郑乔木, 李文婷, 任强, 张红恩, 董必钦, 蒋正武

2025, 44(11): 3891-3902. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0802

摘要 ( 10 )

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超高性能混凝土(UHPC)是一种新型的水泥基材料,具有良好的裂缝自愈合潜力。论文首先对水泥基材料裂缝自愈合技术进行了归纳,然后分析了UHPC裂缝自愈合的动力学和热力学特征,最后讨论了UHPC裂缝自愈合行为的主动调控路径和机制。根据目前UHPC裂缝自愈合研究中所取得的进展和面临的阻碍,提出了相关发展展望。

自修复人造骨料混凝土研究进展

蒋金成, 刘静, 张彤, 梁玥瑶, 董必钦, 房国豪

2025, 44(11): 3903-3915. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0775

摘要 ( 22 )

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天然砂石骨料资源的枯竭与混凝土结构耐久性的不足,是当前制约现代土木工程可持续发展的双重挑战。自修复人造骨料混凝土(SHAAC)通过将固废资源转化为可用骨料,为行业绿色发展提供了解决方案。SHAAC通过封装修复剂实现裂缝自主修复,兼具延长使用寿命和降低维护成本的优势,成为智能建筑材料发展的重要方向。本文系统综述了SHAAC领域的最新研究进展,深入分析了自修复人造骨料的核心设计理念与制备工艺,探讨了自修复过程及其协同效应,全面评估了其在力学性能恢复、裂缝修复程度及耐久性提升等方面的表现。最后讨论了当前在触发精准性、修复效率长期稳定性、复杂环境适应性及成本效益等方面的关键挑战,并展望了未来的研究方向与应用前景。

固废基材料碳矿化理论与技术研究进展

马梓涵, 肖顺民, 姜义, 谷镇江, 申培亮, 潘智生

2025, 44(11): 3916-3933. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0787

摘要 ( 11 )

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固废的资源化利用是推进“无废城市”建设的重要路径。碳矿化技术可实现二氧化碳的捕集与封存,同时提升固废的活性,改善其在建材领域的适用性。本文以固废基材料的资源化利用为核心,系统综述了当前固废基材料碳矿化的理论研究进展与技术开发现状,重点总结了碳矿化过程中溶解-沉淀机制的最新研究成果,以及典型固废组分的分类特征及其碳矿化活性。进一步归纳了基于水分调控、传质强化和仿生策略的固废基材料碳矿化的新兴技术路径。最后,提出未来研究应在提升碳矿化效率与产品性能的同时,统筹考虑能耗水平、产物稳定性及其工程化应用前景,推动碳矿化技术向高效、低碳和可持续方向发展。

磷石膏基固废碱激发胶凝材料研究进展

杨靖娴, 马丽萍, 何宾宾, 吴彰钰, 佘伟

2025, 44(11): 3934-3946. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0754

摘要 ( 5 )

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工业固废磷石膏的大量堆存与环境污染已成为严峻挑战,而传统水泥产业的高能耗与高排放特性也背离我国“双碳”战略目标。开发磷石膏基固废碱激发胶凝材料以部分替代水泥,是同步解决上述问题的有效途径。本文基于磷石膏的理化特性,系统阐释了磷石膏基固废碱激发胶凝材料的胶结硬化机理;梳理并对比了典型磷石膏基固废碱激发胶凝材料体系的性能特点;综述了该类材料在道路基层、填充工程等领域的应用现状与发展潜力。本研究旨在为磷石膏在高性能、高附加值和环境友好型工程材料中的资源化利用提供理论支撑与技术参考。

工程水泥基复合材料(ECC)加固混凝土柱轴压性能综述

郎文丽, 梁猛, 许风辉, 王鹏, 谢群

2025, 44(11): 3947-3963. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0626

摘要 ( 18 )

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为提升混凝土柱的力学性能与耐久性,对工程水泥基复合材料(ECC)加固技术的优化方法及其影响机理进行了系统研究。在归纳近年来有关ECC研究的基础上,从微观和宏观层面详细阐述了ECC的纤维增强机理。通过对比分析国内外学者相关研究成果,综述了混凝土基体强度、ECC强度、界面剂种类及界面粗糙度等不同因素对既有混凝土与ECC加固层黏结性能的影响,从加固柱截面尺寸、混凝土基体强度、ECC层厚度、箍筋间距等方面重点分析了各因素对ECC加固混凝土柱破坏模式、峰值荷载及延性的影响。最后,对现有典型计算模型进行了对比分析,可为工程设计与理论分析提供参考。

西北盐渍土环境下机制砂混凝土抗盐侵蚀性能及失效机制

张云升, 田浩正

2025, 44(11): 3964-3979. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0725

摘要 ( 4 )

