理放射性废物。本文通过高温熔融的方法玻璃固化处理模拟结构用混凝土核废物,在混凝土中添加一定量玻璃添加剂(包括SiO₂、B₂O₃及Na₂O,其在玻璃固化体中质量分数分别为~26%、~13%及~6%),于1 300 ℃下将混凝土核废物转化为熔融态玻璃,获得的玻璃固化体化学稳定性满足国际低放废物固化体处置抗浸出标准,同时分析了模拟核素在高温熔融过程中的挥发行为及在固化体中的赋存状况。本研究可为混凝土核废物熔融固化提供基础数据支持。

碱激发高钙粉煤灰发泡地聚合物的制备及机理

陈永亮, 张轶轲, 陈铁军, 成亮, 李慧敏, 杨再华, 王全

2023, 42(8): 2787-2798.

摘要 ( 72 )

PDF (5152KB) ( 117 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为促进高钙粉煤灰高附加值利用,以粉煤灰为主要原料,采用水玻璃碱激发方式,获得具有优异力学性能的地聚合物,进而以过氧化氢为发泡剂,十二烷基磺酸钠(SDS)为稳泡剂,优化发泡工艺,制备多孔发泡地聚合物,并采用Image-Pro Plus图像软件对发泡截面孔径分布进行分析,利用XRD、FTIR和SEM-EDS对发泡地聚合物微观结构进行表征。结果表明:在液固比为0.50、碱当量为10%(质量分数)、水玻璃模数为1.50、H₂O₂掺量为3%(质量分数)、SDS掺量为0.3%(质量分数)和80 ℃发泡4 h条件下,标准养护制备的试块28 d抗压强度为1.78 MPa,表观密度为631 kg/m³。发泡地聚合物孔径小且分布均匀,密度较低。聚合产物为少量C-S-H凝胶和大量钙铝钠协同反应产生的N(C)-A-S-H凝胶,保证了发泡地聚合物的机械强度。

电石渣制备球霰石型CaCO₃的影响因素研究

李昱蓓, 刘松辉, 朱建平, 管学茂

2023, 42(8): 2799-2807.

摘要 ( 68 )

PDF (8082KB) ( 118 )

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为了高附加值利用电石渣以及封存CO₂,以电石渣为原料,使用多种添加剂,常压制备了球状球霰石。利用粉末X射线衍射仪、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪等考察了添加剂种类、反应温度、电石渣中杂质、反应体系对合成CaCO₃中球霰石的影响。结果表明,甘氨酸和丝氨酸对诱导生成球霰石的效果显著,反应温度的增加不利于球霰石的生成,电石渣中的杂质Al₂O₃和SiO₂可以诱导Ca(OH)₂矿化CO₂体系形成方解石。不同反应体系会影响所制备球霰石的晶体大小,电石渣-CO₂体系制备的晶体尺寸最小。在15 ℃的电石渣-CO₂反应体系中,通过添加甘氨酸可以制备单分散的表面有粗糙突起的球霰石型CaCO₃。以上研究结果为利用电石渣等碱性工业废渣制备高附加值球霰石,同时安全有效封存大量CO₂温室气体提供了一种简便方法。

复合石灰石粉-粉煤灰-矿渣混凝土抗冻融性能研究

武业忱, 吕恒林, 章明明, 闫启耀, 闫慧, 戚传康

2023, 42(8): 2808-2820.

摘要 ( 67 )

PDF (17445KB) ( 113 )

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为探究复合石灰石粉-粉煤灰-矿渣混凝土的抗冻融性能,对三种胶凝材料体系的混凝土,在四种不同水胶比下,进行快速冻融试验与压汞试验。从外观损伤、质量损失、相对动弹性模量及孔隙结构等方面研究其抗冻融性能退化规律。结果表明:在相同条件下,适当降低水胶比可以提高混凝土的抗冻融性能;与普通混凝土相比,由石灰石粉、矿渣和粉煤灰等矿物掺合料与水泥组成的复合胶凝材料体系,提高了混凝土抗冻融性能;因矿渣活性高于粉煤灰,“20%(质量分数,下同)石灰石粉+15%粉煤灰+15%矿渣”混凝土抗冻融性能弱于“20%石灰石粉+30%矿渣”混凝土;矿物掺合料能细化混凝土孔径,提升抗冻融性能。通过理论分析与试验数据回归,建立了不同胶凝材料体系下复合石灰石粉-粉煤灰-矿渣混凝土冻融损伤模型。

基于响应面法的粉煤灰-电石渣地质聚合物固化软土试验研究

张顶飞, 吕启航, 张鹏, 朱珍, 陈向南, 曹吉昌

2023, 42(8): 2821-2829.

