肖建庄, 吕振源, 刘浩然

2024, 43(5): 1545-1556.

摘要 ( 91 )

PDF (13130KB) ( 78 )

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近年来,3D打印混凝土因无模板、自动化与智能化等优势,在建筑业智能建造方向受到越来越多的关注,结合工程实践已形成诸多应用示范。工程应用需求也对3D打印混凝土性能提出了更高要求,常常需要选择配筋增强实现安全与可靠性设计。但3D打印混凝土配筋增强技术受制备工艺影响与传统混凝土工程有所差异,应针对打印条件下配筋增强方法进行科学优化与性能调控。因此,本文聚焦配筋工艺、材料与性能、细微观表征及数值分析等方面阐述了3D打印混凝土配筋增强的基础研究进展;聚焦工程应用存在的问题,对配筋增强基础研究面临的挑战与未来发展也进行了简要讨论,力求为配筋3D打印混凝土结构安全应用提供参考。

3D打印混凝土增强技术研究进展

毛宇飞, 郭增辉, 陈晖, 张杰, 罗健林, 刘超, 商怀帅

2024, 43(5): 1557-1568.

摘要 ( 72 )

PDF (8543KB) ( 60 )

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3D打印技术颠覆了传统材料的成型工艺,广泛应用于航空航天、汽车制造、生物医疗、建筑工程等领域。混凝土原材料来源广且成本低,可塑性良好,在基础设施领域应用广泛。在当今信息化和自动化大背景下,3D打印技术与混凝土结合生产的3D打印混凝土(3DPC)不仅能有效节省原料、环保施工,而且能够更加灵活地建造各类智能自动化程度高的装配结构。然而,目前3DPC仍存在抗拉强度低、抗震性差、配筋难、层间黏结强度低等诸多局限性,需要发展各种增强技术来提高性能,所以本文利用钢筋增强、纤维增强和其他方法增强方法分别论述各类补强材料对3DPC性能的影响,并且指出可能存在的问题和未来发展趋势。

3D打印玻璃材料的研究现状及展望

杨辰倩, 刘超, 陈鹏, 刘凯

2024, 43(5): 1569-1587.

摘要 ( 115 )

PDF (45420KB) ( 118 )

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玻璃作为一种非晶态材料,具有高光学透明度、高热稳定性、高化学稳定性、高熔点及低热膨胀系数等特点,广泛用于电子、信息、医疗等领域。随着人们对玻璃材料的结构形状、材料分布及功能属性要求越来越高,传统的玻璃材料成形加工方法(浇筑法、吹制法、浮法等)很难甚至无法满足上述需求。3D打印技术颠覆了传统材料的成形工艺,其基于逐层累加的制造原理,理论上可实现任意复杂构件的数字化成形,具有无需模具、成形效率高等优点,受到玻璃材料成形制造领域学者的广泛关注。本文系统总结了玻璃材料构件的不同3D打印工艺方法、原理及优缺点,介绍了3D打印玻璃材料的应用现状,最后对玻璃材料3D打印技术进行了展望。

氮化硅陶瓷光固化3D打印成形研究进展

周庆旋, 汪洋, 韩卓群, 赵志成, 楚玮, 赵杰, 刘佳, 王营营, 程之强, 李伶, 刘福田

2024, 43(5): 1588-1599.

摘要 ( 174 )

PDF (6847KB) ( 155 )

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与其他增材制造技术相比,光固化3D打印成形技术制备结构复杂、致密度高、表面精度高的陶瓷具有独特的优势,并逐步成为陶瓷增材制造领域的研究热点。然而,氮化硅陶瓷的高折射率和高吸光度等特征导致光固化成形困难,限制了其发展和应用。本文分别从光固化氮化硅陶瓷的浆料流变性能以及固化性能进行分析,总结归纳出氮化硅浆料在流变性能和固化性能方面面临的问题,进一步汇总了提升氮化硅陶瓷浆料光固化性能的研究工作,并对粉体改性、调控树脂组成等几种方法进行分析与探讨。最后,对氮化硅陶瓷光固化3D打印的未来发展趋势和方向进行了详细阐述。

陶瓷3D打印技术研究进展

杨彦安, 李鹤, 穆保霞

2024, 43(5): 1600-1614.

摘要 ( 212 )

PDF (15428KB) ( 200 )

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3D打印技术因具有加工精度高、成本低、操作简易、制造灵动等优点,被广泛应用于航空航天、汽车、医疗、武器等领域。将3D打印技术与陶瓷成型制造相结合,可以解决很多使用传统陶瓷制造技术带来的问题。3D打印技术主要有喷墨打印技术、浆料直写成型技术、光固化成型技术、陶瓷熔融沉积成型技术、激光选区烧结成型技术。本文概述了各3D打印技术的特点及其研究进展,阐述了光固化成型技术中的陶瓷浆料制备、后处理工艺,讨论了有限元数值模拟在3D陶瓷打印技术领域的应用,分析了氧化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、陶瓷前驱体、磷酸三钙陶瓷的特性及其应用现状,最后总结了陶瓷3D打印技术目前存在的问题以及未来发展的潜力。

3D打印用砂浆的可打印性能研究

李飞, 卢亚, 李威翰, 徐小明, 周华杰, 张政, 周理安

2024, 43(5): 1615-1622.

摘要 ( 87 )

PDF (6096KB) ( 87 )

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现有研究和相关技术标准多采用观测法检验3D打印材料的打印性能,缺少对可挤出性和可建造性的量化评价指标。本文基于流动度等常规工作性能指标对可打印性能的影响,提出挤出均匀性、累计形变率两个量化指标,用于评价3D打印材料的可打印性能,并在本试验条件下建立常规工作性能指标与打印质量的联系。结果表明:3D打印砂浆的挤出均匀性随流动度的增加先提高后降低,随动态屈服应力的增加而降低;累计形变率随高度保留率的增加而降低,随静态屈服应力的增加而降低。本试验参数条件下,当挤出均匀性小于3.5%、累计变形率不大于6%、动态屈服应力为200~800 Pa、静态屈服应力为1 800~3 300 Pa时,砂浆打印层数较高(不小于30层),可打印性能较好。

3D打印煤矸石砂浆流变性能、打印性能与力学性能研究

彭少斌, 管学茂

2024, 43(5): 1623-1632.

