李曈, 任庆新, 王庆贺

2023, 42(10): 3421-3431.

摘要 ( 187 )

PDF (3732KB) ( 211 )

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基于微观力学理论设计的工程水泥基复合材料(ECC)具有应变硬化行为和多重开裂特性,其极限拉伸应变是纤维增强混凝土的500倍,具有优异的裂缝控制能力,可显著提高混凝土结构的力学性能和耐久性能。然而,有限的原材料产地和高昂的生产成本限制了ECC的广泛应用。基于此,本文回顾了ECC的相关文献,论述了利用本地原材料甚至是再生废弃材料制备出满足性能要求ECC的可行性,讨论了胶凝材料、骨料和纤维材料对ECC力学性能的影响规律以及作用机理。此外,探讨了ECC的研究方向,以期为日后的研究提供参考。

聚羧酸减水剂在碱激发矿渣胶凝材料中的研究进展

李蒙蒙, 舒鑫, 韩方玉, 刘建忠, 杨勇

2023, 42(10): 3432-3438.

摘要 ( 119 )

PDF (2027KB) ( 137 )

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聚羧酸减水剂(PCE)为改善碱激发矿渣(AAS)胶凝材料的分散性能和工作性能提供了新途径。本文综述了PCE的分子结构和溶解度对AAS浆体分散性能和工作性能的影响,以及PCE对AAS的作用机制。马来酸酐合成的烯丙基聚氧乙烯醚聚羧酸减水剂(APEG PCE)结合钙离子能力比丙烯酸合成的APEG PCE强,分散性能更具有优势;甲基烯丙醇聚氧乙烯醚聚羧酸减水剂(HPEG PCE)酸醚比7,侧链长度7个环氧乙烷(EO)且具有更多的AAA(A=丙烯酸)和AAE(A=丙烯酸,E=甲基烯丙醇聚氧乙烯醚)的分子结构序列,对提高AAS浆体的流动度和工作性能有利;PCE 在AAS浆体中的溶解度和分散性能没有相关性。最后提出当前PCE在AAS胶凝材料中存在的问题和今后研究的方向,可推动建筑行业的绿色低碳化发展。

低气压养护对水泥净浆性能的影响

张志杰, 代金鹏, 杨小媛, 何杰, 王起才

2023, 42(10): 3439-3444.

摘要 ( 113 )

PDF (4721KB) ( 146 )

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高原气候环境下基础设施结构混凝土材料强度、耐久性所面临的问题逐渐凸显,研究高原气候环境对混凝土性能的影响具有重要意义。通过低气压试验箱模拟95.0、70.7、57.6、47.0和38.7 kPa气压环境,测试了不同养护气压下水泥净浆的抗压强度、孔结构和物相组成。结果表明,在同一龄期时,随着养护气压的降低,水泥净浆的抗压强度逐渐降低,孔隙率逐渐增加,最可几孔径逐渐增大,过渡孔比例减小,毛细孔和大孔的比例增加,水化产物中的Ca(OH)₂逐渐减少。此外,本文还分析了水泥净浆抗压强度与孔结构的关系,基于水泥净浆孔结构参数,建立了水泥净浆抗压强度预测模型。

不同岩性石粉对水泥水化性能的影响

邹云华, 刘力, 杨宏天, 李北星

2023, 42(10): 3445-3453.

摘要 ( 97 )

PDF (5417KB) ( 133 )

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为了研究不同岩性机制砂石粉作为辅助胶凝材料对水泥浆体水化产物和微结构的影响,本文借助石粉流动度比和活性指数研究了玄武岩、花岗岩、石灰岩三种不同岩性石粉的活性及其对减水剂吸附性的影响,并通过水化量热、XRD、综合热分析、SEM测试了掺不同岩性石粉水泥浆体的水化热、水化产物和微结构。结果表明:三种岩性石粉对减水剂的吸附性大小顺序为花岗岩石粉＞玄武岩石粉＞石灰岩石粉;石灰岩石粉的3 d活性指数最高,玄武岩石粉的28 d活性指数最高,而花岗岩石粉的3、28 d活性指数均最低;石灰岩石粉的掺入对水泥早期水化具有促进作用,促使水泥浆体在早期形成了更多的水化产物,并伴有水化半碳铝酸钙的生成;玄武岩石粉具有火山灰反应活性,玄武岩石粉的水泥浆体中后期形成了更多水化产物并降低了Ca(OH)₂的含量;花岗岩石粉不具有水化反应活性,花岗岩石粉水泥浆体的水化反应程度最低。

聚甲醛-玄武岩混杂纤维增强砂浆力学性能

李帅, 梅军鹏, 李海南, 戴俊杰, 谢安合

2023, 42(10): 3454-3461.

摘要 ( 76 )

PDF (6356KB) ( 98 )

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采用混掺聚甲醛(POM)纤维和玄武岩纤维(BF)的方法制备了一种多尺度纤维混杂体系的复合材料,研究了其抗折强度、抗压强度、弯曲韧性及直接拉伸强度等基本力学性能,并通过扫描电子显微镜和数码电子显微镜对其微观结构进行分析。抗折、抗压强度试验结果表明,混掺两种纤维试样的抗折强度和早期抗压强度均明显优于单掺POM纤维试样,然而,28 d抗压强度有小幅下降;三点弯曲试验结果表明,单掺POM纤维可以改善水泥基材料的韧性并提高材料的等效弯曲强度,混掺BF后,等效弯曲强度进一步提高。微观分析结果表明,POM纤维和BF与基体结合紧密,两种纤维在宏观和微观尺度上均起到协同作用,共同发挥阻止裂纹扩展的作用,从而改善水泥基复合材料的韧性并提高强度。

VAE乳胶粉改性水泥砂浆的配合比优化及抗冻性研究

王晓林, 冯红春, 周凯

2023, 42(10): 3462-3469.

