周健, 李伟华, 皮振宇, 徐名凤, 李辉, 聂松

2024, 43(8): 2711-2725.

摘要 ( 242 )

PDF (13243KB) ( 171 )

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碳化是复杂的物理化学过程,主要包括二氧化碳(CO₂)在水泥混凝土中的扩散、溶解和与可碳化物质的反应,最终造成水泥混凝土碱性的降低和钢筋的锈蚀,显著影响其耐久性能。硫铝酸盐水泥(CSA)具有快硬早强、耐硫酸盐腐蚀性能优异等特点,但其抗碳化性能较差,易导致水泥内部化学组成的改变和微观结构的劣化,最终将严重危害基础设施的正常服役。因此,明晰影响CSA碳化的因素,揭示CSA碳化机理具有重要的工程和科研意义。首先从CSA的水化产物出发,介绍了三硫型水化硫铝酸钙(AFt)、单硫型水化硫铝酸钙(AFm)及水化硅酸钙(C-S-H)的碳化机理;其次分析了材料因素对CSA抗碳化性能的影响;最后综述了CO₂矿化养护对CSA性能的提升作用,总结了目前CSA碳化研究的不足,为进一步研究CSA抗碳化性能提升方法和碳化利用方式提出了建议。

配FRP矩形箍混凝土梁的受剪承载力研究现状

王锦辉, 陆春华, 冯晨阳, 朱学武

2024, 43(8): 2726-2736.

摘要 ( 64 )

PDF (5755KB) ( 37 )

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钢筋在恶劣环境中极易发生腐蚀,导致混凝土构件的力学性能退化,而采用纤维增强复合材料(FRP)箍代替钢筋能有效规避这个问题。但FRP箍较低的弹性模量使得梁易产生脆性的剪切破坏,同时其各向异性的特点使得FRP箍筋的弯折强度大大低于直线段强度,导致配FRP矩形箍混凝土梁的受剪承载力低于钢筋混凝土梁。近20年来,国内外学者为了探究配FRP矩形箍混凝土梁的实际应用价值,进行了一系列实验研究及理论推导,提出了受剪承载力以及FRP箍筋弯拉强度的计算方法。本文全面总结了上述有关研究成果,并对今后的研究方向进行了展望,以期为该类结构构件的应用发展提供参考。

微生物自修复混凝土研究进展

韦双妮, 王英辉, 赖俊翔, 韦朝帅, 黄爱国, 姚胜勋, 翟晓凡, 孙丛涛

2024, 43(8): 2737-2747.

摘要 ( 177 )

PDF (3322KB) ( 122 )

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微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)自修复技术是一种环境友好、长期可行的修复方法,在混凝土裂缝修复领域已引起重点关注。本文在近年研究基础上总结归纳了不同种类微生物诱导矿化碳酸钙的沉积机理,并对比分析了当前所使用的微生物载体材料差异,建议选择微生物载体材料时综合考虑生物相容性、固载能力及修复效果等多因素的影响。其次,总结了微生物自修复混凝土表征方法,从抗压强度恢复率、裂缝表面愈合率、混凝土耐久性及微观分析等多方面综合评定裂缝修复效果。最后,结合微生物自修复混凝土研究进展,给出了未来研究发展的建议。

三元醇胺对胶凝材料水化影响的研究进展

周永芳, 张大江, 姜良知, 黄文, 王雷, 王剑锋

2024, 43(8): 2748-2757.

摘要 ( 74 )

PDF (9257KB) ( 46 )

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三元醇胺是一类常用于胶凝材料中的外加剂,能显著改变胶凝材料的水化进程,并对胶凝材料的强度造成影响,但不同分子结构三元醇胺的性能及作用机制差异尚未得到统一解释。本文总结了三元醇胺对胶凝材料强度及水化的影响,探索了不同分子结构三元醇胺导致胶凝材料力学性能不同的原因,最后对三元醇胺未来的研究发展趋势进行了展望。

溶蚀水泥浆弹性模量预测的分步解析法

齐丰妍, 张坚, 宋文炳, 王海龙, 高云

2024, 43(8): 2758-2767.

摘要 ( 56 )

PDF (4921KB) ( 30 )

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在低碱度环境中混凝土内部钙离子的溶出是引起混凝土内部孔隙率显著增大,进而使力学性能减退的重要原因。为深入研究水泥浆溶蚀后弹性模量的退化规律,建立了一种预测溶蚀水泥浆弹性模量的分步解析法。首先将水化水泥颗粒视作由未水化水泥颗粒(UC)、高密度水化凝胶(H-HL)和低密度水化凝胶(L-HL)组成的三相复合球,通过引入由UC和H-HL组成的等效夹杂相(EQ),三相复合球模型就可以简化为由夹杂相和L-HL组成的等效水化水泥颗粒模型,最后利用弹性理论求解由等效水化水泥颗粒和溶蚀水泥浆孔隙率组成的两相复合球弹性模量。通过对比第三方数值结果,验证了分步解析法的有效性。基于本文建立的解析方法,分析了水化度、氢氧化钙(CH)与水化硅酸钙(C-S-H)的体积比、高密度水化硅酸钙(C-S-H_a)与低密度水化硅酸钙(C-S-H_b)体积比三个重要参数对溶蚀水泥浆弹性模量的影响。本研究给出了水泥浆溶蚀后弹性模量退化的解析方法,可为混凝土钙溶蚀后的耐久性设计提供一些参考。

疏水性侵蚀抑制剂对水泥水化影响及作用机理分析

张进飞, 马麒, 穆松, 郭政, 庄志杰, 乔宏霞, 洪锦祥

2024, 43(8): 2768-2777.