摘要 ( 70 )

PDF (11747KB) ( 48 )

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为了拓展煤矸石的应用范围,利用煤矸石骨料部分或完全取代(质量分数为0%、50%和100%)3D打印砂浆中的天然砂,对比研究了煤矸石骨料的加入对3D打印砂浆流变模型、流变性能、可打印性能和力学性能的影响。结果表明,煤矸石的加入会降低3D打印砂浆的力学性能,但是在煤矸石掺量为100%时28 d的抗压强度仍可超过30 MPa,满足力学性能的要求。掺入煤矸石骨料后的3D打印砂浆的流变性能符合修正的Bingham模型,静态屈服应力、动态屈服应力均随煤矸石掺量的增加而增大。在掺量为100%时,经时静态屈服应力增速快,经时流动度和经时动态屈服应力增速慢,这表明煤矸石的引入明显提高了3D打印砂浆的可打印性。

植筋与3D打印砂浆粘结性能试验研究

周荀, 柳根金, 王银辉, 李贺东, 耿健, 谢伟鸿, 倪坤

2024, 43(5): 1633-1641.

摘要 ( 49 )

PDF (11761KB) ( 35 )

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为探索植筋技术在3D打印水泥基材料中应用的可行性,本文通过拉拔试验,系统研究了钢筋植入方式(预埋、植入)、成型方式(浇筑、打印)、打印条与钢筋夹角(0°、90°)、粘结长度(5Ø、7Ø、10Ø,Ø代表钢筋直径)对植筋与3D打印砂浆粘结性能的影响规律,对不同试件的极限荷载、钢筋与砂浆基体的相对滑移、破坏形态进行了对比分析。结果显示,打印条与钢筋垂直时,采用植筋方式,粘结效果最佳, 垂直打印植筋试件极限荷载相较于预埋筋试件提升了58.30%。植筋方式下,极限荷载对应的滑移值增大;且随着粘结长度增加,极限荷载有所提升,但粘结长度超过7Ø后,极限荷载提升不明显,破坏模式由劈裂破坏转变为钢筋拉断。研究表明采用植筋加固可以显著提高3D打印砂浆与钢筋之间的粘结性能,提升试件的变形能力。

不同无机增稠剂对3D打印水泥基材料性能的影响

马逍遥, 蹇守卫, 李宝栋, 黄健翔, 高欣, 薛文浩, 汪才峰

2024, 43(5): 1642-1650.

摘要 ( 54 )

PDF (13561KB) ( 97 )

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3D打印水泥基材料的工作性能是影响其最终状态的决定性因素,现有技术多采用有机增稠剂调节其工作性能,但存在强度下降、成本较高等问题。本文选用凹凸棒土、硅藻土和钠基膨润土三种无机增稠剂,研究了在不同增稠剂掺量下3D打印水泥基材料的工作性能和力学性能。结果表明,3D打印水泥基材料的工作性能会随着无机增稠剂掺量的增加而改善,凹凸棒土和硅藻土最佳掺量为2.5%(质量分数),钠基膨润土最佳掺量为1.0%(质量分数),其中钠基膨润土的改善效果最好。不同无机增稠剂对3D打印水泥基材料的力学性能会产生不同的影响,高掺量(2.5%)的凹凸棒土对3D打印水泥基材料的强度无不利影响,硅藻土能增强3D打印水泥基材料的后期强度,少量钠基膨润土就能显著提高3D打印水泥基材料的整体强度。掺1.0%钠基膨润土的3D打印水泥基材料具有最优的综合性能。

偏高岭土与石灰石粉增强3D打印水泥基材料的各向异性研究

张钊睿, 罗素蓉, 林欣

2024, 43(5): 1651-1662.

摘要 ( 57 )

PDF (12224KB) ( 62 )

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3D打印水泥基材料堆叠成型的工艺导致其条间接触面性能下降,偏高岭土的加入能够使材料孔隙率降低,力学性能提高,但偏高岭土的高需水性会造成打印条带表面水分损失,层间黏结性能下降,而石灰石粉的稀释效应可以改善这一点。本文研究了复掺偏高岭土与石灰石粉对3D打印水泥基材料各向异性的影响,并通过微观角度解释这两种材料影响力学性能的机理。结果表明,偏高岭土最佳质量掺量为12%,最佳复掺质量比例m(偏高岭土)∶m(石灰石粉)为2∶1,3D打印水泥基材料掺入偏高岭土后流动度显著下降,复掺石灰石粉后流动度提高。3D打印试块各方向抗压强度的大小为X>Z>Y>筑模,不同方向抗折强度变化规律与抗压强度基本相同,具有各向异性特征。

偏高岭土改性轻烧氧化镁基磷酸镁水泥的3D打印性能

李楠, 钟建军, 邓永杰, 梁云, 万德田, 李维红, 李栋伟

2024, 43(5): 1663-1672.

摘要 ( 43 )

PDF (14090KB) ( 28 )

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本文采用自主研发的混搅挤功能一体化建筑3D打印设备,实现了轻烧氧化镁基磷酸镁水泥材料的3D打印,探究了不同掺量偏高岭土(MK)对3D打印轻烧氧化镁基磷酸镁水泥性能的影响规律,并结合XRD与SEM试验进一步分析MK掺量对3D打印轻烧氧化镁基磷酸镁水泥水化产物及晶体形貌的影响。结果表明:3D打印轻烧氧化镁基磷酸镁水泥的凝结时间与力学性能均随着MK掺量的增加呈先上升后下降的趋势;当MK取代氧化镁与磷酸二氢钾质量的4%~6%时,MK的加入有效改善了轻烧氧化镁基磷酸镁水泥浆体的打印性能,此时的轻烧氧化镁基磷酸镁水泥具有良好的挤出性能、建造性能与力学性能,能够满足3D打印应用要求;MK的加入不会改变轻烧氧化镁基磷酸镁水泥水化产物晶体的组成,但会产生大量无定形的非晶体水化产物,进一步填充水化产物与颗粒间的空隙,改善结构密实程度。

粉煤灰对粉末3D打印磷酸镁水泥基材料耐水性能的影响

刘晓江, 李之建

2024, 43(5): 1673-1682.

