姜德民, 徐浩东, 康红龙, 胡思宇

2024, 43(2): 387-396.

摘要 ( 176 )

PDF (8540KB) ( 235 )

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作为一种新型绿色环保建筑材料,植物纤维增强水泥基复合材料受到了广大科研人员的青睐,但目前仍面临着众多问题。本文归纳总结了在植物纤维增强水泥基复合材料研究中的三大主要问题——植物纤维的高吸水率、植物纤维在水泥基复合材料中的劣化以及植物纤维对水泥基复合材料的阻凝作用,分析了造成这些问题的主要原因,列举了常见的改性方法并深入阐述了相应的改性机理及研究现状,最后展望了植物纤维增强水泥基复合材料的研究前景,以期为今后植物纤维资源化利用提供参考。

超高性能混凝土-石材界面黏结性能试验研究

黄伟, 黄雅莹, 陈雪莉, 吴应雄, 郑新颜, 张恒春

2024, 43(2): 397-406.

摘要 ( 124 )

PDF (10457KB) ( 128 )

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超高性能混凝土(UHPC)加固修复既有石结构中,UHPC与石材之间优异的黏结性能是保证加固效果的关键。因此,为探究UHPC-石材界面的黏结性能,通过劈裂抗拉试验和双L型剪切试验,考察不同界面处理方式对UHPC-石材界面黏结性能的影响。结果表明,UHPC-石材界面破坏模式主要分为三种,其中发生模式C破坏(石材UHPC破坏)时界面黏结强度最大。界面键槽处理方式能显著提高UHPC-石材界面黏结强度、界面剪切刚度,且在改变破坏形态的同时有效提升试件的延性,当键槽深度为20 mm时,试件表现出较好的界面黏结性能。另外,试件剪切荷载-位移曲线包含滑移前阶段和滑移后阶段,凿毛试件在滑移后阶段没有经历塑性变形。相同界面处理方式下,UHPC-石材的界面抗剪强度与界面劈裂抗拉强度呈正相关关系。

不同温度下矿物掺合料对喷射混凝土水化行为及力学性能的影响

原健, 王琴, 曾凡超, 郭志翔, 王宏维

2024, 43(2): 407-417.

摘要 ( 96 )

PDF (8947KB) ( 78 )

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不同温度下粉煤灰、矿粉和硅灰对喷射混凝土水化行为及力学性能的影响规律尚不明确。本文通过XRD定量分析、热重分析和SEM测试等手段表征了不同温度和龄期下三种矿物掺合料对喷射混凝土水化行为的影响,并测试了砂浆抗压强度。结果表明,不同温度下,硅灰和矿粉能提高喷射混凝土早期和后期强度,粉煤灰不利于早期强度的发展,20 ℃时粉煤灰体系砂浆6 h抗压强度低于基准值。6 h和1 d龄期时,温度对试块抗压强度的影响非常显著,60 ℃时硅灰体系砂浆6 h抗压强度高达13.39 MPa;随着龄期增长,温度对试块强度的增强作用减弱。温度升高会激发矿物掺合料的火山灰效应,生成C-S-H凝胶填充内部孔隙,提高体系砂浆试块抗压强度。同一温度、龄期下,硅灰体系水化产物中C-S-H凝胶含量多,抗压强度最高。矿粉体系水化程度最高,抗压强度较高。粉煤灰体系中AFt含量最高,但C-S-H凝胶含量少,抗压强度最低。本文对特殊环境下矿物掺合料在喷射混凝土中的应用有指导作用。

含引气剂海工混凝土的抗冻性能及其梁受弯承载力

陆春华, 朱学武, 平安, 杨钰婷

2024, 43(2): 418-427.

摘要 ( 47 )

PDF (6286KB) ( 58 )

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为了研究引气剂对海工混凝土抗冻性能及其梁受弯承载力的影响,对2种配合比6根海工混凝土梁及相应的冻损试件进行总计100次快速冻融试验;采用质量损失率、动弹性模量损伤度和抗压强度损失率对混凝土冻融损伤程度进行有效评价;考虑混凝土抗压强度退化以及等效矩形应力图系数的变化,提出了冻融作用下海工混凝土梁正截面受弯承载力计算公式。结果表明:加入引气剂可以增强海工混凝土的抗冻性能,降低梁的开裂弯矩退化速率,但会降低混凝土强度和梁的极限弯矩;在150次冻融循环内,提出的模型能够较好地预测冻融作用下海工混凝土梁的正截面受弯承载力。

硫酸盐侵蚀和干湿、冻融循环下混凝土单轴受压损伤对比

唐子祥, 杨淑雁, 高海海, 徐宁阳

2024, 43(2): 428-438.

摘要 ( 78 )

PDF (6919KB) ( 94 )

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为研究宁夏典型服役环境下混凝土材料的损伤特点,本文在硫酸钠侵蚀和干湿、冻融循环三因素的共同作用和耦合作用下研究混凝土棱柱体试样的不同单轴受压应力-应变特点。改变硫酸钠溶液浓度和腐蚀次数,测量试样的质量损失率、相对动弹性模量以及应力-应变曲线。结果表明:随着腐蚀次数的增加,耦合作用下质量损失率和相对动弹模均先增大后减小,共同作用下则均逐渐减小;随着硫酸钠溶液浓度的增大,两种腐蚀制度下试样的应力-应变曲线上升段斜率和峰值应力均逐渐减小,且共同作用比耦合作用劣化效果更明显;随着腐蚀次数的增加,两种腐蚀制度下试样的应力-应变曲线上升段斜率均逐渐减小,耦合作用下峰值应力先增大后减小,共同作用下则逐渐减小,两种腐蚀制度下峰值应变均逐渐增大,共同作用比耦合作用劣化更大。本文提出的两种腐蚀制度下的混凝土应力-应变曲线预测模型可为宁夏服役环境下的混凝土结构寿命预测提供依据。

基于人工智能算法的氯盐侵蚀混凝土预测模型

崔纪飞, 柏林, 饶平平, 康陈俊杰, 张锟

2024, 43(2): 439-447.

