水泥基材料具有高度的亲水性, 服役环境中的侵蚀性物质往往通过水的传输渗透到水泥基材料中, 从而导致钢筋腐蚀、混凝土碳化等耐久性问题。本工作利用具有疏水性的微生物菌体提高水泥基材料的疏水性能。研究发现熊蜂生假丝酵母和球形芽孢杆菌掺入砂浆后均可提高砂浆的疏水性能, 接触角可分别提升至122.7°和112.1°, 水滴在砂浆断裂面的扩散速率和吸收速率显著减缓, 毛细吸水最高下降39%左右。通过对内部微结构的分析初步得出菌体通过粗糙结构的构造及自身疏水性的共同作用提升了砂浆基体的疏水性能。虽然加入菌体后砂浆的流动性能和疏水性能得到提升, 然而力学性能显著下降, 这也为后续使用微生物菌体作为水泥基材料疏水剂提出新的挑战。

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。

为进一步提升低碱再生骨料植生混凝土在海绵城市各使用场景中设计与运营规划的合理性, 通过压汞试验测定了天然骨料、再生混凝土骨料、再生红砖骨料的孔径分布, 利用三种类型骨料配制低碱植生混凝土并分别测量其在吸水与返水状态下的吸水率-时间曲线和含水率-时间曲线, 建立了低碱再生骨料植生混凝土吸返水特性的表征模型, 并结合Pearson相关性系数揭示了植生混凝土吸返水特性的微观机理。结果表明: 幂函数与双指数函数可较为精确地拟合各类型植生混凝土的吸水率-时间曲线(拟合优度R2不小于0.95)和含水率-时间曲线(拟合优度R2不小于0.99), 其中幂函数吸水模型包括初始吸水系数与增量吸水系数两个参量, 双指数返水模型包括初始含水系数、初始返水系数以及残余含水系数三个参量; 骨料类型显著影响低碱植生混凝土的吸返水特性, 这种差异主要来自骨料本身的孔隙结构, 骨料100 nm 以上孔隙越多, 植生混凝土的初期吸水速率越大, 饱和吸水率越高, 持续返水能力越强, 骨料100 nm 以下的孔越多, 返水后的残余含水率越高。此外, 由于 100 nm 以下的孔可通过毛细作用持续吸水, 而部分孔隙结构存在小孔(孔径100 nm以下)与大孔(孔径100 nm 以上)串联的情况, 形成了毛细孔吸水、大孔储水的虹吸结构, 故植生混凝土的持续吸水能力与 100 nm 以上及 100 nm 以下的孔均有显著关系。

碱激发矿渣-赤泥胶凝材料(AASR)由于吸水速率较大, 水分和侵蚀性离子易进入AASR内部, 对其耐久性构成重大威胁。本文利用硬脂酸钠(NaSt)改善AASR的孔结构, 并在孔隙壁上引入憎水膜, 降低AASR的吸水速率。通过对AASR孔结构、接触角和微观形貌的分析, 揭示了NaSt对AASR吸水速率的改善机理。结果表明: NaSt在AASR内部引入了较多的封闭孔, 内部孔隙之间的连通性会被这些封闭气孔阻断, 从而阻断水分在AASR孔径中的传输; NaSt在毛细孔壁形成憎水膜, 增大了孔壁接触角, 降低了毛细管吸力; 掺入质量分数为0.5%的NaSt后, AASR的初始吸水速率的降低幅度高达83%, 但对力学性能影响较小。

实际生产中碳酸钙块体材料制备难度极大, 用人工方法制造碳酸钙往往只能得到微米级粉末。本文以珊瑚粉与球霰石型碳酸钙为原材料, 采用压制成型, 利用珊瑚粉的晶核效应调控球霰石向针棒状文石型碳酸钙转变, 通过针棒状文石相互穿插、搭接形成三维空间结构, 制备出性能良好的碳酸钙水泥。研究珊瑚粉对碳酸钙水泥凝结硬化过程、强度的影响, 系统分析碳酸钙水泥硬化体的物相组成、微观形貌、孔隙结构等微观结构特征。结果表明, 碳酸钙水泥的硬化与球霰石向文石的转化过程直接相关。珊瑚粉含量为40%(质量分数)时, 碳酸钙水泥力学性能最优, 其2、6 h抗压强度分别可达27、33 MPa。珊瑚粉的掺入能够诱导球霰石向文石转化, 抑制了球霰石向热力学最稳定的方解石转化, 并降低最可几孔径, 减少更有害孔隙。