摘要 ( 68 )

PDF (15632KB) ( 82 )

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磷酸镁水泥基材料具有快硬早强的特点,适用于水泥基粉末3D打印技术。为解决粉末3D打印磷酸镁水泥耐水性能差的问题,本文开展了粉末3D打印磷酸镁水泥基材料耐水性能优化研究,研究了镁磷比对材料耐水性能的影响,优选了镁磷比(摩尔比,下同),探究了粉煤灰掺入对粉末3D打印磷酸镁水泥基材料打印性能和耐水性能的影响规律,并结合微观表征手段揭示了粉煤灰对材料耐水性能改善机理。结果表明:粉末3D打印磷酸镁水泥基材料在水养护条件下的抗压强度降低;随着镁磷比的增加,材料耐水性能相应提高;添加粉煤灰可有效提高粉床密度和打印精度,增加材料的水化产物生成量,使微观结构更加致密,提高其耐水性能;材料浸水28 d后掺入20%(质量分数)粉煤灰可使材料的抗压强度最大提高89.00%,这为改善粉末3D打印磷酸镁水泥基材料的耐水性能及拓展水泥基粉末3D打印技术的应用提供了有力支撑。

凹凸棒土对3D打印水泥基材料工作性能及抗压强度的影响

吴春群, 韩康, 栗登辉, 杨华山

2024, 43(5): 1683-1693.

摘要 ( 53 )

PDF (7850KB) ( 41 )

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高掺量粉煤灰应用于3D打印混凝土中存在建造性和抗压强度等性能降低的问题,为了改善这一问题,本文将凹凸棒土(ATP)作为掺合料,研究了凹凸棒土掺量(0%、1%、2%和3%,质量分数)对高掺量粉煤灰3D打印水泥基材料工作性能及抗压强度的影响。结果表明,ATP吸附了浆体中大量水分,且填充了较大水泥颗粒的空隙,使浆体流动度降低,强度和屈服应力增大。当ATP掺量为1%~3%时,样品的挤出性和建造性良好。随着ATP掺量增加,养护7和70 d的打印试块在X、Y和Z三个方向的抗压强度均高于对照组。养护7 d时,ATP掺量为3%的试块在Z方向抗压强度最大,为14.0 MPa;养护至70 d时,ATP掺量为2%的试块在Y方向的抗压强度最大,达到了24.1 MPa。

多筋增强3D打印混凝土力学性能研究

罗澍, 李之建, 王里

2024, 43(5): 1694-1703.

摘要 ( 50 )

PDF (12148KB) ( 49 )

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连续微筋同步增强方法满足混凝土3D打印技术灵活性的要求,可有效提高3D打印混凝土结构的强度和延性。为进一步提高3D打印混凝土结构的承载能力,提出3D打印混凝土多筋同步增强方法。优化多筋同步置入工艺,开展微筋拉拔试验,研究多筋与基体间粘结特性。研究配筋率对抗弯性能的影响,并建立多筋增强3D打印混凝土梁在弯曲作用下的截面承载力计算公式。结果表明,微筋的拔出损伤基体材料,进而降低剩余微筋与基体间粘结强度,且下降幅度随微筋间距减小而增大,微筋间距减小到4 mm时,下降幅度最大达到43.7%。配筋率从0.17%提升到0.75%时,弯曲荷载下,试件极限承载力提升220.0%。建立的计算公式对预测多筋增强3D打印混凝土梁在弯曲作用下的截面承载力具有良好的准确度。

3D打印混凝土抗碳化性能各向异性及成因分析

王海龙, 侯建华, 孙晓燕, 蔺喜强, 路兰

2024, 43(5): 1704-1712.

摘要 ( 69 )

PDF (7858KB) ( 43 )

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受挤出式工艺的影响,3D打印混凝土中存在较多的界面,影响着打印混凝土的耐久性能。为了探明3D打印成型混凝土抗碳化性能的各向异性变化规律,通过碳化试验研究了三种水胶比3D打印混凝土沿X、Y、Z三个方向的碳化行为。基于压汞试验和X-CT扫描获取了3D打印混凝土的孔隙特征和分布规律,从微观层面阐释3D打印混凝土抗碳化性能的变化机理。结果表明:孔隙与3D打印混凝土的碳化行为有着密切联系,层条间界面因条带堆叠产生了更多孔隙,因而CO₂在界面位置扩散速度更快,碳化深度更大;受界面的影响,打印混凝土的抗碳化性能具有明显的各向异性;基体部位材料的抗碳化性能优于层间界面,层间界面的抗碳化性能优于条间界面;水灰比越低,材料抗碳化性能越好;当CO₂在混凝土中扩散时,受层条间大孔隙的影响,打印成型混凝土中形成了未碳化岛。

3D打印混凝土界面力学行为及其对材料弹性常数影响的数值分析

陈朝晖, 格茸汪堆, 王鹏飞, 张小月, 张志刚, 廖旻懋

2024, 43(5): 1713-1722.

