高明爽, 潘慧敏, 赵庆新

2024, 43(11): 3895-3910.

摘要 ( 105 )

PDF (3734KB) ( 110 )

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喷射混凝土是一种广泛应用于建筑和土木工程领域的材料,孔结构对喷射混凝土的宏观性能与耐久性有着重要影响。本文对孔结构模型进行了总结,阐述和比较了孔结构的测试方法,系统分析了养护温度、外加剂、水胶比、矿物掺合料、泵送压力和时间等因素对喷射混凝土孔结构的影响,深入探讨了孔结构对喷射混凝土抗冻性能、抗渗性能、抗碳化性能及抗化学侵蚀性能的影响,并对喷射混凝土孔结构未来的研究方向提出了展望。

机制砂特性及其对混凝土性能影响的研究进展

朱洪洲, 杜俊池, 陈祥, 杨耸, 谭祺琦

2024, 43(11): 3911-3922.

摘要 ( 67 )

PDF (1524KB) ( 62 )

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随着天然砂开采的受限,机制砂的使用成为必然趋势。机制砂与天然砂的成砂过程差别较大,导致二者性能有着显著差异,这些差异影响了机制砂混凝土的性能。为了推进机制砂的应用,使制备的机制砂混凝土工作性能和力学性能满足应用要求,本文从机制砂的制备方法、颗粒特性及混凝土配合比对混凝土性能的影响展开分析,系统地总结了机制砂母岩岩性、石粉含量、颗粒形貌、级配以及混凝土配合比等对机制砂混凝土性能的影响,提出了现有研究的局限性以及亟待解决的问题,为后续研究提供参考。

相变混凝土抗冻性研究现状及发展方向

张逸超, 梁佳彤, 虞凯凯, 俞坚, 李轩, 刘志成, 李彤, 房延凤

2024, 43(11): 3923-3934.

摘要 ( 34 )

PDF (5244KB) ( 39 )

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混凝土的抗冻性是混凝土耐久性评价的关键指标,外部环境正负温循环影响和混凝土饱水度变化所引发的冰胀应力和静水应力将会使混凝土结构产生内外裂缝,降低混凝土的强度和刚度,损伤混凝土结构的整体性、稳定性和耐久性,甚至诱发贯穿性裂缝,直至破坏。利用相变材料在相变过程中释放潜热补偿缓解混凝土内部孔隙水冻结,从而达到改善混凝土抗冻性的目的,对延长混凝土结构的服役寿命有重要意义。本文总结分析了国内外利用相变材料改善混凝土抗冻性的研究进展,提出了目前研究中亟待解决的问题与相变混凝土未来研究的发展方向。

混凝土氯盐-硫酸盐耦合侵蚀机理、模型及数值模拟研究进展

李国满, 李浩然, 邱国斌, 黎俊伶, 张瑞

2024, 43(11): 3935-3946.

摘要 ( 42 )

PDF (7583KB) ( 47 )

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服役于滨海和内陆盐渍土环境中的钢筋混凝土结构,易受氯盐和硫酸盐的耦合侵蚀,面临着较为突出的结构耐久性问题。目前关于单一氯盐或硫酸盐对钢筋混凝土的侵蚀过程已有较多试验与数值模型研究,而氯盐和硫酸盐耦合侵蚀的相关研究则相对有限。因此,本文归纳了国内外近几年的研究成果,探讨了单一盐侵蚀与氯盐-硫酸盐侵蚀的机理差异,讨论了硫酸根离子对氯离子传输速率和结合能力的影响规律;比较了现有关于氯盐-硫酸盐复合环境对钢筋混凝土的侵蚀模型,从离子传输过程、化学反应以及孔隙膨胀三个方面阐述了各侵蚀模型的构建流程,总结了目前应用的数值模拟方法。最后,评述了目前关于钢筋混凝土的氯盐-硫酸盐耦合侵蚀研究情况,并对后续研究作出了展望。

降粘型外加剂的复配及对水泥水化性能影响

王林, 杜艮坤, 潘月凡, 许钰波, 田喜颖, 郭宏

2024, 43(11): 3947-3957.

摘要 ( 28 )

PDF (7823KB) ( 24 )

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高强、超高强混凝土的胶凝材料用量较大且水胶比较低,导致混凝土拌合物的粘度较大,工作性能较差,进而影响施工质量,因此本文复配出一种新型降粘型外加剂,以聚羧酸减水剂母液、消泡组分、引气组分、流变剂、缓凝组分、早强组分为复配功能小料,通过单因素试验和正交试验,研究不同组分对水泥净浆粘度、流动度以及水泥胶砂强度的影响,从而确定降粘型外加剂的最佳配比。通过水化热、XRD测试研究该降粘型外加剂对水泥水化放热和水化产物的影响。试验结果表明:降粘型外加剂的最佳制备工艺的质量比为m(减水剂母液)∶m(聚醚消泡剂)∶m(AE-Ⅱ)∶m(三萜皂甙)∶m(流变剂)∶m(三聚磷酸钠)∶m(六偏磷酸钠)∶m(葡萄糖酸钠)∶m(柠檬酸)∶m(硫代硫酸钠)∶m(硫酸钠)=1 000∶3.5∶0.5∶1.5∶4∶10∶5∶15∶5∶15∶10;当水泥浆体中掺入降粘型外加剂后,水泥水化放热速率得到延缓、水化产物生成量受到抑制。

氨基三亚甲基膦酸和磷酸二氢钾改性发泡硫氧镁水泥

张玉婷, 侯占利, 乔紫璇, 付新宇, 杨红健, 刘晓莉

2024, 43(11): 3958-3967.

