1 河南科技大学 土木工程学院, 洛阳 471000
2 中交二公局第四工程有限公司, 洛阳 471000
为了提高坚硬岩石定向涨裂破岩效率, 从坚硬岩石涨裂定向破岩机理出发, 基于空孔效应理论对200 mm、250 mm、300 mm、400 mm空孔间距以及20 mm、40 mm、90 mm、120 mm空孔半径下空孔孔壁的应力变化规律展开研究, 将理论计算与数值模拟进行对比分析验证。研究结果显示：空孔的存在使得空孔靠近涨裂孔一侧产生应力集中, 随着空孔间距增大、空孔半径减小, 空孔效应应力集中现象越弱; 空孔圆周上受拉区为±40°以内, 最大拉应力出现在空孔与涨裂孔圆心连接线上, 最大压应力出现在空孔圆周±70°附近。孔间连线上I型岩石应力强度因子与应力变化规律相对应, 在孔间距达到400 mm时, 应力强度因子KI小于岩石的断裂韧度KIC, 无法达到形成贯通裂纹的条件。依据研究成果设置空孔参数, 并在深圳市铁岗-石岩水库石岩北清水引水隧洞进行涨裂破岩试验。试验结果显示：空孔对于裂纹扩展方向具有引导作用, 能够促使空孔与涨裂孔连线方向产生贯通的主裂纹, 有利于提高坚硬岩石的涨裂破岩效率, 能够为相似工程提供借鉴和参考。
坚硬岩石 定向破岩 空孔效应 数值模拟 静力爆破 hard rock directional rock breaking holes effect numerical simulation static blasting
为了解钢渣混合土基层材料在环境作用下的响应特性，分别以失水率、干缩应变、干缩系数和冻融质量损失率、冻融残留强度比为指标，开展了干缩和冻融循环试验研究。研究发现，随着钢渣占比的增加，钢渣混合土28 d干缩系数、冻融质量损失率均有所减小，冻融残留强度比先增后减，在钢渣占比50%（质量分数）时达到峰值961%，说明合适的钢渣占比既能抑制钢渣混合土的干缩，又赋予其较好的抗冻性能；随着水泥掺量的增加，28 d干缩系数、冻融残留强度比增加，冻融质量损失率减小，表明水泥掺量的增加不利于钢渣混合土的干缩性能但有利于其抗冻性能；土壤固化剂的掺入能改善钢渣混合土的干缩和抗冻性能。SEM分析表明，钢渣占比为50%、水泥掺量为5%配合比的钢渣混合土结构更紧密，8次冻融循环后整体性更好。通过对比不同基层材料的干缩系数和冻融残留强度比发现，钢渣混合土的干缩性能劣于水泥稳定碎石但优于水泥石灰稳定土，抗冻性达到甚至超过水泥稳定碎石。
基层材料 钢渣混合土 干缩性能 冻融循环 抗冻性能 微观结构 roadbase material steel slag mixed soil dry shrinkage performance freeze-thaw cycle frost resistance microstructure
1 安徽工业大学建筑工程学院, 安徽 马鞍山 243032
2 冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室(安徽工业大学), 安徽 马鞍山 243032
建筑能耗占我国总能耗的30%以上, 利用建筑自身的被动调节性能提高其热湿调节性能, 是实现建筑节能的重要举措。 以癸酸、 棕榈酸制备相变温度在人体舒适度范围内的癸酸-棕榈酸复合相变材料, 采用癸酸-棕榈酸复合相变材料, 硅酸四乙酯, 钛酸丁酯作为原材料制备具有热湿调节, 空气净化功能的癸酸-棕榈酸/SiO2@TiO2光催化相变微胶囊(简称D-T微胶囊)有利于建筑节能, 改善室内空气品质。 研究分析了去离子水用量(去离子水与硅酸四乙酯物质的量比), pH值, 癸酸-棕榈酸复合相变材料的用量(癸酸-棕榈酸复合相变材料与硅酸四乙酯的物质的量比), 钛酸丁酯的用量(钛酸丁酯与硅酸四乙酯物质的量比)以及钛酸丁酯的滴加速度五个影响因素对D-T微胶囊的粒径、 物质组成、 形貌以及空气净化、 热湿调节性能的影响。 激光粒度分析结果表明去离子水用量和钛酸丁酯用量对D-T微胶囊的粒径分布有重要影响。 过水体系能够有效分散T-D微胶囊, 防止其团聚； 适量的钛酸丁酯水解产生的TiO2包裹在癸酸-棕榈酸@SiO2表面, 从而影响D-T微胶囊的粒径。 扫描电镜结果显示, 过多的癸酸-棕榈酸复合相变材料用量会造成相变材料的泄露； 过快的钛酸丁酯滴加速度影响其水解反应速度, 造成TiO2的团聚。 X-射线衍射(XRD)分析结果显示, pH值是生成具有光催化性能的锐钛矿相TiO2的关键因素。 因此, 当控制去离子水与硅酸四乙酯的物质的量比为90∶1, pH值为2, 癸酸-棕榈酸复合相变材料用量为0.5, 钛酸丁酯用量为0.8, 控制钛酸丁酯的滴加速度为20 min完成时可以获得形貌、 粒径完整和物相稳定的D-T微胶囊。 D-T微胶囊经过6 h对气态甲醛降解试验, 其对甲醛的降解率能够达到67.87%； 在18~23 ℃之间有明显的相变温度平台, 平台的持续时间约为300 s； 当相对湿度为84.34%时, 平衡含湿量达到0.181 9 g·g-1, 同时相对湿度为32.78%~84.34%之间的湿容量为0.161 3 g·g-1。
