地聚物是通过化学激发生成的具有低碳属性的新型胶凝材料, 具有部分取代水泥的巨大潜力。本文通过压汞试验表征了偏高岭土-矿渣地聚物净浆及砂浆的孔隙结构, 分析了液固比、砂体积分数等因素对孔结构特性的影响, 明确了孔结构特性与面分形维数的相关性。采用氯离子非稳态电迁移试验、非稳态自然扩散试验和水分扩散试验, 研究了偏高岭土-矿渣地聚物净浆与砂浆的抗渗透性能, 分析了液固比、砂体积分数及孔面分形维数与浆体介质传输性能的相关性。结果表明: 随着液固比增大, 地聚物净浆的孔隙率和最可几孔径均增大, 抗渗透性能降低; 地聚物砂浆的抗渗透性能优于水泥砂浆, 砂体积分数增加时, 地聚物砂浆的最可几孔径和介质传输系数均先减小后增大, 抗渗透性能先增强后减弱; 孔面分形维数能较好地表征地聚物浆体孔结构特性, 并与抗渗透性能相关性良好。

通常采用大量掺加辅助性胶凝材料的方式提高胶凝材料的抗Cl-渗透性能, 进而提升混凝土结构的耐久性和服役寿命, 但会显著降低早期力学性能。为提高早期强度和抗Cl-渗透性能, 基于初始浆体密堆积与水化过程孔隙有效填充, 设计细、中、粗粒度区间胶凝材料的种类和掺量, 提高浆体的初始堆积密度和水化产物固氯能力, 从而细化孔径并增大孔隙曲折度, 采用59%的水泥熟料(粒径范围4~55 μm), 成功制备了3 d抗压强度27.3 MPa、28 d Cl-扩散系数低至0.36×10-12 m2/s的高抗渗透复合胶凝材料, 为水泥基材料微结构调控和抗渗性能提升奠定基础。

通过β-Si3N4长柱状晶粒生长搭接构建材料微孔隙结构, 成功制备了兼具高孔隙率、小孔径及窄孔径分布的多孔氮化硅毛细芯, 研究了不同烧结温度、成型压力、造孔剂含量对材料孔隙参数的影响, 测试了环路热管多孔毛细芯的热力学性能。结果表明: 当烧结温度、成型压力、造孔剂含量作用于材料微孔隙结构调控时, 均呈现与孔径分布相关的规律; 随孔隙率增加, β-Si3N4柱状晶粒直径减小、长径比增加, 形成的搭接骨架趋于细密, 起到分割晶间孔隙的作用, 在一定范围内抵消了由孔隙率增加引起的孔径增大, 实现了材料小孔径和高孔隙率的协同, 呈现出与常规颗粒堆积烧结成孔材料时, 随孔隙率的增加孔径增大不一样的作用规律; 当所制备的典型多孔毛细芯材料孔隙率为540%时, 渗透率达6.5×10-14 m2, 平均孔径仅为0.3 μm, 且超过95%的孔隙孔径介于0.1~0.4 μm, 最大毛细力达62 kPa, 热负荷功率大于200 W。

针对有机污染物和无机金属离子复合地下水污染源的阻截问题, 本文提出了一种以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为改性剂的地质聚合物阻截墙材料设计方法, 并研究了改性剂掺加量对地质聚合物渗透系数、兼容性能、吸附能力及抗压强度的影响。结果表明: 改性地质聚合物在保持良好渗透系数、兼容性能及抗压强度的前提下, 对苯酚-六价铬复合地下水污染源表现出较高的吸附能力, 可作为一种经济有效的阻截墙材料; 当水玻璃掺量为8%(质量分数)、水玻璃模数为1.0、水灰比为0.30、CTAB掺加量为2.0%(质量分数)时, 样品渗透系数为4.61×10-8 cm/s, 抗压强度为6.25 MPa, 对苯酚和Cr(VI)的去除率可分别达57.51%和28.18%。此外, 随CTAB掺加量增大, 改性地质聚合物渗透系数、吸附能力呈上升趋势, 抗压强度则呈下降趋势, 试块表观均未出现劣化现象。