摘要 ( 72 )

PDF (5436KB) ( 110 )

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以折压比、抗拉强度和黏结强度为评价指标,通过正交试验确定了醋酸乙烯-乙烯共聚乳胶粉(VAE乳胶粉)改性水泥砂浆配合比的较优方案。以较优方案为基础,研究了VAE乳胶粉掺量对砂浆力学性能和抗冻性的影响。结果表明,VAE乳胶粉改性水泥砂浆配合比的较优方案灰砂比为0.375,VAE乳胶粉掺量为10%(质量分数),水灰比为0.38。VAE乳胶粉可以显著提高砂浆的抗折、抗拉、黏结强度和韧性,随着VAE乳胶粉掺量(8%~12%)增大,砂浆的抗折、黏结强度和折压比均不断增大,抗拉强度不断减小,但仍显著大于普通砂浆;随着VAE乳胶粉掺量增大,砂浆的吸水率、质量损失率和强度损失率均不断减小;随着VAE乳胶粉掺量增大,抗压强度呈先增大后减小的趋势,当VAE乳胶粉掺量为12%时,砂浆的抗压强度开始低于普通砂浆。综合考虑砂浆的强度和韧性,VAE乳胶粉的较优掺量为8%~10%。

水溶蚀作用下水泥-水玻璃双液浆力学性能衰减机理研究

崔佳, 陈俊伟, 夏中升, 沙建芳, 刘建忠, 韩方玉, 郭飞

2023, 42(10): 3470-3478.

摘要 ( 61 )

PDF (10976KB) ( 86 )

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双液浆在富水环境中长期服役极易受到水溶蚀作用而力学性能大幅衰减。本文研究了配合比参数、养护制度对双液浆力学性能的影响,并结合多种微观分析手段,揭示了富水环境下双液浆性能衰减的作用机制。结果表明:10%、15%(质量分数)低含水率砂层中养护有利于早期强度发展,但后期强度逐渐衰减,而25%(质量分数)高含水率砂层中试块早期强度相比15%(质量分数)含水率砂层中试块降低了23.5%,但后期水溶蚀作用被大幅削弱,220 d抗压强度较90 d增加了15%;标准养护条件加速双液浆力学性能的劣化,试块强度分别较水中养护、绝湿养护降低了80.6%和91.0%;双液浆力学性能发展主要受水化反应及水溶蚀作用控制,早期阶段由水化反应主导,后期阶段由水溶蚀作用主导,力学性能的演变本质是两种效应相互叠加的结果;在富水环境中长期养护,基体外侧水化产物不断向外迁移溶出,在试块外层形成多孔结构包覆层,并成为内部结构中钠、硅酸根离子及水化产物的迁移通道,导致力学性能持续劣化。

纤维对再生砖混ECC力学性能及微观结构的影响

王磊, 尹梦环, 张继旺, 周靖鸿, 李佳, 刘岩, 李泉

2023, 42(10): 3479-3488.

摘要 ( 63 )

PDF (21045KB) ( 85 )

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为促进不同粒径再生砖混骨料的多元化利用,本试验采用再生砖混细骨料完全代替石英砂,采用不同掺量聚丙烯纤维制备再生砖混工程水泥基复合材料(ECC),研究其受力破坏特征、强度影响机理及微观结构对力学性能的影响。结果表明:未掺纤维的再生砖混ECC的失效模式为脆性破坏,而掺纤维的再生砖混ECC受拉时具有明显的应变硬化特征,随着纤维掺量的增加,其抗折强度、极限抗拉强度和极限拉应变持续增大,抗压强度呈先增大后减小趋势,表现出良好的延性和韧性破坏特征;再生砖混ECC的孔隙率在11.28%~13.68%,通过SEM观察,发现纤维与再生砖混ECC黏结性能较好,纤维破坏模式主要为拔出和拉断破坏,开裂后应变硬化拉伸幅度和拉伸强度低于普通ECC混凝土;新旧浆体界面黏结性能相对薄弱,破坏时微裂缝容易在界面过渡区产生和发展。

地聚物骨料粒径对HS-ECC力学性能的影响

张晋, 贺曦文, 郑怡, 张耀庭

2023, 42(10): 3489-3498.

摘要 ( 46 )

PDF (15125KB) ( 83 )

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高强度工程水泥基复合材料(HS-ECC)中的精细硅砂骨料粒径通常小于0.30 mm,价格昂贵且不利于减少HS-ECC收缩,同时精细硅砂的开采和加工会对环境产生一定的负面影响。本文利用粒径在0.30~＜4.75 mm的地聚物骨料(GPA)作为精细硅砂的替代骨料制备HS-ECC,GPA的粒径被划分为三组,分别为0.30~<1.18 mm、1.18~<2.36 mm、2.36~<4.75 mm,以研究各粒径区间对HS-ECC抗压强度、拉伸应变能力及微观结构的影响规律。结果表明:GPA粒径与石英砂骨料相同时,HS-ECC延性得到了显著提升,但对抗压强度及抗拉强度影响较小,平均裂缝宽度和平均裂缝间距均明显减小,GPA-水泥基质界面过渡区宽度大于石英砂-水泥基质界面过渡区宽度;GPA粒径不同时,HS-ECC的延性、抗压强度和抗拉强度均随GPA粒径的增大而减小,平均裂缝宽度和平均裂缝间距均随GPA粒径的增大而增大,GPA-水泥基质界面过渡区宽度随GPA粒径增大而减小。

CO₂养护压力对植生混凝土碱度及力学性能的影响

张瑞, 杨大伟, 吴科, 王跃锋, 陈晓强, 刘来宝, 张礼华, 刘川北, 辜涛

2023, 42(10): 3499-3507.

摘要 ( 70 )

PDF (10839KB) ( 103 )

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本文研究了植生混凝土的碱度及力学性能随CO₂养护压力的变化规律,并结合X射线衍射定量相分析(XRD-QPA)、热重分析(TGA)及扫描电子显微镜(SEM)等方法,探讨了CO₂养护压力对反应速率及产物生成的影响。结果表明:增大CO₂养护压力可提高硅酸三钙(C₃S)、硅酸二钙(C₂S)及氢氧化钙(CH)的碳化速率,同时可快速生成碳化致密层,有利于延缓CH的生成与溶出;碳化反应生成的碳酸钙(CaCO₃)及水化硅酸钙(C-S-H)凝胶增大了水泥石密实度,可有效提升植生混凝土的抗压强度。与常压CO₂养护相比,在CO₂养护压力为0.3 MPa的条件下养护1 h,植生混凝土3 d抗压强度提高了72.8%,28 d抗压强度提高了4.8%,28 d的pH值由11.4降低至8.2。适度提高CO₂养护压力对植生混凝土降碱和增强效果良好。

-10 ℃环境下电伴热养护混凝土温度控制及强度发展

刘仲洋, 杨晗, 黄轶淼, 王逸舸, 翁维素

2023, 42(10): 3508-3517.