相变微胶囊 光催化 热湿调节 空气净化 甲醛 Phase change microcapsule Photocatalytic Heat-humidity adjust Air purification Formaldehyde 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1306
1 广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室, 广东 广州 511458
3 安徽工业大学建筑工程学院, 安徽 马鞍山 243032
以渗透结晶防水材料为研究对象, 将渗透结晶防水材料掺入水泥基材料制备水泥基渗透结晶防水材料。 基于X射线衍射仪(XRD)和傅里叶红外光谱仪(FTIR)分析了渗透结晶防水材料的组分, 在此基础上研究了渗透结晶防水材料对构件力学性能的影响, 利用扫描电子显微镜(SEM)与X射线衍射仪(XRD)对水泥基渗透结晶防水材料构件的微观形貌和物相组成进行分析, 结合抗压强度回复率、 抗渗压力等相关数据, 阐明水泥基渗透结晶防水材料作用机理。 研究表明, 渗透结晶防水材料的主要成分为氧化钙、 硅酸钠、 二硅酸钠、 碳酸钙、 氢氧化钙、 稠环芳烃类减水剂、 乙二胺四乙酸盐。 掺入渗透结晶防水材料的水泥基渗透结晶防水材料, 其力学性能、 抗渗性能、 自愈合性能优越, 即7, 14和28 d的抗折强度分别为2.65, 3.29和4.35 MPa, 抗压强度分别为12.11, 14.57和16.77 MPa; 一次抗渗压力与二次抗渗压力分别为0.8和0.9 MPa; 7, 14, 28和56 d的抗压回复率分别为80.91%, 90.35%, 100.44%和105.90%。 水泥基渗透结晶防水材料的作用机理: 渗透结晶防水材料中硅酸钠、 二硅酸钠与水泥中的钙离子发生反应形成水化硅酸钙凝胶(C—S—H凝胶), 有效修补裂缝; 氧化钙、 碳酸钙以及氢氧化钙作为钙离子补偿剂提供大量钙离子, 在水环境下有效促使裂缝愈合; 碳酸钙在水环境中缓慢溶解产生Ca2+, CO32-以及HCO3-, CO32-与HCO3-结合大量钙离子生成碳酸钙结晶, 与C—S—H凝胶协同作用对水泥基材料的裂缝进行封堵。
光谱学分析 渗透结晶防水材料 机理 Spectroscopy analysis XRD XPS FTIR SEM Permeable crystalline waterproof material Mechanism XRD XPS FTIR SEM 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3909
1 博硕科技（江西）有限公司，江西 吉安 343100
2 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026
3 安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032
采用熔融共混技术, 将聚磷酸铵(APP)和氢氧化铝(ATH)引入到聚氨酯弹性体(TPU)中, 制备了一系列热塑性聚氨酯/聚磷酸铵/氢氧化铝(TPU/APP/ATH)复合材料。 采用傅里叶红外光谱(FTIR)、 X-射线光电子能谱(XPS)、 扫描电镜(SEM)、 激光拉曼光谱研究了TPU和阻燃TPU(FR-TPU)复合材料燃烧后炭渣的微观形貌、 表面结构、 元素组成、 键合状态和石墨化程度, 结合阻燃性能测试, 揭示APP和ATH的协同阻燃机制。 SEM分析表明相较于APP与ATH单独使用, TPU/APP/ATH炭层的空洞结构更少, 炭渣的致密性更高。 XPS分析表明FR-TPU的炭渣中C元素含量相比于纯TPU有所降低, O元素的含量有所上升, 其中TPU/APP10/ATH10的C元素含量从88.2%降至69.24%, O元素的含量从8.07%升至17.78%, P和Al元素含量相较于单独添加分别从11.74%和16.36%下降至3.91%和3.31%。 在此基础上, 通过对C元素的分峰拟合发现TPU炭渣中C—C/C—H, C—O/C—N和C=O/C=N含量分别为61.05%, 35.65%和3.30%; TPU/APP10/ATH10炭渣中三种结构含量分别为45.38%, 45.00%和9.63%, 说明ATH和APP复配使用有利于C元素形成酯、 醚、 羰基、 羧酸(盐)、 酯基等结构。 