摘要 ( 20 )

PDF (9560KB) ( 30 )

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以有机膦酸-氨基三亚甲基膦酸(ATMP)为改性剂制备发泡硫氧镁水泥(FMOSC),分别探究ATMP单掺改性及ATMP与磷酸二氢钾(KDP)复合改性对FMOSC干密度、抗压强度、耐水性能等性能的影响。通过孔结构分布、XRD、FT-IR、TG-DSC、FESEM等多种微观测试、分析和表征手段,对改性前后FMOSC的物相组成及微观形貌进行分析。结果表明,相比于ATMP单掺改性,复合改性在m(ATMP)∶m(KDP)=1∶1、总掺量1.00%(质量分数,下同)时效果最佳,对FMOSC的耐水性能和孔结构有显著优化作用。改性剂的加入使FMOSC的物相组成发生改变,生成了新的强度相5Mg(OH)₂·MgSO₄·7H₂O(5·1·7相)。

石墨烯与羟基化石墨烯复掺对水泥砂浆性能的影响

张逸舟, 苏俊儒, 郑城, 王迎豪, 蒲云东, 张惠一, 袁小亚

2024, 43(11): 3968-3975.

摘要 ( 28 )

PDF (7760KB) ( 24 )

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为了解决石墨烯(G)在水泥浆体中易团聚的问题,本文采用分散性较好的羟基化石墨烯(HO-G)与石墨烯复掺的方法来改善石墨烯的团聚现象,研究了不同质量比石墨烯与HO-G复掺对水泥砂浆力学性能和耐久性的影响,并对28 d的砂浆试样进行了MIP、SEM和XRD微观测试。结果表明,石墨烯与HO-G复掺后展现出更显著的增强增韧效果,同时改善了水泥砂浆的耐久性,但对水泥砂浆工作性能影响较小。当石墨烯与HO-G复掺的质量比为3∶7时,水泥砂浆力学性能达到最佳,与空白组相比,28 d抗折强度、抗压强度分别提升了11.1%和26.2%。石墨烯与HO-G复掺能够细化水泥砂浆内部的孔隙,调控水泥水化产物的生长,促使水泥石内部结构更加规整致密,进而提升水泥砂浆试件的耐久性。

不同龄期与灰砂比胶结充填体力学损伤特性及断口形貌分形特征研究

张贺, 刘艳章, 黄诗冰, 胡谱达, 夏永西, 曹文耀, 苏旭

2024, 43(11): 3976-3985.

摘要 ( 17 )

PDF (8582KB) ( 15 )

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为探究龄期与灰砂比对充填体力学损伤特性及破坏断口形貌分形特征的影响,以及充填体力学损伤特性与断口形貌分形特征的关系,采用某金属矿全尾砂制备5种灰砂比胶结充填体试样,对4种养护龄期下的试样开展孔隙率测试、声波波速测试、单轴压缩及破坏断口形貌扫描试验;基于应变等价原理构建充填体损伤演化方程,表征充填体损伤特性,采用“小岛法”计算断口形貌分形维数,量化表征分形特征。结果表明:充填体单轴抗压强度与弹性模量随龄期延长呈指数型增长,随灰砂比增加而增大,与断口形貌分形维数呈指数型递减关系;充填体的损伤演化过程分为初步损伤、损伤加速增长和损伤破坏三个阶段;充填体破坏断口形貌分形维数随龄期延长呈指数型减小,随灰砂比增大而减小,龄期对灰砂比越大的充填体的分形维数影响效果越显著;充填体峰值应力处损伤值与断口形貌分形维数呈线性负相关关系。

脉冲气体劈裂下套壳料的声发射特征及破坏模式研究

张延波, 张磊, 侯宁, 黄峰

2024, 43(11): 3986-3995.

摘要 ( 16 )

PDF (14995KB) ( 18 )

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为解决袖阀管注浆中套壳料出浆裂缝少所导致的注浆压力大、浆液扩散均匀性差问题,提出了采用脉冲气体来对套壳料进行预先劈裂造缝的方法,对套壳料在脉冲气体作用下的声发射特征及裂缝演化机制进行了研究。基于自主搭建的脉冲气体加载装置,并联合声发射无损检测技术,开展了脉冲气体劈裂套壳料的试验研究。通过声发射参数分析了套壳料破坏过程中的声发射特征,评价了脉冲气体劈裂效果;综合RA-AF分析法及高斯混合模型(GMM),对套壳料发育裂缝类型进行了识别。研究结果表明:整个声发射演化过程可分为裂缝产生及扩展(Ⅰ)阶段、峰后破坏(Ⅱ)阶段;从声发射特征来看,龄期为3、5 d的脉冲气体劈裂效果比7 d时更好;综合抗压强度要求,A2组套壳料龄期为5 d时的劈裂效果最优;随着加载的进行,RA-AF数据点向高RA值、低AF值区移动,拉伸裂纹占比减小,剪切裂纹占比增大;套壳料破坏模式是以剪切破坏为主的拉剪混合破坏。

养护制度对重晶石防辐射混凝土强度的影响机理研究

司鹏超, 薛凯喜, 周子勤, 王升福, 胡艳香, 欧阳志辉

2024, 43(11): 3996-4003.

摘要 ( 20 )

PDF (24316KB) ( 14 )

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为了进一步提高防辐射混凝土的强度,本文通过设置四种养护制度:标准养护、蒸汽养护、组合养护1(3 d蒸汽养护+25 d标准养护)和组合养护2(7 d蒸汽养护+21 d标准养护),研究不同养护制度下的重晶石防辐射混凝土的强度,并通过扫描电子显微镜(SEM)研究不同养护制度对防辐射混凝土水化产物、界面过渡区(ITZ)、纤维和钢丸的粘结性能。实验结果发现,蒸汽养护和组合养护相比于标准养护均提升了防辐射混凝土的强度,其中蒸汽养护的28 d抗压强度和劈裂抗拉强度相较于标准养护提升最大,分别提高了12.7%和9.5%,高温高湿的养护环境均会激发硅灰的火山灰活性,促进Ca(OH)₂参与二次水化生成蜂窝状的C-S-H凝胶,并形成针状或柱状的钙矾石(AFt),使微观结构更加致密;同时会提升防辐射混凝土内部ITZ的稳定性,减小缝隙;并且纤维和钢丸与基体粘结性能更优,抗拉拔效果更好,其中蒸汽养护效果更为明显。本文为防辐射混凝土的研究提供了新的参考。

多尺度碳纤维改性混凝土的力学性能及抗冻性

方莹, 文祝

2024, 43(11): 4004-4011.

