超细水泥的发明主要是为了解决因普通水泥颗粒粒径较大无法有效注入微细裂缝的难题。超细水泥兼具普通水泥的耐久性好和化学浆材的流动性高的优点, 成为水泥基材料由传统材料转向高新技术材料发展的重要开端, 在工程中受到广泛使用。本文回顾和总结了近20年来国内外学者对于超细水泥研究所取得的主要进展, 对比分析了干磨法和湿磨法制作超细水泥的生产工艺及其优缺点; 比较了超细水泥区别于普通水泥的流动性、体积稳定性和力学性能; 总结了粉煤灰和矿粉等掺料的加入对超细水泥浆液的性能影响, 并在此基础上, 对超细水泥在加固和封堵技术中的应用进行了总结, 旨在为超细水泥的生产工艺、基本性能以及相关工程应用提供相关参考。

随着国家对污水系统规划的重视, 混凝土在污水管道中得到了广泛应用。混凝土在污水管道服役期间会受到物理、化学以及生物的协同作用而劣化。在诸多侵蚀介质中, 硫酸对混凝土的性能影响最为突出。为了进一步加深对此研究领域的理解, 本文主要从污水管道中的硫酸来源、混凝土的硫酸腐蚀机理、影响硫酸腐蚀的因素及抗硫酸腐蚀对策等研究进展进行介绍, 寻找有效的污水管道混凝土防腐对策。

基于层状双氢氧化物(LDHs)结构可重建性, 制备亚硝酸根插层的LDHs。将亚硝酸根插层的LDHs作为新型降铬外加剂掺入水泥, 研究LDHs降铬效率、耐存储性和球磨温度处理条件下的稳定性, 并揭示其还原和固化水泥中可溶性Cr6+的作用机理。结果表明, 与水拌和后LDHs-NO2层间释放的亚硝酸根离子能够快速还原水泥中的Cr6+, 有效降低可溶性Cr6+含量。掺入0.2%(质量分数)LDHs-NO2可使水泥中可溶性Cr6+含量从40.26 mg/kg降至9.36 mg/kg, 同时水泥3 d抗压强度增加约2 MPa。还原后的Cr3+与层板中的Al3+进行离子交换进入LDHs层板, 从而实现稳定的化学固化。亚硝酸根插层LDHs的还原效率优于FeSO4·7H2O, 并且在长时间储存和球磨温度处理条件下仍能保持优异的还原能力。

在地热环境下水泥水化初期, 单硫型硫铝酸盐(AFm)易与硫酸根在孔隙或界面处生成延迟钙矾石(DEF), 导致混凝土膨胀开裂。本文采用溶液法模拟钙矾石(AFt)生成的温湿耦合液相环境, 通过分子动力学模拟方法研究AFt在常温和地热环境下的内部结构变化, 确定DEF的生成温度界限和水泥中石膏临界掺量。结果表明, 地热高温环境会影响AFt晶体在(100)、(110)晶面上的生长, 导致AFt生成量随温度升高逐渐减少; 70~75 ℃为AFt转变为AFm的关键温度区间, 但在75 ℃以上液相环境中AFt依然能够生成, 转化的AFm含量会随温度增加而逐渐增多; 高温对水泥早期水化生成AFt具有促进作用, 但随着养护龄期增长, 高温会造成早期生成的AFt逐渐转化为AFm; 混凝土中AFt生成量随石膏掺量增大而增加, 质量分数为4%左右的石膏是适宜掺量; 分子动力学模拟结果同样表明AFt在常温下结构稳定, 而在地热条件下结构发生改变。

铁相固溶体(以下简称铁相)是铁铝酸盐水泥熟料中的重要矿物, 但其对铁铝酸盐水泥熟料的烧成及性能影响尚不完全明确。采用综合热分析、易烧性分析、X射线衍射和岩相分析方法对不同铁相含量的铁铝酸盐水泥熟料形成进行了研究。结果表明: 铁相含量增加对铁铝酸盐水泥熟料形成过程中吸、放热反应温度没有明显影响, 但会导致熟料烧成过程中液相量显著增加。铁相含量增加对铁铝酸盐水泥熟料形成过程中的石膏化合生成C4A3有阻碍作用, 但对熟料烧结以及熟料矿物晶体生长有促进作用。在铁铝酸盐水泥熟料形成过程中, 当煅烧温度超过1 250 ℃时过渡矿物C5S2才完全消失, 当煅烧温度超过1 350 ℃时, C4A3大量分解, 适宜的烧成温度范围为1 250~1 350 ℃。