摘要 ( 83 )

PDF (10147KB) ( 68 )

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疏水性侵蚀抑制剂使混凝土具有优异疏水效果,抑制了侵蚀性环境中介质传输,然而其作用机制尚未明确。本文对水泥浆体在不同疏水性侵蚀抑制剂(CAHA)掺量下的水化行为进行了研究,探究了其对水泥水化放热、水化物相、表面接触角、抗压强度等性能的影响。研究结果表明,CAHA降低了水泥浆体第一水化放热峰并延缓水泥水化,在水化前期抑制了钙矾石和氢氧化钙的生成,这种抑制作用在高掺量下更为显著。CAHA一定程度上降低了砂浆早期抗压强度,对28 d抗压强度影响并不明显。CAHA显著降低砂浆吸水率并使其具有疏水性。通过比对,推荐CAHA最佳掺量为胶凝材料质量的6%,此时水泥砂浆抗压强度损失较小且抗侵蚀性能明显提升。

醋酸乙烯-乙烯改性抹灰砂浆早期干燥收缩分析

陈成文, 邵立荣, 王金光, 单俊伟, 景宏君, 郭美蓉, 叶万军

2024, 43(8): 2778-2787.

摘要 ( 40 )

PDF (6229KB) ( 36 )

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为缓解抹灰砂浆的早期干燥收缩,本文采用醋酸乙烯-乙烯(VAE)改性抹灰砂浆,通过正交试验探究了VAE、水胶比、粉煤灰、重钙对水泥砂浆早期干燥收缩的影响规律,采用灰色关联度分析了各因素对早期干燥收缩的影响程度,并采用核磁共振技术从细观尺度分析了VAE改性抹灰砂浆的孔隙结构分布。结果表明:各因素对砂浆早期干燥收缩影响程度由大到小依次为水胶比、VAE掺量、重钙掺量、粉煤灰掺量,并且最优组合为水胶比0.45、VAE掺量3%(质量分数,下同)、重钙掺量0%、粉煤灰掺量20%;VAE掺量在3%左右时,砂浆“三峰”峰值均有所降低,横向弛豫时间T₂谱积分面积最小,减少了有害孔和多害孔数量,此时砂浆孔结构分布均匀、形态复杂;VAE影响下砂浆的早期干燥收缩值与孔隙结构分形维数呈负相关函数,孔隙尺寸分布越均匀,形态越复杂,砂浆抵抗早期干燥收缩性能越强;实际工程中可以通过调节水胶比、VAE掺量控制砂浆的早期干燥收缩,通过调节粉煤灰、重钙掺量控制成本投入。

外加剂对碱激发胶凝材料干燥收缩性能的影响

范小春, 杨东升, 张宇, 高旭, 喻立举

2024, 43(8): 2788-2796.

摘要 ( 63 )

PDF (6041KB) ( 33 )

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为了进一步改善碱激发胶凝材料的收缩特性,探索了单掺有机减缩剂(聚乙二醇和乳胶)、无机膨胀剂(CaO、MgO和石膏)对矿渣粉煤灰复合碱激发(AASF)体系水化产物组成、孔隙结构和收缩特性的影响。结果表明,在所有的外加剂中,聚乙二醇减缩效果最显著,外掺1%(质量分数)聚乙二醇的AASF试样的91 d干燥收缩仅为1 683 με,相较于对照组最大降低29.7%,这主要归因于孔隙结构的显著粗化。聚乙二醇和乳胶对AASF的抗压强度有一定的负面影响,主要源于水化反应程度的降低和整体孔隙率的增加。三种无机膨胀剂在AASF体系中发挥出的收缩补偿效果不强,但对抗折强度有显著的增益效果。

纳米C-S-H/PCE对蒸养UHPC力学性能增强机理研究

伍勇华, 易昂, 何娟, 匡玉峰, 原毅冰

2024, 43(8): 2797-2805.

摘要 ( 61 )

PDF (9447KB) ( 53 )

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目前超高性能混凝土(UHPC)制品的力学性能有待进一步提升,采用纳米C-S-H/PCE对UHPC进行增强在理论上是一种可行的技术途径。本文研究了蒸养条件下掺入以聚羧酸(PCE)为分散剂的纳米水化硅酸钙(C-S-H/PCE)对UHPC力学性能的影响,通过测试水化热、水化产物、微观形貌和孔结构等对其机理进行了分析。结果表明,掺入3.0%(质量分数)纳米C-S-H/PCE可以显著提高蒸养UHPC的抗压强度和抗折强度。掺入纳米C-S-H/PCE可以促进UHPC的早期水化,生成更多的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶,使水化放热温峰增高,并缩短达到水化温峰的时间。掺入纳米C-S-H/PCE可有效改善蒸养UHPC的孔结构,在掺量为3.0%(质量分数)时总孔隙率最小,有害孔比例最低。该研究可为纳米C-S-H/PCE在蒸养UHPC中的应用提供参考。

橡胶-机制砂UHPC压缩破坏特性及能量演化特征

葛进进, 高小羽, 陈佩圆, 黄伟, 张礼明, 杜苏永

2024, 43(8): 2806-2816.

摘要 ( 61 )

PDF (9550KB) ( 77 )

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为减少超高性能混凝土(UHPC)的河砂用量,改善其压缩破坏特性,本研究通过设计四因素四水平正交试验,分析了机制砂、橡胶颗粒、水胶比和钢纤维在不同水平状态下对UHPC流动性和抗压强度的影响,获得了综合性能最佳的优选组,并探究了橡胶-机制砂UHPC的压缩破坏能量演化特征。结果表明:1)在各因素中,对UHPC拌合物的流动性和抗压强度影响最大的因素分别为水胶比和钢纤维,随着水胶比增加,UHPC的流动性显著增加,而抗压强度与钢纤维掺量之间为正效应;2)当橡胶和机制砂替代河砂掺量分别10%和40%(橡胶为等体积替代河砂,机制砂为等质量替代河砂,相当于节约了50%的河砂)时,试件抗压强度仍达到118.5 MPa;3)从破坏形态和能量演化看,钢纤维和橡胶颗粒混掺后UHPC表现出脆-延转换力学特征,优选组UHPC在达到应力峰值时较对照组保持了较好的完整度。

MgO膨胀剂对超高性能混凝土(UHPC)工作性的影响及其机理研究

李建华, 周锴, 邓强, 赵中军, 张伟, 唐国旺, 邹杰, 李婷饴, 袁荟凯

2024, 43(8): 2817-2826.