摘要 ( 74 )

PDF (3157KB) ( 81 )

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本文基于机器学习算法建立了输电塔桩基混凝土氯离子浓度预测模型,通过相关系数、均方根误差、绝对平均误差和方差比对模型进行检验,并根据蒙特卡洛模拟对模型的稳健性进行分析,同时基于海马优化器对模型进行优化。结果表明,支持向量机(SVM)模型、随机森林(RF)模型和梯度提升树(GBDT)模型都可以准确预测输电塔桩基混凝土中氯离子浓度,相关系数R²均大于0.880,均方根误差小于0.009,绝对平均误差小于0.006,方差比大于0.890。根据误差和稳健性分析结果,建议混凝土中氯离子浓度的预测计算优先使用GBDT模型和SVM模型。根据优化结果,海马优化器能显著提升模型的性能。

冻融循环后混凝土冲击劈拉强度预测模型

胥晔, 陶俊林, 李洪祥

2024, 43(2): 448-455.

摘要 ( 53 )

PDF (8694KB) ( 82 )

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为预测混凝土材料冻融循环后冲击劈拉强度,本文对混凝土标准冻融试件和混凝土劈拉试件进行0、25、50、75、100次的冻融循环试验,通过动弹仪对混凝土标准冻融试件进行动弹性模量测试,采用电液伺服万能试验机和分离式霍普金森压杆系统分别在0.5和0.5×10⁶、1.0×10⁶、2.0×10⁶ kN/s的力加载速率下对劈拉试件进行劈拉试验,分析了冻融损伤以及力加载速率对混凝土冲击劈拉强度的影响。结果表明:随着冻融次数的增加,标准冻融试件的表观状况、质量、相对动弹性模量均不断劣化;当冻融次数一定时,随着力加载速率的提高,混凝土试件的冲击劈拉强度不断提升。在上述试验基础上,建立了冻融循环后混凝土冲击劈拉强度预测模型,该模型可为冻融循环后混凝土冲击劈拉强度的预测提供理论依据。

动载下玄武岩纤维混凝土能量耗散特征与破坏损伤规律

王莉, 姜世超

2024, 43(2): 456-465.

摘要 ( 36 )

PDF (12713KB) ( 54 )

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本文基于分离式霍普金森压杆试验装置,在4种不同的应变率下研究了4种不同玄武岩纤维掺量混凝土的破坏行为和能量耗散特征。结果表明:随应变率的增加,不同玄武岩纤维掺量混凝土的分形维数均线性增加,掺入纤维会降低分形维数增长的速率;混凝土的入射能、反射能、耗散能均呈线性增长趋势,透射能呈轻微下降趋势。随纤维掺量的增加,不同应变率下玄武岩纤维混凝土的分形维数先增大后减小,耗散能密度呈先增大后减小再增大的“S”形趋势。随着分形维数的增长,不同玄武岩纤维掺量混凝土的耗散能密度均呈线性增长。当纤维体积分数为0.1%时,混凝土的性能最优,可承受的损伤最大。

钢纤维喷射砂浆力学性能与流动度多因素正交试验分析

潘慧敏, 张昊, 李梦谊, 谢少康, 赵庆新

2024, 43(2): 466-477.

摘要 ( 39 )

PDF (7980KB) ( 50 )

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为探究基体因素对钢纤维喷射砂浆力学性能和流动度的影响,基于正交试验方法对砂浆试件进行了力学性能和流动度测试。结果表明:砂胶比(A)对劈裂抗拉强度的影响较大,对7 d抗压强度有一定的影响,对后期抗折强度影响特别显著;钢纤维掺量(B)对劈裂抗拉强度、前期抗折强度和前中期抗压强度的影响分别为特别显著、显著和不显著;速凝剂掺量(C)对7 d前抗压强度、中后期劈裂抗拉强度影响显著;粉煤灰掺量(D)仅对后期抗压强度的影响显著;前述四种因素掺量对流动度的影响均不显著。由层次分析法得到对抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和流动度改善效果最佳的配合比分别为A₁B₃C₃D₁、A₃B₃C₁D₂、A₃B₃C₃D₁、A₂B₁C₁D₃,由功效系数法得到综合最佳配合比为A₂B₃C₁D₂。钢纤维在基体中起桥接与锚固加强的作用,速凝剂在水化过程中消耗大量的Ca(OH)₂并生成钙矾石,促使喷射砂浆早期强度迅速提升。

低温环境微生物灌入法修复砂浆效果及性能研究

倪勇军, 李文荣, 宋维昌, 张生华, 李军, 田乾, 关博文

2024, 43(2): 478-486.

摘要 ( 52 )

PDF (32693KB) ( 79 )

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为解决低温环境下常用微生物生长活性降低而导致对混凝土的修复能力减弱的问题,本文采用灌入法研究了嗜温和耐寒细菌及两者组合在室温和低温下对砂浆裂缝的修复效果,并通过对比修复前后砂浆试件的抗折和抗压强度,对不同细菌和矿化液组合的修复效果进行了定量评价。结果表明,细菌对砂浆裂缝的修复效果与其在不同温度下的生长活性相关,与嗜温的巴氏芽孢杆菌fwzy14相比,耐寒短杆菌A779在常温和低温下均具有较强的生长活性,因此在试验温度下表现出更强的修复能力。当以硝酸钙作为钙源时,A779可以通过有氧呼吸和硝酸盐还原两种方式代谢,可以在裂缝深处缺氧区域生长代谢,从而对裂缝进行深度修复。

杨木纤维对砂浆流动度、力学性能和自收缩的影响

祝毫华, 杨黎, 刘剑辉, 史才军

2024, 43(2): 487-494.

摘要 ( 42 )

PDF (5784KB) ( 44 )

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本文采用控制变量法设计试验,探究了杨木纤维尺寸、体积分数对砂浆流动度、力学性能(抗压、抗折强度)及自收缩的影响。研究发现:与杨木纤维尺寸相比,杨木纤维体积分数对砂浆流动度的影响更为显著,当杨木纤维体积分数自1.0%增至3.0%时,砂浆流动度降低49.56%;增加杨木纤维尺寸和体积分数均会降低砂浆的抗折强度,而增加杨木纤维的体积分数有利于提高砂浆的抗压强度;杨木纤维体积分数比其尺寸对砂浆的减缩作用更显著,添加3.0%长度为 0.30~1.25 mm的杨木纤维使砂浆72 h自收缩降低45.6%。

基于响应面法的地热钻采碳纳米管复合水泥基材料的研究

向杰, 王胜, 李玉杰, 王文杰

2024, 43(2): 495-508.