通过对O元素的分峰拟合发现, TPU炭渣中O2/H2O, —O—, =O三种结构含量分别为28.75%, 44.36%和26.89%; TPU/APP10/ATH10炭渣中O2/H2O, —O—, =O三种结构含量分别为44.33%, 32.78%和22.89%, 说明APP和ATH的加入有利于炭渣中O元素形成O2/H2O结构。 通过对N元素的分峰拟合发现, TPU炭渣中—NH—, =N结构的N元素含量分别为40.93%和59.07%; TPU/APP10/ATH10中—NH—, =N结构的N元素含量分别47.17%和52.83%, 说明ATH与APP复配使用促进了—NH—结构的形成。 拉曼测试表明, 相比于单独使用, APP和ATH复配使用, 炭层的石墨化程度更好, 致密性更高。 以上分析结合阻燃测试可以得出TPU/APP/ATH复合材料阻燃机制: ATH受热分解生成氧化铝, 吸收热量并释放大量水蒸气, 有效促进APP降解, 生成不燃性的氨气和聚磷酸, 氨气和水蒸气稀释可燃性气体的浓度。 随着温度继续升高, 氧化铝可继续与聚磷酸反应生成偏磷酸铝[Al(PO3)3], 同步催化聚氨酯基体成炭, 形成高度石墨化炭层, 石墨化炭层与偏磷酸铝一起覆盖在基体表面, 有效抑制燃烧区域物质以及能量的输运, 从而达到阻燃目的。
光谱分析 聚氨酯弹性体 聚磷酸铵 氢氧化铝 阻燃 协同作用 Spectroscopy analysis Thermoplastic polyurethane Ammonium polyphosphate Aluminum hydroxide Flame retardancy Synergistic effect 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3901
1 上海海事大学物流工程学院, 上海 201306
2 约克大学电子工程学院, 英国 约克 YO105DD
为了使岸桥表面锈蚀检测任务在部署到嵌入式设备和移动设备中获取更快的推理速度,在不牺牲精度的前提下提出改进的轻量化目标检测网络MobileNetV2SSDLiteV1/V2。改进后的网络采用5个卷积层的特征映射作为检测器输入,并使用3×3深度卷积预测分类和位置得分。为了减少骨干网络的参数量,将原始17个线性残差模瓶颈块结构设计成14个,并将分辨率为256 pixel×256 pixel的图像作为网络输入,同时改变原始默认框的系数,使先验框的个数减少了82.51%,接着将所有层进行批处理归一化并从零开始训练网络。以上改进可以使网络参数变为0.96×10 6,减少至原来的1/4,网络的浮点运算次数为0.12×10 9,较原始减少81.25%,mAP值高达77.40%,推理速度达45 frame/s。
机器视觉 深度学习 目标检测 岸桥 轻量级网络 边缘计算 激光与光电子学进展
2021, 58(16): 1615006
安徽工业大学建筑工程学院, 安徽 马鞍山 243032
采用热重-傅里叶红外光谱(TG-FTIR)研究硬质聚氨酯泡沫(RPUF)和硬质聚氨酯泡沫/膨胀石墨复合材料(RPUF/EG)燃烧过程中气相产物生成及变化规律, 采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)研究其炭渣的微观形貌、 元素组成及键合状态, 结合阻燃性能测试阐明RPUF/EG复合材料阻燃机理。 SEM分析表明RPUF/EG复合材料燃烧后炭渣中存在大量 “蠕虫状”结构。 TG-FTIR分析表明RPUF/EG复合材料热解分为两个阶段, 第一个阶段对应于聚氨酯分子链硬段的降解, 第二个阶段对应于聚氨酯分子链软段的降解, 降解产物有异氰酸酯化合物、 胺类化合物、 碳氢化合物、 芳香族化合物、 CO、 CO2以及酯类化合物, RPUF/EG硬段降解产物强度高于PRUF的降解。 XPS分析表明RPUF炭渣中C, N和O元素含量分别为77.63%, 10.30%和12.07%, RPUF/EG30炭渣三种元素含量分别为82.18%, 9.18%和8.35%。 在此基础上, 通过对C元素的分峰拟合发现RPUF炭渣中C—C/C—H, C—O/C—N和CO/CN含量分别为51.38%, 38.89%和9.73%, RPUF/EG30炭渣中三种结构含量分别为53.99%, 37.62%和8.39%, 说明膨胀石墨的加入有利于聚氨酯分子链中C元素形成稳定石墨碳结构, 从而有利于形成致密炭层; 通过对N元素的分峰拟合发现RPUF炭渣中—NH—和N结构含量分别为49.06%和50.94%, RPUF/EG30炭渣中—NH—和N结构含量分别为43.96%和56.04%, 说明膨胀石墨的加入有利于聚氨酯分子链中N元素形成稳定芳杂环结构, 从而形成致密炭层; 通过对O元素的分峰拟合发现RPUF炭渣中O, —O—和O2/H2O三种结构含量分别为19.30%, 16.72%和63.98%, RPUF/EG炭渣中三种结构含量分别为25.57%, 36.60%和37.83%, 进一步说明RPUF/EG炭渣致密性明显提高。 