摘要 ( 53 )

PDF (15302KB) ( 42 )

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超高性能混凝土(UHPC)因卓越的耐久性能和力学性能而在工程领域具有广阔的应用前景。然而,UHPC收缩性较大,限制了其进一步推广和发展。氧化镁(MgO)膨胀剂具有膨胀稳定、活性可控的特点,并且与UHPC相适应,因此被视为有良好应用前景的UHPC膨胀剂。本研究旨在探讨不同活性和掺量的MgO膨胀剂对UHPC工作性的影响,并通过XRD和SEM等手段进一步解释不同活性MgO膨胀剂对UHPC工作性的影响机理。研究结果表明,在掺入MgO膨胀剂的UHPC中,在低速剪切下观察到剪切稠化现象,而在高速剪切下观察到剪切稀化现象。与水泥颗粒相比,MgO膨胀剂颗粒对水具有更强的吸附能力。因此,MgO膨胀剂的活性越高,UHPC的流动性降低越显著,且UHPC的动态屈服应力增加,这在实际工程中需要更多的泵送能量。

数字化分布钢纤维增强水泥基复合材料方凳数值模拟研究

慕儒, 范春豪, 王晓伟, 陈向上, 卿龙邦, 梅少林, 曹诚祥, 刘海洋

2024, 43(8): 2827-2834.

摘要 ( 42 )

PDF (8139KB) ( 28 )

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掺入钢纤维可以改善水泥基复合材料的抗拉性能及韧性,通过主拉应力分布设计钢纤维方向及掺量,实现钢纤维数字化分布,能充分发挥钢纤维在基体中的增强作用。本文以方凳为研究对象,通过数值模拟建立了拉应力大小、方向和钢纤维分布的关系,确定了方凳中钢纤维的数字化分布,并进行了方凳控制截面受力性能分析。在方凳面板跨中截面处,数字化分布钢纤维分布数量分别比定向、随机分布钢纤维提高了187%、514%,钢纤维合力分别提高了276%、888%;在侧板上端正截面处,数字化分布钢纤维分布数量分别比定向、随机分布钢纤维提高了113%、355%,钢纤维合力分别提高了218%、775%。结果表明,与定向、随机分布钢纤维相比,数字化分布钢纤维增强作用明显提高,方凳面板跨中截面及侧板上端正截面处的钢纤维数量更多,钢纤维合力更高。

冻结井壁仿钢纤维混凝土动静态力学性能和微观结构研究

王瑞, 姚直书, 方玉, 王佳奇

2024, 43(8): 2835-2847.

摘要 ( 45 )

PDF (19510KB) ( 24 )

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为改善冻结井壁高强混凝土脆性特征,提高其抗裂性和韧性,提出采用仿钢纤维混凝土作为冻结井壁筑壁材料。通过优选材料和正交试验,得到不同配合比的仿钢纤维高性能井壁混凝土,并对其进行静态、动态力学性能及微观结构等试验研究。结果表明,在基准混凝土中掺入15%(质量分数)粉煤灰和0.54%(体积分数)聚丙烯仿钢纤维(PPTF)后,混凝土的抗拉、抗弯强度分别提高了29.46%、26.72%,其脆性特征得以明显提高。相比于基准组,最佳配合比的仿钢纤维混凝土韧性增强显著,在0~0.012应变范围内其韧性指数提高了40.83%,且失效后的破坏形态更完整。掺入PPTF、粉煤灰有效抑制了冻结井壁混凝土内部微裂隙的产生和扩张,混凝土表现出更为致密的微观结构以及更高的宏观力学性能。

基于磁场定向钢纤维的高性能混凝土性能研究

刘同军, 张冲, 徐笃军, 张继才, 李芳, 张秀芝

2024, 43(8): 2848-2857.

摘要 ( 41 )

PDF (7801KB) ( 17 )

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本文利用磁铁设计了一种高性能混凝土中钢纤维的定向方法,通过改变减水剂掺量调节混凝土的工作性能,研究了钢纤维定向效果与混凝土流变性能、力学性能的关系。结果表明,随着聚羧酸减水剂质量分数增大,混凝土屈服应力和塑性黏度逐渐降低,流动度增大。当减水剂质量分数大于2.5%后,屈服应力和流动度逐渐趋于稳定,但塑性黏度仍保持降低趋势。屈服应力和塑性黏度越低,纤维定向效果越好。未定向的钢纤维方向系数在0.479~0.526,而在磁场作用下定向的钢纤维方向系数为0.815~0.912,掺入定向钢纤维后混凝土抗折强度提升了24.0%~43.3%,韧性指数I₂₀提升了38.4%~69.9%。此外,磁场对钢纤维分散性没有明显影响,定向试件与未定向试件的抗压强度无明显差异。

钢筋混凝土的负泊松比设计与抗高速冲击性能

刘进, 张芸, 马衍轩, 李梦瑶, 王鹏, 张建, 王公斌, 张鹏, 高嵩

2024, 43(8): 2858-2870.

摘要 ( 60 )

PDF (19744KB) ( 34 )

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为增强钢筋混凝土的抗高速冲击性能,对钢筋混凝土的内部骨架进行负泊松比设计,得到两种内凹角数量不同的六肋及星型钢筋混凝土。利用霍普金森压杆试验对不同类型的钢筋混凝土进行抗高速冲击性能测试,并结合数字散斑相关方法对其场变化及微观泊松比进行分析,得到内凹角数量对钢筋混凝土破坏形态、承载力及耗能能力的影响规律和机理。结果表明:六肋和星型钢筋混凝土在抗高速冲击作用下出现了负泊松比,分别为-0.50和-1.00;从应变场来看,六肋和星型钢筋混凝土的最大应变均出现在内凹角附近,且以内凹角为中心向四周逐渐减小;随着钢筋结构内凹角数量的增加,钢筋混凝土的变形能力和能量耗散能力显著增强。单位体积内六肋和星型钢筋混凝土的耗能分别为1.76×10⁵和1.86×10⁵ J/m³,是方形钢筋混凝土的1.17倍和1.23倍,表明负泊松比钢筋混凝土的耗能能力随钢筋内凹角数量的增多而增强。

氧化铝纤维掺量及长度对混凝土力学性能和微观结构的影响

吕圆芳, 闫铁成, 杨永东, 卢同平

2024, 43(8): 2871-2878.