摘要 ( 65 )

PDF (11072KB) ( 49 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

应用复合材料细观力学分析理论,提出了基于界面模型的3D打印混凝土(3DPC)各向异性数值模拟方法,定量揭示了层、条界面力学行为及其对3DPC各向异性弹性常数的影响规律。采用界面单元和连续体单元相结合,模拟界面滑移开裂行为与基体的力学性能,设计单轴压缩、劈拉、十字交叉拉伸和斜剪试验确定模型所需参数及相应取值范围。结果表明:界面拉伸和剪切张力-位移曲线均呈双线性特征,条间界面强度总体高于层间;界面剪切行为在两个剪切主方向上无显著差异;条间和层间弹性模量对整体弹性模量具有线性影响,对整体泊松比具有指数函数影响,条间和层间界面剪切模量对整体剪切模量具有综合影响。

基于深度学习的3D打印混凝土蒸汽养护力学性能研究和抗压强度预测

孙浚博, 王雨飞, 赵宏宇, 王翔宇

2024, 43(5): 1723-1738.

摘要 ( 72 )

PDF (18809KB) ( 46 )

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3D打印混凝土(3DCP)技术近年来获得广泛关注,然而,关于养护条件如何影响3DCP的力学性能的研究仍然较少。本研究主要探讨不同蒸汽养护条件(升温速率、恒温时间和恒温温度)对3D打印混凝土材料的力学性能影响规律。为了获得最佳蒸汽养护条件,通过正交试验研究了不同蒸汽养护条件下打印胶凝材料的力学各向异性。此外,基于室内试验数据,建立了条件表格生成对抗网络(CTGAN)用于扩充数据集,由291条数据扩充为1 000条数据,建立了一维残差卷积神经网络(1D-Residual CNN)用于预测3DCP的抗压强度,并建立了5个机器学习(ML)模型用于对比,试验结果表明,CTGAN的数据增强技术可以有效提升1D-Residual CNN模型在3DCP抗压强度上的预测精度,R²最高为0.92。

中小跨径混凝土3D打印箱型拱桥数字化设计建造

柏松林, 高诣民, 赵梓乔, 张宁, 李刚, 刘世龙, 杨敏

2024, 43(5): 1739-1747.

摘要 ( 44 )

PDF (19179KB) ( 35 )

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本文对西安市考古公园混凝土3D打印景观拱桥的结构组成及建造方式进行介绍,详细阐述拱桥核心设计元素。拱桥设计基于混凝土3D打印路径规划重构、简化古代青铜器饰纹“雷云纹”,并将其作为拱桥的外观的主元素。结合混凝土3D打印系统的打印能力及拱桥结构特点对拱桥进行优化分块,根据结构设计需求配制打印材料,完成拱桥上部结构设计建造。基于ANSYS软件对该拱桥进行数值模拟,分析其结构强度及动力特性,计算结果表明拱桥各项性能参数符合设计要求。最后结合拱桥打印构件组装和整体安装的特点,对混凝土3D打印箱型拱桥的施工工艺进行阐述。

凹凸棒土对石膏3D打印材料基本性能和可打印性能的影响

汪才峰, 蹇守卫, 李宝栋, 黄健翔, 高欣, 马逍遥, 薛文浩

2024, 43(5): 1748-1755.

摘要 ( 49 )

PDF (10775KB) ( 54 )

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增稠剂是3D打印材料的关键组分,但常用的增稠剂以有机物为主,会降低石膏的力学性能。为此,本文选取了凹凸棒土与羟丙基甲基纤维素醚作对比,测试了凹凸棒土对石膏3D打印材料工作性能、力学性能以及实际打印性能的影响。结果表明:与羟丙基甲基纤维素醚相似,凹凸棒土降低了石膏3D打印材料的流动度,增加了动态屈服应力;随凹凸棒土掺量增加,材料抗折抗压强度先降低后增加,而羟丙基甲基纤维素醚组抗折、抗压强度则呈下降趋势;在实际打印中,凹凸棒土组体积稳定性和开放时间结果与羟丙基甲基纤维素醚组相似,实际打印强度高于羟丙基甲基纤维素醚组23%以上。羟丙基甲基纤维素醚通过吸水溶胀、分子缠绕来提高浆体的黏度,而凹凸棒土具有丰富的孔结构,在浆体中以氢键和范德瓦耳斯力吸附水分子和增稠石膏颗粒。

3D打印柔性SiO₂气凝胶复合材料的研究

陈浩, 储成义, 王雨婷, 鲍希希, 邱琢皓, 程昱川, 郭建军, 单兴刚, 孙爱华

2024, 43(5): 1756-1763.

摘要 ( 48 )

PDF (13066KB) ( 52 )

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SiO₂气凝胶因特殊网络结构而存在优异的性质,如高比表面积、高孔隙率、低热导率和低密度,是优异的保温绝热材料。但SiO₂气凝胶机械性能脆弱,导致传统制造方法难以制备复杂和微小型构件,极大地阻碍了SiO₂气凝胶在隔热领域的发展和应用。本文通过3D打印直写技术制备了柔性SiO₂气凝胶复合材料,通过研究不同聚乙烯醇(PVA)溶液和十八酸钠(C₁₇H₃₅COONa)的含量,找到最佳浆料配比,打印的柔性SiO₂气凝胶复合材料在100 ℃下的热导率低至0.026 W/(m·K),同时具有较好的压缩性能、弯曲性能和疏水性。这项研究为SiO₂气凝胶的规模化应用提供一种可能。

光固化3D打印制备高性能BaTiO₃压电陶瓷

毕鲁南, 李伶, 宋涛, 王营营, 吕佳琪, 路翔, 韩卓群, 汪洋

2024, 43(5): 1764-1771.

摘要 ( 60 )

PDF (12842KB) ( 56 )

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光固化3D打印技术在制备异形压电陶瓷方面具有广阔的应用前景。本文采用数字光处理技术制备了钛酸钡(BaTiO₃)压电陶瓷,研究了坯体形貌、烧结温度对钛酸钡微观结构的影响。结果表明,曲拉通X-100的引入使陶瓷料浆的黏度小于3 Pa·s,同时陶瓷粉体的引入未改变树脂的性质。陶瓷坯体层间结合良好,且无明显缺陷。烧成后的BaTiO₃陶瓷内部含有四方与正交两种晶相,剩余极化强度为27.6 μC/cm²,矫顽场为4.6 kV/cm,相对介电常数为2 512,介电损耗为0.009 1,居里温度为167 ℃,介电常数为182 pC/N。

增材制造钛酸钡压电陶瓷的高温烧结与极化工艺研究

刘凯, 鲁超, 贺俊超, 李天杨, 沈春华, 闫春泽, 史玉升, 孙华君

2024, 43(5): 1772-1783.

