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2024年 第43卷 第6期    刊出日期：2024-06-15

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水泥混凝土

低湿变温环境对硫酸盐作用下水泥砂浆性能的影响

贾艳涛, 李之恒, 王大富, 吴萌

2024, 43(6):  1965-1974. 

摘要 ( 223 )   PDF (12856KB) ( 163 )  

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基于西部钢筋混凝土基础设施所处环境特点,将水泥砂浆试件在低湿变温环境中进行半浸泡硫酸盐腐蚀,结合XRD、SEM、LF-NMR和电导滴定SO^2-₄等测试手段研究了低湿变温环境对硫酸盐半浸泡腐蚀水泥基材料的影响。结果表明:对于低湿变温环境中的水泥砂浆试件,其液面以上30 mm内的水膜区硫酸盐腐蚀程度较低,而液面以上30~60 mm的蒸发区腐蚀程度较高,并出现明显剥落现象;饱和度较小的Na₂SO₄溶液对砂浆试件蒸发区的腐蚀更为严重;蒸发区1 000 nm以上的孔隙发生膨胀性盐结晶导致砂浆内部出现微裂纹且有害孔比例增加,该区域以物理膨胀破坏为主;浸泡区膨胀性腐蚀产物石膏和钙矾石的大量生成使得该区域以化学腐蚀为主。随着腐蚀产物在孔径为50~1 000 nm的毛细孔中不断累积,砂浆表层开裂且1 000 nm以上的宏观孔比例有所增加。掺入的矿粉通过其二次水化作用提高了砂浆浸泡区抗硫酸盐腐蚀能力,而石灰石粉的掺入则因稀释效应降低了砂浆抗硫酸盐腐蚀能力。

硅灰热焊接改性塑料颗粒对砂浆抗压强度与微结构的影响

王象庚, 陈佩圆, 李进, 赵成, 顾志成

2024, 43(6):  1975-1982. 

摘要 ( 74 )   PDF (8958KB) ( 31 )  

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为解决塑料憎水表面所导致的塑料砂浆抗压强度较低的问题,本文利用废弃聚丙烯(PP)塑料的热塑性,通过热焊接工艺将硅灰焊接于PP表面,制备硅灰@塑料颗粒复合颗粒(SF@PP),并对复合颗粒的亲水性和火山灰活性进行测试。结果表明,硅灰热焊接改性显著改善了PP的亲水性并提高了其火山灰活性,促进了水化产物的界面沉积,界面密实度提升。相应地,塑料砂浆的孔隙率明显降低,抗压强度显著提升,提升幅度为26.07%~31.04%。研究结果有利于高效利用废弃塑料,并为高性能塑料砂浆的制备提供依据。

养护方式对活性氧化镁水泥水化硬化性能的影响

王焕焕, 蔡同舟, 侯鹏坤

2024, 43(6):  1983-1991. 

摘要 ( 86 )   PDF (18907KB) ( 50 )  

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活性氧化镁水泥(RMC)由MgO与水和CO₂反应而凝结硬化,是一种近年来备受关注的新型胶凝材料。RMC样品水化、碳化过程受养护方式和含水率影响显著,本文对比研究了标准养护((20±1) ℃、95%相对湿度)、水养((20±1) ℃)和碳化养护((20±3) ℃、70%相对湿度、20%(体积分数)CO₂)对水灰比为0.5、0.6、0.7的RMC的性能的影响,探究了其水化、碳化反应产物物相种类、含量及微观形貌特征。结果表明,在标准养护和水养条件下,反应3 d时各水灰比样品中MgO剩余含量为10%~15%(质量分数),反应14 d时MgO几乎没有剩余。当水灰比为0.6时,标准养护和水养14 d时净浆抗压强度分别为7.7和3.2 MPa。碳化养护下净浆强度优于标准养护和水养下净浆(3 d时三者抗压强度分别为16.19、0.42和0.43 MPa,14 d时分别为22.34、7.46和7.23 MPa);定量分析结果显示,各水灰比净浆碳化养护产物主要是MgCO₃·3H₂O,水灰比为0.6时,样品中MgCO₃·3H₂O生成量比水灰比为0.5和0.7样品高12.12%和11.29%,这些针棒状MgCO₃·3H₂O相互搭接形成致密结构是该样品宏观抗压强度最优的主要原因。

机制砂砂浆界面过渡区特性研究

陈昊, 王怀志, 王鹏, 肖民, 吴娟, 唐延丰, 李方贤, 韦江雄

2024, 43(6):  1992-1998. 

摘要 ( 111 )   PDF (12580KB) ( 129 )  

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研究机制砂砂浆界面过渡区特性对于提升机制砂砂浆强度与耐久性具有重要意义。通过扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕和三维图像相关(3D-DIC)技术观测了河砂砂浆和机制砂砂浆的界面微观结构、微区力学强度和非均匀变形。结果表明,机制砂砂浆的界面过渡区宽度大于河砂砂浆,但砂浆中细骨料颗粒与浆体的界面裂缝却更小,同时机制砂棱角位置易产生微裂纹。机制砂的界面过渡区弹性模量略高于河砂,说明机制砂能一定程度削弱骨料的边壁效应。砂岩机制砂砂浆的收缩变形非均匀性最大,其内部出现较大的拉伸应变,最终引起了更严重的损伤分布,这表明细骨料中刀片状颗粒占比偏多会增大砂浆局部开裂风险。

可再分散乳胶粉对钢结构界面砂浆的性能影响和机理分析

王小燕, 叶武平, 曹力强

2024, 43(6):  1999-2004. 

摘要 ( 56 )   PDF (5865KB) ( 29 )  

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可再分散乳胶粉是钢结构界面砂浆制备的关键材料。本文研究了可再分散乳胶粉的掺量对界面砂浆28 d抗压强度、抗折强度、拉伸黏结强度的影响,同时结合扫描电镜、X射线衍射等微观分析手段对可再分散乳胶粉提升界面砂浆的黏结性机理进行了分析。结果表明:在钢结构界面砂浆的制备中,可再分散乳胶粉的适宜掺量为15%(质量分数);在适宜掺量下,界面砂浆的拉伸黏结强度达到1.12 MPa,压折比为2.3,乳胶粉的加入能有效改善砂浆柔韧性;乳胶粉的加入改变了砂浆的孔结构,孔隙率变大;界面过渡区的水化产物主要是聚合膜包裹水化产物C-S-H凝胶和Ca(OH)₂。

氟硅渣改性硫酸铝基无碱液体速凝剂对水泥性能的影响

刘远, 刘孝通, 杨安旭, 张远永, 杨林

2024, 43(6):  2005-2011. 