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。

本文以乙二胺四乙酸二钠作为改性剂, 通过焙烧还原法成功制备出改性CaAl-LDHs阻锈剂(CaAl-EDTA LDH), 并探明了CaAl-EDTA LDH对水泥基材料宏观性能(流动度、凝结时间、力学性能)及微观性能(产物组成、水化热、孔结构)的影响规律。此外, 成型了内埋钢筋的砂浆试件, 设置了两种腐蚀模式(内掺氯盐+干湿循环、干湿循环), 模拟测试不同掺量(0%、0.5%、1.0%、2.0%、4.0%, 质量分数)CaAl-EDTA LDH对实际钢筋混凝土体系的防护效果。结果表明, 掺量为0.5%和1.0%的CaAl-EDTA LDH会促进水泥矿物溶解, 提高水化放热量, 使砂浆早期强度提升。但是EDTA自身具有缓凝效果, 当CaAl-EDTA LDH掺量为4.0%时, 砂浆水化放热量及早期水化产物生成量严重降低, 而28 d净浆总孔隙率增加了4%左右。腐蚀试验结果表明干湿循环模式下CaAl-EDTA LDH未表现出阻锈性能, 而在双重腐蚀模式下, CaAl-EDTA LDH在经历90次干湿循环后仍对砂浆中的钢筋存在优异的防腐效果, 但掺量应控制在1.0%~2.0%。本文开发的新型阻锈剂对延长钢筋混凝土寿命、提高结构耐久性具有参考意义。

以剪跨比、配筋率和轴压比为研究变量, 对7根聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-FRCC)中长柱(以下简称PVA-FRCC柱)进行拟静力试验, 研究了地震作用下试件的裂缝形态、变形、耗能和抗损伤能力。结果表明: PVA-FRCC柱具有优良的裂缝控制能力和卸载后裂缝闭合能力; PVA-FRCC具有较好的延性、较强的变形和耗能能力, 其弹塑性极限位移角最大可达1/13; 剪跨比较大的试件虽承载力较低, 但由于PVA纤维的增韧作用, 试件达到峰值荷载后具有优良的耐受变形能力和抗损伤能力; 当配筋率提高时, 柱的承载力、变形和抗损伤能力均提高; 增大的轴压比明显降低了试件的变形、耗能和抗损伤能力。当PVA纤维体积分数为1%时, 具有较小轴压比和适中剪跨比与配筋率的PVA-FRCC柱综合性能最优。本文提出的改进Park-Ang 损伤模型符合边界条件, 且反映的损伤发展趋势与试验现象相符, 可较好地评价PVA-FRCC柱的损伤状况。

工程水泥基复合材料(ECC)具有较好的延性和抗拉性能, 但成型收缩率较大, 容易导致试件成型开裂, 严重影响结构的耐久性。在ECC中掺入高性能硫铝酸钙(HCSA)膨胀剂以减小ECC成型收缩率, 研究了不同掺量的膨胀剂对ECC收缩率和力学性能的影响。结果表明: 膨胀剂掺量为6%~8%(质量分数, 下同)时可明显改善ECC的收缩率, 膨胀剂掺量过高会使ECC出现膨胀现象; 膨胀剂掺量为4%~6%时可明显提高ECC的抗压强度, 但对抗拉强度影响较小; 膨胀剂掺量为2%~4%时可明显提高ECC的剪切韧性, 但对抗剪强度影响较小; 膨胀剂掺量为6%~8%时可明显提高ECC的极限弯曲强度。

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。

针对混凝土用人造骨料表面疏松多孔和水泥浆体结合能力不足的问题, 提出包覆和表面疏水特性修饰的新方法处理人造骨料。试验将不同质量分数的硅烷偶联剂溶液与有机硅树脂联合改性应用于碳化养护的人造骨料, 研究改性方法对人造骨料吸水率、颗粒强度、骨料-水泥砂浆黏结强度等性能的影响规律, 利用细观/微观测试分析方法表征改性前后人造骨料的微观结构以及人造骨料与水泥砂浆的界面形貌。结果表明, 较单一使用化学溶液改性人造骨料, 联合改性方法可显著优化人造骨料的表面微观结构, 提升骨料性能, 骨料吸水率可降低至1.74%。当硅烷偶联剂质量分数为5%时, 人造骨料表面形成厚度合适的改性层, 人造骨料与水泥砂浆的结合程度显著提升。

制备相变石蜡水性分散体乳液并将其引入化学发泡过程中制得相变泡沫混凝土, 通过试验研究相变泡沫混凝土的干密度、抗压强度、体积吸水率、保温性能、相变稳定性能及微观状态。结果表明: 相变石蜡乳液对化学发泡过程和材料抗压强度均有不利影响, 相变石蜡乳液掺量在干粉料质量的40%以内能够稳定制得相变泡沫混凝土; 相变石蜡以微小颗粒分散在泡沫混凝土基体中, 掺入40%干粉料质量的相变乳液会引起泡沫混凝土抗压强度下降35%~47%、体积吸水率降低19%~30%; 相变石蜡能够在一定温度范围内提高泡沫混凝土的保温性能, 材料相变稳定性良好, 石蜡不易渗漏。