摘要 ( 59 )

PDF (6780KB) ( 80 )

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电伴热养护是近年来冬期施工中一种有效避免混凝土早期冻害以及提高水泥水化和混凝土强度的有效方法。为提升养护效率和效果,优化负温环境下电伴热养护参数,本文采用空气夹层法与内置法两种方式布设电伴热带,以预养护参数和恒温养护参数为变量,获得C30普通混凝土加热养护过程中的温度变化历程和立方体抗压强度。试验结果表明:经空气夹层法养护的混凝土温度分布更均匀,与内置法养护相比,其混凝土立方体抗压强度值提高了7.6%;35 ℃预养护最佳时间为6 h,预养护时间增加,造价增加,但并未提高过多强度;当以10 ℃预养护6 h,55 ℃电伴热恒温养护36 h时,混凝土强度为81.5%f_cu,k(立方体抗压强度标准值),满足梁板拆模强度要求。本文旨在为使用电伴热带进行混凝土冬期施工的设计提供参考,进而指导其工法和工程应用。

基于正交试验的聚丙烯泡沫混凝土基本力学性能研究

万聪聪, 姜天华, 余意

2023, 42(10): 3518-3529.

摘要 ( 62 )

PDF (7829KB) ( 89 )

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通过正交试验,研究了聚丙烯泡沫混凝土(PPFC)的基本力学性能及应力-应变本构关系。研究表明:在试验变量范围内,增加聚丙烯纤维(PP)体积掺量(0.5%、1.0%和1.5%),PPFC试件立方体抗压、轴心抗压和劈裂抗拉强度均依次降低;增大PP长度(3、6和9 mm),PPFC试件立方体抗压、轴心抗压和劈裂抗拉强度均先增大后减小;PPFC试件立方体抗压强度随粉煤灰(FA)质量掺量(40%、45%和50%)增加先增大后减小,轴心抗压强度和劈裂抗拉强度随FA掺量增加均依次减小。基于直观分析法,可得正交试验最优配合比组合为A₁B₂C₂,即PP体积掺量为0.5%,PP长度为6 mm,FA质量掺量为45%。PPFC受压试件破坏形态均为压剪破坏,破坏裂缝主要为斜裂缝,并伴有竖向裂缝,破坏面一般为斜面破坏;劈裂受拉试件破坏形态均为劈裂破坏,破坏裂缝均为沿荷载施加方向的竖向裂缝。基于单因素变量法可得,增加PP体积掺量(0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%),PPFC试件立方体抗压、轴心抗压和劈裂抗拉强度均先增大后减小,当PP体积掺量为0.2%时,PPFC试件立方体抗压、轴心抗压和劈裂抗拉强度均达到最大值,分别为16.00、14.56和1.96 MPa。表观密度和PPFC试件立方体抗压、轴心抗压、劈裂抗拉强度基本呈线性关系。采用分段式表达式建立了PPFC应力-应变本构模型。

长龄期自密实混凝土与普通混凝土强度及弹性模量对比试验研究

贠建洲, 陈顺超, 董春彦, 王磊, 聂良鹏

2023, 42(10): 3530-3537.

摘要 ( 60 )

PDF (1721KB) ( 87 )

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为了研究不同龄期下自密实混凝土(SCC)与普通混凝土(NC)试件抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量的发展规律和差异,设计并浇筑了8组不同龄期(3、7、14、28、56、120、200、400 d)下的SCC与NC试件(强度等级均为C40),测试不同龄期下SCC、NC立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量。根据试验结果对比分析不同龄期下两种混凝土力学参数的发展规律与差异。结果表明,长龄期下两种混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量发展规律近似,均为早期(28 d以前)增长较快,后期(200 d以后)增长缓慢且趋于稳定。同强度等级下的SCC抗压强度及劈裂抗拉强度大于NC,弹性模量小于NC。长龄期(400 d以后)下SCC抗压强度比NC高25%左右,劈裂抗拉强度比NC高9%左右,弹性模量比NC小8%左右。NC实测弹性模量与规范公式计算值较吻合,SCC实测弹性模量大约为规范公式计算值的85.9%,采用NC弹性模量规范计算公式预测SCC弹性模量时需乘0.859进行修正。

骨料界面效应下含初始缺陷再生混凝土弹性模量的均匀化预测

柴正一, 盛冬发, 秦飞飞, 霍晓伟

2023, 42(10): 3538-3545.

摘要 ( 49 )

PDF (3081KB) ( 70 )

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为了合理地设计和利用再生混凝土,在再生混凝土均匀化过程中,综合考虑原生骨料界面处较大的孔隙率、砂浆处的孔洞和微裂缝,以及骨料界面效应,同时结合扭转变形原理、Mori-Tanaka方法、微分法和Christensen三相模型,建立了一套可预测骨料界面效应下含初始缺陷再生混凝土弹性模量的模型。计算结果表明,当再生骨料取代率由0%增加到100%(质量分数)时,再生混凝土的弹性模量会降低24.4%,新水泥砂浆和原生骨料弹性模量的下降会导致再生混凝土的弹性模量出现不同程度的降低,预测模型能较好地预测界面效应下含初始缺陷再生混凝土弹性模量,并实现参数化分析。

不同加载速率下SAP混凝土断裂性能研究

金子恒, 谢发祥, 蔡定鹏, 韩旭, 掌昀

2023, 42(10): 3546-3553.