摘要 ( 70 )

PDF (6707KB) ( 111 )

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软土承载力低,工程特性较差,无法直接作为地基进行工程建设,此外我国工业废渣产量巨大,且利用率较低,为推动高质量发展要求,本文采用粉煤灰作为前驱体,电石渣、硫酸钠作为激发剂,研究软土的固化机理与微观结构发展。结果表明,最优配合比为粉煤灰掺量17.3%(质量分数,下同)、电石渣掺量7.3%、硫酸钠掺量5.0%。最优配合比下固化土7和28 d无侧限抗压强度分别为2 474.0和3 134.0 kPa,与预测强度相比误差较小,响应面法优化配比具备有效性和科学性。固化土7和28 d水稳系数分别为0.73和0.85,固化土具有较好的抗水侵蚀能力。28 d固化土水化产物主要为水化硅酸钙(C-S-H)和钙矾石(AFt),二者填充、包裹固化土内部孔隙,固化土微观结构逐渐密实,力学性能得到提高。

碱激发偏高岭土-矿渣砂浆的碱骨料反应机理研究

罗哲, 黄敦文, 彭晖

2023, 42(8): 2830-2836.

摘要 ( 77 )

PDF (6638KB) ( 122 )

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碱激发胶凝材料是一种新型低碳材料,其液相环境的碱度普遍高于水泥基材料,势必导致碱骨料反应引起的体积变形不同于水泥基材料。为探究碱激发胶凝材料的碱骨料反应行为与液相碱度的关系,选取花岗岩为代表性骨料制备碱激发偏高岭土-矿渣砂浆,研究在不同浓度NaOH溶液浸泡下的砂浆变形行为。结合微观分析表明,碱激发胶凝材料的体积收缩能很好地抑制碱骨料反应产生的膨胀,不同浸泡条件下碱激发偏高岭土-矿渣砂浆会呈现不同的变形行为。碱激发偏高岭土-矿渣砂浆的膨胀是由碱骨料反应生成产物以及原类沸石结构的水化硅铝酸钠凝胶向沸石结构转化所造成的。当碱激发胶凝材料的孔溶液氢氧根离子浓度大于0.209 mol/L时,碱骨料反应会发生。

钢渣-赤泥-水泥基复合砂浆的水化硬化特性

周丽波, 陈平, 胡成, 荣北国, 张健, 梁翔, 夏海洋, 梁志锋

2023, 42(8): 2837-2845.

摘要 ( 68 )

PDF (9036KB) ( 109 )

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为探明二元固废间的协同胶凝作用,本文研究了不同配合比条件下钢渣-赤泥-水泥基复合砂浆的力学性能,并采用水化热、XRD、TG-DTG、SEM等手段来表征复合砂浆的水化特征及微观形貌。研究结果表明:与纯水泥组相比,单掺30%(以下均为质量分数)钢渣会抑制浆体的水化反应,从而降低砂浆的力学性能,而在单掺30%钢渣的基础上复掺适量的赤泥可以有效降低钢渣对砂浆力学性能的负面影响。其中,当钢渣掺量为15%、赤泥掺量为15%时,复合砂浆的28 d抗折强度和28 d抗压强度均最高,分别为6.8和39.8 MPa,与单掺30%钢渣组相比,复合砂浆的28 d抗折强度和28 d抗压强度分别提高了11.5%和20.6%,这主要是因为掺入的赤泥不仅起到物理填充作用,而且为钢渣的水化反应提供了良好的碱性环境,促进钢渣参与水化反应,生成更多的钙矾石和水化硅酸钙凝胶,改善砂浆的微观结构。

钢渣双掺混凝土力学与耐久性能试验研究

王成刚, 刘耀伟, 王帅, 马兵辉, 毕功华

2023, 42(8): 2846-2855.