摘要 ( 106 )

PDF (17177KB) ( 60 )

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为提高增材制造BaTiO₃压电陶瓷的综合性能,本文研究了BaTiO₃压电陶瓷的浆料剪切变稀特性及数字光处理(DLP)成型特性,揭示了DLP成型BaTiO₃压电陶瓷坯体在不同烧结温度条件下的致密化机制,探索了极化方向对DLP成型BaTiO₃陶瓷压电性能的影响规律。结果表明,调节高温烧结与极化工艺,可以在一定程度上改善DLP增材制造BaTiO₃压电陶瓷的电学性能。当烧结温度为1 420 ℃、保温时间为2 h时,压电系数d₃₃最大,为163.4 pC/N,样品层间结合紧密,晶粒尺寸均匀。当Z轴与极化方向夹角由0°变为90°时,相对介电常数ε_r和d₃₃分别提高了29.37%和27.01%。当固含量为80%(质量分数)、烧结温度为1 420 ℃、Z轴与极化方向夹角为90°时,样品d₃₃最大,达到182.4 pC/N。

SLA打印制备融合TPMS氧化铝陶瓷支架结构优化设计研究

薛伟, 董天源, 黄晨, 侯智善, 曹宇, 魏鑫磊

2024, 43(5): 1784-1795.

摘要 ( 49 )

PDF (22490KB) ( 50 )

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三周期最小表面(TPMS)结构具有优异的力学性能与生物医学性能,设计制造合适的TPMS骨支架结构能为骨修复、骨替代、骨愈合的临床治疗提供可能。本文基于人体骨组织结构参数分别设计了以P、G、D三种类型为主的TPMS支架及其不同融合系数K值影响下的融合TPMS支架,采用紫外立体光刻技术(SLA)打印制备了陶瓷生坯,通过脱脂与烧结后处理获得了成型氧化铝陶瓷支架,并对支架模型与成型陶瓷试样分别进行了有限元仿真与实验测试。结果表明:1)陶瓷支架具有相对光滑的表面与较高的成型精度,其整体形态与设计模型基本一致,侧面比顶面稍显粗糙。2)与单类型结构相比,融合TPMS结构支架表现出较好的抗压强度与应力分布。其中,当融合系数K=4时,P与G结构融合支架支架的力学性能最优,抗压强度为71.72 MPa,最大应力与平均应力分别为141.90和13.214 MPa;3)融合结构的渗透性均弱于单类型结构,且不同融合系数K值的结构支架渗透性也不同,结合数值模拟与实验数据,当融合系数K=1、2时,P与G结构、P与D结构融合支架渗透性表现较好。综上,当融合系数K=1时,P与G结构融合支架同时具备较优的力学性能和渗透性,适合作为人体骨支架结构类型。

纳米碳材料在水泥基材料中分散技术及表征方法的研究进展

李雨洋, 赵立革, 刘爽, 韩康, 刘艳军, 李润丰, 郑永超

2024, 43(5): 1796-1811.

摘要 ( 71 )

PDF (22126KB) ( 91 )

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纳米碳材料具有独特的结构和优异的性能,能够作为增强材料改善水泥基材料的性能,受到了广泛研究与关注,然而这均以纳米碳材料在水泥中能够良好分散为基础。纳米碳材料比表面积大,分子间作用力强,难以直接分散在水泥基体中,且分散效果也不易判断。本文系统梳理了常见的纳米碳材料在水泥基材料中团聚的机理,总结了近年来国内外学者采用的分散技术,详细分析了各种分散方法的机理与优缺点,同时列举了纳米碳材料在水泥基材料中分散效果的表征方法。在未来的研究中,可以重点开发更高效、更适合工业化生产的分散方法,研究纳米碳材料在水泥基体中真实分散状态的评价手段,助力纳米碳改性水泥基复合材料在实际工程项目中的规模化应用。

再生微粉多元复合胶凝体系的性能研究

裴军军, 苑博文, 高敏, 郭启龙, 林政红, 黑亚萌

2024, 43(5): 1812-1821.

摘要 ( 48 )

PDF (11860KB) ( 39 )

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再生微粉复合胶凝体系对再生微粉的应用具有积极作用。本文采用再生微粉-水泥-粉煤灰构建二元/三元复合胶凝体系,研究了再生微粉的掺量对胶砂试块物理、力学性能的影响,并通过XRD和SEM探究了胶砂试块的水化产物和显微结构。结果表明:随着再生微粉掺量的增加,胶砂试块3、7、28 d的抗压强度逐渐下降,需水量增加,流动度下降,干缩值先减小后增大;掺有再生微粉和粉煤灰的复合胶凝体系胶砂试块的干燥收缩在7~14 d发展较快。随着再生微粉和粉煤灰掺量的增加,水化硅酸钙生成量逐渐减少,胶砂试块内部孔隙、裂隙明显增多。再生微粉和粉煤灰对水泥的总取代率最大为40%(质量分数)。

两类三元胶凝体系的构建及配比优化

荆彪, 张凯峰, 桑国臣, 童小根, 朱王科

2024, 43(5): 1822-1831.