摘要 ( 55 )

PDF (12249KB) ( 33 )

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氧化铝纤维(AOF)是一种新型多晶陶瓷纤维材料,具有较好的亲水性。以AOF为改性材料,制备了氧化铝纤维改性混凝土(AOFMC),通过测试AOFMC的抗压强度、抗折强度和劈拉强度,分析了AOF掺量和长度对混凝土力学性能的影响,确定了AOF的最佳掺量和长度。在此基础上,研究了AOF对不同强度等级混凝土(C40、C50、C60)力学性能的增强作用。此外,结合扫描电子显微镜和压汞试验,分析了AOF对混凝土微观结构的影响。结果表明:AOF掺量和长度对混凝土力学性能的提高效果相互制约,当AOF长度为12 mm、体积掺量为0.2%时,AOFMC的力学性能最佳;随着强度等级的增大,AOF对混凝土力学性能的提高效果不断增大;AOF与混凝土基体结合良好,从而提高了混凝土的力学性能;在C50混凝土中,AOF主要被拔出,而在C60混凝土中,AOF部分被拉断;当AOF长度较小时,AOF可以填充混凝土内部孔隙。

PE/PP混杂纤维应变硬化碱激发复合材料力学性能研究

王彦朝, 吕景辉, 王英倡, 郭永昌

2024, 43(8): 2879-2887.

摘要 ( 40 )

PDF (9591KB) ( 22 )

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应变硬化碱激发复合材料(SHAAC)兼具低碳环保和高韧性的优点,但高昂的成本限制了其工程应用。为降低成本,研究采用PP纤维替代PE纤维,开发了一种混杂PE/PP纤维SHAAC,并通过轴压与轴拉试验及成本分析,探讨了不同PP纤维替代率(0%、25%、50%、75%和100%,体积分数)对混杂PE/PP纤维SHAAC的轴压、轴拉性能和成本的影响。结果表明:采用PP纤维替代PE纤维时,SHAAC的轴压、轴拉强度及裂缝控制能力随着纤维替代率的增加而降低,但在PP纤维替代率低于75%时,SHAAC仍可呈现伪应变硬化和多缝开裂现象;当PP纤维替代率为50%时,SHAAC极限拉伸应变最高(8.40%),且能保持较高的轴压和轴拉性能,同时成本可降低29.00%,且综合性能与成本比值最高。

基于正交试验的泡沫混凝土导热性能和孔结构研究

李琳, 王宇, 马玉莹, 沈寒琪, 罗江红

2024, 43(8): 2888-2896.

摘要 ( 55 )

PDF (9044KB) ( 60 )

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以硫铝酸盐水泥、粉煤灰为胶凝材料,采用正交试验法研究了发泡剂、减水剂、增稠剂对于泡沫混凝土导热性能的影响并确定最优组合。制备5组不同密度(300、400、500、700、900 kg/m³)泡沫混凝土,采用Photoshop图像处理软件对各组样品截面图进行二值化处理,并利用Image-Pro Plus软件对孔隙率、圆度值和孔径分布等孔结构特性进行分析。结果表明,影响泡沫混凝土导热系数的各因素主次顺序为增稠剂、发泡剂、减水剂。泡沫混凝土的密度与孔隙率呈负相关,相关系数R²为0.91;密度越大,圆度值为1的孔隙占比越大。不同密度等级泡沫混凝土的孔径分布近似服从对数正态分布,孔径主要集中于200 μm,且大孔径比例随着密度的增大而逐渐降低。

盾构隧道用聚合物双液浆性能及水化机理研究

张书豪, 靳利安, 李宗奇, 申路, 崔圣爱

2024, 43(8): 2897-2904.

摘要 ( 40 )

PDF (7404KB) ( 41 )

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为了解决盾构隧道施工过程中注浆浆液流失大、稳定性差等问题,选用聚丙烯酰胺(PAM)、丁苯乳液(SBR)及羧甲基纤维素钠(CMC-Na)三种聚合物为原材料,研制了盾构隧道用聚合物双液浆注浆材料。对聚合物双液浆的基本性能和抗水分散性进行测定,同时结合CT测试和水化热测试,分析了不同种类聚合物双液浆的孔隙结构和水化机理。结果表明: 0.5%(质量分数)PAM的早期缓凝效果最明显,抗水分散性最优,CMC-Na具有提升后期强度增长速率的作用;聚合物的掺入会增大孔隙尺寸,扩大孔径分布范围,减少孔的数量; SBR对C₃A的溶解反应有显著影响,CMC-Na对水化加速阶段C-S-H的生成起控制作用。

预吸水空心玻璃微珠的内养护作用研究

渠亚男

2024, 43(8): 2905-2911.

摘要 ( 39 )

PDF (6711KB) ( 28 )

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本文采用预吸水空心玻璃微珠制备内养护砂浆,研究了预吸水空心玻璃微珠的释水特性及减缩效果,探明了内养护水在水泥水化进程中的作用,阐明了预吸水空心玻璃微珠的内养护作用机制。结果表明,空心玻璃微珠表面开孔孔径尺寸为1~20 μm。在相对湿度为97.5%的环境中,预吸水空心玻璃微珠的释水百分比大于95%。将预吸水空心玻璃微珠引入内养护水后,随着内养护水胶比增加,内养护砂浆的自收缩逐渐减小。内养护水可以提高水泥浆体内部的相对湿度和水泥的水化程度,显著延长水泥浆体的湿度饱和期,从而减小混凝土/砂浆的早期自收缩。

典型固废基烧结陶粒工艺、重金属转化行为及其应用现状分析

柯国鹏, 徐浩, 杨如柱, 陈智斌, 董淑玉, 庄官政, 曾武, 李耀晃, 刘敬勇, 钟胜, 杨佐毅, 李磊

2024, 43(8): 2912-2923.

摘要 ( 63 )

PDF (2713KB) ( 45 )

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当前存在大量的固体废物得不到妥善处理,而利用固体废物来烧结陶粒符合可持续发展理念,是一种可行的资源化方式。本文首先阐述了三种典型固废烧结陶粒工艺过程的差异以及烧结过程中的一些关键工艺;其次,分析了产品陶粒中七种重金属Cr、Zn、Cu、Cd、Ni、Pb和As在上述烧结过程中的固定与挥发过程,并总结了可能影响这一过程的六种因素;最后,总结了陶粒产品在混凝土、水处理、吸声材料和陶粒支撑剂等四个主要领域以及其他新兴方向的研究和应用现状,并提出了当前陶粒重金属迁移固化以及陶粒研究应用存在的一些问题和展望,为固废烧结制备陶粒过程及后续陶粒产品使用中的重金属污染防控提供参考。

铝酸钠对磷石膏矿渣干硬水泥性能的影响机理

唐佩, 文嘉祺, 陈伟

2024, 43(8): 2924-2932.