摘要 ( 66 )

PDF (5482KB) ( 107 )

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为了进一步提高钢渣混凝土中钢渣的利用率,本文使用粗钢渣和细钢渣等质量比例同时取代混凝土中的天然粗骨料和天然细骨料制备C30钢渣双掺混凝土,研究粗、细钢渣骨料取代率对钢渣双掺混凝土力学性能和耐久性能的影响规律。研究结果表明:钢渣双掺混凝土的力学性能普遍优于普通混凝土,且随着粗、细钢渣骨料取代率的增加,钢渣双掺混凝土的力学性能增强,其抗碳化性能先增强后减弱,抗氯离子渗透性能逐渐减弱。本文提出了钢渣双掺混凝土的立方体抗压强度与其他力学指标之间的换算公式。综合考虑钢渣双掺混凝土的力学性能和耐久性能,建议在实际工程应用中粗、细钢渣骨料的取代率不宜高于40%(质量分数)。

大掺量矿物掺合料纤维增强轻骨料混凝土的抗疲劳性能

李海礁, 王加军, 韩希平, 陶琦, 张仕龙

2023, 42(8): 2856-2864.

摘要 ( 63 )

PDF (8051KB) ( 100 )

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为研究纤维增强轻骨料混凝土抗疲劳性能,开展了恒应力循环压缩试验,对疲劳应力-应变响应进行了研究。试验采用质量分数为20%的粉煤灰和50%的粒化高炉矿渣部分替代水泥,变量为单掺或混掺不同掺量的钢纤维和聚乙烯醇(PVA)纤维。结果表明:随着循环加载次数的增加,钢纤维混凝土的宏观裂纹数量比PVA纤维混凝土多,试件的破坏形态表现为轻骨料的破裂和纤维的渐进拔出(钢纤维)或断裂(PVA纤维);钢纤维混凝土的疲劳应变及残余应变均最大,而混杂纤维混凝土的最小;在同一应力水平下,混杂纤维混凝土的疲劳寿命最长,而钢纤维混凝土的最短;钢纤维混凝土的极限疲劳损伤高于PVA纤维混凝土和混杂纤维混凝土,且随最大应力水平的降低,该差异逐渐缩小。

前驱体转化法制备超高温陶瓷粉体研究进展

孙楚函, 王洪磊, 周新贵

2023, 42(8): 2865-2880.

摘要 ( 135 )

PDF (20399KB) ( 221 )

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超高温陶瓷(UHTC)在航空航天的热防护领域具有重要作用,高质量的UHTC粉体是制备高性能UHTC的重要原料。在制备UHTC粉体的工艺中,前驱体转化法制备的粉体纯度高、粒径小、各组分分布均匀,具有广阔的应用前景。本文根据前驱体合成机理将UHTC前驱体转化法分为金属醇盐配合物合成法、基于格氏反应合成法以及引入支链合成法,综述了近年来通过三种方法制备UHTC粉体的研究进展,分析总结了三种方法的优缺点,指出了UHTC前驱体转化法目前存在的问题以及未来发展方向。

不同升温速率下低温瓷釉涂层的熔化行为

郭鹏, 叶沈豪, 毛嘉熙, 钱昊, 刘毅, 闫东明

2023, 42(8): 2881-2887.

摘要 ( 70 )

PDF (4706KB) ( 116 )

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低温瓷釉(LTE)涂层是一种新型金属表面无机防腐涂层,了解其在烧结成型过程中的熔化行为有助于调控LTE涂层烧结工艺,得到基材表面覆盖完全、平滑的涂层。本文采用同步热分析仪研究LTE涂层粉末在烧结过程中的质量和热量变化,采用热机械分析仪测得LTE涂层圆柱体样品的玻璃化转变温度和热膨胀系数,采用自制热台显微镜研究不同升温速率下LTE涂层圆柱体样品黏度、高度、体积以及接触角的变化。结果表明,随着升温速率提高,LTE涂层圆柱体样品的烧结温度、软化温度和球形温度均降低,黏度减小,有利于涂层流平,因此宜采用20 ℃/min的升温速率。在530~550 ℃时,LTE涂层圆柱体样品的高度和接触角随温度的变化都将进入平台期,因此宜选择该温度区间作为LTE涂层的烧结温度。

IP6-HA改性磷酸镁基复合骨水泥的制备与性能研究

王嘉毅, 汪涛, 聂云鹏, 王琪

2023, 42(8): 2888-2894.

摘要 ( 75 )

PDF (14535KB) ( 115 )

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本文以氧化镁(MgO)和磷酸二氢钾(KH₂PO₄)作为磷酸镁骨水泥的固相成分,并引入不同含量的植酸改性羟基磷灰石(IP6-HA)粉末,制备多种不同镁磷比的磷酸镁基复合骨水泥。通过调整磷酸镁粉末中MgO和KH₂PO₄的比例和IP6-HA含量,改善了骨水泥的力学性能和固化时间,并研究了骨水泥的固化机理。结果表明,当镁磷比为4且固相中的IP6-HA含量为5%(质量分数)时,鸟粪石晶体(MgKPO₄·6H₂O)的生长效果最好,固化时间为7.5 min,抗压强度可达49 MPa,固化四周后强度可达69.3 MPa。试验所得的IP6-HA改性磷酸镁基复合骨水泥力学性能较好且固化时间适宜,具有潜在的生物医学应用前景。

Si-C-N-Al的表面限域合成及其电化学性能研究

李琦旺, 张卫珂, 王佳玮, 高博文, 陈柳玲

2023, 42(8): 2895-2903.