摘要 ( 68 )   PDF (7008KB) ( 51 )  

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本文采用氟硅渣对硫酸铝基无碱液体速凝剂进行了改性,并测试了氟硅渣改性后无碱液体速凝剂的性能指标。采用XRD、TG-DTG和SEM表征手段分析了氟硅渣改性硫酸铝基无碱液体速凝剂对水泥水化过程的作用机理。结果表明:随着氟硅渣用量的增加,砂浆的快凝效果和强度均呈先增大后减小的趋势;用氟硅渣改性无碱液体速凝剂时,氟硅渣的掺量以5.0%(质量分数)为宜,此时掺改性速凝剂水泥试件的初凝时间为1 min 20 s,终凝时间为5 min 20 s,1 d抗压强度为13.8 MPa,28 d抗压强度为52.4 MPa。氟硅渣中的二氧化硅与水泥水化产物氢氧化钙反应形成水化硅酸钙,有利于提高水泥的早期强度,但氟与氢氧化钙反应会产生大量的氟化钙沉淀,阻碍水泥水化硬化过程。

不同环境溶液下高吸水树脂对水泥基材料的裂缝修复性

杨世界, 张士萍, 牛龙龙, 张守卫

2024, 43(6):  2012-2021. 

摘要 ( 83 )   PDF (10804KB) ( 39 )  

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混凝土开裂及修复一直是工程界关注的重点问题,高吸水树脂(SAP)具有一定的裂缝自愈合功能。本文测试了不同环境溶液(NaOH、NaCl和蒸馏水)下SAP的吸液性能,以开裂试件的抗压强度恢复率、不同裂缝宽度(0.1、0.2 mm)的自愈合率以及裂缝填充状态为修复指标,分析了不同质量分数(0%、0.5%、1.0%)的SAP在不同环境溶液下对开裂砂浆试件的修复效果。结果表明:SAP在不同环境溶液下的吸液倍率呈先快速增加后缓慢趋于稳定的变化规律,其中SAP在NaOH环境溶液下的吸液倍率最高;SAP的掺入一定程度上提升了开裂砂浆试件在不同环境溶液下的抗压强度恢复率,其中掺入0.5%SAP的试件在NaOH环境溶液修复28 d的抗压强度恢复率最高,高出基准组17%;SAP的掺入提高了不同裂缝宽度的砂浆试件在不同环境溶液下的自愈合性能,随着SAP含量增加,0.2 mm裂缝宽度的砂浆试件在NaOH环境溶液修复28 d的自愈合率显著高于蒸馏水和NaCl溶液,掺入1.0%SAP的试件在NaOH环境溶液下的自愈合率达90%;SAP协同水化产物封堵裂缝口,提高了水泥砂浆的耐久性。

含SAP水泥基材料动态力学性能演变规律研究

李剑峰

2024, 43(6):  2022-2030. 

摘要 ( 79 )   PDF (7647KB) ( 47 )  

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关于高应变速率下含高吸水树脂(SAP)水泥基材料力学行为的研究较少,本文通过压汞法和图像法研究了含SAP水泥基材料的总孔隙率和宏观孔(>100 μm)孔隙率;分析了SAP粒径和补偿水对改性材料准静态(10^-5 s^-1)和动态(60~110 s^-1)力学性能的影响;基于裂缝扩展行为的研究,解析了高应变速率下水泥基材料的破坏行为。结果表明:添加补偿水和增大SAP粒径均会提升材料的宏观孔孔隙率和总孔隙率,从而降低准静态和动态压缩作用下试样的抗压强度和弹性模量;添加补偿水和增大SAP粒径还会提高水泥基材料的抗压强度动态增加因子和弹性模量动态增加因子,这是由于总孔隙率和宏观孔孔隙率的增加会引起裂缝扩展路径的改变、破碎程度的增加以及应变响应的延迟。

水工混凝土的超疏水仿生构建及微观机理

王波, 钱军, 罗杰, 徐怡, 储洪强, 蒋林华

2024, 43(6):  2031-2038. 

摘要 ( 94 )   PDF (6796KB) ( 68 )  

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将有机异辛基三乙氧基硅烷(TS)与无机纳米二氧化硅复合,通过“二元协同”仿生方法,制备了整体超疏水水工混凝土,探究了TS掺量和养护条件对混凝土力学性能和疏水性能的影响,并采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)分析了材料的微观形貌、物相组成和疏水改性机理。结果表明,养护条件对混凝土疏水性影响较大,在自然养护条件下,当TS掺量达到3%(质量分数)后,混凝土均呈现出超疏水状态,最大接触角为155.6°。纳米粒子的掺入促进了水泥水化,提升了试件的抗压强度。改性后的水工混凝土具有良好的疏水性,288 h浸水吸水率下降了68.8%。

磁化水对海工混凝土力学性能和耐久性能的影响

郑彪, 李顺凯, 李育林, 粟友良, 林奕安

2024, 43(6):  2039-2046. 

摘要 ( 64 )   PDF (5232KB) ( 26 )  

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针对实际工程中大掺量矿物掺合料的海工混凝土过早面对恶劣海洋环境而易受到氯盐侵蚀的问题,本文提出使用磁化水代替自来水制备海工混凝土,研究磁化水对海工混凝土不同龄期力学性能和耐久性能的影响规律,并采用压汞仪和扫描电子显微镜对海工混凝土微观结构进行分析。研究表明:磁化水能改善海工混凝土的工作性;与自来水相比,磁化水对海工混凝土的早期力学性能有明显的提升作用,其中养护龄期为7 d的C50海工混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度分别提高了17.9%和16.5%;在不同养护龄期下,磁化水海工混凝土的抗碳化性能和抗氯离子渗透性能均优于自来水海工混凝土;磁化水海工混凝土中胶凝材料反应程度高,裂缝较少,胶凝材料与骨料之间的连接更为紧密,孔隙结构呈现出孔隙率较低、无害孔多和有害孔少的现象,使得磁化水海工混凝土结构更为致密,从而提高海工混凝土的力学性能和耐久性能。

改性高浓度硼酸溶液对蛇纹石屏蔽混凝土力学性能与中子屏蔽性能的影响

甘学彧, 陈帅, 耿海宁, 李宗刚, 马浩森, 陈伟, 侯硕, 李秋

2024, 43(6):  2047-2055. 