摘要 ( 41 )

PDF (12556KB) ( 50 )

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针对现有导热固井水泥存在的性能不足问题,本文研制了一种新型地热钻采碳纳米管复合水泥基材料(CNTs-CC)。首先,选用石墨、氮化硅作为主要导热填料,硅微粉作为热稳定材料,碳纳米管作为协同增强填料,初步研制出纳米复合水泥材料基础液;其次,基于响应曲面法Box-Behnken试验设计,开展17组配比优化试验,构建了以2 d抗压强度和导热系数为响应指标的二次多项式预测模型,结合方差分析和响应曲面考察了各因素对响应指标的影响,并得到胶凝材料最优配比;最后,对复合水泥基材料的工程性能进行评估,并结合XRD与SEM研究了材料的水化机理。结果表明:复合水泥基材料的导热性能与抗压强度受多因素交互作用影响,其中早强剂与减水剂交互影响显著;CNTs-CC水泥石28 d抗压强度达8.15 MPa,导热系数为2.236 W/(m·K);导热填料不参与水化过程,碳纳米管粉可发挥“填充”及“桥连”效应,外加剂调控水化进程。

BMIMBr水泥基电解质的制备及其在结构超级电容器中的应用

李建栋, 杨震樱, 丁扬飞

2024, 43(2): 509-516.

摘要 ( 44 )

PDF (7384KB) ( 43 )

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为了提高离子电导率和电化学性能,本文选用室温离子液体1-丁基-3-甲基咪唑溴化物(BMIMBr)作为氧化还原活性添加剂,制备了一种具有高离子电导率和良好力学性能的水泥基电解质,该材料可用于制作结构超级电容器。结果表明,含20%(质量分数)BMIMBr的水泥基电解质的离子电导率最高,为35.91 mS·cm^-1。BMIMBr能够提供可产生还原反应的Br^-,同时增加游离态离子的数量,这有利于电解质中的离子传导,并获得更高的比电容。当电流密度为0.05 A·g^-1时,结构超级电容器具有20.07 F·g^-1的高比电容。恒定电流充放电循环1 000次后,电容保持率达到83.6%,库伦效率为97.56%,展现了良好的循环寿命。

固废基水化硅酸钙制备及综合利用研究进展

朱崟源, 朱干宇, 齐放, 李会泉, 陈艳, 李少鹏, 郭彦霞

2024, 43(2): 517-533.

摘要 ( 130 )

PDF (1928KB) ( 161 )

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大宗固废是工业生产过程中产生的各种固体废弃物,大多数固废中含有较多的硅资源和各种有价资源。水化硅酸钙(C-S-H)是一种疏松多孔、表面活性强的材料,被广泛应用于水泥活化、保温材料制备和重金属吸附等方面,将大宗固废有价资源高效提取和硅资源高效利用制备C-S-H相结合,是提高固废资源化和实现C-S-H材料规模化利用的良好途径。因此,本文分析了固废基C-S-H的合成方法及其结构、性能特点,论述了C-S-H材料在建材、环境、化工、生物等领域的应用,并进一步展望了其未来的发展方向,从而为大宗固废的硅资源利用和C-S-H材料的可控制备提供参考。

磷石膏的综合利用及其在建筑材料领域的应用研究进展

周武, 李杨, 冯伟光, 苏轶, 揭伟哲, 张华, 倪红卫

2024, 43(2): 534-542.

摘要 ( 129 )

PDF (7784KB) ( 162 )

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磷石膏是湿法制备磷肥工艺过程中的副产物,主要物相是CaSO₄·2H₂O。我国磷石膏产量居世界第一,综合利用率却不到50%,堆存量已达8亿吨,对生态环境造成了严重破坏,因此,探索磷石膏的有效利用途径已迫在眉睫。本文对磷石膏综合利用主要领域的研究现状进行了分析,其中磷石膏在化工领域的利用率仅有5%,在农业领域的利用率也只有2%,而建筑材料领域是目前磷石膏的主要应用领域。目前将磷石膏应用于水泥缓凝剂、石膏砌块和水泥砂浆已经实现了工业化;将磷石膏应用于胶凝材料和路基材料,由于浸出毒性的问题,并未大规模应用;将磷石膏用作填充剂则因为材料强度较低,仅仅停留于实验室探索阶段。最后展望了未来无害化利用磷石膏技术研究的发展趋势,以期为解决磷石膏的堆存问题提供参考。

静水压下白砂岩的动态力学性能研究

吕绍品, 郑光, 郑宇轩, 聂宏, 周风华

2024, 43(2): 543-554.

摘要 ( 35 )

PDF (11197KB) ( 32 )

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深部岩石在地下高地应力环境的动态力学性能对深部矿山工程的开展有重要影响,因此,其动态力学性能研究具有重要意义。本文以平顶山某煤矿下白砂岩为研究对象,利用三维霍普金森杆装置开展动态力学试验并采用 HJC本构模型的白砂岩进行三维霍普金森杆有限元仿真,研究静水压对白砂岩动态力学性能、能量吸收和损伤的影响。结果表明:白砂岩的峰值应力随着静水压的增加而增加,峰值应变随着静水压的增加而降低;静水压可抑制裂纹的扩展,增强白砂岩的强度;HJC本构模型可以较好地模拟白砂岩的损伤失效。预期结果可为深部岩石动态力学性能的研究提供参考,并为深部岩石工程的实施提供理论基础。

花岗斑岩石粉高韧性水泥基复合材料性能研究

孙彬强, 田茂盛, 谢超, 李彦宵, 安健民

2024, 43(2): 555-563.