摘要 ( 16 )

PDF (7333KB) ( 18 )

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本文将微米级碳纤维(CFs)和纳米级纳米碳纤维(CNFs)掺入混凝土中,制备了一种纳米碳纤维改性混凝土(CNFsMC,CNFs体积掺量为0.3%)和四种多尺度碳纤维改性混凝土(MCFsMC,CNFs体积掺量固定为0.3%,CFs体积掺量分别为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%),研究了多尺度碳纤维对混凝土力学性能及抗冻性的影响,并分析了多尺度碳纤维对混凝土的改性机理。结果表明:在掺加0.3%CNFs的基础上,掺加适量的CFs可进一步提高混凝土的力学性能和抗冻性。当CFs掺量为0.10%时,MCFsMC的力学性能和抗冻性最佳,冻融循环前、后的总孔隙率和平均孔径最小,其抗压强度、抗折强度、折压比、劈裂抗拉强度分别较CNFsMC增大了13.93%、25.08%、9.83%、20.15%,冻融循环200次后其质量损失率仅为0.95%,相对动弹性模量达89.2%,强度损失率均小于14%。CNFs和CFs具有正混杂效应,两者可以优势互补,构建多尺度阻裂网络,对不同尺寸的裂缝有效发挥作用,对混凝土的力学性能和抗冻性起到双重增强的效果。

纳米炭黑改性高强混凝土的力学和压敏性能

易碧良, 李庚英, 王林彬, 高寒

2024, 43(11): 4012-4018.

摘要 ( 22 )

PDF (6339KB) ( 15 )

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高强混凝土具有优良的力学性能和耐久性,是重大工程最常用的建造材料,提升高强混凝土的压敏性能,实现对混凝土结构健康的自监测和检测,可以防止因结构失效而引发的重大安全事故。本文利用微细钢纤维和纳米炭黑构筑了28 d强度超过80 MPa的高强混凝土,研究了纳米炭黑掺量对高强混凝土力学性能和压敏性的影响。结果表明:纳米炭黑影响混凝土的力学性能,当掺量为水泥质量分数的0.05%时,与对照组相比,混凝土的抗压强度和抗折强度分别提高了21.0%~33.0%和9.6%~33.8%;纳米炭黑可改善高强混凝土的压敏性能,掺量越高则压敏性能越显著、噪声越小、稳定性越好;纳米炭黑改性高强混凝土的力-电信号间遵循指数函数关系,拟合度为0.923;纳米炭黑对高强混凝土压敏性能的影响符合渗流原理,渗流阈值约为0.1%,此时平均灵敏系数提高了5.0倍。

养护工艺对无砂大孔再生混凝土性能影响研究

徐晨洋, 张志柱, 张鹏飞, 李秋义, 孔哲, 郭远新, 陈明旭

2024, 43(11): 4019-4026.

摘要 ( 23 )

PDF (10838KB) ( 14 )

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为解决天然骨料资源浪费与再生骨料应用领域受限的问题,本文利用天然骨料与再生骨料制备无砂大孔再生混凝土,并通过力学性能、显微硬度、扫描电子显微镜和X射线衍射分析等试验对干燥、喷水和覆膜状态下的无砂大孔再生混凝土宏观与微观性能进行探究。结果表明,不同养护工艺影响了普通硅酸盐水泥的水化反应过程,无砂大孔再生混凝土的“蜂窝”结构和再生骨料特性使水化过程更加复杂。覆膜状态下的养护效果最优,其次为干燥养护,而喷水养护效果最差。在显微硬度和扫描电子显微镜测试中发现,喷水养护状态下,混凝土基体内部自由水吸收增加,导致混凝土膨胀,从而降低了骨料与水泥基质界面的黏结性和硬度值。另外,在X射线衍射分析结果中氢氧化钙等水化产物的组成也进一步证实了三种养护工艺对无砂大孔再生混凝土的影响。

预养护与碳化时间对泡沫混凝土碳化效果的影响及分析

刘宇航, 罗平, 蒋杉平, 刘骥, 敬代焱, 刘荣进

2024, 43(11): 4027-4035.

摘要 ( 28 )

PDF (16763KB) ( 31 )

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碳矿化技术是封存CO₂、解决温室效应问题最直接有效的技术之一。不锈钢渣的主要成分为γ-硅酸二钙(γ-C₂S),是一种极具碳化潜力的材料。本研究以质量分数为80%的不锈钢渣和矿粉为主要原料,制备等级为A12干密度的泡沫混凝土,在0.4 MPa、60 ℃的碳化环境下研究预养护时间和碳化时间对泡沫混凝土抗压强度和固碳率的影响。结果表明,最佳的预养护时间为2 d,预养护1和2 d的泡沫混凝土抗压强度均在碳化3 d后达到峰值,预养护2 d的泡沫混凝土抗压强度比预养护1 d的泡沫混凝土抗压强度提升了51.19%。碳化3 d时,预养护1和2 d的泡沫混凝土固碳率分别为9.94%和12.10%。本研究在简易的碳化环境下,利用工业固废实现碳矿化过程,既大量消纳固废,又封存二氧化碳,具有重要的意义。

含初始孔隙的堆石混凝土动态抗压性能研究

余雷, 乔浩洋, 王国冀, 刘云柯, 任涛, 杨韬

2024, 43(11): 4036-4046.