摘要 ( 55 )   PDF (5760KB) ( 19 )  

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蛇纹石屏蔽混凝土是一种长期应用于高温条件下仍能保持高结晶水含量的中子屏蔽材料,但其密实度低,缺乏有效吸收热中子的硼元素。作为硼元素的来源,硼酸是生产屏蔽混凝土的有效材料,但在以水泥为主的水化体系中,硼酸的掺入会抑制水泥水化过程,导致材料强度及耐久性劣化。本研究通过改性高浓度硼酸溶液,诱导水泥浆体中游离硼酸盐生成高硼含量与结晶水含量的戈硼钙石,增加体系中硼元素含量的同时解除硼酸对水泥水化的抑制作用,研究改性高浓度硼酸溶液对蛇纹石屏蔽混凝土工作性能、力学性能、高温残余抗压强度、微观结构与屏蔽性能的影响。结果表明:掺加改性高浓度硼酸溶液对蛇纹石屏蔽混凝土的凝结时间、常温力学性能、高温残余抗压强度均无不良影响。掺加改性高浓度硼酸溶液后,蛇纹石屏蔽混凝土在400 ℃高温残余抗压强度提高了43.5%,常温下半值层降低了31.7%,350 ℃保温至恒重后半值层降低了21.4%,对中子射线的屏蔽能力增强。

植筋UHPC-NC界面直剪试验研究及有限元模拟

鲜雪蕾, 林梦凯, 陈天明, 王大宁

2024, 43(6):  2056-2063. 

摘要 ( 59 )   PDF (6470KB) ( 40 )  

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目前,超高性能混凝土(UHPC)被广泛用于组合构件和普通混凝土(NC)结构的加固。在加固后,由于界面法向拉应力和界面切向剪应力的共同作用,UHPC与NC之间的界面成为最脆弱的部分。植筋处理是连接旧混凝土与新混凝土界面的常见方法。本研究通过直剪试验和有限元模拟综合分析了有无植筋的UHPC-NC试件的抗剪强度以及植筋率对抗剪性能的影响。结果表明,无植筋试件的抗剪强度仅为整体浇筑试件的20%,而植筋试件的抗剪强度为整体浇筑试件的40%~80%。在未植筋试件中,破坏形式呈脆性破坏,而在植筋试件中,界面裂缝得到发展,界面抗剪强度提高,界面滑移量增大,界面呈延性破坏。

严寒环境下磷酸镁水泥砂浆与混凝土的粘结强度及影响因素研究

侯铁军, 李想, 张晨琛, 贾兴文, 侯鹏坤

2024, 43(6):  2064-2072. 

摘要 ( 55 )   PDF (12153KB) ( 29 )  

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在严寒环境下实施混凝土路面的快速修复,要求修复材料具有早期强度高且与混凝土粘结强度好的特点。磷酸镁水泥(MPC)早期强度高,采用MPC制备快速修复材料时有利于在无养护条件下实现冬季混凝土路面的快速修复。本文研究了在严寒环境下,镁磷质量比(M/P)、硼镁质量比(B/M)和水胶比(W/C)对MPC砂浆与普通混凝土的粘结强度的影响,分析了MPC砂浆与混凝土的界面粘结强度发展规律与粘结机制。结果表明,在严寒环境下,当M/P为4~5、B/M为0.02~0.03、W/C为0.12~0.14时更有利于提高MPC砂浆与普通混凝土的粘结强度,3 h粘结强度可达2.5 MPa,能满足严寒环境下混凝土路面的快速修复要求。

沙漠砂混凝土高温后强度预测及超声检测研究

李罗胤, 董水博, 刘海峰, 雍雯洁, 车佳玲

2024, 43(6):  2073-2083. 

摘要 ( 47 )   PDF (6738KB) ( 23 )  

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为研究沙漠砂混凝土(DSC)高温后抗压性能,以替代率为0%、20%、40%、60%、80%和100%的沙漠砂等质量替代中砂配制DSC,通过试验研究受火温度和沙漠砂替代率(DSRR)对DSC回弹值、超声波速、抗压强度的影响;建立基于灰色系统理论的高温后DSC强度模型,给出DSC超声回弹综合法测强曲线和受火温度计算公式。结果表明,随着受火温度升高,DSC烧失率逐渐增加,表观颜色由深变浅,DSC抗压强度、回弹值、超声波速呈先增大后减小的趋势。随着DSRR增加,DSC回弹值及抗压强度呈先增大后减小的趋势,当DSRR为40%时,DSC抗压强度及回弹值达到最大。NSGM(1,3)模型预测性能优异,平均相对误差为8.6%,可应用于中长期DSC高温后抗压强度预测,给出的DSC超声回弹综合法测强曲线预测精度满足规范要求。

粗骨料取代率对机制砂再生混凝土高温性能的影响

王发静, 王新杰, 朱平华, 刘啸林

2024, 43(6):  2084-2092. 

摘要 ( 51 )   PDF (6960KB) ( 28 )  

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为探究不同粗骨料取代率对机制砂再生混凝土(RCM)高温性能的影响,以不同粗骨料取代率(0%、20%、40%、60%、80%、100%,质量分数)制备RCM并研究其单面受高温后的表面形貌、质量损失率、抗压强度、荷载变形曲线及微观形貌。结果表明,粗骨料取代率在40%~60%时,在低于600 ℃的高温试验下RCM表现良好。当温度在200 ℃时,各组试块表面形貌变化不大,质量损失率较小,抗压强度略微上升;当温度在400 ℃时,各组试块表面开始出现裂缝,质量损失率为4.35%~6.47%,抗压强度开始下降,此时粗骨料取代率影响不大;当温度达到600 ℃时,表面形貌变化明显,质量损失率上升到6.42%~8.70%,抗压强度最终降低到基准强度的80%左右,此时粗骨料取代率在40%~60%的试块表现良好;当温度达到800 ℃时,各组试块表面形貌变化进一步加剧,粗骨料取代率大于60%的试块受影响非常明显,同时各类性能参数表明混凝土已完全丧失工作性能。

维生素在含氯混凝土模拟孔隙液中对钢筋的缓蚀作用

马欣眉, 温勇, 田沛丰, 林海孟, 邵帅

2024, 43(6):  2093-2101. 