摘要 ( 64 )

PDF (12900KB) ( 98 )

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高表面积介孔SiO₂纳米球(KCC-1)具有纤维状以及独特的孔道结构,这使其拥有较高的比表面积和更多的暴露活性位点,KCC-1能够在表面有效地分散和稳定活性组分,作为载体负载活性组分时表现出优异的性能。本研究以含有大量N原子的三聚氰胺为碳前驱体,通过两步热解法制备得到氮掺杂的多孔碳材料,同时利用KCC-1具有纤维状这一特殊结构,将活性组分分散并限域在其表面,探索KCC-1含量对多孔碳材料结构与电化学性能的影响。研究表明,随着KCC-1含量的增加,材料的比电容整体呈先升高后降低的趋势。当加入KCC-1的质量分数为6%时,材料的比电容最高,为35.88 F·g^-1(1 A·g^-1电流密度下),与未加入KCC-1的原材料相比提升了约588.7%,且经过换算后同等质量下活性组分的比电容最高能达到190.53 F·g^-1。因此,本研究证明了KCC-1的限域效应能够有效提高活性组分的电化学性能及利用率,为将其应用在超级电容器中提供了一定的参考。

基于Fick扩散模型的陶瓷坯体干燥数值模拟

霍平, 刘俊帅, 王虹凯

2023, 42(8): 2904-2914.

摘要 ( 63 )

PDF (9731KB) ( 104 )

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本文使用Fick扩散模型对陶瓷坯体的干燥过程进行了模拟,在实际干燥工艺参数数值范围内,分析了热风速度、温度和相对湿度三个因素对陶瓷坯体内部温度、含水率和干燥速率的影响。结果表明,增加热风速度能够加大坯体表面区域的水分散失速率,但对坯体内部含水率变化影响较小;提高温度能够显著增加坯体内部的干燥速率,当温度从35 ℃增加至75 ℃时,最大干燥速率的变化幅度为46.34%;相对湿度对坯体平衡含水率影响较大,当相对湿度从5%增大至85%时,平衡含水率从0.8%增大至5.1%(均为质量分数),提高相对湿度能够改善坯体干燥均匀性,保证坯体干燥质量。模拟和试验数据基本吻合,计算结果将为进一步深入研究陶瓷坯体干燥的传热传质过程,以及后续干燥曲线的优化提供理论依据。

氮化硅陶瓷的注射成型工艺研究

申常胜, 王瑞强, 李镔, 韦中华, 陈松, 陈波, 王卫国, 张伟儒

2023, 42(8): 2915-2921.

摘要 ( 78 )

PDF (5804KB) ( 126 )

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采用注射成型与气压烧结结合的工艺,可以低成本、大批量制备出体积小、精度高的陶瓷异形件。本文以低密度聚乙烯(LDPE)和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)为黏结剂,在注射温度165 ℃、注射压力85 MPa的条件下制备氮化硅坯体,通过热脱脂工艺和烧结动力学测试,得到了完整的氮化硅注射成型工艺路线,并研究了喂料固含量对坯体密度、烧结密度和维氏硬度的影响,以及喂料在140~160 ℃时的非牛顿指数变化。结果表明:喂料的最佳固含量为52.42%(体积分数),该条件下制备的氮化硅注射坯体密度为2.10 g/cm³,烧结密度为3.23 g/cm³,维氏硬度为(15.24±0.34) GPa;喂料在160 ℃时的非牛顿指数最小,即在该温度下喂料的流变性最好。

Na₂O对固体氧化物燃料电池用透辉石封接微晶玻璃性能的影响

谭金奇, 信彩丽, 屠恒勇, 韩壮壮, 刘冰, 袁坚

2023, 42(8): 2922-2927.