摘要 ( 13 )

PDF (14131KB) ( 20 )

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初始缺陷被视为影响混凝土力学特性的主要因素之一。本文采用聚苯乙烯(EPS)颗粒预制了堆石混凝土(RFC)的初始缺陷,以孔隙率定量缺陷含量,系统开展了4种孔隙率RFC在4种应变速率下的单轴压缩试验,探究了应变速率与孔隙率对RFC破坏模式、抗压强度、弹性模量和临界应变的影响。结果表明:不同工况下RFC破坏模式均呈现类似“沙漏”型;RFC的抗压强度、弹性模量和临界应变均具有应变速率强化效应。随着孔隙率增加,RFC的抗压强度、弹性模量和临界应变对应变速率的敏感性不断减弱;相较于应变速率而言,孔隙率对RFC抗压强度、弹性模量与临界应变的影响更为显著。此外,基于Sargin模型,构建了含初始孔隙的RFC动态本构模型,该模型可用于描述含初始孔隙的RFC在低应变速率下的力学行为。

纤维素纤维引气混凝土的耐久性及气孔结构研究

马超, 朱健

2024, 43(11): 4047-4054.

摘要 ( 14 )

PDF (4173KB) ( 15 )

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为了弥补引气剂造成的强度损失,进一步提高混凝土的耐久性,在混凝土中加入纤维素纤维和引气剂,研究了纤维素纤维掺量(0.08%~0.12%,体积分数)和含气量(2%~4%)对混凝土力学性能的影响,确定了引气混凝土的含气量。通过塑性收缩试验、抗渗试验、硫酸盐-干湿循环试验和冻融试验,研究了纤维素纤维对引气混凝土耐久性的影响。结合气泡间距分析试验,分析了纤维素纤维引气混凝土的气孔结构。结果表明,引气剂的加入降低了混凝土的力学性能,纤维素纤维提高了混凝土的力学性能,混凝土的含气量不宜大于3%。纤维素纤维可以提高引气混凝土的抗收缩性、抗渗性、抗硫酸盐侵蚀性和抗冻性。当纤维素纤维掺量为0.10%时,纤维素纤维引气混凝土的力学性能和耐久性均最佳。引气剂明显改善了混凝土的气泡体系特征,当含气量大于或等于3%时,纤维素纤维引气混凝土的气泡间距系数均小于250 μm。

不同海水压力下海上风电基础用灌浆料的基本力学性能

蒋光遒, 李智, 周兴政, 张阔纪, 吴兆旗

2024, 43(11): 4055-4060.

摘要 ( 19 )

PDF (4678KB) ( 21 )

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海上风电基础结构与钢管桩之间通常采用灌浆方式进行连接。随着海上风电向深远海发展,风电基础结构与钢管桩灌浆连接在水下的应用位置越来越深。为明确海水压力对灌浆料基本力学性能的影响,将灌浆料试件置于压力容器养护后,进行抗压强度、抗折强度、弹性模量等基本力学性能测试,并利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜等分析了物相组成和微观结构。结果表明:经过压力环境养护后,灌浆料抗压强度提高;海水压力不但不会产生“楔入”作用,反而进一步提高了灌浆料的密实度;当海水压力从0 MPa增大到0.75 MPa时,灌浆料的抗压强度、抗折强度、弹性模量分别增大了10.7%、2.9%、16.7%;海水压力不会改变灌浆料的物相组成,但是会降低内部孔隙率,增大密实度,从而提高其力学性能。

聚丙烯纤维增强水泥基复合材料单轴拉伸损伤本构模型研究

贾毅, 赵强, 韦朝宽, 宋浩博, 李唐伟, 沈先桃

2024, 43(11): 4061-4071.

摘要 ( 23 )

PDF (7736KB) ( 21 )

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聚丙烯纤维增强水泥基复合材料(PP-ECC)是具有良好性能且成本低、应用前景广的延性材料。本文通过单轴拉伸试验,讨论不同纤维掺量对PP-ECC受拉力学性能(初裂应力应变、峰值应力应变、应力-应变关系曲线和弹性模量)的影响。根据单轴拉伸的试验结果,参考现有的工程水泥基复合材料(ECC)损伤本构模型和损伤理论,定义损伤因子,构建PP-ECC抗拉特征的损伤本构模型,并对损伤因子拟合函数进行改进,损伤因子的拟合函数选用了一元六次函数,利用Origin和Matlab程序辅助计算和识别损伤因子函数中的相关参数。经过优化的本构模型与试验结果的一致性更高,模型的精确度有了显著提升。

基于工业固废的低碳高贝利特硫铝酸盐水泥研究进展

何世钦, 李发文, 孙晓燕, 王海龙

2024, 43(11): 4072-4082.

摘要 ( 31 )

PDF (7792KB) ( 40 )

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基于工业固废开发高贝利特硫铝酸盐水泥是实现建筑业低碳可持续发展的重要手段,高贝利特硫铝酸盐水泥作为一种早期强度高、后期强度发展良好的胶凝材料,应用前景广阔。本文从高贝利特硫铝酸盐水泥的制备工艺流程、水泥性能方面对已有研究进行了总结,分析了煅烧制度对水泥熟料目标矿物成分的影响及最佳煅烧制度评判标准,对比了不同煅烧制度下的能耗,并对三元体系和四元体系水泥的抗压强度发展规律和水泥水化性能进行了阐述,为工业固废的利用和低碳高贝利特硫铝酸盐水泥的深入研究与广泛应用提供参考。

地质聚合物在污水治理领域中的研究进展

刘博研, 彭新盼, 郭昭呈, 刘琦, 范丽花, 宋学锋

2024, 43(11): 4083-4098.