摘要 ( 50 )   PDF (8752KB) ( 33 )  

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为研究钢筋混凝土体系中维生素缓蚀剂的缓蚀作用,本文采用动电位极化和电化学阻抗谱测试,研究了硫胺素(VitB1)、烟酸(VitB3)、吡哆醇(VitB6)和抗坏血酸(VitC)在含氯混凝土模拟孔隙液中对钢筋的缓蚀作用,并基于密度泛函理论进行了量子化学计算,讨论了维生素对钢筋的缓蚀机理。结果表明,在含0.05 mol/L NaCl的混凝土模拟孔隙液中,VitB6的缓蚀效果最好,因为其最高占据分子轨道和Fe 3d轨道间的键合稳定性最强。每种维生素都存在一个达到最佳缓蚀率IE的特定浓度添加值,此时VitB1和VitB3表现为阳极型缓蚀剂,VitB6和VitC为混合型缓蚀剂。随着维生素浓度的增加,IE出现反向波动的趋势,这是由于缓蚀剂的极性基团吸附于钢筋表面,抑制了阴极反应,进一步加剧了阴、阳极间的不平衡。

冻融循环下混凝土中氯离子传输机制细观模拟

梁秋群, 陈宣东, 胡祥

2024, 43(6):  2102-2110. 

摘要 ( 62 )   PDF (7213KB) ( 32 )  

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基于经典应力水平-疲劳寿命方程,本文提出了以冻融循环次数为自变量的氯离子扩散系数数学表达式,并在此基础上建立了冻融循环下氯离子在混凝土中传输的三维细观数值模型,研究了冻融循环、混凝土细观结构特征、结合效应等因素对氯离子传输行为的影响。研究结果表明,冻融循环可以促进氯离子的扩散,当冻融循环的次数接近极限冻融循环次数时,这种促进作用十分显著。更重要的是,通过模拟混凝土细观结构中氯离子的扩散轨迹,揭示了界面过渡区促进氯离子扩散的机理。最后,通过对氯离子长期扩散性能模拟发现,在靠近侵蚀面区域出现了结合氯离子饱和区域,混凝土失去了对自由氯离子的固化能力,促进了氯离子扩散。

盐-冻侵蚀环境下聚丙烯纤维混凝土的寿命预测

徐存东, 汪志航, 陈家豪, 李准, 王海若, 徐慧

2024, 43(6):  2111-2120. 

摘要 ( 54 )   PDF (9518KB) ( 43 )  

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针对我国西北地区混凝土结构在盐-冻侵蚀下耐久性降低的问题,本研究选取不同聚丙烯纤维掺量(0、0.6、0.9、1.2、1.5 kg·m^-3)的混凝土试件,将其分别放入清水、3%NaCl、5%Na₂SO₄溶液中进行冻融循环试验,分析试件质量损失率、动弹性模量和抗压强度的变化规律,并基于Weibull理论和灰色预测理论分别建立标准模型,对聚丙烯纤维混凝土结构的最大服役年限进行预测,同时结合SEM分析聚丙烯纤维对混凝土的作用机理。结果表明:清水冻融工况对混凝土造成的损伤要低于盐冻侵蚀,其中氯盐对混凝土的力学性能侵蚀破坏最为严重;聚丙烯纤维的渗入可以有效减缓冻融侵蚀作用下混凝土力学性能的衰减速率,削弱因外界侵蚀对抗压强度等带来的影响。当纤维掺量达到1.2 kg·m^-3时效果最优,灰色预测模型和Weibull两种模型的寿命预测结果大致相似,其中灰色预测模型只能根据现阶段所含有的数据进行大范围的推断,而Weibull模型预测结果较为精确。该结果可为混凝土的力学性能研究和选择较佳的模型预测混凝土服役寿命提供一定的理论指导和依据。

机制砂与特细砂抗氯盐侵蚀混凝土的制备及性能研究

汪伟, 赖增成, 谭鹏, 鞠志成, 杨海成, 范志宏

2024, 43(6):  2121-2129. 

摘要 ( 52 )   PDF (4241KB) ( 29 )  

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利用机制砂、特细砂等制备抗氯盐侵蚀混凝土对降低生产成本、提升桥梁服役寿命具有重要意义。本研究通过优化骨料设计与水泥浆体组成提升混凝土的抗氯离子侵蚀性能,研究了骨料级配、特细砂用量、砂率、水胶比、胶凝材料种类对混凝土性能的影响。结果表明:8~16 mm碎石质量分数由50%增加至80%时,氯离子扩散系数由4.0×10^-12 m²/s降低至2.9×10^-12 m²/s;特细砂替代50%(质量分数)机制砂时,氯离子扩散系数为3.6×10^-12 m²/s,仍可以满足设计要求;砂率增大,氯离子扩散系数先减小后增大。水胶比在0.36~0.38时,氯离子扩散系数低于3.5×10^-12 m²/s;矿渣组分水化改善了混凝土的孔结构,并形成了更多的AFm、C-S-H产物,提升了混凝土对氯离子的固化能力,矿渣水泥混凝土氯离子扩散系数较普通硅酸盐水泥混凝土降低了40%。

钢-PVA混杂纤维高性能混凝土抗渗性能试验研究

许成祥, 张家琪

2024, 43(6):  2130-2136. 

摘要 ( 58 )   PDF (10539KB) ( 28 )  

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为探究钢纤维掺量、聚乙烯醇(PVA)纤维掺量和矿粉掺量对钢-PVA混杂纤维高性能混凝土(HFHPC)抗渗性能的影响,本文开展了钢-PVA HFHPC抗渗性能试验,并对试验结果进行了极差分析、方差分析和回归分析。结果表明:对HFHPC抗渗性能的影响程度从高到低依次为钢纤维、矿粉和PVA纤维。在试验水平范围内,得出混凝土试件抗渗性能最佳水平组合:钢纤维体积掺量1.0%、PVA纤维体积掺量0.7%、矿粉质量取代率20%。当钢纤维掺量超1.0%时,HFHPC抗渗性能略有下降,但仍高于基准素混凝土。最后采用多元回归分析,建立了HFHPC渗透系数与钢纤维、PVA纤维和矿粉的预测模型。

非晶合金纤维和钢纤维单/混掺增强混凝土开裂及断裂性能研究

乔险涛, 喻鹏, 陈喜健, 周佳乐, 张连杰, 李健朋

2024, 43(6):  2137-2148. 