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为应对天然河砂资源匮乏及固废资源化利用的需求,机制砂逐渐成为制备低碳混凝土材料的关键原材料。本文立足西北地区,以机制砂混凝土(MSC)为研究对象,通过调研西北典型环境特征,设计了模拟盐渍土环境特性的实验室加速侵蚀模拟制度,系统研究了MSC在侵蚀模拟制度下的宏观性能劣化,探究了花岗岩石粉(GP)与侵蚀离子抑制剂(CEI)的协同配伍效应。研究通过分析原材料特性,并结合等温量热、热重分析(TG-DTG)和汞压入孔隙仪(MIP)等微观测试手段,揭示了侵蚀产物生成特性与微观结构失效机制。结果表明:5%(质量分数)CEI在胶凝体系中表现出时序水化调控效应(72 h累计放热量为169.87 J·g^-1);5%CEI与10%(质量分数)GP在MSC的侵蚀后期中展现出较好的抗侵蚀性能,质量损失为2.98%。孔结构、侵蚀产物及微观形貌测试显示,MSC在受到侵蚀后,内部膨胀应力是导致其性能劣化的主要因素。本研究通过宏观性能、微观机理的综合分析,为MSC在西北盐渍土环境中的应用提供了重要的试验数据和技术支撑。

极地海洋环境对GFRP筋力学性能的影响

黄恒, 王艳, 李文俊, 张少辉, 李兆光, 李奥阳

2025, 44(11): 3980-3989. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0844

摘要 ( 22 )

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随着我国“冰上丝绸之路”的不断推进,极地基础设施研究已成为土木工程领域重点发展方向之一。本文针对极地建筑环境特征,选择四种典型工况(常温海水浸泡、低温气冻、低温海水盐冻及低温海水冻融循环)模拟极地海洋环境,系统研究了玻璃纤维复合材料(GFRP)在不同侵蚀环境下的拉伸强度、层间剪切强度及破坏形式,并对侵蚀后GFRP的化学组成与微观形貌变化进行分析。结果表明:低温下GFRP仍具有紧密的结构,但脆性增加导致破坏更为剧烈;在低温气冻和低温海水盐冻环境下,GFRP的拉伸强度显著提高了10%~20%,层间剪切强度提高了5%~15%。XRD分析表明,低温环境有效抑制了树脂水解,从而大幅度减缓了氯离子向纤维内部渗透,显著降低了氯离子对GFRP的侵蚀程度。

海水海砂混凝土孔溶液关键离子侵蚀下GFRP筋的性能演变

金祖权, 王宏, 逄博, 赵玲玲, 许明飞, 沈奥

2025, 44(11): 3990-3999. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0762

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为阐明纤维增强聚合物(FRP)筋中树脂与纤维在海水海砂混凝土(SSC)孔溶液关键离子侵蚀下的劣化机理,本文研究了玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋在水、NaCl溶液、KOH溶液、Ca(OH)₂溶液、NaOH溶液及SSC模拟孔溶液中的性能劣化规律。通过接触角测试、拉伸与剪切强度试验、μ-XRF及SEM分析,系统探究了不同腐蚀环境中环氧树脂及GFRP筋的力学性能、离子侵蚀深度与微观结构演变。结果表明:GFRP筋的劣化过程分为两个阶段,即初期树脂开裂膨胀和后期纤维刻蚀;高温环境下腐蚀离子对GFRP筋性能影响显著,其中OH^-浓度影响最大(pH=13.4的NaOH溶液使GFRP筋拉伸强度下降43.4%),然后依次是Na⁺、Ca²⁺、K⁺(在pH=12.4下,NaOH、Ca(OH)₂、KOH溶液中的拉伸强度损失率分别为31.6%、29.2%、22.7%);高温蒸馏水也会引发GFRP筋的轻微腐蚀,主要源于树脂达到玻璃化转变温度后产生的微裂纹。

可控粗糙度新老混凝土交界面氯离子传输性能研究

赵江航, 陈邦辉, 韩慧璇, 徐俊

2025, 44(11): 4000-4027. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0704

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新老混凝土交界面粗糙度及氯离子传输性能是影响装配式混凝土结构交界面性能的关键因素。本文以分形维数为整体粗糙度指标,结合均方根高度、标准差、相关长度和Hurst系数4个分项指标,采用傅里叶变换生成二维高斯曲面,通过随机数矩阵赋值重复构造1 000次,利用线性回归和多种权重方法建立粗糙度综合评价模型,并结合数值模拟系统分析了不同粗糙度交界面对氯离子传输及钢筋腐蚀行为的影响。结果表明:当均方根高度由0.6增加至1.8时,钢筋所处交界面的氯离子浓度达到临界值0.4%(质量分数)的时间由107 d延长至120 d;标准差由0.6增加至1.8时,钢筋所处交界面的氯离子浓度达到临界值0.4%(质量分数)的时间由108 d延长至121 d,均显示粗糙度的提升显著减缓了氯离子渗透与腐蚀速率。总体上,曲面交界面相较于平面交界面表现出更强的抗氯离子侵蚀性能,新老混凝土交界面粗糙度越高,钢筋抗氯离子侵蚀性能越强,结构耐久性与安全性显著提高。研究成果为可控粗糙度交界面的设计、寿命预测模型修正及混凝土结构耐久性理论完善提供了重要依据。