摘要 ( 65 )

PDF (10086KB) ( 97 )

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为研究加载速率对高吸水性树脂(SAP)混凝土断裂性能的影响,本文浇筑了不同内养护水灰比SAP混凝土试件,采用三种加载速率开展缺口梁三点弯曲试验,测量和分析不同试件的断裂模式、裂纹开口位移和断裂韧性。试验结果表明:SAP混凝土和普通混凝土均具有应变率效应,且适量的SAP和内养护水可以提高混凝土的断裂能;随着内养护水灰比的增加,SAP混凝土的峰值强度比持续下降,起裂韧度和失稳韧度都呈逐渐降低的趋势;随着加载速率的增加,两种韧度都呈增长的趋势。本文提出的基于内养护水灰比和加载速率双因素影响的峰值强度比和断裂韧性拟合模型可为SAP混凝土在实际工程中的应用提供参考。

基于颗粒流对混凝土尺寸效应下的抗压裂缝分析

李玉成, 代金鹏, 王起才

2023, 42(10): 3554-3561.

摘要 ( 43 )

PDF (27343KB) ( 87 )

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基于颗粒流(PFC)的Fish语言编写了二维颗粒流程序,构建了二维混凝土细观模型,采用标定后的PB模型参数,对不同尺寸混凝土的破坏裂纹演化和破坏机理进行分析。模拟结果表明:混凝土单轴抗压破坏是水泥砂浆界面以及骨料与水泥砂浆交界面裂纹扩张和演化造成的;不同的尺寸以及随机骨料的分布会对混凝土的峰值应力和破坏模式有一定的影响;单轴抗压试件内的裂纹起始于水泥砂浆界面,随后以骨料与水泥砂浆的交界面为主开始延伸,并随着载荷增加向混凝土内部发展,到90%峰值抗压强度后,裂纹的延伸速度和增加速度进入突增阶段,主裂纹和水泥砂浆界面的次生裂纹相互作用,呈现出贯穿状,使混凝土试件破坏;随混凝土尺寸的增大和骨料数量增加,裂缝数量增加,且随混凝土尺寸的减小,裂纹突增的速度与数量比例更大。

基于修正Burgers模型对钢筋混凝土徐变的分析

霍晓伟, 盛冬发, 秦飞飞, 柴正一

2023, 42(10): 3562-3568.

摘要 ( 44 )

PDF (3216KB) ( 63 )

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为了研究不同配筋率对混凝土徐变性能的影响,本文对素混凝土、8 mm钢筋混凝土和10 mm钢筋混凝土进行了为期350 d的压缩徐变试验。将非线性黏性元件与经典Burgers模型串联,得到了修正Burgers模型。利用不同配筋率混凝土的徐变试验数据,对CEB-FIB(MC90)模型和修正Burgers模型进行拟合计算,从而得到了混凝土徐变拟合曲线。研究结果表明:钢筋能够有效地抑制混凝土的徐变,并且随着配筋率的增加,抑制效果进一步增强;与CEB-FIP(MC90)模型相比,修正Burgers模型的拟合结果更加准确,能更好地预测钢筋混凝土的徐变。

功能化改性复合硅烷涂层耐蚀性能的模拟研究

李萌萌, 于娇, 金祖权

2023, 42(10): 3569-3578.

摘要 ( 63 )

PDF (20057KB) ( 104 )

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本文提出了一种新型硅烷基纳米复合涂层。分子动力学模拟结果证实,多巴胺的引入可以大大降低盐溶液在硅烷涂层微纳米孔道中的传输能力,以及复合涂层界面处水分子和离子的运动能力。对于氧化石墨烯-硅烷涂层来说,水分子可以扩散至硅烷层,与硅烷分子的亲水端形成氢键连接。极限接枝的氧化石墨烯-多巴胺-硅烷复合涂层可以充分发挥硅烷分子的疏水特性,完全阻绝水分子进入硅烷层,使水分子传输深度降低了87.5%。

酸激发地质聚合物反应机理与力学性能研究进展

贺敏, 仰宗宝, 李兆超, 欧志华, 欧蔓丽, Tony Yang

2023, 42(10): 3579-3593.

摘要 ( 118 )

PDF (9614KB) ( 172 )

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酸激发地质聚合物(ASP-GP)是由铝硅酸盐与酸性溶液反应生成的具有三维立体网络结构的铝硅酸盐无机聚合物。它具有制备工艺简单、机械强度高(最大抗压强度达146 MPa)、耐火耐高温性能好、固封性能及介电性能优异等优点,可作为传统建筑材料、隔热耐火耐高温材料、固封材料、电子封装材料等。此外,低碳节能的制造过程恰好满足绿色环保和节能减排需求,因此,ASP-GP在土木工程、机械工程、航空航天、冶金、核废固封等领域均具有广阔的应用前景。本文依据国内外现有的ASP-GP研究成果,综述了ASP-GP反应机理及力学性能的研究进展,总结了影响ASP-GP力学性能的因素,包括铝硅酸盐活性、激发剂、原材料配合比、养护制度等,以期为ASP-GP的后续研究提供一定的指导。

基于文献计量的粉煤灰基地质聚合物研究趋势

孙奇娜, 张伊涵, 许嘉谦, 马军, 曹海莹

2023, 42(10): 3594-3604.

摘要 ( 53 )

PDF (8225KB) ( 85 )

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与普通硅酸盐水泥相比,粉煤灰基地质聚合物可大幅减少生产过程中的碳排放,提供了开发新型绿色高附加值产品的新途径。近10年来,粉煤灰基地质聚合物领域发文近6 000篇,有必要进行基于科学计量学方法的定量分析,为粉煤灰基地质聚合物研究及粉煤灰的绿色综合利用提供参考。本文检索Web of Science核心合集及中国知网学术文献总库中文献,基于CiteSpace分析发文群体和关键词,构建共现网络,分析研究趋势和热点。结果表明:2013—2023年粉煤灰基地质聚合物的研究热度持续保持;中、英文文献核心作者发文频次占比均超过5%,英文文献发文机构间合作更紧密;关键词共现图谱以及聚类和突现分析结果说明相关研究集中于力学性能和吸附性能,且后者逐渐成为近年的研究热点;粉煤灰基地质聚合物及其复合材料捕集CO₂气体和去除水体污染物的性能和机制仍为应用的热点课题之一。反应体系的化学组成是粉煤灰基地质聚合物力学性能和吸附性能区别于其他地质聚合物的主要因素,利用化学组成协同调控力学性能与吸附性能的研究是今后的一个主要发展趋势。

响应曲面法优化广西田东活性白土制备工艺研究

李明哲, 高林辉, 李晨, 李跃, 樊先平, 杨辉, 林时锴

2023, 42(10): 3605-3616.