摘要 ( 91 )

PDF (3486KB) ( 141 )

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本文设计和制备了以透辉石为主晶相的R₂O-RO-Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂系封接微晶玻璃,用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的封接,研究了Na₂O含量(0%～10%,摩尔分数)对封接玻璃热膨胀系数(CTE)、析晶与烧结润湿特性的影响,表征了封接件在高温长时间热处理后玻璃与SUS403不锈钢的封接界面。结果表明,Na₂O可以显著改善玻璃的热性能,所制备的玻璃样品在封接温度范围内经热处理后可获得主晶相为透辉石(CaMgSi₂O₆) 的微晶玻璃。随着Na₂O含量增加,主晶相透辉石的晶相含量不同,微晶玻璃的热膨胀系数由未晶化前的8.22×10^-6 K^-1提升至11.79×10^-6 K^-1,能够满足SOFC封装的热膨胀匹配。当Na₂O含量大于等于8%(摩尔分数)时,玻璃中析出高膨胀钙镁黄长石(Ca₂MgSi₂O₇)晶相,不利于封接。将4%(摩尔分数)玻璃试样与SUS403高温封接后于850 ℃保温100 h,封接界面致密牢固无气孔,界面处存在Cr₂O₃层以及比封接玻璃本体更致密的透辉石薄层,这些致密层的存在有利于限制封接玻璃中Na⁺向界面扩散。

澄清剂对废液晶玻璃熔制耐热玻璃的影响

田英良, 袁智淳, 徐博, 穆广涵, 赵志永

2023, 42(8): 2928-2935.

摘要 ( 64 )

PDF (10591KB) ( 108 )

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基于废液晶玻璃原料设计了一种新型耐热硼硅玻璃,针对所制耐热玻璃澄清困难,导致玻璃气泡含量多的问题,借助玻璃配合料高温视像研究方法,研究了CeO₂、NaCl、Na₂SO₄、SnO₂四种澄清剂对耐热玻璃澄清质量的影响。实验通过高温视像系统对玻璃液澄清过程进行观测,结果表明:在1 600 ℃熔化温度下,NaCl和Na₂SO₄作为单一澄清剂的添加量分别为0.50%(质量分数)、0.20%(质量分数)时,达到最佳澄清效果;CeO₂、SnO₂分别与NaNO₃复合作为复合澄清剂的添加量为0.40%(质量分数)CeO₂+2.60%(质量分数)NaNO₃、0.40%(质量分数)SnO₂+2.40%(质量分数)NaNO₃时,达到最佳澄清效果;玻璃熔体泡沫开始回落时间分别为22、10、20、28 min;开始回落温度分别为1 110、1 050、1 103、1 143 ℃;在最佳保温时长下,采用0.50%(质量分数)NaCl澄清效果最佳。

汽车玻璃油墨用无铅低熔点玻璃的研究与制备

赵田贵, 刘昆, 刘溧, 董伟霞, 包启富, 徐和良, 周健儿

2023, 42(8): 2936-2944.

摘要 ( 66 )

PDF (5424KB) ( 113 )

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采用高温熔融法制备了R₂O-Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂系无铅低熔点玻璃,并将其应用于汽车玻璃油墨,重点研究了组成对玻璃结构、热学性能和耐酸性能的影响规律。结果表明,随着Bi₂O₃/B₂O₃和Bi₂O₃/SiO₂的增加,[BO₃]和[BiO₃]三角体结构单元数量逐渐减少,[SiO₄]和[BO₄]四面体结构单元数量逐渐增多,玻璃的网络结构增强。当碱金属氧化物总量为15%(摩尔分数)时,双碱玻璃的热膨胀系数α_{25~320 ℃}、转变温度T_g和软化温度T_f比单碱玻璃的小,耐酸质量损失率D_r更低。当n(Li₂O)∶n(Na₂O)=1∶1时,双碱玻璃的α_{25~320 ℃}为9.35×10^-6 ℃^-1,T_g值降低至439.8 ℃,T_f值为481.7 ℃,D_r值为0.006 70 g/cm²。将其应用于汽车玻璃油墨,烧结后的油墨具有良好的附着力、黑度、遮盖率和光泽度。

珠光砂添加量对矾土浇注料性能的影响

王宝, 谭旭, 吕文龙, 王怡, 周建安

2023, 42(8): 2945-2951.