低热低缩珊瑚海水混凝土的性能调控与硫酸盐侵蚀机理研究

达波, 陈轶骁, 韩宇栋, 卿家骏, 余红发

2025, 44(11): 4028-4036. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0681

摘要 ( 10 )

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为解决热带岛礁环境下高强度珊瑚海水混凝土(CASC)的胶凝材料用量大,易产生温差裂缝和干缩裂缝,造成性能劣化加剧的问题,开展了不同强度等级低热CASC、低缩CASC的制备及其力学性能研究,探明了其放热、收缩和抗渗特性,揭示了低热CASC、低缩CASC的破坏形态和力学性能演变规律。结果表明:采用珊瑚微粉替代10%(质量分数)水泥可使CASC放热量降低5.4%,在CASC中掺入“膨胀剂+高分子吸水树脂”可使其收缩率降低10%;C30低缩CASC的抗渗等级为P14,C55低热CASC和低缩CASC的抗渗等级分别为P16和P17;硫酸盐对CASC水化过程具有促进与早强作用;掺入“膨胀剂+高分子吸水树脂”不仅能提高CASC的抗收缩性,而且能降低其脆性,提高力学性能,而掺入珊瑚微粉仅能降低其脆性。

自组装纳米纤维泡沫稳定机制及其对泡沫混凝土性能的影响

王昊天, 杜振兴, 张思远, 武瑞凯, 程方鸿

2025, 44(11): 4037-4047. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0776

摘要 ( 17 )

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泡沫混凝土的轻质化与功能化受限于泡沫稳定性不足导致的孔隙结构劣化。本研究创新性地利用椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB)诱导硬脂酸钠(SS)在水溶液中自组装形成三维纳米纤维结构。通过泡沫稳定性测试、透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)表征证实,该三维纳米纤维结构显著提升了液膜强度与体系黏弹性,在2.00%(质量分数)SS纳米纤维浓度下实现了120 h泡沫体积损失约2.10%、气泡直径细化至12.22 μm的超稳定泡沫。以此泡沫为模板,成功制备出密度低至60 kg/m³的超轻泡沫混凝土,其导热系数仅为0.056 W/(m·K),较密度为200 kg/m³的泡沫混凝土降低52.14%,且热成像显示出优异的隔热性能。压缩试验表明该泡沫混凝土材料呈现类聚合物泡沫的密实化行为,抗压强度随密度降低而减小(密度为60 kg/m³时为0.012 MPa),但纳米纤维网络通过抑制裂纹扩展优化了力学响应。耐火测试(1 000 ℃火焰灼烧2 min)证实泡沫混凝土试件表面形成烧结保护层,体积收缩约10%。本研究为兼具超轻、隔热与耐火特性的泡沫混凝土提供了可产业化的稳泡-功能一体化策略。

单向冻结下粉煤灰路基水-热-力耦合特性研究

惠迎新, 顾士周, 郭聚坤, 郑立阳, 陈伟, 董旭光

2025, 44(11): 4048-4059. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0454

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冻胀是造成季冻区路基破坏的一项重要诱因,为了研究粉煤灰路基在季冻地区服役内部温度、含水率和冻胀力的变化,本文利用自主研发的一维土柱固结试验设备开展粉煤灰柱单向冻结试验,并建立粉煤灰路基的水-热-力(THM)耦合模型,分析冻结过程中粉煤灰柱内部水分、温度迁移规律及冻胀力变化特征。结果表明:粉煤灰路基内部温度变化可按降温速率分为快速冻结、过渡冻结和稳定冻结三个阶段;冻结锋面随冻结时间不断下移,水分在冻结锋面处产生突变;通过有限元软件有效模拟了试验中的冻胀量变化及温度和水分的传递过程,并将试样划分为冻结区、正冻区和未冻区,试验结束后正冻区的范围明显增大,冻结区的范围逐渐趋于稳定;以冻结过程中路基含冰量来表征冻结对路基的损伤效应,发现路基损伤主要分布于路基表面,越接近路基内部,损伤程度越小。本文模拟了粉煤灰路基在季冻区长期服役的冻胀量变化,并解释了内部含水率与温度相互作用的机理。

高强度高延性水泥基复合材料的动态压缩性能研究

赵宇, 古立新, 沈光海, 朱伶俐

2025, 44(11): 4060-4070. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0423

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为研究极端环境下高性能水泥基材料的性能,本研究利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,系统研究了高强高延性水泥基复合材料(HS-ECC)在循环冲击荷载下的动态压缩性能,重点分析了不同冲击速度和钢纤维体积掺量对动态压缩性能的影响。结果表明:钢纤维掺量为0.6%(体积分数)的HS-ECC试件,在承受6次冲击速度5 m/s的循环冲击后发生破坏,且随着冲击次数增加,HS-ECC试件的应变率增加;动态压缩强度、应变率和冲击韧度均随冲击速度显著增长;钢纤维掺入显著提高了HS-ECC的冲击极限承载力和韧性,当钢纤维掺量由0%增至0.6%时,试件的动态压缩强度提升23.4%,试件动态冲击韧度提升达52.9%,充分证明钢纤维掺量对HS-ECC动态力学性能的正向调控作用。HS-ECC在防爆抗冲击领域如军事防护或核电站防护墙等极端环境具有广阔的应用前景。