摘要 ( 44 )

PDF (15551KB) ( 37 )

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为了保证混凝土材料性能,同时实现低碳、绿色化发展,本文以矿渣粉(GS)、粉煤灰(FA)和石灰石粉(LS)等辅助胶凝材料(SCMs)替代55%(质量分数)水泥(C)制备了两种三元胶凝体系,即粉煤灰-矿渣粉-水泥体系(FGC)和石灰石粉-矿渣粉-水泥体系(LGC),研究了体系中FA-GS、LS-GS比例变化对三元胶凝材料粉料堆积密实度、工作性和强度的影响,并结合微观结构分析确定了三元胶凝体系的最佳配比。结果表明,随着两种三元胶凝体系中GS占比的增大,试样密实度和流动性略微减小,试样抗压、抗折强度以及环境效益逐渐增大。在FA-GS和LS-GS质量比均为3∶8时,两种胶凝体系制备的胶砂试样中后期强度均能接近甚至超过纯水泥试样。

不同母土对水泥土微观结构及强度的影响

熊家归, 李焱, 胡松涛, 廖铖, 周闽, 王锦辉, 罗绍杨

2024, 43(5): 1832-1839.

摘要 ( 39 )

PDF (7009KB) ( 25 )

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为探究多元变量组合差异下水泥土强度的变化规律,以江西省内常见的黏性土、砂性土和砂砾土为研究对象,在不同配合比方案下开展无侧限抗压强度试验,并通过SEM测试分析水泥土微观结构。试验结果表明,在母土为最优含水状态下的三种水泥土中,水泥掺入比为21%(质量分数,下同)、水灰比为0.5、土质含砂砾率为100%的水泥土抗压强度最高,其C-S-H凝胶含量较多,孔隙数量较少,砂砾基质的粒状骨架较多。

轻质漂珠对HPMC/水泥基复合多孔保温材料性能的影响

王建龙, 马兵, 安巧霞, 杜轶赟, 肖涛, 陈琨

2024, 43(5): 1840-1849.

摘要 ( 41 )

PDF (11696KB) ( 36 )

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为获得性能良好的羟丙基甲基纤维素(HPMC)/水泥基复合多孔保温材料,研究了不同掺量漂珠(FACs)对HPMC/水泥基复合多孔保温材料力学性能、导热系数、干密度、吸水性的影响,同时运用SEM、XRD等方法以及图像分析软件对复合材料气孔孔结构特征进行表征。研究表明,随着FACs掺量增加,导热系数呈先降低后增加的趋势,抗压强度先增大后降低。当FACs掺量为9.0%(质量分数)时,复合材料的导热系数最小,为0.094 W/(m·K),28 d抗压强度为1.58 MPa,干密度为418.9 kg/m³;当FACs掺量为18.0%时,复合材料的抗压强度最优,28 d抗压强度为2.15 MPa,导热系数为0.101 W/(m·K),干密度为431.0 kg/m³;随着FACs掺量增大,复合材料小于300 μm的气孔比例逐渐增大,平均孔径呈降低趋势。

基于格构模型理论的单纤维拉拔试验建模及仿真

赵翔鹏, 李辉, 杨青原, 刘元珍, 葛智, 姜能栋, 张洪智

2024, 43(5): 1850-1858.

摘要 ( 37 )

PDF (7598KB) ( 37 )

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水泥基材料的单纤维拉拔试验对测试仪器要求较高,试验操作难度大,很多实验室不具备测试能力。针对该问题,采用格构模型理论建立模型,基于分段步进式方法,对单纤维拔出过程进行数值仿真,得到纤维拉拔荷载-位移响应曲线。通过文献中的试验数据对模型进行验证,发现该模拟方法可以模拟单纤维拉拔过程及荷载-位移曲线。进一步,通过模型研究纤维方向、弹性模量和水泥-纤维界面黏结强度对于拉拔荷载-位移响应曲线的影响。模拟结果可用于研究不同边界条件下各种因素对试验结果的影响,计算工程水泥基复合材料单裂缝桥接关系,为高韧性工程水泥基材料设计提供参考。

盐侵冻融循环下聚乙烯醇纤维混凝土孔结构分形特征

吴浩, 薛维培, 王中建

2024, 43(5): 1859-1866.

摘要 ( 44 )

PDF (3034KB) ( 38 )

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为研究聚乙烯醇(PVA)纤维对混凝土孔结构的影响及其与抗冻性能的联系,本文通过核磁共振技术对冻融循环作用下PVA纤维混凝土的微观孔结构进行了测试,分析了核磁共振T₂谱和孔隙分布变化规律,并基于分形理论探究了其孔隙分形特征,揭示了冻融循环作用下PVA纤维混凝土孔结构与分形维数之间的关系。结果表明,PVA纤维混凝土在冻融循环前期表现出较好的抗冻性能;中孔(100 nm＜r≤1 000 nm)和大孔(r＞1 000 nm)的数量及占比增加,削弱了PVA纤维混凝土的抗冻性能;PVA纤维混凝土具有一定的分形特征,分形维数D_max在5次冻融循环前增大,而后随着冻融循环次数增加不断减小。

钢-聚丙烯腈纤维掺量对自密实混凝土流动性与力学性能的影响

霍锐, 马芹永, 张鸿朋, 李标

2024, 43(5): 1867-1877.

摘要 ( 52 )

PDF (10606KB) ( 60 )

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为分析混杂纤维对自密实混凝土(SCC)工作性能和力学性能的影响,对不同养护龄期(7和28 d)、不同钢纤维(SF)掺量(0%、0.4%、0.8%和1.2%,体积分数)和聚丙烯腈纤维(PAN)掺量(0%、0.04%、0.08%和0.12%,体积分数)的SCC进行坍落扩展度、J环坍落扩展度、V型漏斗通过时间、立方体抗压强度试验,并通过扫描电子显微镜(SEM)对SCC的微观形貌进行分析。结果表明:随着纤维掺量增加,SCC的流动性和间隙通过性降低,抗离析性提升;单掺SF对SCC 7 d抗压强度的提高作用较单掺PAN显著;复掺纤维较单掺纤维对早期SCC抗压强度的提高作用更明显,且复掺纤维还能有效提升SCC的韧性与延性。

基于响应面法的机制砂路面混凝土配合比优化及其性能研究

王慧斌, 崔通, 陈捷, 汪伟, 谭康豪, 杨东来, 张同生

2024, 43(5): 1878-1888.