摘要 ( 54 )

PDF (8295KB) ( 27 )

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磷石膏矿渣水泥是一种低碳水泥,该体系中反应物矿粉的溶出速度较慢,导致凝结时间长,早期强度低。降低水灰比并使用干压成型方式制备干硬水泥,通过颗粒的紧密堆积提供初始强度,但极低的水灰比使反应进行缓慢,因此提出通过外掺铝酸钠促进早期产物产生及后期矿渣水化。通过抗压强度、水化放热、物相分析以及微观形貌观测研究外掺铝酸钠对干硬水泥性能的影响。结果表明,铝酸钠的掺入能够促进磷石膏矿渣干硬水泥水化的进行,且在早期生成更多的水化产物以提升强度的发展,后期能促进矿粉的持续水化,掺加铝酸钠试块在各个养护龄期的强度均高于对照组,掺量为混合粉体质量的0.5%时效果最佳。

脱硫石膏对碱激发胶凝材料性能及微观结构的影响

倪振坤, 薛力梨, 丁艳玲, 刘红飞, 刘开富

2024, 43(8): 2933-2940.

摘要 ( 69 )

PDF (7952KB) ( 42 )

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将工业副产脱硫石膏引入碱激发胶凝材料,拟解决其高碱含量时凝结硬化过快问题,同时考察力学性能和水化反应特征,研究脱硫石膏对碱激发胶凝材料宏观性能影响规律,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等微观分析手段探索脱硫石膏对碱激发胶凝材料的作用机理。结果表明:脱硫石膏的引入可以有效延缓碱激发胶凝材料的凝结时间,且脱硫石膏掺量与凝结时间呈正相关,与强度、水化速率和累积放热量呈负相关,综合考虑,脱硫石膏掺量不宜超过9%(质量分数);脱硫石膏掺入后,碱激发胶凝材料水化产物中并未生成大量钙矾石晶体,且微观结构疏松,从而导致材料强度降低。

酸激发剂对固废材料活性激发效果的影响

张会芳, 龚琳洋, 陈洁, 张玉栋, 曹慧, 刘哲颖, 李玉宽, 魏文博, 刘凯宏

2024, 43(8): 2941-2951.

摘要 ( 40 )

PDF (13500KB) ( 26 )

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为了探究酸激发剂种类和浓度对固体废弃物的活性激发效果,采用控制变量法,选用三种酸溶液作为激发剂对粉煤灰和矿渣进行活性激发,激发后的粉煤灰和矿渣混合作为胶凝材料取代30%(质量分数,下同)的水泥,选用全铁尾矿砂和全再生骨料两种材料分别作为灌浆料试件的两种细骨料进行试验。试验结果表明:经适量浓度的酸激发剂浸泡激发的固废材料活性得到不同程度的提升;对比全铁尾矿砂试验组和全再生细骨料试验组的强度发现酸激发剂对再生骨料试验组的强度提升效果较好;对于同种细骨料的试验组,盐酸对试件强度提升效果较好。当酸溶液种类相同时,浓度为1%的草酸溶液、1%的醋酸溶液、2%的盐酸溶液对铁尾矿砂试验组的提升效果较好;浓度为1%的草酸溶液、3%的醋酸溶液、1.5%的盐酸溶液的再生骨料试验组提升效果较好。通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析发现使用酸激发胶凝材料,试件中石英和钙矾石相对含量上升,说明酸激发能够促进水化反应的进行。

煤气化渣替代矿渣制备超硫酸盐水泥的可行性研究

窦占双, 魏力, 王梦梦, 王冲, 贾小龙, 门光誉, 李瑞杰

2024, 43(8): 2952-2960.

摘要 ( 41 )

PDF (9325KB) ( 24 )

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煤气化渣(CGS)富含硅、铝元素,具备作为胶凝材料前体的潜力,但其颗粒形态粗糙,活性较低。为了解决CGS活性低、利用难等问题,利用CGS部分替代矿渣(BFS),探究CGS替代BFS制备超硫酸盐水泥(SSC)的技术可行性,并借助傅里叶红外光谱、X射线衍射仪、热重分析仪、扫描电子显微镜及能谱仪等微观测试技术对SSC水化产物的微观结构进行表征分析。结果表明,CGS作为制备SSC的原料,能提供初始水化所需要的硅、铝元素,驱动SSC发生水化反应。随着CGS掺量的增加,SSC胶砂的抗压强度呈逐渐减小趋势,而抗折强度受影响较小。CGS的最佳掺量为20%(质量分数),在此掺量下胶砂试样的28 d抗折强度最大,抗压强度也达到43.9 MPa。SSC的水化产物主要是水化硅酸钙、水化硫铝酸钙等凝胶。研究结果显示CGS部分替代BFS完全可用于制备SSC。

铅锌冶炼渣基胶凝材料固化电镀污泥研究

石燿铭, 李东伟

2024, 43(8): 2961-2974.

摘要 ( 32 )

PDF (17690KB) ( 22 )

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电镀污泥是含有各类重金属的危险废物。本文利用铅锌冶炼渣制备胶凝材料,评估该胶凝材料对固化电镀污泥效果,并阐明了有机聚合物对固化过程的影响机制。结果表明,在碱含量为3.5%(质量分数)、水玻璃模数1.4、液固比0.22条件下,铅锌冶炼渣基胶凝材料可安全固化2.5%(质量分数)的电镀污泥;与未加有机聚合物相比,加入有机聚合物后复合胶凝材料对电镀污泥的固化量提高一倍,同时抗压强度提高27.45%,此时总Cr浸出浓度从20.05 mg/L降低至13.65 mg/L,低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3—2007)规定的限值。固化体的矿物组成、微观形貌、化学键和原子价态分析表明,在铅锌冶炼渣中Fe(II)和有机聚合物共同作用下,能有效降低Cr毒性,提高重金属离子固定率。本研究为安全处置电镀污泥及综合利用铅锌冶炼渣提供了新思路。

铁尾矿泥对全尾矿混凝土强度及早期收缩性能的影响

马欣蕊, 肖林林, 崔佳祺, 余子康, 杨明镜, 孙建恒

2024, 43(8): 2975-2983.