硝酸钙与柠檬酸复掺对铁铝酸盐水泥水化过程的影响

李润康, 廖宜顺, 冯登宇, 周琦, 李文华, 李凌云

2025, 44(11): 4071-4079. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0684

摘要 ( 8 )

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为实现铁铝酸盐水泥基材料早期强度快速发展并避免过快凝结,本研究探讨了硝酸钙与柠檬酸复掺对铁铝酸盐水泥水化过程与物理力学性能的影响。通过水化热、电阻率、流动度、凝结时间、抗压强度、水化产物和孔溶液电导率等分析测试,探讨了不同柠檬酸掺量对铁铝酸盐水泥水化的作用机理。结果表明,硝酸钙和柠檬酸复掺时,随着柠檬酸掺量增加,水泥浆体流动度显著提高,凝结时间延长,水化放热速率与电阻率增加速率降低,而孔溶液电导率显著高于空白组。当柠檬酸掺量从0.1%(质量分数)增大到0.3%时,硬化水泥浆体的28 d抗压强度从54.0 MPa减小到49.0 MPa,钙矾石(AFt)生成量显著减少。

矿物掺合料对低水胶比铝酸钙水泥浆体流变性能的影响

刘方宁, 刘健, 吕梁胜

2025, 44(11): 4080-4091. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0435

摘要 ( 3 )

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铝酸钙水泥具有早期强度高、耐火性能优异的优点,被广泛应用于应急抢险和高温环境中,在现场施工时,铝酸钙水泥的流变特性至关重要。本研究在铝酸钙水泥中加入粒化高炉矿渣粉和硅灰,制备了铝酸钙水泥复合浆体(以下简称浆体),并测定了其流变性能。通过测定Zeta电位、水化热、低场核磁共振弛豫信号、水膜厚度和絮凝结构,研究了粒化高炉矿渣粉和硅灰对浆体流变性能的影响机理。结果表明,粒化高炉矿渣粉在10%(质量分数)掺量内对浆体屈服应力影响较为明显,而硅灰对浆体屈服应力影响不明显。随着粒化高炉矿渣粉含量的增加,浆体塑性黏度值显著增加,而随着硅灰含量的增加,浆体塑性黏度值逐渐减小。粒化高炉矿渣粉可以加速水化,凝胶孔隙峰信号增强。加入硅灰后,弛豫信号强度明显增强,总孔隙度降低,孔隙结构得到优化。粒化高炉矿渣粉和硅灰的存在显著降低了浆体Zeta电位值和电导率。硅灰可以减少絮凝结构的生成数量,改善浆体堆积状态,从而释放体系中更多的过剩水,增大水膜层厚度,而粒化高炉矿渣粉则相反。

砖混粗骨料级配与含量对水泥稳定材料性能的影响

陈恒武, 杜俊朋, 王洪泰, 曾思清, 杨东来, 张同生, 韦江雄, 余其俊

2025, 44(11): 4092-4102. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0808

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提高建筑废弃物资源化利用率对降低环境负荷和推动绿色建材发展具有重要意义。本文通过优化砖混粗骨料级配与含量提升水泥稳定材料综合性能,研究砖混粗骨料单粒径级配(S)、双粒径级配(B)、三粒径级配(T)和相对体积分数(34.7%~68.4%)对水泥稳定材料力学性能、体积稳定性和水稳性能的影响。结果表明,采用三粒径级配(T)砖混粗骨料制备水泥稳定材料7 d无侧限抗压强度均稳定在4.0 MPa以上,31 d干缩系数低至31.0×10^-6/%。砖混粗骨料相对体积分数为54.7%时,水泥稳定材料综合性能最佳,7 d无侧限抗压强度为4.1 MPa,28 d水稳系数为78.7%。优化骨料级配能够增强粗骨料间机械嵌合作用,改善水泥稳定材料力学性能;砖混粗骨料相对体积分数决定了水泥稳定材料骨架结构,骨架密实型水泥稳定材料综合性能最佳,这为优化再生水泥稳定材料配合比设计提供了理论依据与技术支撑。

低碳胶凝材料非晶相活性起源的固体核磁共振解析及其融合设计

聂帅, 姚俊, 王发洲

2025, 44(11): 4103-4112. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0751