摘要 ( 60 )   PDF (10565KB) ( 42 )  

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为探索纤维混凝土抗裂性能,本文研究了不同类型纤维(平直型钢纤维、平直型非晶合金纤维、钢纤维+非晶合金纤维)和不同纤维体积掺量(1.0%,1.5%和2.0%)混凝土的早期开裂性能和硬化后的断裂性能。首先通过平板法试验并借助数字图像对混凝土的早期裂缝特征进行量化分析,评估了纤维混凝土的早期开裂性能;再通过带切口棱柱体试件的三点弯曲试验,基于双K断裂参数,分析并评估了混凝土硬化后的断裂性能。结果表明,钢纤维单掺和混掺纤维混凝土的早期抗裂性能最好;纤维掺量由1.0%增加至2.0%时,钢纤维、合金纤维和混掺纤维混凝土失稳韧度分别增加了58.9%、44.3%和55.5%,且掺量为2.0%的混掺混凝土断裂能是普通混凝土的11.8倍。钢纤维和非晶合金纤维可在混凝土硬化过程的不同时期发挥协同作用,两种纤维混掺不仅能阻止混凝土早期的塑性开裂,还可有效控制硬化后受拉裂缝的形成和发展,达到分阶段抗裂的目的。综合考虑混凝土的早期开裂性能、硬化后受拉性能以及断裂性能,体积掺量相同情况下混掺纤维混凝土整体性能更优。

资源综合利用

原状海砂对混凝土力学性能的影响

郑建岚, 王雅思, 叶艳

2024, 43(6):  2149-2156. 

摘要 ( 47 )   PDF (4889KB) ( 23 )  

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为探究高氯盐、高贝壳含量原状海砂混凝土的力学性能,以海砂的氯离子含量和贝壳含量为变量,设计并配制9组海砂混凝土,开展混凝土立方体抗压强度试验和单轴受压应力-应变全曲线试验。结果表明:随着氯离子含量增加,混凝土的孔结构细化,早期强度提高,单轴受压应力-应变全曲线峰值应力增大,峰值应变降低,弹性模量提高;随着贝壳含量增加,混凝土坍落度显著下降,混凝土的孔结构较疏松,强度降低,单轴受压应力-应变全曲线峰值应力降低,峰值应变增大,弹性模量降低。在现有模型基础上,提出关于氯离子含量、贝壳含量的模型参数计算式。

CFB飞灰压浆料的制备及高强微膨胀机理研究

周明凯, 饶可, 孟秀元, 王宇强

2024, 43(6):  2157-2167. 

摘要 ( 39 )   PDF (14037KB) ( 12 )  

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利用循环流化床燃煤固硫灰(CFB飞灰)的活性与膨胀性制备压浆料,研究了CFB飞灰掺量和水胶比对压浆料工作性能、强度和膨胀率的影响;CFB飞灰与矿粉以不同比例复配,对比研究了CFB飞灰压浆料的高强微膨胀特性,并采用XRD与SEM分析验证。结果表明,随CFB飞灰替代水泥掺量的增加,压浆料的需水性增强,抗压强度降低,20%(质量分数)CFB飞灰的试样28 d抗压强度与基样接近,可达85.8 MPa,而抗折强度先升高后降低,膨胀率一直升高。随用水量的增加,压浆料的膨胀率降低但均为正值。随CFB飞灰取代矿粉率的提高,压浆料的工作性能降低,28 d抗压强度先升高后降低,其中20%(质量分数)CFB飞灰、10%(质量分数)矿粉复合的试样28 d抗压强度最高,为99.8 MPa,膨胀率一直升高。通过CFB飞灰与矿粉复合配制了各项性能均满足铁标要求的压浆料。CFB飞灰不仅自身水化产生膨胀,还能激活矿粉活性,产生复合增强作用。

废玻璃粉-偏高岭土地质聚合物胶砂的流动度和力学性能

彭丽娟, 柯国军, 宋百姓, 蒋恬, 王文青

2024, 43(6):  2168-2175. 

摘要 ( 60 )   PDF (5250KB) ( 34 )  

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本文以废玻璃粉和偏高岭土为原料,通过碱激发制备地质聚合物胶砂,研究了不同水玻璃模数碱激发剂和液固比对废玻璃粉-偏高岭土地质聚合物胶砂流动度和力学性能的影响,并通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重-差示扫描热(TG-DSC)、压汞法(MIP)及扫描电子显微镜(SEM)分析了地质聚合物胶砂的晶体结构、热化学性质、孔隙结构及微观形貌等。结果表明,水玻璃模数和液固比对地质聚合物胶砂流动度和力学性能有较明显的影响。随着水玻璃模数的增大,地质聚合物胶砂的流动度和强度先增加后减少,水玻璃模数为1.25时激发剂对材料的激发效果最佳,提高了地质聚合物的反应程度,生成了更多水化产物,优化了基体的孔隙结构,28 d抗压强度达到43.0 MPa;液固比的增大改善了地质聚合物胶砂的流动度,但降低了抗压强度,对孔隙结构产生了负面作用;XRD、FTIR及TG-DSC结果显示地质聚合物中废玻璃参与了水化反应,提供了Ca²⁺,促进了水化硅酸钙(C-S-H)和水化硅铝酸钙(C-A-S-H)凝胶的生成。

矿渣基地聚物流态盾构固化土的性能研究

牛家栋, 杜运兴, 张自成, 李艳秋, 秦宝坤

2024, 43(6):  2176-2185. 

摘要 ( 59 )   PDF (8798KB) ( 33 )  

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为实现对地下工程中的高含水率盾构土资源化利用,探究地聚物材料固化盾构土的可行性,本文采用矿渣基地聚物固化盾构土,通过研究碱激发剂模数、矿物配比、碱激发剂掺量、温度对不同种类盾构固化土无侧限抗压强度和工程性能的影响规律,确定固化土配合比设计,在此基础之上研究地聚物掺量对固化土水稳性的影响,并采用SEM对盾构固化土进行微观分析,揭示其固化机制。结果表明,在试验拟定的水固比下,两种不同土质流态盾构固化土均有良好的力学性能和工程性能,矿渣基地聚物产生了无定形凝胶,增强了土壤颗粒之间的胶结及密实度,其中固化剂掺量为干土质量22%的盾构固化土在标养条件下的28 d无侧限抗压强度可达5.38 MPa,40 ℃条件下可达8.08 MPa,水稳系数达0.98。

湿基α-半水石膏制备高强石膏制品研究

周明凯, 王潇, 高鹏, 王宇强

2024, 43(6):  2186-2197. 