分别采用偶氮化合物类塑性膨胀剂(PEA1)及亚硝基化合物类塑性膨胀剂(PEA2)配制了C125海上风电超高性能灌浆料, 对比研究了塑性膨胀剂种类及掺量对C125海上风电超高性能灌浆料流动度、膨胀率、抗压强度、电通量及孔结构分布的影响规律。结果表明, 随着塑性膨胀剂掺量的增加, 灌浆料的流动度先增大后减小, 抗压强度逐渐降低, 竖向膨胀率和电通量逐渐增加。当PEA1、PEA2掺量相同时, PEA1对灌浆料的流动度、抗压强度、竖向膨胀率和电通量的影响幅度更大, 掺入PEA1后灌浆料的总孔隙率、平均孔径及大孔比例增幅更明显。

为了解冻融环境下泡沫混凝土的单轴压缩特性, 分别对4种密度(500、600、800和1 000 kg/m3)的泡沫混凝土进行了变加载速率(10~100 N/s)的试验研究, 并基于X-CT重构了冻融环境下泡沫混凝土的孔隙结构模型。在此基础上, 研究了单轴压缩过程荷载-位移曲线的特征及其影响因素, 并借助回归分析和灰关联理论分析了泡沫混凝土密度、冻融循环次数及加载速率与抗压强度的关联程度。结果表明: 冻融循环后泡沫混凝土单轴压缩过程荷载-位移曲线的切线模量大幅减小, 非线性特征加强; 冻融循环后试件孔隙率增大, 孔径分布离散化程度加强。冻融环境下泡沫混凝土抗压强度与密度等级之间始终保持指数关系, 相关系数均在0.9以上; 泡沫混凝土密度等级与抗压强度联系最为紧密, 其次是冻融循环次数和加载速率, 灰关联度均在0.65以上。

以天然植物组织油茶粕为原料, 通过水提法制备绿色发泡剂, 并采用物理发泡方式制备泡沫混凝土, 研究混泡时间、水胶比和泡沫掺量对泡沫混凝土干密度、抗压强度及孔结构的影响。结果表明: 绿色发泡剂泡沫稳定性高, 可用于制备低密度泡沫混凝土, 是一种优质的新型绿色发泡剂; 当泡沫掺量为750 mL、混泡时间为180 s、水胶比为0.45时, 所制备的A05密度等级泡沫混凝土的吸水率为45%, 抗压强度为1.52 MPa, 并且绿色发泡剂制备的泡沫混凝土孔径分布均匀, 孔径小(最大气孔孔径dmax＜0.6 mm), 气孔形态完整。

为了探明再生砂混凝土的毛细吸水特性, 研究了再生砂掺量(0%、30%、50%、70%、100%, 质量分数)、再生砂微粉含量(3%、7%、10%, 质量分数)、水胶比(0.37、0.45、0.58)、矿物掺合料品种和掺量、再生砂预湿程度(0%、50%、100%)、硅烷浸渍处理等因素对再生砂混凝土抗压强度与毛细吸水性能的影响, 分析了不同再生砂掺量的混凝土孔结构与毛细吸水系数的关系。结果表明: 再生砂混凝土0~240 min和240~1 440 min两阶段的毛细吸水量皆与时间的平方根之间呈线性关系; 随着再生砂掺量和微粉含量的增加, 混凝土的毛细吸水系数逐渐增大, 再生砂掺量超过50%时, 会显著影响混凝土的毛细吸水性能和强度; 通过降低水胶比、增大再生砂的预湿程度、掺入三元复合矿物掺合料(15%粉煤灰+15%矿渣粉+8%硅灰)以及对混凝土表面进行硅烷浸渍处理, 均可以降低再生砂混凝土的毛细吸水系数。随着再生砂掺量的增加, 混凝土的孔隙率和临界孔径增大, 进而导致混凝土毛细吸水系数增加。