摘要 ( 46 )

PDF (11280KB) ( 70 )

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活性白土是一种常见的无机吸附材料,由膨润土经过酸改性获得。本文采用硫酸作为改性剂,活化改性膨润土制备高吸附活性的活性白土。通过单因素试验确定了活化温度A、活化时间B、酸用量C、液固比D的取值范围,并采用Box-Behnken 响应曲面法设计优化白土制备工艺参数,以大豆油中β-胡萝卜素的吸附率为响应值,分析4种工艺参数对吸附率的影响规律,并预测了最佳的工艺条件。结果表明,建立的吸附率响应曲面模型可靠,可用于活性白土吸附能力优化。活化时间和酸用量对吸附率的影响最大,在所选液固比范围内,液固比对吸附率影响不明显。预测的最佳吸附能力制备条件为:活化温度92.5 ℃、活化时间5.5 h、酸用量40%(质量分数)、液固比4 ∶1。该条件下活性白土对β-胡萝卜素的吸附率为97.71%。

利用电石渣进行赤泥脱碱研究

王亚丽, 丁思哲, 王玲玉

2023, 42(10): 3617-3623.

摘要 ( 59 )

PDF (3219KB) ( 78 )

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赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的工业固体废弃物,高碱含量限制了其利用。利用电石渣替代天然钙基材料进行赤泥脱碱,分析脱碱温度、电石渣掺量、液固比、反应时间四个因素对脱碱效果的影响,探究电石渣进行赤泥脱碱的反应机理。结果表明,随着温度升高、电石渣掺量增加、反应时间增加,赤泥脱碱效率升高;在温度为90 ℃、液固比为4 ∶1、反应时间为360 min、赤泥与电石渣的质量比为1 ∶1的反应条件下,脱碱效率达到81%,脱碱后赤泥中的Na₂O含量不大于1%(质量分数),满足水泥原料的要求。电石渣进行赤泥脱碱反应符合内扩散未反应收缩核模型,提高反应温度与反应物的质量均可提高脱碱率。

赤泥基发泡地质聚合物的性能研究

吕政晔, 张延博, 刘泽, 彭中昊, 王栋民

2023, 42(10): 3624-3632.

摘要 ( 99 )

PDF (13993KB) ( 181 )

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拜耳法赤泥含有较多赤铁矿且活性较低,一定程度上限制了其资源化利用。将拜耳法赤泥、矿渣微粉和粉煤灰以5 ∶3 ∶2的质量比混合,以水玻璃和氢氧化钠为碱激发剂,硬脂酸钙为稳泡剂,双氧水为发泡剂,制备发泡地质聚合物。通过调节碱激发剂模数,探究其对赤泥基发泡地质聚合物表观密度、强度以及微观结构的影响。结果表明,随着碱激发剂模数的增加,发泡地质聚合物的表观密度呈先增加后降低的趋势,抗压强度逐渐下降。当碱激发剂模数为1.4时,发泡地质聚合物的28 d表观密度最低,为195.86 kg/m³;28 d抗压强度达到最高值,为0.55 MPa,对应比强度为2 821.12 N·m/kg。这说明碱激发剂模数为1.4时发泡地质聚合物兼顾轻质与高强的性能。

改性5A沸石对偏高岭土地聚物微观结构及抗泛碱性能的影响

罗仁, 芦雨薇, 许源, 樊晋源, 刘怀, 段平

2023, 42(10): 3633-3642.

摘要 ( 43 )

PDF (13604KB) ( 66 )

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为了降低碱激发偏高岭土地聚物的泛碱程度,采用具备阳离子交换性能的改性5A沸石降低地聚物孔隙中游离碱金属阳离子的含量。通过地聚物的抗压强度测试、孔结构分析(BET)、微观形貌分析(SEM-EDS)等方法探究改性5A沸石对地聚物微观结构和宏观性能的影响。通过电感耦合等离子原子发射光谱仪(ICP-OES)检测浸出液中阳离子含量,利用Image Pro Plus软件计算在固定泛碱模式下地聚物的泛碱面积,评估改性5A沸石对地聚物泛碱程度的影响,并揭示改性5A沸石对地聚物中Na⁺和Ca²⁺迁移规律的影响。结果表明,掺量为4%(质量分数)的改性5A沸石既能通过内养护和微集料效应优化孔结构,增强地聚物的力学性能,又能与孔溶液进行阳离子交换,形成(N,C)-A-S-H凝胶;Na⁺浸出量降低了19.4%,地聚物表观泛碱程度降低了57.3%。

复合地聚物固化高含水率泥浆的回填性能及微观机理研究

冯兴国, 刘宁, 卢向雨

2023, 42(10): 3643-3651.

摘要 ( 52 )

PDF (6717KB) ( 73 )

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泥浆广泛存在于河道疏浚、灌注桩、顶管等工程中,其处理是长期困扰工程界的问题。本文以原状煤矸石、高炉矿渣、粉煤灰等多元固废地聚物为基础固化60%(质量分数)含水率的泥浆,研究固化土的力学性能、耐久性和微观机理,评估固化土作回填料的可行性。结果表明,增加固体废弃物和碱性激发剂掺量都可提高固化土强度,固废掺量为20%(质量分数)时固化土7 d黏聚力c为60 kPa,内摩擦角φ为19°,强度可达400 kPa,满足回填土的性能要求;同时地聚物固化土的抗冻融性能明显优于同掺量的水泥固化土;地聚物固化土的胶凝产物主要为水化硅酸钙和斜方钙沸石,其水胶凝产物黏结土颗粒,填充孔隙结构,从而强化土体性能。

恒温时间对煤灰熔体熔融行为的影响研究

王宁宁, 李寒旭, 夏宝亮, 李懂, 陈建杨

2023, 42(10): 3652-3659.