摘要 ( 41 )   PDF (17600KB) ( 20 )  

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为实现湿基α-半水石膏制备高强石膏制品,研究了湿基α-半水石膏陈化时间、粉磨时间、浇筑料浆温度及缓凝剂掺量等工艺参数对高强石膏凝结时间和强度的影响,并确定最佳制备工艺。此外,采用X射线衍射、扫描电子显微镜等微观测试手段,揭示了各因素对强度的影响机理。结果表明:陈化时间越长,石膏凝结时间越短,制品强度越低;随着粉磨时间延长,石膏凝结时间显著缩短,制品强度先升高后降低;料浆温度越高,石膏凝结时间越长,制品强度越低。最佳制备工艺:陈化时间5 min、粉磨时间20 s、料浆温度20 ℃。在此基础上加入0.08%(质量分数)缓凝剂能够有效地延长石膏凝结时间并提高硬化强度,制备的石膏制品性能优异,绝干抗折强度为14.1 MPa,绝干抗压强度为58.3 MPa。微观测试结果表明,各工艺参数会通过改变石膏标稠用水量和水化进程来影响石膏内部结构的密实程度和二水石膏晶体的生长发育,最终影响制品硬化强度。

废弃混凝土再生砂的吸附特性研究

程欢, 李化建, 黄法礼, 王振, 易忠来

2024, 43(6):  2198-2205. 

摘要 ( 63 )   PDF (5301KB) ( 30 )  

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为解决再生砂高吸附性导致的混凝土工作性能快速损失这一问题,以C20~C60六种废弃混凝土再生砂为对象,采用压汞法和低温液氮吸附法测试再生砂的孔结构特征,利用X射线衍射(XRD)测试再生砂的物相组成,探究再生砂对水、亚甲蓝以及减水剂的吸附规律。结果表明:再生砂吸水率随废弃混凝土料源强度等级增加而降低,与孔结构有一定的相关性;再生砂对亚甲蓝的吸附性随黏土矿物含量降低而降低,与孔结构相关性不明显;再生砂对聚羧酸系减水剂的吸附性受孔结构和黏土矿物共同作用,但主要取决于黏土矿物的含量。

复合助熔剂对垃圾焚烧飞灰熔融温度与物相的影响

逯凡杰, 李长成, 叶家元, 刘啟明

2024, 43(6):  2206-2216. 

摘要 ( 43 )   PDF (24034KB) ( 18 )  

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高温熔融玻璃化是危险废物垃圾焚烧飞灰最安全的无害化处置技术。以高钙飞灰为研究对象,引入SiO₂、H₃BO₃和CaF₂助熔剂进行飞灰低温熔融处置,采用X射线衍射仪、灰熔点测定仪及电感耦合等离子体原子发射光谱仪表征飞灰熔融温度、物相变化及重金属浸出。结果表明,利用SiO₂(27.9%,质量分数)将飞灰碱度调整至1.10时,形成低熔点的CaSiO₃矿物,飞灰熔点由1 400 ℃以上降至1 300 ℃。引入H₃BO₃(4.5%,质量分数)、CaF₂(7.0%,质量分数)作为助熔剂时,可进一步将熔融温度降至1 200 ℃,但导致SiO₂超掺;经优化,复合助熔剂配方为SiO₂(20.0%,质量分数)、H₃BO₃(4.5%,质量分数)与CaF₂(7.0%,质量分数)时,飞灰最低熔融温度为1 124 ℃,熔融产物玻璃体含量达到87%(质量分数),酸浸出有害物质低于限值,满足GB/T 41015—2021标准对玻璃化处理产物的技术要求。

水玻璃固化冰碛物的强度及固结机理分析

杨朝义, 韩江峰, 朱乾坤, 丁林娜, 卞立波, 刘娟红

2024, 43(6):  2217-2224. 

摘要 ( 39 )   PDF (7919KB) ( 22 )  

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为解决普朗铜矿在开采过程中地表松散冰碛物堆积造成地面塌陷和泥石流的问题,本文采用水玻璃复合酯类固化剂制备固结材料固结冰碛物,对冰碛物固结体的抗压强度进行了研究,并通过XRD、FTIR、DSC-TG和SEM对水玻璃复合酯类固化剂固结材料固结冰碛物的固结机理进行了探究。结果表明,冰碛物固结体28 d抗压强度最高可达2.05 MPa,具有较好的固结性能。酯类固化剂作用下,水玻璃水解产物与酯类固化剂的水解产物反应生成乙酸钠和硅凝胶,硅凝胶起到了填充冰碛物颗粒之间的空隙、胶结冰碛物颗粒的作用。

陶瓷

无压烧结碳化硅防弹陶瓷材料研究进展

董新保, 任意, 汪洋, 刘福田

2024, 43(6):  2225-2240. 

摘要 ( 142 )   PDF (7923KB) ( 100 )  

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随着国际形势不断变化,各国冲突加剧,国防力量的提升是保证国家稳定发展的必要条件,防弹装甲是其中的关键一环。无压烧结碳化硅陶瓷由于制备工艺简单,具有低密度、高硬度、高强度等特性,被广泛应用于防弹装甲领域,其硬度和断裂韧性的高低直接决定防弹性能的优劣。促进烧结致密化以及多相复合烧结等方式是提高无压烧结碳化硅陶瓷硬度和断裂韧性的关键。本文针对无压烧结碳化硅防弹陶瓷材料的烧结助剂、增韧方式、陶瓷装甲的复合形式等方面,总结了近年来无压烧结碳化硅防弹陶瓷材料的研究进展。

钛酸铝-堇青石复相陶瓷的制备和性能研究

黄学辉, 陈文臻, 邓鹏辉, 胡祥奥

2024, 43(6):  2241-2249. 