摘要 ( 26 )

PDF (10650KB) ( 32 )

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地质聚合物指以铝硅酸盐类工业固体废弃物、烧黏土为原料,在化学激发作用下经“解聚-缩聚-重构”过程制备的新型无机胶凝材料。与传统硅酸盐水泥相比,地质聚合物制备过程低碳环保、结构可控、性能可调,被誉为21世纪最具发展前景的绿色胶凝材料。同时,地质聚合物因形成过程与人工合成沸石相似,具有沸石矿物的物质和结构遗传特性。基于沸石的离子交换吸附特性,以地质聚合物为吸附材料应用于污水治理迅速成为研究热点。本文归纳了地质聚合物的合成机理与结构特性,概述了地质聚合物在污水治理领域中的研究现状,探讨了地质聚合物在污水治理领域面临的问题与发展前景。

煤矸石基人造集料影响因素及成型机制分析

赵有南, 闫人伟, 张太庆, 翟新明, 王昊宇, 邓威, 熊锐

2024, 43(11): 4099-4106.

摘要 ( 22 )

PDF (12371KB) ( 14 )

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煤矸石经煅烧处理后呈现良好的力学性能,具备烧制成集料的潜力。研究了煤矸石/长石的不同配比、成型压力及煅烧温度对集料物理性能的影响,并采用灰熵法对各影响因素显著性进行了分析;借助SEM及XRD对集料微观形貌与晶相组成进行了探究。结果表明:原料配比与煅烧温度均对集料物理性能影响显著;煤矸石比例过高降低了体系中液相含量及液相黏度,且煅烧产生的气体无法逸出导致集料内部形成较多孔隙及微裂纹,劣化了集料力学特性,而提高长石粉比例及煅烧温度有利于晶体成核;随着钾钠霞石熔融,K⁺、Na⁺含量增加并与[AlSiO₄]结合形成钾长石与钙长石,促进集料内部结构密实。本研究可为促进煤矸石的精准消纳提供有益参考。

道路用水泥-粉煤灰流态固化土宏观力学性能与细观行为研究

郭聚坤, 曹芯芯, 马永明, 惠迎新, 黄亚娟, 沈丙尧

2024, 43(11): 4107-4118.

摘要 ( 22 )

PDF (20743KB) ( 17 )

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为探究水泥-粉煤灰流态固化土宏观力学性能和细观行为演化规律,利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)测试方法,结合力学试验与颗粒流(PFC)离散元数值仿真试验,研究了不同配合比流态固化土在冻融作用下的强度特性,分析了其细观形貌和裂隙演化特征。研究结果表明:流态固化土的流动性与水泥、粉煤灰掺量呈正相关,粉煤灰的掺加有效降低了流态固化土的湿密度;粉煤灰火山灰反应生成的凝胶物质显著提升了流态固化土的后期强度和抗冻性;流态固化土试件裂隙在轴向应变约为1%时首次出现,之后裂隙数量呈线性增长,在轴向应变为4%～5%时趋于稳定,试件表面出现平行于轴向的贯通裂隙。

钛铁渣矿相重构制备CaO·6Al₂O₃-Al₂O₃复相陶瓷

胡开文, 王颖, 李成卓, 邓腾飞

2024, 43(11): 4119-4129.

摘要 ( 22 )

PDF (20672KB) ( 23 )

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本研究通过钛铁渣与氧化铝(Al₂O₃)共烧,制备了Al₂O₃-六铝酸钙(CA₆)复相陶瓷。CA₆经钛铁渣矿相重构形成,具有长板状形貌,与Al₂O₃有良好的匹配性,被作为陶瓷的增韧相。通过调控配方组成及烧结温度,揭示了CA₆含量和烧结温度对Al₂O₃-CA₆复相陶瓷的性能与微观结构的影响规律。随着CA₆含量的提高,陶瓷样品的体积密度、抗弯强度和断裂韧性均呈下降趋势;随着温度提高,陶瓷样品的体积密度和抗弯强度先升高后降低。最终在1 320 ℃下烧结得到分别含有90%(质量分数)Al₂O₃和85%(质量分数)Al₂O₃的两组样品的体积密度、表观气孔率、抗折强度和断裂韧性分别为3.79 g/cm³、0.22%、(385.01±21.67) MPa、(5.33±0.21) MPa·m^1/2,3.69 g/cm³、0.12%、(371.22±9.65) MPa、(4.94±0.08) MPa·m^1/2。研究成果对钛铁渣的资源化利用具有重要意义。

PVA胶粉和PP纤维对碱矿渣自流平修补砂浆粘结性能的影响

何娟, 武佳涵, 朱明明, 任海涛, 桑国臣

2024, 43(11): 4130-4139.

摘要 ( 14 )

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粘结界面是旧混凝土结构修补后的薄弱环节,是影响修补砂浆与混凝土基体界面粘结性能的重要因素。本文以碱矿渣(AAS)水泥作为胶凝材料制备修补砂浆,通过对流动性、界面弯拉强度、界面拉伸强度、微观形貌等进行测试,研究了聚乙烯醇(PVA)胶粉和聚丙烯(PP)纤维对碱矿渣自流平修补砂浆(ASLRM)界面粘结性能和微观结构的影响。结果表明,PVA胶粉和PP纤维均能有效提高ASLRM的界面粘结性能,二者复掺时,28 d界面弯拉强度最高可提高43.1%,14 d界面拉伸强度最高可提高69.9%。

珍珠岩尾矿制备发泡陶瓷的研究

武肖剑, 樊军民, 周明凯, 张朝阳, 梅文政

2024, 43(11): 4140-4149.