摘要 ( 42 )

PDF (7803KB) ( 65 )

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高韧性水泥基复合材料(ECC)具有优异的力学性能和裂缝控制能力,已应用在大尺寸的板梁结构中,但因造价过高限制了其进一步的推广应用。机制砂在生产过程中会产生大量的石粉,如处理不当则会严重污染环境。为达到降低ECC造价及保护环境的双重目标,本文以花岗斑岩石粉代替河砂来配制花岗斑岩石粉高韧性水泥基复合材料(GP-ECC),研究了其各项性能,并建立了GP-ECC自收缩预测模型。研究表明,GP-ECC试件均表现出多缝开裂与应变硬化的特征,其抗压强度和抗折强度均随石粉取代率的增加而先减小后增大,完全取代时性能最优,其28 d拉伸峰值应力达4.4 MPa,极限应变超4.2%,抗压强度均超50 MPa,抗折强度超18 MPa。GP-ECC试件的早期自收缩值随石粉取代率的增加而增加,其中石粉完全取代河砂时的自收缩值为3 133.3 μm/m,较基准试件增加了117.3%,故抑制GP-ECC的自收缩很有必要。同时,本文提出的自收缩预测模型能够有效预测GP-ECC的自收缩变化情况。SEM测试结果表明,PVA纤维在花岗斑岩石粉水泥基体中分散均匀,能协同工作。

循环流化床粉煤灰组成与含量对其水化胶凝性能的影响

燕可洲, 孙向阳, 张鑫泽, 温凯, 郭彦霞, 程芳琴

2024, 43(2): 564-571.

摘要 ( 50 )

PDF (11364KB) ( 43 )

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循环流化床粉煤灰(CFBFA)的组成显著影响其水化胶凝性能,明晰组成和含量对其水化胶凝性能的影响规律有助于进一步阐明CFBFA水化胶凝机制。本文通过力学性能测试、X射线衍射分析、扫描电子显微镜-能谱分析方法,研究了CFBFA的组成与含量对其水化胶凝力学性能、物相组成、微观形貌和元素分布的影响。结果表明:不同组成CFBFA胶砂试块的水化胶凝性能具有差异性,主要与CFBFA中所含铝、硅、钙、硫等含量有关,当铝、硅质量分数超过75%时,CFBFA胶砂试块28 d抗压强度约为38 MPa,铝、硅含量高,有利于胶凝体系形成含水化硅酸钙的致密块体;当钙、硫质量分数超过28%时,CFBFA胶砂试块28 d抗压强度降至14.5 MPa左右,钙、硫含量较高会导致胶凝体系出现不利于强度发展的棒状钙矾石;随着水泥添加质量分数从50%增加到90%,CFBFA胶砂试块28 d抗压强度增加了27.2 MPa, CFBFA胶砂试块的力学性能与水泥添加量呈正相关,这是因为水泥不仅自身可发生水化反应并生成自硬性水化产物,而且能促进CFBFA中铝、硅组分的水化反应。该研究可为CFBFA在建筑材料领域的应用提供参考。

有机醇胺TEA-M-无机盐体系对固硫灰渣活性激发的影响

伍媛婷, 王媛晨, 王昭, 刘虎林, 王巍, 任思谦, 花春峰

2024, 43(2): 572-583.

摘要 ( 42 )

PDF (10116KB) ( 54 )

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固硫灰渣的处理以及环保型激发剂材料的开发是防止环境二次污染的有效途径。本文开发了一种有机醇胺TEA-无机激发剂M-无机盐复合激发剂,通过SEM、FTIR、XRD等测试方法对所制备的复合激发剂进行表征,先后探索了M、TEA-M、TEA-M-无机盐三个系列的激发剂对水泥胶砂流动度比和抗压活性指数的影响。结果表明,TEA的助磨作用改善了颗粒的粒径,无机激发剂M能影响参与水化反应的Ca(OH)₂含量,无机盐CaSiO₃后期会产生C-S-H并提供碱性条件。复合激发剂中的不同材料间的协同作用使水泥胶砂7和28 d的抗压活性指数分别提高了29个和18个百分点(与空白样相比),并且胶砂净浆的流动度比仍然保持在较高水平。本文为固硫灰渣提供了一种环保型的复合激发剂材料,促进了固硫灰渣的绿色化应用。

粉煤灰无溶剂法合成方钠石新方法及效果验证

郭威, 庞来学, 王文超, 张佳丽, 王华, 白书霞

2024, 43(2): 584-592.

摘要 ( 39 )

PDF (6953KB) ( 32 )

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粉煤灰因具有高硅铝含量、低硅铝比的特性常用来合成低硅纯相方钠石。为提高粉煤灰的高值化利用,以粉煤灰为原料,采用无溶剂法合成方钠石,考察灰碱比、晶化时间和晶化温度对方钠石物相组成、微观结构以及结晶度的影响。结果表明,在灰碱比为1∶0.8(质量比)、晶化时间为9 h、晶化温度为160 ℃的工艺下,可合成类型单一、结晶度高的方钠石,灰碱比对相对结晶度的影响显著。合成的方钠石具有微孔和介孔复合孔结构,其N₂吸附-脱附等温线为典型的IV型等温线,具有III型回滞环。方钠石的铝含量高,具有良好的热稳定性。相较于水热法合成方钠石,本实验方法粉煤灰利用率高,为粉煤灰利用提供了新途径。

PVA-铁尾矿砂混凝土抗折性能研究

朱利帅, 谢群, 惠婧, 赵鹏, 李俊锋

2024, 43(2): 593-602.

摘要 ( 38 )

PDF (14090KB) ( 38 )

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为实现固废再生利用,将铁尾矿砂部分替代细骨料并掺入PVA纤维,制备出具有良好和易性的PVA-铁尾矿砂混凝土,通过标准抗折试验研究了不同铁尾矿砂替代率与PVA纤维掺量对混凝土抗折性能的影响。研究表明,PVA纤维掺量为0%和0.1%(质量分数,下同)时试件发生贯通型开裂脆性破坏,而PVA纤维掺量为0.2%和0.3%的试件破坏时裂缝宽度明显减小且未贯通。当铁尾矿砂替代率为30%、PVA纤维掺量为0.3%时,试件跨中挠度和抗折强度均达到最大值,较普通混凝土分别提高了22.04%和6.57%。当铁尾矿砂替代率超过30%时试件抗折强度和跨中挠度会显著下降。与单掺PVA纤维相比,混掺PVA纤维与铁尾矿砂的试件变形能力增强更明显。由XRD谱可知,30%铁尾矿砂替代率下试件中C-S-H凝胶与钙矾石生成量最多,能显著提高材料强度。

三种固废改性生土材料配方设计及力学性能研究

张坤, 付智勇, 张凌寒, 杨文豪, 兰官奇, 朱熹育

2024, 43(2): 603-616.