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开发高活性低碳胶凝材料是推动水泥行业碳减排与绿色转型的关键路径。本文基于²⁷Al与²⁹Si固体核磁共振技术,系统揭示了低碳胶凝材料中非晶结构活性的本征起源与形成机制。研究发现:熔融急冷类工业固废中的钙镁铝硅玻璃相以Ca²⁺、Mg²⁺解聚硅酸盐网络为活性主要起源,Mg²⁺部分取代Ca²⁺引起的Al³⁺局域结构扰动构成次级活性机制;而硅铝质煅烧黏土的活性则来源于多配位态Al的存在与转化,结构与局域化学环境最扭曲的五配位Al构成了硅铝质煅烧黏土的主要活性结构单元。在此基础上,提出“活性融合”的低碳胶凝材料设计策略,通过引入碳酸钙与黏土共同煅烧,实现硅酸盐网络解聚与多配位态Al两种活性结构起源的融合,²⁷Al与²⁹Si固体核磁共振测试证实了该融合机制的结构演变过程。Rapid-relevant-reliable(R³)活性及力学性能测试进一步表明该融合体系在早期活性和中后期强度发展上均表现出较好的性能提升。研究构建了从原子尺度结构解析到多源活性融合的材料体系设计路径,为低碳胶凝材料的开发提供了新的理论支撑与实践策略。

生物炭增强的CO₂泡沫混凝土力学性能与固碳特性研究

范定强, 吕学森, 陆建鑫, 郭柄霖, 潘智生

2025, 44(11): 4113-4122. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0718

摘要 ( 13 )

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为推动建筑材料低碳化,本文提出生物炭增强的CO₂泡沫混凝土设计方案,系统研究其力学、热工及降碳性能,并研究生物炭对碳化养护的影响与作用。研究结果表明:生物炭的多孔结构与高比表面积可显著改善CO₂传质与界面反应条件,促进碳化反应进行并提高碳化深度与碳封存效率;同时5%(质量分数)掺量的生物炭使泡沫混凝土抗压强度提升约15%,并同步降低导热系数,显著改善热绝缘性能;此外,通过“负碳材料+减碳替代+主动固碳”三重协同降碳策略,10%(质量分数)生物炭掺量下泡沫混凝土的单位碳足迹下降约60.6%。本研究揭示了生物炭提升固碳型泡沫混凝土性能与碳固存的机制,为绿色低碳建筑材料开发提供了理论与实验支撑。

3D打印黄河砂水泥基复合材料的可打印性能试验研究

惠永军, 张俊杰, 张戈, 元成方

2025, 44(11): 4123-4131. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0520

摘要 ( 4 )

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采用黄河砂制备水泥基复合材料(ECC),基于可打印性能评价体系(可挤出性、可建造性、流动度、流变性、凝结时间、水化热),深入探究了黄河砂ECC的可打印性能。研究表明:挤出宽度和总垂直高度均随黄河砂取代率的增加而增大;总垂直高度变化率、底层长条厚度的变化率,以及顶层宽度的一半与底层宽度一半的差值与总垂直高度实际值的比值(tan θ)随着黄河砂取代率的增加持续降低。流动度随黄河砂取代率增加呈先降后升趋势,当取代率为100%(质量分数)时达到峰值。随着黄河砂取代率的增加,触变环面积与静态屈服应力持续增大,而动态屈服应力和稠度系数则持续减小,黄河砂ECC表现出剪切变稀的假塑性流体特性。初凝时间随黄河砂取代率的增加持续缩短。水化热试验中,前50 h内累计的放热量达总水化热的90%,水化热曲线呈双峰特征,表明黄河砂ECC早期水化反应迅速,中期水化过程稳定,有利于打印构件早期强度的发展。

高炉矿渣改性的碳铝酸盐人造骨料混凝土制备及性能研究

张林晓涵, 王琰帅, 彭容新, 董必钦

2025, 44(11): 4132-4146. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0573

摘要 ( 25 )

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针对天然骨料(NA)资源短缺与固废累积带来的可持续发展挑战,本研究基于磷石膏(PG)-石灰石粉(LP)-七铝酸十二钙(C₁₂A₇)协同体系,通过热重分析、扫描电子显微镜-能谱、纳米压痕等测试手段,提出了高炉矿渣(GGBS)改性固废基碳铝酸盐人造骨料的设计方法。结果表明,该骨料的主要水化产物为钙矾石(AFt)、单碳型碳铝酸钙(Mc)、氢氧化铝(AH₃)和水化硅铝酸钙(C-A-S-H)凝胶。GGBS的引入提高了LP中碳酸钙的反应程度,增加了C-A-S-H凝胶的生成量,提高了骨料强度。当骨料中掺入15%(质量分数)的GGBS(SL-C)时,人造骨料混凝土的28 d抗压强度为51.68 MPa,达到天然骨料混凝土(NAC)抗压强度(71.87 MPa)的71.9%。微观力学与化学成分分析进一步表明界面过渡区(ITZ)存在显著的化学组分富集效应。SL-C样品ITZ中Ca与Si元素富集促进了水化硅酸钙(C-S-H)凝胶的生成,适中的Si/Al摩尔比(1.0~3.0)有利于形成致密的水化硅铝酸钠(N-A-S-H)凝胶,保证了AFt和单硫铝酸盐(AFm)的生成,增强了ITZ的力学性能。