摘要 ( 79 )

PDF (7796KB) ( 108 )

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基于珠光砂孔隙多、体积密度低、热导率低的特点,为提高中间包永久性内衬浇注料的保温性能,本文研究了珠光砂添加量对矾土浇注料性能的影响。结果表明,随着珠光砂添加量的增加,烧制浇注料的体积密度减小,显气孔率增加,这与珠光砂本身特性有关,且随着珠光砂添加量的增加,浇注料的加水量增加,烧制时浇注料内部由于水分蒸发形成的原位气孔增加。同时,由于吸水后珠光砂强度降低且珠光砂与浇注料中基质的结合作用较弱,随着珠光砂添加量的增加,浇注料的抗折强度、常温抗压强度降低。综合分析,珠光砂最佳添加量为3%(质量分数)。在400~800 ℃时,添加3%珠光砂浇注料的导热系数比常规矾土浇注料低30%左右,证明添加珠光砂可显著提高矾土浇注料的保温性能。

两种氧化铝粉对熔铸AZS耐火材料结构和性能的影响

邓丽娜, 易帅, 王明刚, 李伟豪, 司国栋, 姜文博, 王长安, 谢金莉

2023, 42(8): 2952-2959.

摘要 ( 63 )

PDF (7227KB) ( 111 )

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熔铸Al₂O₃-ZrO₂-SiO₂(AZS)耐火材料是玻璃熔窑的关键筑炉材料。本文分别以煅烧氧化铝粉和普通工业氧化铝粉为原料制备熔铸AZS耐火材料,并采用岩相分析、X射线衍射分析和能谱分析等测试方法,对比分析了两种熔铸AZS耐火材料的结构和性能。结果表明:普通工业氧化铝粉制备的熔铸AZS耐火材料中存在未转化完全的γ-Al₂O₃,导致获得的Al₂O₃-ZrO₂共晶体分布不均匀。煅烧氧化铝粉制备的熔铸AZS耐火材料中,氧化铝物相为α-Al₂O₃,其晶体结构中斜锆石少,Al₂O₃-ZrO₂共晶体多,玻璃相分布均匀。晶体结构的分布影响着玻璃相渗出量和抗玻璃液侵蚀性能。煅烧氧化铝粉制备的熔铸AZS耐火材料玻璃相渗出量比普通工业氧化铝粉制备的熔铸AZS耐火材料玻璃相渗出量降低了0.57个百分点,抗玻璃液侵蚀性能提高了0.15 mm/24 h。

Ag掺杂NiFe层状双氢氧化物应用于电催化析氢研究

孙冠军, 李建保, 王敏, 陈拥军, 骆丽杰

2023, 42(8): 2960-2967.

摘要 ( 100 )

PDF (9118KB) ( 152 )

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开发廉价高效的催化剂是发展电解水产业的关键。层状双氢氧化物(LDH)在电催化析氧反应中表现出优异的性能,但这类催化剂在析氢反应中表现出的电化学性能并不好。本文通过将Ag元素掺杂在NiFe-LDH纳米片阵列中,获得了优异的析氢性能。结果表明,在1 mol/L KOH溶液中,电流密度达到10 mA·cm^-2所需的过电位仅为73 mV,且塔菲尔斜率为61.3 mV·dacade^-1。在800 mA·cm^-2的大电流密度下过电位仅为493 mV,明显低于商用铂碳催化剂。在长达30 h稳定性测试后仍保持90%以上电化学性能。催化性能的改善归因于Ag掺杂NiFe-LDH使纳米片尺寸减小和比表面积增加,有效提升产氢动力学并改善电子传输,从而优化NiFe-LDH的电催化析氢性能。

无铅钙钛矿Cs₃Bi₂I₉单晶的制备及光电性能研究

欧阳文锦, 徐浩尧, 贺振华

2023, 42(8): 2968-2975.

摘要 ( 60 )

PDF (7034KB) ( 98 )

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采用蒸发结晶法在低温常压条件下制备Cs₃Bi₂I₉单晶,温度为60~90 ℃,保温时间为18~30 h。研究温度和保温时间对Cs₃Bi₂I₉单晶晶体结构和光学性能的影响。使用机械剥离法制备基于柔性衬底的Cs₃Bi₂I₉单晶薄膜,研究薄膜的电学性能。结果表明,在结晶度最优的目标下,Cs₃Bi₂I₉单晶制备的优化工艺条件为温度60 ℃,保温时间26 h。温度和保温时间对Cs₃Bi₂I₉单晶的结晶度、紫外可见光吸光度和光致发光性能的影响一致。柔性Cs₃Bi₂I₉单晶薄膜具有显著的光电特性,且工作时具有良好的稳定性。Cs₃Bi₂I₉单晶薄膜的弯折耐久度良好,90°弯折100次后,仍能保持原有性能的84.4%。无铅钙钛矿Cs₃Bi₂I₉单晶薄膜在柔性光电传感器件上具有潜在的应用前景。

涂覆温度对镀锌石英光纤在线制备及抗拉性能的影响

赵劲凯, 汪洪, 贾金升, 孙勇, 孔壮, 刘波

2023, 42(8): 2976-2984.