摘要 ( 45 )

PDF (14689KB) ( 46 )

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为改善生土材料的力学性能,本研究以铁尾矿、煤矸石、电石渣、油泥与水泥等材料作为掺和料对生土进行改性。基于单形格子法设计配方,对3种配方、180个改性生土试件进行抗压强度试验,研究不同因素对试件破坏形态、抗压强度和试验数据离散性的影响;利用频数分析法,研究了固废改性生土材料的最优配方;通过CT扫描,从细观层面分析受荷后材料内部的分形和孔隙。结果表明:改性生土试件抗压破坏形态基本相同,极限位移受掺料影响显著。以煤矸石与电石渣、铁尾矿与水泥、油泥与水泥作为掺和料均可大幅提高改性生土试件的力学性能,掺和料种类、掺量对改性生土试件强度及数据离散性影响显著。经过频数寻优,3种配方的理想强度掺和料配比分别为1)铁尾矿12.1%~19.5%(质量分数,下同)、水泥13.9%~19.1%、生土65.5%~69.9%;2)电石渣6.7%~14.1%、煤矸石8.9%~11.8%、生土76.7%~81.8%;3)油泥11.4%~14.4%、水泥17.4%~19.4%、生土67.1%~70.5%。材料内部的分形和孔隙特征稳定,表现出较小的波动性和良好的密实性。

固废基盾构惰性同步注浆材料力学性能及抗水分散性研究

洪侨亨, 贺雄飞, 张明朗, 唐刚, 黄伟

2024, 43(2): 617-626.

摘要 ( 48 )

PDF (9751KB) ( 37 )

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以典型固废矿渣微粉、粉煤灰、硅灰为原料制备固废基盾构惰性同步注浆材料,采用六因素五水平正交试验,开展了注浆材料力学性能及抗水分散性的试验研究。结果发现:增大碱激发剂模数,减小其掺量,则浆液抗压强度下降;水胶比、膨水比对浆液抗动水冲刷能力的影响较大;碱激发剂掺量和水胶比是影响浆液水陆强度比的主要因素。根据正交试验极差分析和综合性能平衡,确定了注浆材料的优选配合比:水胶比1.00,胶砂比0.45,膨水比0.35,减水剂掺量1.5%(质量分数),碱激发剂模数1.6,碱激发剂掺量20%(质量分数),此时注浆材料28 d抗压强度为13.02 MPa,水陆强度比为80.83%,3 h动水冲刷质量损失率为5.62%;并开展了稠度、凝结时间、泌水率和结石率等性能试验,测试指标均达到了活性浆液的要求。以上研究为工业固废在盾构注浆技术领域的应用提供了一定的研究基础和实验依据。

用于石窟岩体裂隙防渗的偏高岭土复合灌浆材料水化性能研究

陈嘉琦, 王金华, 严绍军, 田野晨曦, 杜之岩, 江姝, 霍晓彤

2024, 43(2): 627-636.

摘要 ( 30 )

PDF (4160KB) ( 31 )

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偏高岭土复合灌浆材料是一种在水泥中大比例掺入偏高岭土的无机灌浆料,被应用于石窟岩体裂隙防渗灌浆工程领域。本文通过水化热、XRD、FTIR、SEM-EDX测试手段研究了二元和三元偏高岭土复合灌浆材料的水化过程及产物特征,并结合力学性能及水溶盐测试分析了该材料应用于石窟裂隙灌浆的可行性。结果表明,大比例掺入偏高岭土的水泥材料反应程度较低,但偏高岭土的稀释效应、火山灰反应以及活性Al的电荷补偿效应对降低水溶液盐碱含量起到积极作用。硅灰的掺入能提升三元复合灌浆材料的水化程度及力学强度,然而水化产物Al/Si的降低不利于K⁺、Na⁺吸附。偏高岭土复合灌浆材料在石窟水害治理中是一种相比普通硅酸盐水泥更加安全的材料,与石窟环境具有更好的兼容性;作为辅助胶凝材料,偏高岭土在减少K⁺、Na⁺浸出方面相比硅灰更有优势。

多孔陶瓷隔热材料的研究进展

王蒙蒙, 隋学叶, 綦开宇, 徐杰, 刘瑞祥, 周长灵, 唐文哲, 段晓峰, 李占峰

2024, 43(2): 637-648.

摘要 ( 131 )

PDF (19196KB) ( 185 )

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多孔陶瓷内部具有大量相通或封闭孔隙,孔径和孔隙的分布及连通性等微观结构特征对材料的物理性能起着重要作用。本文介绍了多孔陶瓷隔热材料的优良特性及广泛的应用前景,并总结了近几年多孔陶瓷隔热材料的制备方法及研究进展,提出了多孔陶瓷材料的发展现状及普遍面临的问题,并指出了解决问题的思路,以期为后续开发更多优异性能的多孔陶瓷隔热材料提供参考。

钛酸钡与铌酸钾钠无铅压电陶瓷研究进展

许明浩, 花开慧, 曾群, 邸博, 郑愚, 汪洪祥, 张国祥

2024, 43(2): 649-658.