仿形轻骨料的制备及在热阻式沥青混合料中的应用

肖月, 李超, 陈宗武, 王凤

2025, 44(11): 4147-4161. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0817

摘要 ( 18 )

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为解决传统热阻轻骨料形态不佳导致的沥青混合料性能劣化问题,并促进粉煤灰、赤泥等固废的高值化利用,本研究以天然骨料为形态原型,设计仿形轻骨料成型方法,优化原材料配比与烧结温度制度,制备出仿形轻骨料,并系统研究其性能及在热阻式沥青混合料中的应用效果。结果表明,粉煤灰和赤泥在成陶、助熔和产气组分上具有良好互补性,粉煤灰、1#赤泥、2#赤泥的最佳质量配比为4∶1∶1,水泥和水的适宜用量分别为5%和24%。基于“天然骨料原型-复刻形态特征模具-仿形轻骨料”形态传递路径成型轻骨料,采用两阶段保温制度(500和900 ℃下各保温30 min),于1 175 ℃烧结30 min,可制得性能优异的仿形轻骨料:表观密度低至1.731 g·cm^-3,筒压强度超出规范下限20.6%,磨耗损失低于规范上限33.6%,形态保持率不低于67.5%,且富含低导热的斜长石矿物和孔隙构造。仿形轻骨料掺量为18%时,沥青混合料的性能比较均衡:-15~45 ℃宽温域内的间接拉伸回弹模量提升了5.6%~134.3%;水稳定性与温度稳定性均优良;热导率与热扩散率分别减小了29.4%和45.1%,在室内辐照试验的升降温阶段,轻骨料均显著降低了试件内部温度的变化速率。

基于净浆流变理论的煅烧煤矸石粉自密实混凝土配合比设计模型研究

王黎明, 程书凯, 刘其文

2025, 44(11): 4162-4175. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0768

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面对煤矸石堆积带来的环境压力以提升其在工程应用潜力。以净浆流变阈值理论为基础,通过粉煤灰和煅烧煤矸石粉确定自密实混凝土净浆流变性,进行煅烧煤矸石粉-水泥-粉煤灰三元胶凝体系的自密实混凝土配合比试验。利用朗肯主动土压力原理对净浆屈服应力模型进行优化,通过双线性插值方法对模型进行定量评估,并对优化模型的准确性进行验证。结果表明:当m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(煅烧煤矸石粉)为67.5∶22.5∶10.0、饱和减水剂掺量为1.3%(质量分数)时,自密实混凝土净浆流动性最优。当胶砂质量比为0.6~0.8、最优砂率为50%(质量分数)时,自密实混凝土流动性最优。利用朗肯主动土压力原理修正后净浆屈服应力力学模型较原模型绝对精度提高了14.97个百分点,提高了煅烧煤矸石粉-水泥-粉煤灰三元胶凝体系的自密实混凝土工作性能预测精度。

橡胶集料对水泥基复合材料性能的影响

曹宝栋, 康佳佳, 翟胜田

2025, 44(11): 4176-4187. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0741

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本研究采用普通和改性的橡胶集料制备不同掺量与粒径的普通/改性橡胶集料水泥砂浆(CRM/MRM),探究橡胶对砂浆流动度、流变性及力学性能的影响。结果表明:在流动性方面,CRM流动度较低,仅有90~95 mm,而MRM流动度达220~225 mm,且均一性良好;在流变性方面,CRM表现为胀塑性流体(剪切稠化),MRM呈假塑性流体(剪切稀化),且两者触变性和流变性均随橡胶掺量增加而增大;在力学性能方面,橡胶的掺入显著降低了砂浆抗压与抗折强度,且抗折强度的降幅小于抗压强度的降幅。改性橡胶体系28 d抗压与抗折强度较未改性体系分别提升70.5%和32.6%;大粒径橡胶更有利于维持抗折强度。微观分析表明:改性处理使橡胶-水泥界面过渡区厚度从160 μm降低至80 μm,消除了界面空穴,形成梯度硬度结构,促使材料破坏模式由脆性向延性转变。

裂缝贯通性对裂缝区理化特性及矿化菌萌发的影响研究

侯福星, 郭涵誉, 姚天, 沈頔, 王剑云

2025, 44(11): 4188-4198. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0785

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在微生物矿化的裂缝自愈合过程中,裂缝贯通性可能对裂缝区的理化特性产生影响,从而影响矿化菌芽孢的萌发及后续的矿化沉积修复过程。本文系统研究了贯通和非贯通性裂缝内氧气浓度、pH值和钙离子浓度等理化特性参数,并探究了其对不同裂缝深度的矿化菌萌发行为的影响规律。结果表明,非贯通性裂缝的理化特征呈现整体非均匀分布,氧气浓度从裂缝口到裂缝深处显著降低,而pH值(10.26～12.50)和钙离子浓度(5～50 mmol/L)沿着裂缝深度方向显著增加。因此,位于表层(5 mm)的芽孢萌发时间早于深层(20 mm)的芽孢。相较而言,贯通性裂缝理化特性分布相对均匀:氧气浓度在129.59～261.55 μmol/L波动,pH值在11.80～12.30小幅度变化,钙离子浓度约为15 mmol/L。位于表层(5 mm)和深层(20 mm)的芽孢萌发时间差异较小。由此说明,贯通性导致的裂缝微环境变化对芽孢萌发行为有显著影响。