摘要 ( 60 )

PDF (14999KB) ( 41 )

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为实现多目标性能机制砂混凝土配合比设计,本文采用Box-Behnken响应面法进行试验设计,探究了石粉掺量、浆体体积分数及水胶比对机制砂路面混凝土性能(坍落度、28 d抗压强度和磨损量)的影响,并结合SEM和XRD对硬化浆体的微观结构进行了分析。结果表明,通过响应面法建立的回归模型能够精确预测各因素与性能之间的关系,精度达95%以上。在各因素中,水胶比对坍落度和抗压强度的影响最显著,而对磨损量的影响较小。经优化,得到最佳的机制砂路面混凝土配合比:水胶比0.36,浆体体积分数25%,石粉掺量10%(质量分数)。此外,掺量不超过10%的石粉改善了界面过渡区,有助于提升混凝土的力学性能。

CO₂矿化改性高钙粉煤灰对水泥砂浆力学性能和微结构的影响

黄煌煌, 陈铁锋, 高小建

2024, 43(5): 1889-1896.

摘要 ( 58 )

PDF (6760KB) ( 41 )

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为改善高钙粉煤灰在混凝土中的体积安定性和水化活性,本文对高钙粉煤灰进行了CO₂矿化改性,研究了不同CO₂矿化反应时长下高钙粉煤灰的固碳量和游离氧化钙含量,及CO₂矿化改性高钙粉煤灰对水泥砂浆水化热、力学性能和孔隙结构的影响。结果表明,经12 h CO₂矿化改性处理,高钙粉煤灰固碳量可超过10%(质量分数),高钙粉煤灰中的游离氧化钙含量明显降低。随着矿化反应时间的延长,掺高钙粉煤灰的水泥浆体水化诱导期缩短,早期水化放热量明显降低。CO₂矿化改性处理还能减轻高钙粉煤灰对水泥砂浆强度的负面影响,改善水泥砂浆孔隙结构,降低孔隙率和大孔含量,促进水泥的早期水化和水化硅酸钙的成核结晶。

粉煤灰陶粒轻质混凝土声屏障性能试验研究

庚利民, 杜红秀, 聂小青, 周星宇, 闫常昊, 雷一彬

2024, 43(5): 1897-1905.

摘要 ( 41 )

PDF (7443KB) ( 38 )

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混凝土是一种应用广泛、可使用多种固废制备的建筑材料。本研究将粉煤灰陶粒作为轻骨料,水泥-粉煤灰-硅灰-煤系偏高岭土作为复合胶凝材料,制备用作声屏障的粉煤灰陶粒轻质混凝土,并对其力学性能、吸声性能和抗碳化性能进行试验研究。结果表明:当粉煤灰-硅灰-煤系偏高岭土总掺量为胶凝材料总质量的10%时,试样的力学性能、抗碳化性能有所提高,吸声性能有所降低;随着粉煤灰-硅灰-煤系偏高岭土掺量进一步增加,试样的力学性能、抗碳化性能有所降低,吸声性能有所提高。1 500 Hz及以下频率吸声系数变化幅度较小,2 000 Hz时吸声效果最好,试样的平均吸声系数在0.44~0.58,降噪系数在0.74~0.89。

玄武岩纤维-橡胶混凝土性能研究

刘涛, 吕军, 邓旭艳, 王绍明, 于本田

2024, 43(5): 1906-1916.

摘要 ( 48 )

PDF (16224KB) ( 31 )

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为解决高原机场道面混凝土易收缩开裂和冻融破坏问题,对不同玄武岩纤维和橡胶颗粒掺量混凝土开展了力学性能、早期收缩性及抗冻性能的研究,采用核磁共振和扫描电子显微镜阐释了玄武岩纤维与橡胶颗粒的作用机理,并建立了考虑玄武岩纤维和橡胶颗粒掺量的混凝土早期收缩模型。试验结果表明:同基准混凝土相比,掺0.3%(体积分数,下同)玄武岩纤维与10%(砂的体积取代率,下同)橡胶颗粒混凝土的7和28 d抗折强度分别提高了13.6%、11.8%,7、28 d抗压强度分别提高了26.7%、18.1%,72 h收缩率降低了54.7%,300次冻融循环后质量损失率降低了67.0%,动弹性模量损失率降低了10.4%;玄武岩纤维可抑制混凝土基体微裂缝的萌生扩展,承受部分收缩应力。而弹性体橡胶颗粒的填充、蓄水与引气作用可优化基体孔结构,延缓水分蒸发速率,缓解冻胀压力,使混凝土力学性能和抗冻性提高,早期收缩降低;建立的收缩模型能较好地反映玄武岩纤维-橡胶混凝土早期收缩变化特征。

基于响应面法的矿粉复合固化盐渍土试验研究

王永辉, 朱连勇, 王成, 王超, 彭永倩

2024, 43(5): 1917-1927.

摘要 ( 38 )

PDF (10335KB) ( 33 )

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采用矿粉加固盐渍土可有效提高盐渍土强度,降低盐渍土路基溶陷性,但矿粉常温条件表现稳定,潜在活性需要被激发,针对上述问题,采用矿粉作为前驱体,研究不同掺量脱硫石膏-氢氧化钠-电石渣(DG-NaOH-CS,DNC)固化剂对矿粉复合固化盐渍土力学性能、耐久性和微观机理的影响。结果表明,脱硫石膏、氢氧化钠、电石渣最优配合比为6.03∶0.63∶4.24(质量比)。基于最优配合比,DNC改性土28 d无侧限抗压强度均值为14.16 MPa,响应面模型预测值为14.08 MPa,说明预测值与试验值具有良好的相关性;相较于同掺量水泥固化土,DNC改性土呈现出更好的抗压强度、抗冻融循环和抗干湿循环性能。扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FTIR)分析显示,DNC固化剂在试块内水化产生大量水化硅酸钙(C-S-H)、水化铝酸钙(C-A-H)和钙矾石(AFt)胶凝材料,填补土体内部孔隙,从而进一步提高固化土强度。

高韧性炭/炭复合材料的制备及研究

张泽, 张明瑜, 方婉娴, 徐平, 曾晨, 高莹, 苏哲安, 黄启忠

2024, 43(5): 1928-1936.