摘要 ( 58 )

PDF (4139KB) ( 46 )

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钛酸钡(BaTiO₃)和铌酸钾钠(K_0.5Na_0.5NbO₃)压电陶瓷因具有环境友好、电学性能良好、居里温度较好等优势而成为国际高新技术材料研究的前沿热点,有望替代部分铅基压电陶瓷应用于国防、航空航天、通信等领域的电子器件中。本文综述了BaTiO₃和K_0.5Na_0.5NbO₃压电陶瓷材料的最新研究进展,从构造相界调控压电性能、BaTiO₃基压电陶瓷的材料体系设计、K_0.5Na_0.5NbO₃基压电陶瓷的热稳定性及改善、压电陶瓷的新型成型及烧结工艺等方面进行客观分析和总结,并展望了两种材料的未来发展趋势,为开发高性能无铅压电陶瓷提供参考。

AlN/YAlO₃复合陶瓷的抗热震性能

吕绪明, 张云汉, 石国华, 王嘉炜, 孙晓红

2024, 43(2): 659-665.

摘要 ( 57 )

PDF (9432KB) ( 50 )

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AlN陶瓷硬度高、脆性大,难以烧结致密,作为熔炼容器时会因高温变形或被温度变化引起热冲击破坏。将YAlO₃作为颗粒增强相加入AlN中,通过无压烧结方法制备AlN/YAlO₃复合陶瓷,研究不同温度下AlN/YAlO₃复合陶瓷的抗热震性能,分析热震前后AlN/YAlO₃复合陶瓷的物相结构、断口形貌和表面形貌,并阐明热震损伤机理。结果表明,在AlN陶瓷中加入YAlO₃能够促进AlN陶瓷的烧结,将致密度提升至98.37%,同时细化晶粒,提高AlN/YAlO₃复合陶瓷的抗弯强度和抗热震性能。在温度较高的热震试验中,当热震温度升高至600 ℃后,AlN/YAlO₃复合陶瓷的抗弯强度和残余强度保持率显著高于AlN陶瓷,表明添加YAlO₃能够有效提高AlN陶瓷的抗热震性能,这主要归因于微裂纹增韧及裂纹的偏折、分叉等机制的协同作用减缓了AlN/YAlO₃复合陶瓷抗弯强度的降低速度。此外,当热震温度达到1 000 ℃时,AlN发生氧化生成Al₂O₃,导致AlN/YAlO₃复合陶瓷抗弯强度降低。

熔融石英陶瓷材料介电性能影响因素分析

崔唐茵, 王鹏, 刘瑞祥, 王洪升, 曹俊倡, 陈东杰

2024, 43(2): 666-672.

摘要 ( 44 )

PDF (3505KB) ( 34 )

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采用凝胶注模成型工艺制备熔融石英陶瓷,通过XRD、SEM和电性能网络分析仪对陶瓷样品的晶体结构、微观形貌、介电性能进行分析,研究了熔融石英陶瓷介电性能的影响因素,为筛选制备石英陶瓷材料最优工艺方案提供依据。研究结果表明:材料制备工艺一定时,制备不同厚度的石英陶瓷板,平铺烧结,同一块方板沿垂直方向自上而下,密度逐渐下降,密度与介电常数呈正相关,密度每上升0.01 g/cm³,介电常数对应上升0.01~0.02,密度对损耗角正切数值影响不大;同一块板同样厚度位置,边角与中间位置的密度几乎没有变化;同一块板,同样厚度方向,介电常数变化不大;石英陶瓷板中引入松香导致试样更致密,密度升高,介电常数随之增大;相同密度的试样,采用不同的介电测试方式计算所得的介电常数有约0.03的偏差。

气藏型低密度陶粒支撑剂的制备与性能研究

邢莉, 孙晓思, 白频波, 王凯悦, 田玉明

2024, 43(2): 673-681.

摘要 ( 42 )

PDF (10346KB) ( 49 )

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在开采煤层气、页岩气等气藏资源过程中,陶粒支撑剂的产品性能尤为关键,合成密度小、强度高的支撑剂是实现气藏高产率的重要指标。本文在传统矾土系陶粒支撑剂的基础上,添加煤矸石(RCG)、羧甲基纤维素钠(CMC)和白云石(DOL)进行固相烧结,借助以上造孔剂多温区的热解作用以及高温液相快速填充机制改善支撑剂的基体孔隙分布特征,降低支撑剂的结构密度并提升基体强度。当掺入质量分数为15%RCG+1%CMC+1%DOL添加剂时,支撑剂表现出最佳的综合性能并满足气藏资源开采的参数要求。

无机玻璃结构弛豫及影响因素综述

李靖威, 李敬超, 郑睿鹏, 王晨

2024, 43(2): 682-694.

摘要 ( 84 )

PDF (3424KB) ( 121 )

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本文介绍了玻璃结构弛豫的假想温度与弛豫动力学理论,并阐述了这些理论的建立、发展及研究现状。假想温度理论重点关注玻璃热历史,给出了玻璃结构弛豫进展方向与快慢的热力学判据;弛豫动力学则重点关注玻璃化转变现象,揭示了玻璃结构弛豫的微观机制与演变过程。热历史、玻璃成分、杂质缺陷、温度等是影响无机玻璃结构弛豫的关键因素,也是玻璃生产与应用过程中的重要切入点。目前,玻璃结构弛豫理论发展较为完善,但复杂体系无机玻璃结构弛豫的试验研究依然存在诸多空白,具体微观机制有待进一步完善,并且微晶玻璃和玻璃基复合材料的结构弛豫还未受到广泛关注,此类“瓶颈”问题的突破有望支撑无机玻璃材料在更为严苛的应用环境中长期安全服役。

熔压温度对光纤面板抗弯强度的影响

孙勇, 赵劲凯, 黄永刚, 王威, 王彩丽, 孔壮, 宋普光, 孟凡禹

2024, 43(2): 695-701.

摘要 ( 56 )

PDF (10287KB) ( 76 )

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光纤面板在微光夜视、空间探测、核诊断、医学诊疗等领域有着广泛的应用,在使用过程中对强度有一定要求,目前缺少相关研究,本文研究了熔压温度对光纤面板x、y、z三个方向抗弯强度的影响,采用三点弯曲法测试光纤面板的抗弯强度。结果表明:熔压温度为660 ℃时,二次复丝之间熔合不充分,存在间隙,光纤面板抗弯强度较低,x、y、z方向抗弯强度分别为107、93、114 MPa;熔压温度为670 ℃时,二次复丝之间间隙消除,但依然存在界面,抗弯强度有所提升,x、y、z方向抗弯强度分别为110、109、125 MPa;熔压温度为680 ℃时,二次复丝充分熔合,此时光纤面板抗弯强度在x、z方向满足复合材料混合定律,分别为123、127 MPa,y方向芯玻璃作为增强相对皮玻璃起到增强作用,抗弯强度为113 MPa。本文研究对提高光纤面板强度以满足装管和使用需求具有重要意义。

n(Bi₂O₃)/n(SiO₂)对Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂系光伏玻璃背板油墨微观结构和反射率的影响

汪伟, 赵田贵, 孟子豪, 刘溧, 董伟霞, 徐和良, 包启富

2024, 43(2): 702-709.