电沉积时间对碳钢表面原位生长Mg-Al-NO^-₃-LDH薄膜过程的影响

洪舒贤, 田坤, 陈家濠, 刘文杰, 杨清瑞, 王翔, 董必钦

2025, 44(11): 4199-4211. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0804

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采用具有可控插层结构的层状双金属氢氧化物(LDH)作为纳米容器,通过原位生长在钢筋表面,为钢筋腐蚀防护提供了多功能化的创新策略。目前电沉积-水热两步法可在钢基底原位生长NO^-₃-LDH,此方法解决了一步水热法生长的LDH薄膜无法通过交换层间阴离子插入缓蚀剂的问题,在金属防护领域显示出较大前景。本研究以电沉积-水热法原位生长的Mg-Al-NO^-₃-LDH为研究对象,通过对电沉积时间的调控,研究其对LDH微观形貌及结构的影响,并揭示其生长机理。结果表明,电沉积时间为500 s的LDH薄膜致密无缺陷,具有优异的附着力,且对钢片具有良好的腐蚀防护效果,与裸钢相比,阻抗存在数量级的提升。

石墨烯/碳纳米管复合水性环氧水泥基导电涂层性能研究

逄博, 赵玲玲, 王宏, 陈若愚, 刘进

2025, 44(11): 4212-4219. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0761

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为解决传统水泥基导电材料韧性差、温度敏感性高等问题,采用石墨烯与碳纳米管作为复合导电填料,结合水性环氧树脂改性技术,制备了新型多功能水泥基导电涂层。研究了不同碳纳米管/石墨烯掺量比例对复合涂层热解耦性能的影响规律。通过挠度-电阻测试评价了涂层的压敏性能。结果表明:碳纳米管表现为负温度系数特性,石墨烯表现为正温度系数特性,当两者质量比为1∶2 时,复合材料实现最佳热解耦效果;水性环氧树脂的掺入形成互穿网络结构,使复合涂层最大挠度角达到35°,显著改善了材料韧性;复合涂层具有良好的压敏性能,挠度与相对电阻率符合二次函数关系ΔR/R₀=-0.002 93+0.012 03γ-1.423 5×10^-4γ²,在循环荷载作用下表现出优异的稳定性。该研究为开发高韧性、低温度敏感性、高稳定性的智能水泥基导电涂层材料提供了理论基础和技术路径。

再生微粉对多孔磷酸镁水泥基超级电容器性能影响研究

蔡强, 刘毅松, 郭君渊, 吴凯

2025, 44(11): 4220-4226. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0855

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多孔磷酸镁水泥因具有优异的耐硫酸盐特性,在高容量及复杂电极材料的水泥基储能体系开发中拥有明显优势。但磷酸镁水泥水化形成的孔道存在随机性强、迂曲度高等问题,制约了水泥基电解质中离子的快速传输。本研究通过引入再生微粉对多孔磷酸镁水泥基电解质的孔结构进行改性,并研究了再生微粉对多孔磷酸镁水泥基超级电容器性能的影响。结果表明,掺入40%(质量分数)的再生微粉可将多孔磷酸镁水泥基电解质的离子传输能力提升约3倍,达到21.4 mS/cm,并提升了磷酸镁水泥基超级电容器在1.0和2.0 A/g电流密度下的储能潜力。该研究为磷酸镁水泥基超级电容器开发提供了有效技术途径。

LaCoO₃/活性炭/水泥基电极的制备及电化学性能研究

申彧豪, 刘欣慧, 赵广源, 李丽苹, 邓黄一, 张高寅, 张礼华, 刘海峰, 刘来宝

2025, 44(11): 4227-4234. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0769

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水泥基电池在绿色储能建筑、智能化混凝土等领域具有巨大应用潜力。针对水泥导电差、储能弱的难题,本研究将导电活性炭与LaCoO₃纳米粉体协同掺入水泥基体,制备了不同掺量LaCoO₃/活性炭/水泥基电极。X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)等理化表征,以及循环伏安(CV)、恒流充放电(GCD)、电化学阻抗谱(EIS)等电化学性能测试结果表明:LaCoO₃、活性炭在水泥中形成分布均匀的多孔状三维网络结构,所制电极表现出优良电化学性能;随LaCoO₃和活性炭掺量的增加,电极的比电容呈先增强后减弱(最高可达1.20 F/g)、电阻呈先减小后增大(最小可达22.6 Ω)的趋势。研究表明,适量掺入LaCoO₃能使水泥产生赝电容特性并增强其储能能力。