摘要 ( 36 )

PDF (15323KB) ( 40 )

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C/C复合材料是一种高性能新型复合材料,但是脆性大、韧性差的缺点限制了其广泛应用。因此,本研究利用化学气相渗透(CVI)法,设计并制备了三种C/C复合材料,基体炭分别为粗糙层、光滑层以及粗糙层/各向同性层带状结构热解炭,研究了C/C复合材料的微观结构、沉积机理、断裂行为和增韧机制。结果表明,三种C/C复合材料的抗弯强度分别为189.1、191.5、233.5 MPa。粗糙层和带状结构炭基体的C/C复合材料为假塑性断裂,而光滑层炭基体的C/C复合材料则是明显的脆性断裂。与粗糙层炭基体的C/C复合材料相比,带状结构炭基体的C/C复合材料通过不同结构热解炭之间的界面滑动,使得应变量增加了约70%,韧性得到了提升。因此,通过控制CVI工艺参数,实现带状结构热解炭制备,可以有效优化C/C复合材料的韧性。

CeO₂/MoSi₂改性ZrB₂-SiC陶瓷的烧结性能及耐烧蚀性能

方婉娴, 曾晨, 张泽, 张明瑜, 黄启忠, 高莹

2024, 43(5): 1937-1949.

摘要 ( 46 )

PDF (23970KB) ( 37 )

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无压烧结ZrB₂-SiC陶瓷可制备复杂形状构件,但致密化难且耐烧蚀性能有待提高,因此亟需研究能够改善陶瓷致密化的有效烧结助剂。本文采用CeO₂和MoSi₂为烧结助剂,在1 850 ℃无压烧结1 h条件下制备了ZrB₂-SiC陶瓷,研究了CeO₂和MoSi₂对ZrB₂-SiC陶瓷烧结性能和耐烧蚀性能的影响。结果表明,当5%(体积分数)的烧结助剂中CeO₂和MoSi₂体积比为1∶1时,ZrB₂-SiC陶瓷的烧结性能、耐烧蚀性能最佳。烧结助剂在烧结过程中形成Ce-Mo液相,陶瓷颗粒在液相的表面张力下重排和传质,Ce-Mo液相促进陶瓷颗粒在毛细力下形成烧结颈,填充于陶瓷颗粒的间隙中,并在降低陶瓷晶粒的晶界能时促进致密化进程,最终获得无压烧结密度为5.02 g/cm³、相对密度为89.71%、维氏硬度为14.04 GPa的ZrB₂-SiC陶瓷。相对于未添加烧结助剂时,实际密度提高了53%,维氏硬度提高了43%。在烧蚀过程中,烧结助剂适量补充SiO₂后可促进黏度适宜的玻璃相自愈合,并提高ZrO₂的稳定性,使ZrB₂-SiC陶瓷具有最好的耐烧蚀性能,此时ZrB₂-SiC陶瓷质量烧蚀率为-1.62 mg/s,线烧蚀率为0.33 μm/s。

氧化铝填料对绝缘涂层导热性能的影响

刘凯, 姜洪义, 曹泽琦, 高帅

2024, 43(5): 1950-1957.

摘要 ( 67 )

PDF (12441KB) ( 50 )

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以高模数硅酸钾溶液为基料,氧化铝为导热绝缘填料,加入硅丙乳液、消泡剂,制备有机无机复合硅酸盐导热绝缘涂层。通过测试硅酸盐涂层的导热系数、体积电阻率、孔隙率、孔径分布和元素分布变化,研究绝缘硅酸盐涂层导热性能。结果表明,适当提高氧化铝的质量分数,硅酸盐绝缘涂层的导热性能提升。氧化铝填料球形形貌和大粒径更有利硅酸盐绝缘涂层的导热性能提升。当填料为粒径2.9 μm的球形氧化铝,且质量分数在37.5%时,涂层的导热系数最高达1.072 W/(m·K),体积电阻率大于10⁸ Ω·m,此时涂层的导热绝缘性能达到最佳。

三种莫来石对耐火材料抗Na₂CO₃熔体侵蚀性能的影响

徐志刚, 夏熠, 慕熠钊

2024, 43(5): 1958-1964.

摘要 ( 65 )

PDF (7748KB) ( 64 )

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化工废液中K⁺、Na⁺等碱离子的渗透及侵蚀是造成耐火材料损毁的主要原因,有效抑制碱液渗透有助于提高热处理设备的使用寿命,而单纯降低气孔率会恶化其热震稳定性。本文研究了Na₂CO₃熔体对莫来石质耐火材料的润湿、侵蚀及渗透过程,从润湿性的角度探讨不同耐火材料抗碱液渗透的差异。分别以高纯烧结莫来石、电熔莫来石和普通烧结莫来石三种莫来石和红柱石、黏土为原料,通过机压成型、高温烧成制备莫来石质耐火材料。以Na₂CO₃为碱蚀熔剂,利用静态坩埚法在900 ℃下进行碱蚀试验,通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜等测试方法,对碱蚀前后的坩埚试样进行物相组成及显微结构分析,研究碱熔剂对不同基体的润湿性。结果表明,所有莫来石质耐火材料试样均未发生破坏,表现出较优的抗侵蚀性。各组试样抗Na₂CO₃熔体渗透的能力不同,高纯烧结莫来石制备的试样具有最优的抗侵蚀和抗渗透能力,而电熔莫来石和普通烧结莫来石试样的抗渗透能力较差,这与Na₂CO₃熔体对它们的润湿难易程度有关。本试验从高温润湿性角度分析了不同耐火材料之间的抗碱蚀能力差异,为研究和生产具有优良抗侵蚀性能的铝硅系耐火材料提供了新的思路和理论依据。

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