摘要 ( 44 )

PDF (5479KB) ( 18 )

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为了最大程度地利用铁尾矿资源,实现混凝土的绿色可持续发展,本文采用铁尾矿泥作掺合料,铁尾矿碎石和铁尾矿砂分别作为粗、细骨料,配制强度等级为C30的全尾矿混凝土。将20%、30%和40%(质量分数)比表面积为320和432 m²·kg^-1的铁尾矿泥作为全尾矿混凝土掺合料,研究铁尾矿泥掺量和细度对混凝土工作性能、力学性能和早期收缩性能的影响。结果表明:当铁尾矿泥的细度为320~432 m²·kg^-1、掺量在20%~30%时, 与以粉煤灰为掺合料的常规混凝土相比,全尾矿混凝土劈裂抗拉强度提高了6.6%~12.8%,7 d收缩率减少了10.4%~26.3%。微观结构分析表明,当掺量在20%~30%时,铁尾矿泥作为掺合料可以提高混凝土的密实性,降低全尾矿混凝土的早期收缩。

再生细骨料对高延性水泥基复合材料力学性能及碳化耐久性的影响

吴寅佳, 王新杰, 朱平华, 孙伟豪, 熊磊

2024, 43(8): 2984-2995.

摘要 ( 60 )

PDF (12321KB) ( 44 )

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为促进再生细骨料(RFA)在高延性水泥基复合材料(HDCC)中的应用,研究了RFA取代率(0%、25%、50%、75%、100%,质量分数)对HDCC抗压强度、拉伸性能、四点弯曲强度和碳化耐久性的影响。结果表明,随着RFA取代率提高,HDCC的抗压强度逐渐下降,但拉伸性能与弯曲强度显著提高。100%RFA取代率下HDCC峰值应变为3.06%,弯曲强度为7.9 MPa,较天然细骨料HDCC分别提升了31.33%和11.27%,表现出良好的延展特性。当RFA取代率高于50%时,有助于提高HDCC的碳化耐久性。基于测试结果进行拟合,建立了关于RFA取代率的HDCC碳化深度预测模型。

全再生骨料堆石混凝土性能研究

邓鑫, 李军, 卢忠远, 李晓英, 侯莉, 蒋俊, 犹娅, 张俊瑾, 何科文

2024, 43(8): 2996-3004.

摘要 ( 47 )

PDF (15864KB) ( 57 )

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随着建筑固体废弃物排放量逐年增加,传统处理方式面临资源浪费和环境破坏等问题。本文利用再生细骨料和再生细粉制备的自密实砂浆灌注废旧混凝土块石堆积间隙,最终形成再生骨料堆石混凝土。研究结果表明,再生细粉的掺入使自密实砂浆截锥流动度和泌水率分别降低了6.1%~16.7%和7.7%~30.8%。再生细粉取代水泥降低了自密实砂浆7 d抗折强度,但对28和60 d抗折强度影响较小。再生细粉取代再生细骨料在水灰比为0.45时增加了砂浆7和28 d的抗压强度。随着养护龄期延长,堆石混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度的增长速率逐渐降低,再生细粉取代再生细骨料在低水灰比下提高了混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度。混凝土的力学强度和抗冻性受到水灰比、胶凝材料含量和骨料级配的影响。

粗骨料全替代再生混凝土的孔结构与力学性能分析

张玉栋, 张佳帅, 贾吉龙, 李晓辰, 霍刚, 谢龙, 孟志鹏, 高玉增, 曹颖卓

2024, 43(8): 3005-3016.

摘要 ( 61 )

PDF (20990KB) ( 44 )

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为提高建筑垃圾利用率,采用两种来源不同且性质差异较大的再生粗骨料来制备满足工程需求的大流动性再生混凝土,在粗骨料全替代下研究不同品质再生粗骨料及不同矿物掺合料对再生混凝土工作性、力学性能及孔结构的影响,并确定其最优配合比。结果表明:与天然粗骨料相比,再生粗骨料内部含有较多裂缝,掺入粉煤灰和矿粉后,部分颗粒填充于骨料内部缝隙之间,有利于改善混凝土和易性,但不利于混凝土强度发展。孔结构分析表明气泡体积占比越小,有益气泡占比越大,对混凝土越有利。综合考虑各项性能,推荐最优配合比为双掺粉煤灰10%(质量分数,下同)、矿粉5%,此时再生混凝土工作性满足大流动性的要求,强度满足C30强度等级要求。

MgAlON-Al₂O₃复相陶瓷的热压烧结制备及性能

徐勇, 靖正阳, 陈浩, 陈博文, 涂兵田, 王皓

2024, 43(8): 3017-3025.

摘要 ( 64 )

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MgAlON与α-Al₂O₃的光学折射率相近,两种材料构成的复相陶瓷有望在保持较好光学性能的同时获得优化的显微结构及机械和热性能。本研究基于Van-de-Hulst理论对MgAlON-Al₂O₃复相陶瓷的光学透过行为进行预测,发现其理论直线透过率随α-Al₂O₃含量降低和晶粒尺寸减小而增大,且在波长为2 μm处达86%。在热压烧结制备的复相陶瓷中,α-Al₂O₃通过晶界钉扎效应有效抑制了MgAlON晶粒的长大。随着烧结温度升高,复相陶瓷中的α-Al₂O₃含量下降,陶瓷的光学透过率上升,机械性能和热导率降低。1 500~1 650 ℃烧结的1 mm厚样品在波长为4 μm处的最大直线透过率大于72.6%。其中,1 600 ℃烧结样品的最大直线透过率为76.1%,弹性模量为321.69 GPa,硬度为15.93 GPa,四点抗弯强度为268.09 MPa,断裂韧性为2.41 MPa·m^1/2,热导率为13.98 W·m^-1·K^-1。

烧结温度及机械活化时间对陶瓷固废制备陶瓷砖的影响

宁高朋, 周正元, 夏光华, 吴文新, 曹天忆, 陈雨珊

2024, 43(8): 3026-3033.