摘要 ( 45 )

PDF (5860KB) ( 61 )

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在煤的气化过程中,煤灰中的无机组分短时间内会发生热解、团聚或结渣等行为,严重影响气化炉安全稳定运行。为探究煤灰停留在气化炉内的熔融过程和煤灰矿物转化行为,本文利用XRF、XRD、FTIR等测试方法和FactSage软件对不同温度和时间跨度处理后煤灰的化学组成、矿物组成、熔体结构进行了分析。结果表明:在1 200、1 300、1 400 ℃条件下,当恒温时间由10 s逐渐增加至30 min时,煤灰中矿物种类均无明显变化,但SiO₂、CaO、SO₃占比有较大改变;矿物的非晶态物质随着温度的升高以及恒温时间的延长而增加;煤灰熔体结构由复杂的架状结构逐渐解聚为简单的环状、岛状等结构;煤灰黏度也随温度的升高逐渐降低,在达到转折温度1 240 ℃后,温度与恒温时间对煤灰熔体熔融行为影响较小。

活化煤矸石水泥水化机理与性能研究

刘超群, 朱泽文, 张友华, 代力, 辛崇升, 陈磊伟

2023, 42(10): 3660-3670.

摘要 ( 57 )

PDF (9801KB) ( 74 )

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近些年来,水泥的低碳化成为国内外的研究热点,利用活性矿物掺和料取代水泥是一种有效降低CO₂排放量的方法。为验证活化煤矸石作为水泥矿物掺和料的可行性,研究了活化煤矸石对水泥流变性能、力学性能、水化产物及水化程度的影响,揭示了水胶比、龄期及活化煤矸石掺量等对水泥胶砂试件抗压和抗折强度的影响,并利用XRD、SEM和TG/DTG等表征活化煤矸石对水泥水化产物和微观结构的影响。结果表明,活化煤矸石水泥的流变性能对水胶比的变化更加敏感。将活化煤矸石掺入水泥中,能够有效降低水泥早期的水化速率。活化煤矸石含有大量的活性SiO₂和Al₂O₃,具有很强的二次水化反应活性。二次水化产物水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶能够填充水泥机体的孔隙,提升水泥基体的强度。与掺30%(质量分数)石英粉的试件相比,掺30%(质量分数)活化煤矸石试件的28 d抗折和抗压强度分别提升了11.69%和11.82%。

复掺再生砂和超细粉煤灰对超高性能混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

路宇, 吴晨洁, 王德志, 赵晏

2023, 42(10): 3671-3678.

摘要 ( 49 )

PDF (2838KB) ( 72 )

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为了研究再生砂超高性能混凝土(UHPC)的抗硫酸盐侵蚀性能,对掺再生砂和超细粉煤灰的超高性能混凝土进行了硫酸盐干湿循环侵蚀试验,测试了硫酸盐溶液侵蚀前后试件的抗压强度、相对动弹性模量、质量变化。通过离子滴定测定了不同侵蚀深度下硫酸根离子的分布,分析了再生砂和超细粉煤灰对硫酸根离子传输的影响。结果表明:经过90次硫酸盐干湿循环后,UHPC的耐侵蚀系数随着超细粉煤灰掺量的增加呈先增大后减小的趋势;超细粉煤灰掺量为20%(质量分数,下同)时,侵蚀全过程中UHPC的耐侵蚀系数、相对动弹性模量最大,硫酸根离子含量较低;再生砂掺量为50%时,UHPC在干湿循环45次之前的相对动弹性模量最大,相同深度下的硫酸根离子含量最低;复掺20%超细粉煤灰和50%再生砂的UHPC抗硫酸盐侵蚀性能最优。

再生粗骨料粒径对混凝土力学和耐久性能的影响

陈鹏博, 李北星, 曾波

2023, 42(10): 3679-3687.

摘要 ( 56 )

PDF (8605KB) ( 71 )

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为了改善粗骨料系统并进一步提高再生混凝土的性能,在不改变天然粗骨料级配的情况下制备了再生粗骨料取代率分别为64%和36%的两个系列再生混凝土,研究了混合粗骨料体系中不同粒径(5~＜10 mm、10~＜20 mm、20~31.5 mm)天然/再生粗骨料对混凝土工作性、力学性能、耐久性能的影响。结果表明,当再生粗骨料总取代率不变时,随着再生粗骨料取代粒径增大,再生混凝土的坍落度/扩展度不断增大,抗压强度、抗折强度与弹性模量基本呈增大趋势,电通量和碳化深度逐步降低。在再生粗骨料取代率较高条件下,提高20~31.5 mm再生粗骨料的比例,更有利于改善再生混凝土的力学性能与耐久性能。

磁铁尾矿砂在水泥基材料中的化学稳定性研究

郝明月, 李静, 蔡基伟, 许鸽龙, 田青

2023, 42(10): 3688-3694.

摘要 ( 45 )

PDF (5059KB) ( 67 )

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为评价磁铁尾矿砂在水泥碱性环境中的化学稳定性,研究了磁铁尾矿砂对饱和Ca(OH)₂溶液pH值、砂浆棒膨胀率及钢筋锈蚀率的影响。结果表明,粒径为2.500和1.250 mm的磁铁尾矿砂在早期时对饱和Ca(OH)₂溶液pH值降低作用较为明显,随龄期延长,粒径小于1.250 mm的磁铁尾矿砂对溶液pH值的降低作用变得愈加显著。不同粒径的磁铁尾矿砂取代部分天然砂时,引起的砂浆棒膨胀情况有所不同,其中粒径为0.630和0.315 mm的磁铁尾矿砂对砂浆棒体积变形的影响更为显著,而且在较长龄期后,含有0.630 mm磁铁尾矿砂的砂浆棒膨胀率最大。在Ca(OH)₂和NaCl混合溶液中,磁铁尾矿砂较钢筋更易发生反应,可减缓钢筋锈蚀。

铝酸钙水泥-矿渣体系的CO₂腐蚀行为及微观结构研究

师伟, 龚泽相, 刘开强, 马疆, 王军, 代红, 邓林

2023, 42(10): 3695-3702.