摘要 ( 78 )

PDF (6741KB) ( 96 )

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本文通过熔融金属法在线制备镀锌石英光纤,并探究涂覆温度对镀锌石英光纤表面质量和力学性能的影响。通过图像处理软件统计镀层包覆率,通过扫描电子显微镜、偏反光显微镜和激光共聚焦显微镜分别测量镀层厚度、晶粒尺寸和粗糙度,发现随着涂覆温度的升高,镀层包覆率和镀层厚度均减小;镀层凝固时间延长,晶粒尺寸增大;镀层粗糙度逐渐增大。通过抗拉试验机测量镀锌石英光纤的最大拉断力,与裸光纤相比,提升了139%。

介孔CuCo/FeCeO_x催化剂协同催化类Fenton反应

陈濛濛, 宋亚坤, 崔佳乐, 曹君营, 李冰, 刘军辉, 刘振

2023, 42(8): 2985-2993.

摘要 ( 60 )

PDF (9089KB) ( 90 )

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类Fenton反应是降解水中有机污染物的有效方法之一,开发高效的非均相催化剂至关重要。通过硬模板法制备了Fe掺杂的具有有序介孔结构的FeCeO_x材料,以此为载体通过浸渍法负载Cu和Co后,构建了具有多金属活性位点的催化剂。催化剂在亚甲基蓝降解反应中表现出优异的催化性能,在45 min内可将亚甲基蓝完全降解,且具有良好的循环使用性能,使用5次后亚甲基蓝降解率仍达到93.3%。催化剂的介孔结构有利于吸附亚甲基蓝,暴露更多的活性位点,多金属之间的协同作用促进了催化剂上的电子转移,从而提高H₂O₂的活化效率和促进·OH的产生。

ZnO/BiOCl/GO/PVDF复合膜去除水溶性污染物性能研究

李雪英, 张利, 关杰, 陈思邈, 于伟

2023, 42(8): 2994-3004.

摘要 ( 57 )

PDF (19675KB) ( 89 )

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本文通过浸没沉淀相转换法制备了具有整体式结构的氧化锌/氯氧化铋/氧化石墨烯/聚偏氟乙烯(ZnO/BiOCl/GO/PVDF)复合膜,以亚甲基蓝(MB)、罗丹明(RhB)和四环素(TC)为目标污染物验证了复合膜的光催化降解性能,通过XRD、SEM等测试方法对复合膜进行测试。结果表明,氯氧化铋(BiOCl)的薄片结构提供更多的活性位点,氧化石墨烯(GO)的褶皱状结构有利于ZnO的结合,有助于光催化效果的提升。同时ZnO与BiOCl形成p-n异质结,扩大复合材料的可见光响应范围,在可见光照射下,180 min时对RhB的去除率达95.5%,140 min时对TC的去除率达93.1%以上,能够基本去除污染物;循环使用5次后,复合膜对MB的降解率仍达97.8%。在“双碳”背景下,本文制备的具有整体式结构的ZnO/BiOCl/GO/PVDF复合膜可作为一种环保、稳定、经济的光催化剂,用于去除MB等水溶性污染物,该复合膜在整体式结构催化剂降解水溶性污染物废水中具有广阔的应用前景。

基于纳米氧化锌-石墨复合材料的电化学传感器检测对苯二酚

娄童芳, 徐红杰, 潘继民, 张炎, 雷红红

2023, 42(8): 3005-3016.

摘要 ( 59 )

PDF (7002KB) ( 93 )

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对苯二酚(HQ)作为一种稳定剂和抗氧剂主要应用于工业领域,工业废水中对苯二酚的残留对人体及环境危害严重,因此,建立一种简单、准确检测对苯二酚的方法对食品安全和环境监测具有重要意义。本文构建了纳米氧化锌-高纯石墨/玻碳(ZnO-C/GC)复合材料电化学传感器,实验材料简单易得,成本低。利用原子力显微镜(AFM)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和电化学交流阻抗法(EIS)分析了纳米ZnO-C复合材料的结构特征、表面特征和导电性,采用循环伏安法(CV)实现了纳米ZnO-C/GC复合材料电化学传感器对对苯二酚的检测,探究了对苯二酚的电催化机理,该电化学传感器检测对苯二酚具有良好的稳定性和准确性,较宽的线性范围,检出限达到1.0×10^-8 mol/L。

注浆材料在机场场道工程中的应用进展

方学东, 魏江, 冯自立, 杜镇宇, 全轶钊, 全力新

2023, 42(8): 3017-3032.