摘要 ( 10 )

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以珍珠岩尾矿为主要原料、SiC微粉为发泡剂制备发泡陶瓷,研究了温度、升温速率、保温时间、发泡剂含量、原料粒度、SiC粒度对发泡陶瓷容重、显气孔率、抗压强度和孔结构的影响。结果表明,适当升高温度、延长保温时间、增加SiC含量以及减小原料粒度和SiC粒度,试样的容重和抗压强度降低,显气孔率增大,当SiC反应过量时,试样会出现黑心。在温度为1 250 ℃、升温速率为8 ℃/min、保温时间为1 h、外掺0.6%(质量分数)SiC、原料粒度D₃₂为7.51 μm条件下,制备的发泡陶瓷综合性能最佳,容重为462.77 kg/m³,显气孔率为1.26%,抗压强度为8.1 MPa,孔的平均直径为0.33 mm。

花岗岩废石粉对砂浆强度及耐久性能的影响

申屠存, 郑广远, 谭幸淼, 周明素, 胡赛群, 梁超锋

2024, 43(11): 4150-4158.

摘要 ( 14 )

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针对花岗岩废石粉(granite waste powder, GWP)产量大和环境污染严重等问题,本文研究了不同球磨时间(0、10、20和30 min)下GWP的活性以及等质量取代率(0%、10%、20%和30%)对GWP砂浆宏观和微观性能的影响。结果表明:球磨30 min的GWP活性较高,达到72.98%;随着GWP取代率从10%增加至30%,砂浆的抗折强度、抗压强度和动弹模量分别下降6.31%~23.94%、3.02%~26.11%、5.35%~24.29%,砂浆的碳化深度与氯离子渗透系数分别增加20.43%~81.40%、2.31%~20.61%;GWP的加入使砂浆微观结构劣化,裂缝与孔洞增加,有害孔增加;基于建立的GWP取代率与砂浆强度及耐久性能之间的关系,GWP的最佳取代率为12.37%~21.74%,在此范围内,GWP砂浆的性能虽有一定程度的下降,但仍能保持与基准组接近的水平。对比不同取代率的GWP砂浆的能耗与经济成本,制备单位体积的砂浆每多使用10%的GWP可降低能耗107.08 MJ、经济成本46.01元。

利用工业固废煅烧制备天然水硬性石灰的实验及应用研究

毛智添, 段翔, 郝泽慧, 邓弘扬, 唐威, 何园

2024, 43(11): 4159-4166.

摘要 ( 12 )

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天然水硬性石灰(NHL)兼具气硬性和水硬性成分,被广泛应用于历史建筑砌体墙墙面的修复。工业固废含有一定的Ca、Si元素,满足制备NHL的矿物元素要求。本研究以石灰石、矿渣、粉煤灰和硅灰为原材料,控制不同的钙硅比参数煅烧制备NHL。利用XRD、TG、抗压抗折试验、SEM-EDS、维卡仪等测试了NHL的成分、产物的组成、微观形貌、力学性能、凝结时间等,并开展工程应用。结果表明:工业固废煅烧制备NHL具有可行性,所制得NHL主要由氢氧化钙和硅酸二钙组成,28 d水化碳化产物包括水化硅酸钙、CaCO₃和Ca(OH)₂。钙硅比为4.6时可以制备出符合欧洲标准的NHL2,对砖石风化表面的修复结果满足可逆性与兼容性要求。本文响应了国家对历史建筑遗迹保护和生态环境保护的号召,有助于创造更好的经济效益与环境效益。

石灰-沸石粉改良膨胀土强度特性及微观机理研究

张玉国, 赵春豪, 张兆彬, 张自来

2024, 43(11): 4167-4176.

摘要 ( 16 )

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针对膨胀土胀缩性造成的工程病害问题及石灰改良膨胀土产生的污染问题,以河南南阳地区膨胀土为研究对象,制备素膨胀土及不同石灰和沸石粉掺量的改良土试样。对试样进行无侧限抗压试验、自由膨胀率试验、三轴试验、X射线衍射(XRD)分析和扫描电子显微镜(SEM)测试,研究石灰-沸石粉复合改良膨胀土的强度特性及微观加固机理。结果表明:石灰改良和石灰-沸石粉复合改良均能有效增强土体的强度并降低自由膨胀率,复合改良效果更好,石灰和沸石粉的最佳掺量分别为6%(质量分数)和12%(质量分数);石灰改良土和复合改良土的应力-应变曲线转化为应变软化型;石灰的加入显著提升了膨胀土的黏聚力,随着沸石粉掺量的递增,复合改良土三轴抗剪强度不断增大,内摩擦角呈先增大后减小的趋势;沸石粉与石灰发生火山灰反应,生成大量胶凝物质,填充土体孔隙并使微观结构更加密实,增强土颗粒间的摩阻力,宏观层面上土体强度增强。

基于响应面法的碱激发矿渣-粉煤灰砂浆配比优化

田颖, 吴世超, 李京军, 孙科科

2024, 43(11): 4177-4184.

摘要 ( 22 )

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基于响应面法以水胶比、水玻璃模数、碱当量(Na₂O含量)为自变量,以28 d抗压强度、28 d抗折强度、凝结时间和流动度为响应目标值,建立二次回归模型,对模型进行方差和显著性分析,并确定了最优配比。结果表明,水胶比对抗压强度、抗折强度、凝结时间和流动度的影响最显著,水玻璃模数和碱当量的影响次之,各因素之间存在较为显著的交互影响,其中水胶比和水玻璃模数之间的交互影响最显著。最优配比为水胶比0.39、水玻璃模数1.38、碱当量4.7%(质量分数),模型预测值与试验结果值的误差小于10%,回归拟合模型精确度较高,证实了响应面法在确定碱激发材料最佳配比方面的有效性。

掺煤气化渣沥青混合料微波诱导自愈合性能研究

丁冬海, 吴星星, 肖国庆, 关博文, 靳恩东

2024, 43(11): 4185-4194.