摘要 ( 45 )

PDF (8308KB) ( 58 )

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针对CO₂易腐蚀硅酸盐水泥石、破坏水泥石结构完整性、诱发层间封隔失效等问题,本文利用矿渣改性铝酸钙水泥,研究了铝酸钙水泥-矿渣体系在60、80、100、120 ℃和纯CO₂条件下的抗压强度变化规律,并采用X射线衍射仪、热重分析仪和扫描电子显微镜测试了CO₂腐蚀对铝酸钙水泥-矿渣体系水化产物及微观结构的影响。结果表明:与纯铝酸钙水泥石相比,矿渣使铝酸钙水泥石水化产物转变为C₂ASH₈,大幅提高了水泥石早期抗压强度。当铝酸钙水泥与矿渣质量比为5 ∶5时,60 ℃养护14 d的铝酸钙水泥抗压强度提高了215.4%。经CO₂腐蚀后,铝酸钙水泥-矿渣体系水化产物由C₂ASH₈转变为C₂AS,并有CaCO₃生成,腐蚀层的致密程度增加,相同温度下水泥石的抗压强度随腐蚀时间增加而增大。

镍铁渣硫酸浸出渣制备硅酸盐水泥熟料工艺研究

高锋, 梁振佳, 雷西虎, 张博, 廖国安, 王欣鹏

2023, 42(10): 3703-3709.

摘要 ( 45 )

PDF (6556KB) ( 65 )

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以镍铁渣硫酸浸出渣为原料制备硅酸盐水泥熟料,研究不同石灰饱和系数和不同焙烧温度对硅酸盐水泥熟料物相结构与微观形貌的影响。通过测定熟料中f-CaO浓度来判断水泥熟料的易烧性,通过XRD、EDS、SEM分析熟料的物相结构、元素分布及微观形貌。结果表明,焙烧温度越高,f-CaO浓度越低,易烧性越好。当焙烧温度为1 350 ℃时,硅酸盐水泥熟料焙烧后出现了粉化现象且未形成C₃S相;而当1 400 ℃焙烧时,硅酸盐水泥熟料中出现了以C₂S和C₃S为主的晶相,未出现粉化现象;当焙烧温度达到1 450 ℃时,水泥相晶粒组织发育比较充分。该熟料与石膏混合制成水泥,其水泥砂浆的水化产物经28 d养护后抗压和抗折强度分别为37.34和7.01 MPa。

基于熵权法和灰色理论的钢渣粗骨料混凝土耐久性评估及寿命预测

兰素恋, 田威, 张红日, 高晋峰, 韩祖丽, 李红明

2023, 42(10): 3710-3721.

摘要 ( 48 )

PDF (3904KB) ( 63 )

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为探究钢渣粗骨料对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响,对不同钢渣粗骨料替代率(0%、30%、60%、90%,质量分数)混凝土在不同浓度(5%、10%、15%,质量分数)硫酸钠(Na₂SO₄)溶液中进行了侵蚀试验。基于熵权法建立了以混凝土质量、抗压强度和相对动弹性模量三个典型耐久性指标为参数的钢渣粗骨料混凝土耐久性综合评价指标D。通过D值反映钢渣粗骨料替代率和Na₂SO₄溶液浓度对混凝土耐久性的影响,并通过灰色理论的GM(1,1)模型对不同侵蚀条件下钢渣粗骨料混凝土的使用寿命进行预测。结果表明,整个侵蚀过程中,钢渣替代率低于60%的钢渣粗骨料混凝土的D值均高于普通混凝土,钢渣替代天然骨料配制混凝土可以提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。GM(1,1)模型预测结果与试验结果基本一致,60%钢渣粗骨料替代率下混凝土的使用寿命均优于其他组。

脱硫石膏-粉煤灰流态轻质土宏细观力学性能研究

左祥龙, 左珅, 侯宁, 李晋, 李天宇, 周天成

2023, 42(10): 3722-3731.

摘要 ( 45 )

PDF (10309KB) ( 66 )

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为探究脱硫石膏-粉煤灰流态轻质土宏观力学性能及破坏演化机理,通过PFC2D构建细观脱硫石膏-粉煤灰流态轻质土数值模型,结合室内单轴抗压试验反演出模型细观参数,通过提取数值模型中离散裂隙网络类型、数量、龄期及颗粒位移趋势,探究脱硫石膏-粉煤灰流态轻质土裂纹形态特征及扩展演化,并且通过能量指标评价了脱硫石膏-粉煤灰流态轻质土材料的破坏性质。研究结果表明:构建的离散元数值模型可有效模拟材料应力-应变曲线及破坏特征;单轴压缩条件下,脱硫石膏-粉煤灰流态轻质土在加载初期发生以剪切破坏为主导的微裂纹,当加载超过峰值应力后,则开始出现以拉伸破坏为主导的贯穿裂纹,脱硫石膏-粉煤灰流态轻质土颗粒则从竖向位移开始有水平位移的趋势;脱硫石膏-粉煤灰流态轻质土耗散能的演变相对平缓,其对应的宏观表现是超过峰值应力点后硫石膏-粉煤灰流态轻质土破坏存在一定的延迟开裂。

聚四氟乙烯真空加压浸渍改性柔性石墨垫片研究

杜韶川, 邱杨率, 吴益民, 丁锋, 张凌燕, 张宇, 翟振民

2023, 42(10): 3732-3740.

摘要 ( 51 )

PDF (11699KB) ( 68 )

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为了扩大柔性石墨垫片在苛刻工况中的应用范围,本文选用聚四氟乙烯为浸渍剂,采用液相浸渍法对柔性石墨垫片进行改性,并通过单因素条件试验确定最佳浸渍剂配比和浸渍工艺。结果表明,在浸渍真空度为-0.095 MPa、真空加压压强为0.65 MPa、浸渍次数为2次、浸渍时间为30 min、浸渍浓度为60%(质量分数)、浸渍温度为35 ℃时可获得最佳浸渍效果,浸渍后的柔性石墨垫片泄漏率为2.03×10^-4 cm³/s,增重率为4.39%,压缩率为32.17%,回弹率为22.34%。SEM和EDS测试结果表明:聚四氟乙烯乳液通过浸渍向石墨片层层间缝隙内部渗透,有效地填充了柔性石墨垫片内部片层和颗粒间的空隙,改善了垫片的渗透泄漏。碳元素主要以石墨形式均匀分布,氧元素以杂质形式均匀分布在石墨内部,氟元素分布较为集中。

固体废弃物基泡沫陶瓷制备原理研究进展

阮梦月, 田青, 张苗, 王成, 许鸽龙, 蔡基伟

2023, 42(10): 3741-3754.