摘要 ( 97 )

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为明确不同注浆材料在机场场道工程中的应用进展,首先介绍了常用注浆材料,并对不同种类注浆材料进行分类,分析了材料的物化特性、反应机理及力学性能,总结了其在机场场道工程中的应用场景。综合分析现有研究表明,水泥基注浆材料、有机高分子材料在机场工程中常用于地基加固和道面病害处理,有机高分子材料具有凝结时间短、强度高等优点,单液水泥浆材料应用广泛,价格合适,但工作性能欠佳。由于不停航施工的原因,机场场道注浆工程要求浆液具有流动性好、快硬早强、固结体强度高等特点,并且具有一定的经济性。掺加其他材料对单液水泥浆进行改性可有效提高其各项性能,目前已广泛应用于机场场道注浆工程。

固废基道路地聚物注浆材料的组分优化及机理研究

曾铭乐, 王志祥

2023, 42(8): 3033-3044.

摘要 ( 65 )

PDF (10637KB) ( 89 )

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地聚物注浆材料作为低能耗、低CO₂排放的清洁材料,在道路注浆领域应用前景广阔,在未来有望取代水泥注浆材料。为了探究材料组分及用量对地聚物注浆材料性能的影响,采用三种硅铝源灰料(粉煤灰、矿渣粉和煤矸石粉)与不同碱活化方式制备道路地聚物注浆材料,对其组成材料进行优选;然后,采用单因素试验对道路地聚物注浆材料的配合比范围进行优化;最后,利用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、能量色散谱(EDS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对道路地聚物注浆材料的物相组成、微观形貌、微区能谱和化学键组成进行分析。结果表明:以粉煤灰和矿渣粉为硅铝源灰料,KOH和水玻璃溶液为复合碱活化剂制备的道路地聚物注浆材料性能最佳;推荐道路地聚物注浆材料的配合比范围为:粉煤灰、矿渣粉质量比4∶6,水玻璃用量10%~15%(质量分数),KOH用量5%~11%(质量分数),水灰比0.50~0.65;粉煤灰和矿渣粉被碱活化后溶解并重聚生成C-(A)-S-H等无定形凝胶产物,最终形成SiO₄和AlO₄正四面体网状结构,且伴随类沸石相、碳酸盐、氢氧化钙等物质产生,这些物质可使地聚物浆体致密并促进其强度增长。

垂直振动成型CTB-50水泥稳定碎石抗压强度增长规律及预测模型

蒋应军, 王煜鑫, 周传荣, 李明杰, 杨明, 蒋学猛

2023, 42(8): 3045-3054.

摘要 ( 63 )

PDF (3382KB) ( 85 )

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为表征最大粒径为53 mm水泥稳定碎石(CTB-50)的抗压强度,评价了垂直振动试验方法(VVTM)的可靠性,研究了水泥稳定碎石抗压强度随水泥掺量、龄期的增长规律,建立了抗压强度增长方程及预测模型,并分析了级配类型对抗压强度的影响。结果表明:VVTM试件抗压强度与试验段芯样相关性较高,可达91%左右;抗压强度随水泥掺量增加呈线性增大,在养护初期强度增长较快,60 d后强度趋于稳定;建立的抗压强度增长方程、预测模型与试验结果相关系数分别不小于0.982、0.976,预测值误差绝对值分别小于3%、6%;CTB-50的初始、极限抗压强度分别约为传统水泥稳定碎石(CTB-30)的1.25倍、1.09倍,相同的强度控制指标下,CTB-50可减少水泥用量,有利于降低工程造价,减少基层裂缝。

玻璃工业低碳技术减排潜力及环境影响评估分析

魏丽颖, 刘姚君, 马忠诚

2023, 42(8): 3055-3058.

摘要 ( 39 )

PDF (1972KB) ( 15 )

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玻璃工业低碳技术评估是我国建材行业积极落实双碳战略的重要措施和基本内容。本文通过大量数据收集,识别5种典型的玻璃工业低碳协同治理技术,构建层次分析方法,对其进行以技术能耗水平、减排潜力、经济成本、技术性能及社会环境效益为一级指标的技术评估。综合考虑权重敏感性分析结果,选取减排潜力较大、减排成本较低和综合评估得分较高的全氧燃烧熔窑玻璃配合料预热技术为优先低碳技术。

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