摘要 ( 14 )

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沥青混合料具有一定的微波诱导自愈合性能,但自愈合过程较为缓慢,可加入吸波填料以增强沥青混合料的微波吸收能力,进而加快自愈合过程。以煤气化渣为吸波填料制备沥青混合料,研究了掺煤气化渣沥青混合料的微波诱导自愈合性能及机理。结果表明:煤气化渣替代量为50%和100%(质量分数)的沥青混合料的微波升温速率分别较普通沥青混合料提高了23.1%和53.8%;煤气化渣可显著提升沥青混合料的介电性能,在微波辐射下,煤气化渣可将更多的电磁能转化为热能,进而诱导沥青混合料自愈合过程的发生;掺煤气化渣沥青混合料的自愈合性能明显优于普通沥青混合料,经过90 s的微波加热,煤气化渣替代量为50%和100%的沥青混合料的自愈合效率分别是普通沥青混合料的2.59倍和3.36倍;煤气化渣的加入也可显著改善沥青混合料愈合后的损伤程度,从而使沥青混合料具有更优异的自愈合性能。

(ZrMg)_xY_2-2xW₃O₁₂陶瓷的制备及热膨胀性能研究

王献立, 王海丽, 许坤, 段向阳, 陈冬霞

2024, 43(11): 4195-4200.

摘要 ( 11 )

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采用固相烧结法制备出(ZrMg)_xY_2-2xW₃O₁₂(x=0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0)陶瓷,并利用X射线衍射、拉曼光谱、热分析仪及热膨胀仪分析材料的结构、吸水性及热膨胀性能。结果表明,随着Zr⁴⁺/Mg²⁺含量的增加,(ZrMg)_xY_2-2xW₃O₁₂的吸水性明显降低,热膨胀系数由负热膨胀逐渐变为正热膨胀,且逐渐增大。当x=0.6时,(ZrMg)_0.6Y_0.8W₃O₁₂(455~1 050 K,-0.54×10^-6 K^-1)展示出近零膨胀性,a、b、c轴的热膨胀系数分别为α_a=-1.13×10^-6 K^-1、α_b=1.77×10^-6 K^-1和α_c=-1.80×10^-6 K^-1,本征体积热膨胀系数α_v=-1.21×10^-6 K^-1。

两步烧结法制备BiFeO₃-(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.10Ti_0.90)O₃陶瓷的性能研究

崔宇晗, 王维毅, 王挺, 张景翔, 刘旭罿, 黄晨, 卢俊铭

2024, 43(11): 4201-4207.

摘要 ( 10 )

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在BiFeO₃中引入钙钛矿氧化物(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.10Ti_0.90)O₃可有效改善陶瓷的铁电性能,但采用传统固相法制备陶瓷时烧结温度高,导致材料内部缺陷较多。本文利用高温(T₁)短时烧结和低温(T₂)长时保温的两步烧结法,研究T₁对0.7BiFeO₃-0.3(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.10Ti_0.90)O₃-0.15%(质量分数)MnCO₃(简写为0.7BF-0.3BCZT)陶瓷相组成、微观结构、铁电和介电性能的影响。结果表明:所制备的陶瓷为纯相,其相结构为菱方和赝立方相共存。随着T₁的升高,陶瓷的密度、介电常数和剩余极化强度呈先增加后降低趋势。在T₁=1 040 ℃时,陶瓷具有最优的介电和铁电性能,此时最大介电常数和剩余极化强度分别为6 706.10和8.53 μC/cm²。

ZIF晶体-玻璃复合膜制备及其气体选择性研究

郭丝雨, 顾少轩, 乔昂, 陶海征

2024, 43(11): 4208-4214.

摘要 ( 26 )

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金属有机骨架(MOF)晶体膜能够在分子层面上实现孔结构调控,因此在气体分离领域备受关注。然而,由于MOF晶体膜晶界缺陷多、成膜困难,制备高质量的MOF气体分离膜一直是一个挑战。为此,本文利用MOF玻璃无晶界、易成形的优势,提出了制备MOF晶体-玻璃复合膜的解决方案。首先采用原位溶剂热法制备了混晶复合和双层复合的ZIF-8/ZIF-62晶体膜,随后经熔融冷却制备成晶体-玻璃复合膜。结果表明:熔融的ZIF-62液相可以有效弥合晶界缺陷,使得膜层变得致密;相比于混晶膜,以ZIF-8/ZIF-62多层复合形式制得的晶体-玻璃复合膜对H₂/N₂、H₂/CH₄、CO₂/N₂、CO₂/CH₄混合气体具有更高的气体选择性和分离效率,尤其是对于H₂/CH₄、CO₂/CH₄混合气体,其气体选择性可分别达27.7、26.5。

Kovar合金的可控氧化及其与硼硅玻璃润湿性研究

郭宏伟, 聂栋, 王毅, 刘密, 朱南沺, 郭首一, 高依博, 赵志龙

2024, 43(11): 4215-4223.

摘要 ( 12 )

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本文在不同氧化气氛条件下对Kovar合金进行高温氧化处理,优化得到Kovar合金最佳氧化工艺,并与硼硅玻璃进行润湿试验和封接试验,同时运用XRD、XPS、SEM、EDS等分析手段对氧化成分和封接界面进行机理分析。结果表明,高温下Fe、Co、Ni元素均参与了氧化反应,Kovar合金氧化动力学遵循抛物线规律,Kovar合金的最佳氧化工艺为:氧化温度850 ℃、氧化时间11.7 min、N₂流量1 L/min、露点30 ℃。不同气氛氧化处理后,Kovar合金与玻璃封接的气密性变化较小,玻璃与表面氧化物为Fe₃O₄的Kovar合金封接后抗拉强度最大。

轻量刚玉骨料对钢包包底冲击区用铝镁碳耐火材料侵蚀机理的影响

高杰, 陈启龙, 刘诚, 李天清, 冯润棠, 左起秀

2024, 43(11): 4224-4231.