使用羟基化石墨烯(HO-G)改性水泥基渗透结晶型防水材料(CCCW), 不仅能够提升结构整体的力学性能, 还能在一定程度上降低成本。本文研究了木质素磺酸钠(SL)对HO-G分散能力的影响和HO-G对CCCW力学性能的影响。结果表明: 当m(HO-G)∶m(SL)=1∶4时, HO-G在Ca(OH)2中的分散性最佳; 当HO-G掺量为0.03%(质量分数)时, HO-G砂浆试件的3、28 d抗压强度较基准试件分别提升了37.69%、33.05%, 3、28 d抗折强度分别提升了17.31%、31.52%, HO-G改性后的CCCW涂层试件较单独掺加CCCW涂层试件的抗渗压力比提高了127个百分点; SL能够促进HO-G在水泥基材料中的分散, HO-G在砂浆基质中发挥了填充作用和模板作用, 增强了水化产物的密实度, 进而提高了材料的力学性能。

针对目前建筑外窗气密性现场检测方法无法保证其所有安装外窗的气密性等级全部达标, 同时缺乏高效、便捷的检测手段, 提出一种外窗气密性能等级现场检测方法, 通过热像仪对外窗进行红外图像采集, 对图像中的异常区域进行缺陷检测并计算缺陷面积, 建立外窗缺陷红外检测模型。根据实验测得的室内外温差、外窗缺陷面积、空气渗透量, 建立外窗空气渗透量计算模型, 将此模型与外窗缺陷红外检测模型结合求得窗户的空气渗透量, 实现外窗气密性能的现场检测, 初步判定外窗是否符合相应的气密性能等级, 提高了外窗气密性能现场检测的效率, 为外窗气密性能等级现场判定提供一种新的途径。

针对石屑利用率低的问题, 制备了石屑湿喷混凝土, 研究了石屑取代量(石屑对机制砂的取代量)、砂率及粉煤灰掺量对湿喷混凝土工作性能、抗氯离子渗透性能、抗硫酸盐侵蚀性能及孔结构的影响。结果表明, 适当的石屑取代量可以改善混凝土力学性能和耐久性能, 但石屑的取代量越大混凝土的工作性能下降越明显。与机制砂喷射混凝土相比, 石屑湿喷混凝土具有良好的力学性能。在此基础上, 适当的砂率和粉煤灰掺入量可以进一步提高石屑湿喷混凝土的工作性能和耐久性能, 当喷射混凝土砂率为55%、粉煤灰掺量为20%(质量分数)时, 石屑湿喷混凝土的综合性能达到最佳, 对石屑应用于湿喷混凝土具有参考意义。

由于周期性水泥熟料回转以及进出料，水泥回转窑用耐火材料需要兼顾优异的耐火度、热震稳定性和耐侵蚀性。本研究通过将尖晶石细粉包裹于镁砂骨料表面，制备出含包覆结构骨料的方镁石-镁铝尖晶石耐火材料，并采用三点弯曲测试结合数字图像相关以及声发射技术表征其断裂行为，以及采用静态抗渣法表征其抗侵蚀性能。结果表明：通过改变尖晶石分布，形成包覆结构复合骨料，降低了氧化铝含量，尖晶石相达到更为均匀且广泛的分散。与氧化铝含量(质量分数)为10%的市售预合成尖晶石骨料耐火材料相比，采用尖晶石包覆骨料的方镁石-尖晶石耐火材料(Al2O3含量为5%)在保证材料抗热震性能的同时，提升了力学强度、热震稳定性能以及抗侵蚀能力。

为改善镁砂抗水化性能、抗热震性能及抗熔渣渗透性能，在轻烧氧化镁粉中添加1% (质量分数)、2%及3%的TiO2微粉制备镁质复合材料，研究了TiO2含量对材料烧结行为、显微结构及各性能的影响。结果表明：随TiO2添加量增加，游离CaO及部分MgO相继转化为CaTiO3及Mg2TiO4相，且MgO晶粒尺寸增大，样品抗水化性能显著提高。CaTiO3及Mg2TiO4晶间相的形成降低了样品的热膨胀系数，诱导裂纹发生偏转，因此，样品的抗热震性能也随TiO2增加逐步提高。此外，添加1%的TiO2样品，因MgO晶粒增大及高稳定性的CaTiO3晶间相形成，抗渣性能明显提高。然而，进一步增加TiO2，低稳定性的Mg2TiO4晶间相的生成显著降低了样品的抗渣渗透性能。