摘要 ( 56 )

PDF (6120KB) ( 29 )

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陶瓷的生产、使用和废弃过程会产生大量的固体废物,这些陶瓷固废大多只能露天堆放或填埋处置,其资源化利用程度很低。本文以陶瓷固废为主要原料,在三乙醇胺和毫米级氧化锆球的协同作用下对陶瓷废弃物机械活化处理,探究不同机械活化时间和烧结温度对废瓷粉烧结性能的影响。结果表明:机械活化6 h后能将废瓷粉的中位粒径D₅₀从4.329 μm减小到0.141 μm,打破了废瓷粉中有序的Si—O四面体结构,使其无定形化程度加深,进而提高粉体的烧结活性。烧结温度的升高不仅能增加液相的生成量,使其填充颗粒间的孔隙,提高样品的致密度,还能促进透辉石的生成,优化样品物理性能。在烧结温度950 ℃、保温0.5 h后,样品抗折强度为51.63 MPa,吸水率为0.386%,体积密度为2.342 g/cm³,符合《陶瓷砖》(GB 4100—2016)中BIa类标准(平均抗折强度≥35 MPa,吸水率≤0.5%)瓷质砖要求。本文提供了一种“以废制新”的新方法,实现了废陶瓷的有效回收利用。

基于氧化石墨烯/SiO₂的LAS玻璃薄膜涂层的制备及耐腐蚀性能研究

常习政, 张继红, 贺建雄, 李军葛, 谢俊

2024, 43(8): 3034-3044.

摘要 ( 46 )

PDF (8531KB) ( 38 )

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本文在研究不同质量氧化石墨烯(GO)在水和乙醇中的分散性,以及GO粉末和GO水分散液与正硅酸乙酯(TEOS)水解液的复合分散作用的基础上,以TEOS和GO为原料,采用溶胶-凝胶法制备了GO/TEOS溶液,并使用旋涂法在锂铝硅(LAS)玻璃表面镀膜,分析了GO/二氧化硅(SiO₂)膜层的表面形貌和断面形貌、断面元素分布,研究了GO/SiO₂膜层对LAS玻璃耐腐蚀性能的影响。结果表明,当GO质量为0.05 g、去离子水为15 mL时,GO在水中具有良好的分散性,加入TEOS水解液后可形成均匀镀膜液。将旋涂法表面镀膜后的LAS玻璃在氮气气氛和600 ℃热处理2 h后获得致密GO/SiO₂薄膜,碳元素分析表明,GO在膜层中均匀分布。对比分析无镀膜、SiO₂薄膜以及GO/SiO₂复合薄膜对LAS玻璃在盐酸(HCl,1 mol/L)溶液、氢氧化钠(NaOH,质量分数5％)溶液中的腐蚀性的影响,证明GO/SiO₂复合薄膜可以提高LAS玻璃的耐酸腐蚀性能。

不同K值含Ag碱硼硅酸盐玻璃的析晶行为研究

王良, 冯晋阳, 李博涵, 赵修建, 马晓, 伍冬华, 何勇涛, 胡宇浩

2024, 43(8): 3045-3052.

摘要 ( 32 )

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基于K₂O-B₂O₃-SiO₂三元体系玻璃,在固定玻璃组成参数R值的基础上,设计了不同玻璃组成参数K值含Ag碱硼硅酸盐玻璃。采用熔融法制备了基础玻璃,在析晶温度范围内经过一步法热处理,所有样品内部都析出了球形的AgCl晶粒。研究表明,玻璃组成参数K值对含Ag碱硼硅酸盐玻璃体内AgCl晶粒的析出产生了明显影响。对于设计制备的弱分相体系玻璃,玻璃组成参数K值的改变可以影响玻璃网络的聚合度,但玻璃的分相并不是影响玻璃析晶的主要因素。通过玻璃结构分析,玻璃组成参数K值的改变能够对ZrO₂在玻璃网络中的存在状态产生影响,进而降低ZrO₂在玻璃网络中的溶解度,增加了基础玻璃中的成核位点,从而对含Ag碱硼硅酸盐玻璃的AgCl析晶行为产生重要影响。

硅灰制备硅/碳化硅纳米复合材料及其储锂性能研究

黄海铭, 杜静, 谢捷洋, 陈情泽, 朱润良

2024, 43(8): 3053-3062.

摘要 ( 51 )

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硅负极的体积效应导致锂离子电池的循环寿命短且容量迅速衰减,如何提高硅负极材料的循环稳定性至关重要。采用了熔盐辅助镁热还原法,通过使用含有单质碳的工业固体废弃物硅灰,成功设计了一种碳化硅增强的硅纳米材料(SF-Si),所制备的SF-Si样品不仅保留了SF本身存在的SiC,还将单质碳转化为SiC,使样品中的SiC含量达到了16.4%(质量分数)。与经过热处理去除单质碳的硅灰制备的硅材料(H-SF-Si)相比,SF-Si负极材料表现出更好的循环性能和倍率性能,即第1圈2 584.76 mAh·g^-1的高比容量和第100圈时具有83%的容量保持率,并且在高电流密度5 A·g^-1下的平均容量仍为877.28 mAh·g^-1,这主要归因于更高的SiC含量。研究表明,硅灰在锂离子电池硅负极领域具有应用潜力,其碳元素在制备硅基纳米材料时发挥积极的作用。

背界面纳米光子结构提高透明导电氧化物基超薄Cu(In,Ga)Se₂太阳能电池电学性能的理论探究

李航瑜, 宋浩, 涂野, 裴寒宁, 殷官超

2024, 43(8): 3063-3070.