综合TG-FTIR, XPS和SEM分析, 结合阻燃性能测试可以得出RPUF/EG复合材料阻燃机制: 膨胀石墨粒子在燃烧过程中膨胀形成“蠕虫状”结构, 其释放的酸性气体促进了聚氨酯分子链硬段的降解, 并且促进聚氨酯分子链中C和N等元素形成致密炭层, 上述致密炭层与“蠕虫状”结构一起覆盖在燃烧区域表面, 有效抑制燃烧区域物质以及能量的输运, 从而达到阻燃目的。 以上研究为揭示膨胀石墨阻燃机理, 拓展其在相关领域的使用提供了实验基础和理论依据。
光谱学分析 聚氨酯硬泡 阻燃机理 Spectroscopy analysis TG-FTIR TG-FTIR XPS XPS Rigid polyurethane foam Flame retardant mechanism 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1626
1 中国矿业大学 理学院 物理系,江苏 徐州 221116
2 复旦大学 应用表面物理国家重点实验室,上海 200433
为解决透射型偏振分束器透射效率低、高入射角度依赖的缺点，利用二维光子晶体平板设计了一种高效偏振分束器.采用的光子晶体是由空气中周期性排列的蜂窝格子GaAs介质柱构成.该偏振器对一种偏振光(TE偏振)正常折射，而对另一种偏振(TM偏振)负折射，从而实现两种偏振模式在空间上分离.为提高其透射效率，在光子晶体平板表面引入了消反层，并对相关参量进行优化.二维有限时域差分模拟结果显示，在较宽的角度范围内(约20°)，约化圆频率处在ω=0.20~0.23×2πc/a范围内，分束器对TE和TM偏振光的透射强度都能达到95%以上.
光子晶体 蜂窝格子 偏振分束器 消反层 Photonic crystals Honeycomb lattice Polarization Beam Splitter(PBS) Anti-Reflection Layer(ARL)
Author Affiliations
Abstract
Department of Physics, School of Sciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008
Polarization independent bends and beam splitters for transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) polarizations have been demonstrated in two-dimensional (2D) photonic crystals (PhCs). In virtuel of equi-frequency contour analysis and finite-difference time-domain calculations, self-collimation behaviors for TE- and TM-polarizations are achieved at the same frequency. Simulation results show a 90-degree bend with 90% efficiency and beam splitters with about 96% total efficiency for both TE- and TM-polarizations, where the light is self-guided by the self-collimation effect. Such bends and beam splitters are expected to play important roles in optical devices where polarization insensitivity is needed.
光子晶体 自准直 光折弯 分束器 250.5300 Photonic integrated circuits 120.1680 Collimation 230.1360 Beam splitters Chinese Optics Letters
2007, 5(11): 662