摘要 ( 71 )   PDF (15725KB) ( 29 )  

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本研究以MgO为稳定剂,以堇青石为增强剂,通过固相反应法成功制备了钛酸铝-堇青石复相陶瓷,并系统研究了MgO和堇青石以及烧结温度对复相陶瓷物相组成、显微结构、烧结性能和热力学性能的影响。结果表明,MgO的引入促进了钛酸铝晶粒的合成和长大,降低了烧结温度,并通过形成Mg_xAl_2(1-x)Ti_(1+x)O₅固溶体提高了钛酸铝陶瓷的热稳定性。堇青石在烧结致密化和力学性能方面起着重要作用。在1 325 ℃烧结条件下,MgO含量为8.00%、堇青石含量为15.00%的样品表现出良好的性能,体积密度为3.49 g/cm³,气孔率仅为2.2%,抗弯强度达到66.8 MPa,热膨胀系数为2.6×10^-6 K^-1(室温至1 000 ℃)。研究结果为设计和制备具备优异综合性能的高温结构陶瓷提供了新的思路。

Al₂O₃粒度对CA₆轻质陶瓷材料结构与性能的影响

申天姿, 李文凤, 郭会师, 曹金金, 侯永改, 杜娟

2024, 43(6):  2250-2255. 

摘要 ( 70 )   PDF (4308KB) ( 40 )  

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为研究Al₂O₃粒度对CA₆轻质陶瓷材料结构与性能的影响,本文以平均粒径分别为80、61、45和38 μm的α-Al₂O₃为氧化铝源,以平均粒径为15 μm的轻质碳酸钙为氧化钙源,采用发泡法结合原位烧成工艺,经1 550 ℃保温5 h烧成后获得CA₆轻质陶瓷材料,研究不同粒度的Al₂O₃原料对其物相组成、显微结构和物理性能的影响。结果表明:随着α-Al₂O₃粒度的减小,CA₆轻质陶瓷的线收缩率、体积密度和热导率逐渐变小,显气孔率增大,压缩强度呈先增大后减小的趋势。综合考虑,以平均粒径为45 μm的α-Al₂O₃为氧化铝源所制试样的综合性能较佳,更能满足使用需求,其显气孔率、热导率和压缩强度分别为87.8%、0.149 W·m^-1·K^-1和0.29 MPa。

SiC含量对铝基复合材料性能的影响

王海涛, 林晨, 樊子民, 唐明强, 赵放, 乐晨, 陈义华, 黄源成

2024, 43(6):  2256-2261. 

摘要 ( 64 )   PDF (7099KB) ( 56 )  

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SiC增强铝基复合材料因具有高比强度、高导热与高耐磨等性能而被广泛应用于航空航天、电子封装与交通运输等领域。本文采用热压烧结法制备了SiC颗粒增强铝基复合材料,研究SiC含量对铝基复合材料微观组织及力学性能的影响。用X射线衍射、阿基米德排水法、洛氏硬度分析与三点抗弯法测定试样的物相组成、表观密度与力学性能,用SEM分析试样微观形貌,用激光闪射法测定导热系数。研究结果表明,随SiC颗粒体积分数从0%增加到60%,试样的硬度先增大后降低,在SiC体积分数为50%时达最大值,为90 HRB。试样的导热率先增加后降低,在SiC体积分数为30%时达到最大值,为324.05 W/(m·K)。随SiC体积分数增加,金属基体与增强体结合紧密,无明显孔隙。当SiC体积分数增加到60%,试样孔隙率增加,致密度降低,强度下降。

FeWO₄结晶釉的取向生长控制及光催化活性研究

李嘉胤, 吴锦涛, 黄玲艳, 张金津, 钟辛子, 程科木, 梁铎, 吴洋, 汪庆刚, 刘一军, 萧礼标, 曹丽云, 成智文, 黄剑锋

2024, 43(6):  2262-2268. 

摘要 ( 66 )   PDF (11468KB) ( 30 )  

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具有光催化活性的结晶釉结构对于陶瓷板材表面功能化具有重要的应用价值,但目前功能化表面结晶釉的结构控制及其生长方式对光活性的影响尚不明确。本研究以三氧化钨、硫酸亚铁、磷酸铝、高岭土等为原料,通过调控不同生长取向结构的FeWO₄结晶釉,在1 080 ℃成功烧制出高亲核性晶面暴露的结晶釉。结果表明,不同取向的结晶釉釉层呈现不同的晶面暴露,取向生长的结晶釉可以提供更高的催化活性,同时可以促使高亲核性的(100)晶面暴露,从而提高陶瓷板表面的光催化性能。本研究可为光功能化结晶釉材料表面功能化的设计和调控提供理论和实践参考。

氧化铁对建窑油滴釉呈色与析晶行为的影响

江财水, 周健儿, 方圆, 刘昆, 包启富, 吴军明

2024, 43(6):  2269-2278. 

摘要 ( 80 )   PDF (21319KB) ( 72 )  

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建窑油滴釉是中国古代最典型的铁系析晶釉之一,明晰氧化铁对析晶釉呈色与析晶的影响规律,能够为开发与创新多种呈色效果的铁系析晶釉提供科学依据和理论指导。本文采用XRD、Raman、SEM和EDS等测试方法,探究了不同氧化铁含量对釉熔体中析出晶体显微结构和釉面呈色的影响,揭示了釉层晶体结构对呈色的作用机制。结果表明,随着氧化铁含量增加,釉面析出棕黄色-银蓝色-银白色-银白泛红棕色的晶斑,晶斑呈色是由晶体的化学色与结构色耦合而成。晶斑中间区域的铁元素富集度高于边沿区域,优先发生ε-Fe₂O₃向α-Fe₂O₃的相变,形成不同的呈色效果。中间区域先析出2~4 μm的叶状ε-Fe₂O₃晶体,呈棕黄色;随着氧化铁含量增加,釉层中析出与釉面平行定向排列的棒状α-Fe₂O₃晶体,形成晶体薄膜,对光产生强反射而呈银白色;随着氧化铁含量继续增加,釉层中析出10~20 μm的树枝状α-Fe₂O₃晶体穿透晶体薄膜,薄膜产生的结构色(银白色)削弱,α-Fe₂O₃的化学色(红棕色)增强,耦合呈银白泛红棕色。边沿区域先析出大量30~50 nm的晶粒,产生瑞利散射,呈蓝色;随着氧化铁含量增加,表层棒状晶体也形成晶体薄膜,薄膜下层析出100~200 nm的板状纳米晶体,形成非晶光子晶体,产生相干散射呈蓝色,与反射的银白色耦合呈银蓝色。

纳米氧化铁调控钧瓷釉层显微结构及呈色分析

李旭, 朱聪旭, 法文君, 张艳鸽, 冯铭华, 郭志勇, 孔春生, 郑直

2024, 43(6):  2279-2286. 