摘要 ( 60 )

PDF (12767KB) ( 86 )

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随着光伏发射极和背面钝化电池双面双玻组件产业的兴起,光伏玻璃背板用光伏油墨的需求量逐年递增。光伏油墨制备成涂层后,其致密程度将直接影响自身的反射率,进而对光伏电池的光电转化效率产生影响。本文通过改变n(Bi₂O₃)/n(SiO₂),探究玻璃熔剂析晶和其对Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂系玻璃熔剂所制备光伏油墨的影响。采用DSC和Raman对玻璃熔剂的特征行为进行了表征,采用XRD、SEM、色度仪对不同光伏油墨涂层的微观结构和反射率进行了研究,并提出了光伏油墨涂层的光反射增强机制。研究表明, n(Bi₂O₃)/n(SiO₂)的升高会使[BiO₃]和[BiO₆]基团含量增多,破坏[SiO₄]玻璃网络的能力增强,玻璃熔剂的转变温度和析晶峰温度逐渐降低,玻璃熔剂的析晶能力逐渐增大。在短时间内烤制后的玻璃熔剂涂层中会逐渐析出大量的片状Bi₂SiO₅晶粒,将其制备成光伏油墨涂层后,涂层的反射率会随着n(Bi₂O₃)/n(SiO₂)的升高而逐渐升高。当n(Bi₂O₃)/n(SiO₂)为30∶60时,光伏油墨涂层的反射率在近红外波长范围内可提升到82.66%。这主要是因为油墨涂层中的孔隙和空洞作为异相界面,可促使Bi₂SiO₅晶粒析出并填充在光伏油墨涂层的孔隙和空洞中,使油墨涂层的致密度提高,从而增强光伏油墨涂层对光线的反射能力。

组成对钠铝硅玻璃中钇锆酸盐纳米晶析晶性能的影响

田英良, 韩金龙, 徐博, 温玉琳, 李培浩, 何峰, 赵志永

2024, 43(2): 710-718.

摘要 ( 49 )

PDF (9850KB) ( 76 )

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基于含Y₂O₃和ZrO₂的钠铝硅玻璃体系,研究了玻璃组分中Al₂O₃/Na₂O摩尔比值(M_AN)与SiO₂/Al₂O₃摩尔比值(M_SA)对玻璃析晶性能的影响。研究结果表明,当M_AN <1时,玻璃经热处理后表面析出钠霞石晶体;当M_AN ≥1时,玻璃热处理后析出钇锆酸盐纳米晶体,且此时微晶玻璃仍然具有不小于90%的高可见光透过率。对于固定M_AN的玻璃,调整其M_SA也能实现钇锆酸盐纳米晶的析出,且析出晶体尺寸随M_SA增加而减小。随着热处理温度升高微晶玻璃样品中纳米晶体尺寸增大,维氏硬度也增大。

MgCl₂·6H₂O溶液对方镁石-镁铝尖晶石耐火材料性能的影响

王鑫, 韩兵强, 苗正, 陈俊峰, 鄢文

2024, 43(2): 719-726.

摘要 ( 64 )

PDF (8362KB) ( 75 )

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以电熔镁砂和电熔镁铝尖晶石为原料,以18 °Be'、24 °Be'、30 °Be'三种不同浓度的MgCl₂·6H₂O溶液和酚醛树脂为结合剂,制备方镁石-镁铝尖晶石耐火材料。以酚醛树脂为对照组,通过研究MgCl₂·6H₂O溶液对材料常温抗折强度、常温耐压强度、烧结性能、抗热震性能的影响,探明MgCl₂·6H₂O溶液对材料的作用机理。结果表明,在常温下MgCl₂·6H₂O溶液能与镁砂反应生成氯氧镁水泥(MOC),MOC在微观下表现为交错互锁的晶须结构,使得耐火材料在干燥后具有非常高的机械强度。当热处理温度为1 700 ℃、溶液浓度为24 °Be'时,材料的常温耐压强度达到79.1 MPa,相较于酚醛树脂提高了58.2%;当热处理温度为1 700 ℃、溶液浓度为18 °Be'时,材料的显气孔率达到16.8%,相较于酚醛树脂降低了13.4%。MgCl₂·6H₂O溶液浓度的增加有利于提高材料的断裂韧性。MOC和Mg(OH)₂在烧成过程中会分解产生活性MgO,促进材料的烧结。此外,分解产生的活性MgO呈类球状,它们分散填充在镁砂颗粒内部裂隙处,形成微孔结构,有利于减缓热震时的热应力冲击。

钛网上CdS纳米微球的制备及可见光下产氢性能研究

陈志强, 崔磊, 董晶, 李海霞, 夏炜炜

2024, 43(2): 727-733.

摘要 ( 28 )

PDF (6009KB) ( 33 )

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为了提高催化剂的光催化产氢能力,本文采用简单的水热法,在处理后的钛网表面生长了CdS纳米微球。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等测试手段对样品的成分、结构、形貌进行了表征,并研究了其光电化学性能及可见光下光催化性能。结果表明,钛网上生长的CdS微球由纳米棒组装而成,通过缺陷调控,Cd/S物质的量之比为1∶1(CdS-1)的样品具有良好的光电响应,在零偏压下最大光电流约为140 μA,可见光下的产氢率可达212.6 μmol·h^-1·cm^-2,并且方便回收,是一种理想的光催化产氢材料。

NiMgAl-HTLC的制备及其对水体富营养化的抑制性能研究

周良芹, 王蓉, 范金龙, 王佳妮, 许腾飞, 谭文渊, 付大友

2024, 43(2): 734-745.