基于机器学习的防护与修复混凝土寿命智能预测方法

王凤娟, 李映泽, 王赟程, 石锦炎, 刘志勇, 蒋金洋

2025, 44(11): 4235-4251. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0777

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为定量评估防护与修复措施对混凝土结构寿命的影响,本研究提出了一种基于机器学习的智能预测方法。基于工程先验知识的数值求解方法,构建了综合考虑环境因素、混凝土材料参数及防护与修复措施参数的10万组样本数据集,系统性评估了12种主流机器学习模型,并选用基于贝叶斯超参数优化的极端梯度提升(XGBoost)算法进行回归预测,完成了SHapley Additive exPlanations(SHAP)框架对优化后模型的深度可解释性分析。结果表明,优化后的XGBoost模型在测试集上决定系数R²可达到0.986 5。SHAP分析结果量化了各特征对寿命预测的贡献度,识别出了环境氯盐浓度、粉煤灰掺量和水胶比是影响寿命预测的关键因素,揭示了多因素间的复杂非线性关系。本研究建立的高精度、可解释机器学习预测模型,为防护与修复混凝土结构的耐久性设计、性能评估与维养决策提供了高效可靠的数据驱动分析工具。

基于机器学习的水化硅酸钙分子元素掺杂高通量筛选

张宇, 孙建武, 蒋金洋, 郭乐

2025, 44(11): 4252-4259. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0767

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基于元素掺杂的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶分子强化可为水泥混凝土性能的提升提供新思路。当前,无论是试验还是模拟均局限于试错法的范畴,无法实现海量元素掺杂替代的系统寻优。本研究提出了一种基于机器学习的C-S-H分子元素掺杂高通量筛选方法,利用既有硅相黏土矿物数据预测不同化学组成的C-S-H分子性能,以分子结构形成能为指标对比甄别高稳定性分子结构,实现了多元素掺杂方案的批量化、高效化筛选,在8核计算力下,单位样本计算耗时小于1 s,且免于复杂建模流程。随机森林算法在分子元素掺杂高通量筛选案例中表现优异,测试样本的均方根误差RMSE为0.060,R²为0.980。预测结果印证了电荷不守恒引起的晶体结构稳定性下降、高聚合度分子形成能降低以及非桥接氧质子化导致的化学作用弱化效应。本研究探究了Al、Fe、Ti、Na、Mg、Li、Cr、H等单元素和多元素掺杂方案,提出了Na/Al掺杂提升C-S-H稳定性的可行办法,印证了镁离子主动替代C-S-H中钙离子的动力学行为。该方法以第一性原理为底层理论框架,具有推广至无机非金属矿物体系的潜力,可实现对海量未知材料的高通量预测和筛选。

负泊松比三维点阵超材料增强泡沫混凝土力学性能研究

蒋金洋, 王凤娟, 石锦炎, 刘志勇, 郑超浪

2025, 44(11): 4260-4273. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0818

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本文提出了一种基于分层设计理念的负泊松比三维点阵结构设计方法,采用3D打印技术制备了具有不同几何参数的点阵结构,并与泡沫混凝土浆体复合形成网络互穿型复合材料。研究了点阵结构及复合材料的拉伸与压缩力学性能,并对压缩荷载作用下的变形行为进行了表征。结果表明:点阵结构的泊松比随重入角增大而增大,在重入角为-30°时达到最小值-1.46。点阵结构的泊松比绝对值随着基元尺寸的减小而减小,当基元尺寸为2.5 mm时泊松比趋于0。当重入角为-30°时,负泊松比三维点阵增强泡沫混凝土抗压强度达7.5 MPa,较同配比泡沫混凝土提高了39%,抗拉强度达0.7 MPa,是同配比泡沫混凝土的8倍。应变云图反映点阵结构有效调控了泡沫混凝土的应变分布,通过点阵产生负泊松比效应约束泡沫混凝土基体应变,从而提升复合材料的力学性能。

高阶统计生成式模型:各向异性多孔材料重构

许诺, 王凤娟, 吴浩天, 陈捷, 蒋金洋, 许文祥

2025, 44(11): 4274-4282. doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0770

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多孔材料具有典型的非均质特征,宏观性能本质上受微观结构特征调控,因此,建立精确的微观结构表征体系并实现高保真数值建模是揭示材料构效关系的核心科学问题。本文提出了一种基于深度学习的多相各向异性多孔材料微观结构重构方法。该方法将深度卷积生成式对抗网络模型与切片采样策略相结合,并基于One-hot编码准则将复杂的多相重构问题分解为一系列两相重构任务,成功构建了多相各向异性多孔材料高效重构模型。同时,提出了将三点统计相关函数算法作为重构模型的高阶统计控制器,突破了传统二阶统计量的表征局限,实现了微观结构高阶特征的精准量化。本研究为材料性能预测与微观结构优化设计提供了重要的理论依据与工程应用指导。

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