摘要 ( 12 )

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钢包用耐火材料的轻量化对节能降耗和减少吨钢耐材消耗意义重大。本文研究了含轻量刚玉骨料铝镁碳耐火材料在170 t钢包包底冲击区服役的侵蚀机理,并与传统致密烧结刚玉基铝镁碳耐火材料进行了对比分析。结果表明,采用轻量刚玉骨料制备的铝镁碳耐火材料显示更优异的使用效果,侵蚀速率由原先的1.79 mm/炉降低至1.35 mm/炉,服役寿命提升近24.6%。研究表明:轻量刚玉骨料具有高的表面粗糙度和丰富的微米级气孔,不仅能强化骨料基质结合界面,还可以通过微孔吸收热应力,显著提高了铝镁碳耐火材料的抗冲刷性能和热震稳定性;同时能促进热面生成致密且较厚的六铝酸钙-尖晶石复合隔离层,阻碍了熔渣的侵蚀与渗透,并有效抑制了内部碳的氧化。另外,轻量刚玉骨料能吸附熔渣并形成核壳结构,进一步提升材料的抗侵蚀性。

水泥结合骨料-基质协同低导莫来石浇注料性能研究

李亚伟, 宋绍辉, 廖宁, 柯文丽, 刘文静, 铁生年, 柳馨

2024, 43(11): 4232-4239.

摘要 ( 17 )

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针对高温工业炉的节能降耗和安全长寿服役要求,进一步降低炉衬耐火材料的导热系数和保障服役性能是当前的研究热点。本文选择水泥结合莫来石质浇注料为研究对象,提出利用高比表面积水合硅酸镁(M-S-H)调控铝酸钙水泥的水化行为,提高浇注料早期结合强度的思路,通过采用轻质莫来石化骨料和在基质中引入引气剂的方式协同降低导热系数。研究发现,高比表面积M-S-H有利于促进水泥水化形成针柱状十水铝钙(CAH₁₀),大幅提高浇注料结合强度。在轻量化莫来石骨料制备浇注料中引入M-S-H和0.01%(质量分数)引气剂时,1 250 ℃热处理后材料中1~100 μm的孔隙显著增加,1 000 ℃时导热系数仅为0.599 W·(m·K)^-1,较致密浇注料降低18.9%。

路面材料典型力学参数的不确定度评定试验研究

唐利民, 龚贵恩, 彭守波

2024, 43(11): 4240-4253.

摘要 ( 23 )

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为测试反映对象、仪器、方法、条件等对结果的影响,从而获取更加可靠、更加接近实际的路面材料力学参数代表值,本研究基于测量不确定度理论,以水稳碎石以及AC-16C型沥青混合料为研究对象,提出使用合成标准不确定度来代替标准差计算代表值,确定对测量结果有影响的标准方差合成公式,并对测量结果进行A类及B类不确定度评定,采用蒙特卡洛法(MCM)对评定结果进行了验证。研究结果表明:使用合成标准不确定度代替标准差计算代表值用于结构设计时更为保守,更能准确反映工程实际情况;基于测量不确定度理论获取的路面力学参数代表值,能够有效反映路面材料力学参数的不确定性,从而影响路面结构力学计算和路面后期性能的不确定性;《测量不确定度表示指南》(GUM)的适用范围较为广泛,但对于非线性测量模型以及数学模型中具有强相关分量时所得结论误差较大;相比于MCM,GUM评定过程相对复杂且容易出错。本研究结果有望为准确评定路面材料典型力学参数代表值提供参考,有助于推动测量不确定度评定理论在设计、施工、质量控制等领域的推广应用。

改性橡胶粉水泥稳定碎石抗裂性能研究

韩洪宇, 李少秋, 魏武巍, 季节, 王君武, 李增宝, 郑文华

2024, 43(11): 4254-4260.

摘要 ( 13 )

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为研究橡胶粉、建筑垃圾再生集料和级配对水泥稳定碎石抗裂性能的影响,本文进行了半圆弯曲试验,通过刚度、断裂能、断裂韧性等指标评价改性橡胶粉水泥稳定碎石抗裂性能。结果表明,未改性橡胶粉可增强混合料的断裂能、断裂韧性,改性橡胶粉对混合料抗裂性能的提升更显著。抗裂级配可提高混合料的刚度、断裂能和断裂韧性,从而增强混合料的抗裂性能。改性橡胶粉水泥稳定碎石的抗裂性能随着再生集料掺量的增加而降低,当再生集料以等体积的方式替代30%的天然集料时,其抗裂性能和强度均优于普通水泥稳定碎石。

固化建筑渣土力学和路用性能试验研究

郭少华, 詹世佐, 康天蓓, 丁向群, 王凤池

2024, 43(11): 4261-4269.

摘要 ( 21 )

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为解决建筑渣土处置难、堆弃难、资源化程度低等问题,本文提出采用固化剂固化建筑渣土。本文对比分析了水泥掺量、固化剂掺量、养护龄期对固化建筑渣土无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度、水稳性、抗冻融性能、抗干缩性能的影响规律,并通过SEM和XRD试验结果分析了固化剂协同水泥固化的固化机理。结果表明,当水泥质量掺量为7%且固化剂质量掺量为3%时,固化建筑渣土28 d无侧限抗压强度为6.91 MPa、劈裂抗拉强度为0.98 MPa、水稳系数91.52%,较水泥质量掺量为10%的对比件分别增加15.7%、31.2%和12.2%;固化剂的掺入具有提高水泥固化土抗干缩性能的作用;冻融循环10次后,固化建筑渣土试件较水泥固化对比试件质量损失率降低44.6%,残余强度增加34.9%。固化剂协同水泥水化反应生成的C-S-H和C-A-H胶凝物质使土颗粒团聚成团粒结构,形成网络骨架提供强度;固化剂中的SiO₂、Al₂O₃减小了土颗粒间的自由水和吸附水含量,加入固化剂后固化土的强度和路用性能得到增强和改善。研究结果为固化建筑渣土在路基中的应用提供理论基础。

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