摘要 ( 45 )

PDF (7934KB) ( 45 )

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含磷废水的排放会导致水体富营养化,对生态环境安全造成威胁。本文通过正交试验,制备了一种镍镁铝类水滑石(NiMgAl-HTLC),用于吸附去除废水中的磷元素,并采用SEM、EDS、TEM、XPS及BET等手段对材料进行了表征。为揭示NiMgAl-HTLC吸附磷的机理,对吸附过程的热力学、动力学和影响因素进行了研究。采用吸附除磷后的废水培养浮萍,评价了NiMgAl-HTLC对水体富营养化的抑制能力。结果表明:NiMgAl-HTLC的最佳制备条件为n(Ni)∶n(Mg)∶n(Al)=3∶1∶3,尿素溶液用量为20 mL,反应时间为10 h,反应温度为150 ℃。制得的NiMgAl-HTLC纳米片厚度约10 nm,比表面积为84.98 m²·g^-1;NiMgAl-HTLC对磷的最大吸附量为61.162 1 mg·g^-1,吸附过程更符合二级动力学和Langumir热力学模型;在吸附除磷后的废水中,浮萍繁殖速度明显更慢,NiMgAl-HTLC对水体富营养化具有明显的抑制作用。

多碎石聚氨酯混凝土路用性能与力学特性研究

孙敏, 侯德瑞, 耿立涛, 颜卓然, 毕玉峰, 黄照亮, 任帅宇, 王本毅

2024, 43(2): 746-756.

摘要 ( 44 )

PDF (8189KB) ( 36 )

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为探讨骨架密实结构聚氨酯混合料的路用性能与力学特性,采用多碎石沥青混凝土的设计理论进行聚氨酯混凝土的组成设计,开展多种性能试验来评价多碎石聚氨酯混凝土路用性能,基于单轴贯入试验及开发的单轴压缩试验和单轴拉伸试验评价多碎石聚氨酯混凝土的力学特性。结果表明:多碎石聚氨酯混凝土的动稳定度分别是基质沥青混合料和沥青玛蹄脂碎石混合料的53.4倍和17.8倍,低温最大弯拉应变分别为2.26倍和1.95倍,疲劳寿命分别为26.0倍和12.7倍;力学特性方面,温度对多碎石聚氨酯混凝土的单轴贯入强度和贯入量影响较小,多碎石聚氨酯混凝土的抗压和抗拉弹性模量远小于水泥混凝土,但大于沥青玛蹄脂碎石混凝土。多碎石聚氨酯混凝土路用性能优异,温度对多碎石聚氨酯混凝土抗剪力学特性影响较小,多单轴拉伸和压缩力学特性介于沥青混合料和水泥混凝土之间,可应用于路面结构铺装中。

激振搅拌对水泥稳定碎石与煤矸石抗压强度的影响

王稷良, 郭文彬, 宋庆凯, 徐伟东, 刘鹏

2024, 43(2): 757-765.

摘要 ( 36 )

PDF (9498KB) ( 29 )

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为研究激振搅拌工艺对水泥稳定煤矸石混合料性能的影响规律,以水泥稳定碎石为基准,对比分析普通搅拌与激振搅拌对不同水泥剂量的水泥稳定基层材料无侧限抗压强度的影响。结果表明:在干拌状态下增加激振工艺对基层混合料抗压强度的提升效果显著,在激振气压为0.4 MPa、激振干拌30 s后普通湿拌30 s条件下,混合料的7 d无侧限抗压强度达到最佳;激振搅拌对水泥稳定碎石、水泥稳定煤矸石混合料强度的平均提升幅度约为20%,对煤矸石混合料的强度提升更加显著,水泥剂量越少,提升幅度越大。SEM结果表明激振搅拌后混合料中的水化产物分布更加均匀,结构更加致密;经线性拟合计算,当水泥剂量为2.0%～7.0%(质量分数,下同)时,激振搅拌对于碎石混合料可节约8.9%～26.3%的水泥,对于煤矸石混合料可节约12.9%～30.8%水泥,且节约率与水泥剂量成反比。

工业固废磷石膏路面基层材料路用性能研究

宗炜, 王远辉, 许亮, 刘成, 郑武西

2024, 43(2): 766-773.

摘要 ( 58 )

PDF (4972KB) ( 48 )

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为促进磷石膏在公路工程中的规模化利用,本文通过基础力学试验、泡水膨胀试验、收缩试验、冻融循环试验、延迟成型试验以及低温自然养生试验对磷石膏路面基层材料的综合路用性能进行了系统化评估。结果表明:磷石膏路面基层材料的力学性能与普通水泥稳定碎石性能相当;磷石膏路面基层材料的28 d浸水累计膨胀率仅为0.086%,具有良好的浸水稳定性;干缩系数为116.64 με/%,温缩系数为5.15 με/℃,冻融循环抗压强度比为81.13%,抗收缩性能和抗冻性能显著;试件的成型时间延迟和低温养生均对混合料强度产生不利影响,延迟4 h后强度下降了24%,5 ℃养生条件下强度下降了33%。

水泥稳定再生骨料混合料力学性能和抗冻性能研究

单社, 郭海贞, 魏定邦, 刘辉, 阮志琦, 任国斌

2024, 43(2): 774-780.

摘要 ( 53 )

PDF (2625KB) ( 44 )

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为促进再生骨料在半刚性基层中的应用,实现建筑垃圾在公路工程中的资源化利用,本文采用等质量置换法,系统分析了再生骨料掺量(质量分数)为0%、30%、50%、70%、100%时对无机混合料最大干密度、最佳含水率、无侧限抗压强度、抗冻性能的影响,并从微观角度解释了内在影响机理。结果表明:掺入再生骨料降低了无机混合料的最大干密度,增大了最佳含水率;再生骨料可以有效提高无机混合料的无侧限抗压强度和抗冻性能,当再生骨料掺量为70%时提升效果最佳,此时再生骨料无机混合料7、28 d无侧限抗压强度为4.6、6.8 MPa,28、90 d冻融循环后残留抗压强度比可达82.4%、85.5%。

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