摘要 ( 44 )

PDF (3211KB) ( 25 )

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透明导电氧化物(TCO)基超薄Cu(In,Ga)Se₂(CIGSe)太阳能电池具有建筑光伏一体化的潜力,然而由于背肖特基结的存在,其增大背复合速率S_b在提高空穴传输的同时也增加了光生电子背复合,从而抑制了其性能的提高。本文使用1D-SCAPS软件对背界面纳米光子结构(NPs)如何提高电池的性能进行理论探究,结果表明,背界面NPs的引入产生了复杂的电学效应。一方面,NPs本身不吸收光能,从而降低了背界面附近的有效光吸收体积,导致背界面光生载流子浓度降低,光生电子的背复合显著降低;另一方面,NPs的引入增加了吸收层厚度,导致空间电荷区(SCR)远离背界面,降低了其对光生电子的收集效率,增加了背复合。在高背复合速率(S_b=1.0×10⁷ cm·s^-1)下,光生载流子浓度降低产生的背复合降低大于SCR移动产生的背复合增加,因此总体的背复合降低。与此同时,背复合的降低还缓解了高S_b时的光生电子损耗,从而解除了随S_b增大而增加的背复合对电池性能的抑制。这些发现为设计和优化TCO基超薄CIGSe太阳能电池提供了参考。

KGM/CNC碳气凝胶定型共晶盐芒硝复合相变材料的制备及热性能研究

孙增宝, 柳馨, 铁生年

2024, 43(8): 3071-3078.

摘要 ( 32 )

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为解决水合盐相变材料(PCM)的泄漏问题,探究成本更低且绿色环保的碳气凝胶用以定型封装水合盐相变材料,本文以魔芋葡甘聚糖(KGM)和纤维素微晶(CNC)为原料通过定向冷冻铸造和高温碳化成功制备出KGM/CNC碳气凝胶。以添加0.2%(质量分数)纳米碳颗粒的Na₂SO₄·10H₂O-Na₂HPO₄·12H₂O共晶盐(EHS)为相变基质,采用真空浸渍法制备魔芋葡甘聚糖/纤维素微晶复合相变材料(KGM/CNC PCM)。利用SEM、EDS、XRD、Raman、FTIR、XPS和BET对KGM/CNC碳气凝胶结构组成进行分析,采用DSC和TG对KGM/CNC PCM进行热性能研究。结果表明,KGM/CNC碳气凝胶与EHS具有良好的相容性,KGM/CNC PCM可负载98.3%(质量分数)EHS,熔融焓和结晶焓可达273.3和239.1 J·g^-1,经5 000次固液循环后,仅分别下降1.4%和2.8%。本文解决了水合盐相变材料循环稳定性差的问题,有助于进一步推动水合盐相变储能材料的应用。

介孔La_1-xSr_xMnO₃催化剂的COK-12纳米浇铸法制备

黄学辉, 胡祥奥, 陈文臻, 邓鹏辉

2024, 43(8): 3079-3088.

摘要 ( 30 )

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钙钛矿型催化剂在汽车尾气净化方面具有良好的应用潜力。本文以表面活性剂P123为软模板剂,廉价的硅酸钠为硅源,在近中性条件下制备了介孔材料COK-12。并以此为基础,以对二甲苯为扩容剂对COK-12进行改性,得到了大孔径、有序的介孔材料。随后以改性介孔材料为模板剂,采用纳米浇铸法结合溶胶-凝胶法制备了介孔La_0.8Sr_0.2MnO₃催化剂。结果显示,在550 ℃下合成的催化剂具有较大的比表面积(72.11 m²/g),表面Mn⁴⁺/Mn³⁺和O_ads/O_lat摩尔比最高。此外,样品的CO催化性能测试转化表明,550 ℃下合成的样品具有最好的催化活性和优秀的高温稳定性,其特征温度T₅₀和T₉₀分别为180和218 ℃。

利用粉煤灰制备Ni负载的微波吸收材料

朱保顺, 田玉明, 牟维鹏, 高云峰, 丰铭, 李慧宇

2024, 43(8): 3089-3097.

摘要 ( 38 )

PDF (17659KB) ( 38 )

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粉煤灰(CFA)的回收利用对缓解日益严重的环境污染具有重要意义。本文以CFA为原料,利用简单的“一锅法”设计合成负载Ni的复合微波吸收材料(Ni/CFA-x),以实现低成本吸收材料的制备和CFA资源回收利用。研究表明,随硝酸镍前驱体溶液浓度的增加,材料的吸波效果先增强后减弱。负载适量的金属Ni颗粒,使得材料介电和磁性组分之间的有效复合表现出显著增强的微波吸收性能。当硝酸镍前驱体溶液浓度为1.0 mol/L时,材料的吸波效果最佳,在2.0 mm涂层厚度下,材料最小反射损耗达到-47.9 dB,对应的有效吸收带宽达到4.2 GHz。材料优异的吸波性能主要源于金属Ni颗粒与一定石墨化程度碳引起的导电损耗及其与CFA基体各组元间的界面极化损耗。

微米PS环氧树脂增韧钢-CFRP界面机理及力学性能研究

陈卓异, 严子卓, 刘雁, 彭岚

2024, 43(8): 3098-3108.

摘要 ( 41 )

PDF (10659KB) ( 21 )

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为强化钢-碳纤维复合材料(CFRP)胶粘界面环氧树脂的强度和韧性,添加聚苯乙烯(PS)微球提升环氧树脂的力学性能。研究了常温固化工艺下微米PS增韧环氧树脂的拉伸、弯曲和冲击性能,利用扫描电子显微镜(SEM)观察了环氧树脂拉伸断面的微观形貌,分析了微米PS颗粒对环氧树脂的增强增韧机理,开展了钢-CFRP胶粘界面力学性能试验。结果表明,PS质量分数从0%增加到5.00%时,胶粘剂的拉伸强度、拉伸弹性模量、弯曲强度、弯曲模量、断裂伸长率、弯曲挠度及冲击强度随着PS掺量的增加呈先增大后减小的趋势。基体断裂时PS颗粒会产生大变形或阻碍微裂纹发展,从而达到增韧的目的,较大掺量的PS颗粒在树脂中粘附团聚导致环氧树脂的力学性能下降。随着PS掺量从0%增加到2.50%,钢-CFRP胶粘试件的破坏形态从钢板脱胶、胶层内聚破坏逐渐过渡到CFRP板层离,双搭接试件的抗拉强度逐渐提高,2.50%掺量的微米PS增韧环氧树脂在钢-CFRP胶粘界面中表现出良好的力学性能。

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