摘要 ( 70 )   PDF (11017KB) ( 26 )  

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本文在钧瓷釉中添加不同质量分数的纳米氧化铁,分析在还原气氛(96%Ar/4%H₂)与氧化气氛(空气)烧制后钧瓷呈色及釉面显微结构的变化,采用分光测色计研究了颜色变化,利用X射线衍射仪、拉曼光谱仪研究了钧瓷物相成分,利用扫描电子显微镜研究了釉层微观结构。结果表明:随着纳米氧化铁含量梯度增加,还原气氛下钧瓷试片从淡青色变为蓝色再变为青灰色,氧化气氛下从白色变为黄色再变为酱黑色。当釉层中纳米氧化铁含量达到3.0%(质量分数)时,釉面SiO₂晶相完全消失,呈非晶态。随着纳米氧化铁含量的增加,釉面呈液-液分相结构,还原气氛下显微结构尺寸从85 nm增加至150 nm,且Fe²⁺相对含量上升。氧化气氛下,当釉面达到玻璃化后,分相结构尺寸从217 nm增加到307 nm。

玻璃

硝酸钡预处理高放废液玻璃固化体结构和抗浸出性能研究

宁海霞, 安红娜, 雷杰, 王宾, 吴浪

2024, 43(6):  2287-2293. 

摘要 ( 59 )   PDF (9654KB) ( 25 )  

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为提高硼硅酸盐玻璃对硫的包容能力,采用Ba(NO₃)₂将模拟高硫高钠废液中的SO^2-₄转变为BaSO₄,再利用熔融法制备硼硅酸盐玻璃固化体,研究了模拟高放废液掺量对玻璃固化体结构和抗浸出性能的影响。结果表明:采用Ba(NO₃)₂对模拟高硫高钠废液进行预处理后,废物包容量达到23%(质量分数)仍未发生分相;掺入模拟高放废液的玻璃固化体中的Na、B、Si元素归一化质量损失比纯硼硅酸盐玻璃低一个数量级,随着模拟高放废液掺量增加玻璃固化体抗浸出性能无明显变化。¹¹B和²⁹Si核磁共振谱分析表明,模拟高放废液的掺入使部分BO₃结构转变为BO₄结构,玻璃网络结构有所增强。

直流电熔炉岩棉熔体数值模拟研究

何德威, 孙诗兵, 康俊奇, 张旭东, 陈子龙, 王晶晶, 田英良

2024, 43(6):  2294-2300. 

摘要 ( 82 )   PDF (8595KB) ( 33 )  

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采用ANSYS软件对直流电熔炉岩棉熔体进行数值模拟,在稳定电压130 V、稳定熔体高度1 600 mm和进出料稳定状态下,改变阴极电极的插入深度,研究电熔炉熔体的温度分布、流场分布、电流密度分布状况。研究发现,熔体在阴极和阳极之间以及电极周围形成高温区,由阳极至阴极方向及入口对称侧由上至下方向,温度呈现降低趋势,入口侧温度由上至下方向呈现升高趋势。随着阴极插入深度增加,熔体的整体温度及相应的电流密度上升。阴极插入深度越深,整体温场升温幅度越大。在进料口侧和出料口侧,熔体因自然对流分别形成环流,环流具有的自搅拌和自均化作用对熔体均化具有重要的工艺意义。通过改变阴极插入深度可以提高熔体控制能力,有利于提高后续成纤效果与质量。

新型功能材料

CaBi₄Ti₄O₁₅-Bi(Fe_0.93Mn_0.05Ti_0.02)O₃铁电固溶体薄膜的制备及储能特性

余致尧, 王文文, 司景翔, 苑秀芳, 李成龙, 林秀娟, 杨长红

2024, 43(6):  2301-2309. 

摘要 ( 58 )   PDF (12010KB) ( 27 )  

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采用金属有机分解法结合旋涂技术,在Pt(111)/TiO₂/SiO₂/Si衬底上制备(1-x)CaBi₄Ti₄O₁₅-xBi(Fe_0.93Mn_0.05Ti_0.02)O₃(CBT-xBFMT,x=0,0.05,0.10,0.15)固溶体薄膜,通过X-射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、铁电分析仪和阻抗分析仪,系统研究了CBT基薄膜的储能性能。结果表明,所制备的薄膜均呈现出多晶铋层状结构,无杂相生成。BFMT的引入增大了薄膜的最大极化强度P_m和抗击穿场强E_b,并降低了漏电流密度。随着BFMT固溶量的增加,CBT-xBFMT薄膜的抗击穿场强E_b先增大后减小,在x=0.10处达到最大;最大极化强度P_m逐渐增加,在x=0.10处极化强度差最大;最大抗击穿场强和最大极化强度差的共同作用使CBT-0.10BFMT薄膜具有最佳储能特性,有效储能密度W_rec和储能效率η分别为82.8 J/cm³和78.3%,且储能稳定性(25~150 ℃)良好。CBT-0.10BFMT铁电薄膜有望应用于环境友好型小型能量储存器件。

道路材料

表面处理对再生骨料-沥青混合料路用性能的影响

杨飚, 杨刚, 陈静群, 周祖衡, 李庚英

2024, 43(6):  2310-2316. 

摘要 ( 46 )   PDF (7528KB) ( 18 )  

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为了提高混凝土再生骨料(RCA)的利用率,本文提出利用硫酸氢钠和氢氧化钙饱和溶液结合超声波和有机硅防水剂对RCA进行离子沉积处理的方法(MIP)。分析MIP处理对RCA的微观形貌、物理性能,以及沥青混合料油石比和路用性能的影响。研究结果表明,MIP处理后的RCA表面均匀且孔隙内沉积大量石膏、氢氧化钙和钙矾石等胶凝材料,压碎指标、磨耗值和吸水率显著降低;MIP处理可显著降低RCA-沥青混合料的最佳油石比,提高界面黏附性、水稳定性和高温稳定性;MIP处理后的混凝土再生骨料可取代60%(质量分数)的原生粗骨料,生产具有优良路用性能和较低最佳油石比的沥青混合料。