摘要 ( 72 )

PDF (10713KB) ( 121 )

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固体废弃物的再生利用除了向更广的维度扩展,还需要向高附加值的深度进行延伸。泡沫陶瓷的科学制备与广泛应用使得大量消纳固体废弃物的同时能够充分发挥固体废弃物的潜在价值,因而受到了国内外学者的极大关注。本文详细介绍了泡沫陶瓷的组分作用及发泡原理,深入分析了其热变过程及微观机制,总结归纳了不同因素的影响效应,最后阐述了泡沫陶瓷发展面临的挑战,并对需进一步研究的方向提出了建议,旨在为泡沫陶瓷的高效利用与深入研究提供借鉴与参考。

g-C₃N₄/Ag基二元复合光催化剂降解环境污染物的研究进展

柏林洋, 蔡照胜

2023, 42(10): 3755-3763.

摘要 ( 52 )

PDF (1689KB) ( 63 )

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光催化技术在太阳能资源利用方面呈现出良好的应用前景,已受到世界各国的广泛关注。g-C₃N₄是一种二维结构的非金属聚合物型半导体材料,具有合成简单、成本低、化学性质稳定、无毒等特点,在环境修复和能量转化方面应用潜力较大。但g-C₃N₄存在对可见光吸收能力差、比表面积小和光生载流子复合速率高等缺点,限制了其实际应用。构筑异质结光催化剂是提高光催化效率的有效途径之一。基于Ag基材料的特点,前人对g-C₃N₄/Ag基二元复合光催化剂进行了大量研究, 并取得显著成果。本文总结了近年来AgX(X=Cl,Br,I)/g-C₃N₄、Ag₃PO₄/g-C₃N₄、Ag₂CO₃/g-C₃N₄、Ag₃VO₄/g-C₃N₄、Ag₂CrO₄/g-C₃N₄、Ag₂O/g-C₃N₄和Ag₂MoO₄/g-C₃N₄复合光催化剂降解环境污染物的研究进展,并评述了g-C₃N₄/Ag基二元复合光催化剂目前面临的主要挑战,展望了其未来发展趋势。

MnO₂-CuO-TiO₂共掺Al₂O₃陶瓷低温烧结和微波介电性能的研究

林聪毅, 陶宏磊, 李蔚

2023, 42(10): 3764-3768.

摘要 ( 65 )

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作为重要微波介质材料之一,Al₂O₃陶瓷介电性能优良,在微波电路方面得到广泛应用。但Al₂O₃陶瓷的烧结温度较高,制备工序需消耗大量能源。低成本降低烧结温度对Al₂O₃陶瓷的进一步发展具有重要意义。本论文通过MnO₂-CuO-TiO₂掺杂实现了Al₂O₃陶瓷的低温烧结,并对其烧结行为和微波介电性能进行了研究。结果表明,MnO₂、CuO、TiO₂的质量分数分别为0.7%、0.5%、0.8%时,复合掺杂可以大幅降低Al₂O₃陶瓷的烧结温度,所获陶瓷具有良好的微波介电性能。在烧结温度为1 250 ℃时,Al₂O₃陶瓷的密度可达3.92 g/cm³,介电常数ε_r=10.02,品质因子与谐振频率的乘积Q×f值为51 239 GHz。Ti⁴⁺、Mn⁴⁺、Cu²⁺固溶导致Al₂O₃晶格扭曲活化,以及低共熔物形成是促进Al₂O₃陶瓷低温烧结的原因。

锂电池正极材料LiNi_xCo_yMn_zO₂承烧用莫来石-堇青石质匣钵的研制

段健健, 沈宏芳, 马聪聪, 孙文周, 张笑, 陆有军

2023, 42(10): 3769-3777.

摘要 ( 63 )

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莫来石-堇青石质匣钵对于制备高性能锂电池正极材料尤为重要。本文采用莫来石(1.18~0.6 mm)和堇青石(2~1 mm)为骨料,莫来石(0.074 mm)、煅烧氧化铝(0.044 mm)、佛山黄泥(0.044 mm)和煤矸石(0.044 mm)为基质,在1 380 ℃下保温3 h烧结制备锂电池正极材料LiNi_xCo_yMn_zO₂(LNCM)承烧用莫来石-堇青石匣钵,并采用埋覆侵蚀法探究了正极材料在烧结过程中对匣钵的侵蚀行为。结果表明:在1 380 ℃下保温3 h烧结制备的匣钵力学性能和抗热震性均较好,其室温抗折强度为10.02 MPa,经3次热震循环后残余强度保持率在51.52%~53.26%;适当增加粗颗粒(1.18~0.6 mm)莫来石的含量可有效提高莫来石-堇青石匣钵的抗侵蚀性,且经侵蚀25次后匣钵表面的最大反应层厚度为447μm,最小反应层厚度为211 μm。

SMA-5钢渣沥青混合料的组成设计与性能评价

刘海霞, 张鑫, 韩耿斌, 李忠红, 赖淏, 熊锐

2023, 42(10): 3778-3786.

摘要 ( 38 )

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为更好地促进小粒径钢渣在薄层沥青混合料中的应用,采用V-S(volumetric mix)法设计SMA-5沥青混合料的集料掺配比例;等体积替换掺加1.18~2.36 mm、2.36~4.75 mm两种粒径钢渣于SMA-5沥青混合料中,分析其对沥青混合料试件的粗集料间隙率VCA_mix、最佳沥青用量的影响;借助车辙试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验与浸水马歇尔试验对钢渣沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性与水稳定性进行评价。结果表明:掺入钢渣降低了集料间的骨架结构效应,提高了混合料沥青用量;复掺钢渣降低了沥青混合料的高温稳定性,但随着钢渣掺量增加,各掺配方案下沥青混合料的低温性能均降低,水稳定性、高温稳定性均提升;推荐SMA-5钢渣沥青混合料中2.36~4.75 mm粒径钢渣掺量75%为最优配比。

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