针对既有交通线路快速抢通和抢通后寿命确保的需要, 研发了具有足够施工时间的超早强(数小时达到开放强度)超高性能混凝土(UHPC)。基于最大密实度理论的UHPC配方, 试验研究了普通硅酸盐水泥(OPC)替代率对硫铝酸盐-硅酸盐复合体系(SAC-OPC体系)混凝土力学性能与施工性能的影响, 确定了OPC替代率; 通过正交试验确定影响SAC-OPC体系混凝土力学性能和工作性能的早强组分(硫酸锂、硫酸铝)、增强组分(纳米碳酸钙)、调凝组分(粉体缓凝剂、四硼酸钠), 制备了初凝时间36 min、3 h抗压/抗折强度41.4/17.0 MPa的超早强UHPC, 以及初凝时间40 min、3 h抗压/抗折强度36.2/13.9 MPa的超早强UHPC。通过SEM和XRD分析, 探究了具有足够施工时间超早强UHPC的性能形成机理。结果表明: 随OPC替代率增大, UHPC的凝结时间先减后增, 扩展度持续增大, 早期力学性能大致呈下降趋势, 后期力学性能大致呈上升趋势; 超早强与初凝时间延长主要源于协同水化作用与早强组分、增强组分和调凝组分的累加效应。

将钢筋混凝土的方形结构箍筋改变为六肋结构、星形结构, 设计制备出拥有负泊松比效应的钢筋混凝土梁。通过三点弯曲试验和落锤冲击试验数值模拟分析混凝土的抗弯性能, 同时通过数字散斑相关方法分析其变形行为以及泊松比。结果表明: 六肋结构和星形结构的箍筋能够提高混凝土的抗弯承载力, 延缓其裂缝开展, 提高其能量吸收率与弯曲韧性, 星形箍筋的钢筋混凝土抗弯承载力和弯曲韧性系数分别可达22.6 kN及3.86 MPa; 随箍筋结构中内凹角数量的增加, 混凝土的抗弯性能增强, 泊松比反而减小, 且星形箍筋的钢筋混凝土甚至出现了负泊松比的现象, 泊松比最小可达－0.03。

尺寸效应对混凝土材料力学性能和结构设计有重要影响。目前试验测试仍是混凝土尺寸效应研究主要手段, 受限于样本制作周期及复杂的边界和加载条件, 综合成本高, 结果离散性较大。本文基于深度学习和贝叶斯优化算法, 以大量试验数据为基础, 建立了不引入任何简化计算假设的混凝土抗压强度尺寸效应深度神经网络模型(BO-DNN), 并与已有尺寸效应模型进行了比较分析, 通过改变选定特征参数的值来考察各参数对抗压强度尺寸效应的影响。结果表明: 水胶比对抗压强度尺寸效应影响显著, 水胶比越小, 尺寸效应越明显; 抗压强度尺寸效应随骨料粒径的增大呈递增趋势, 但增幅随粒径的增大有所减缓; 高宽比小于2的试件抗压强度尺寸效应随高宽比的增大而增大, 超过2以后尺寸效应基本不再增大; 试件形状对抗压强度尺寸效应的影响较小; 龄期越大, 尺寸效应越显著, 但龄期超过90 d后尺寸效应现象趋于稳定。本文提出的预测模型泛化能力强, 具有更高的精度和稳定性, 能较好地挖掘各特征参数之间复杂的非线性关系, 为混凝土材料和结构的工程设计提供理论依据和参考。

选用7种不同3D端钩钢纤维掺量的混凝土开口梁构件为研究对象进行了三点弯曲试验, 结合数字图像相关(DIC)技术研究了不同3D端钩钢纤维掺量对混凝土开口梁构件抗弯性能的影响。结果表明, 3D端钩钢纤维混凝土开口梁构件具有优异的抗弯韧性, 其荷载-裂缝开口位移(CMOD)曲线有两个峰值, 除3D端钩钢纤维掺量为25 kg/m3的构件的第二峰值与第一峰值之比为0.91外, 其他含3D端钩钢纤维构件的第二峰值与第一峰值之比均大于1。基于分析得到了不同3D端钩钢纤维掺量下混凝土开口梁构件的CMOD-挠度关系以及耗散能分布情况。根据DIC数据分析结果, 验证了平截面假定在不同3D端钩钢纤维掺量下混凝土开口梁构件抗弯分析中的适用性, 并得出了弯曲过程中中性轴位置的变化规律。基于3D端钩钢纤维的拉拔过程分析了3D端钩钢纤维混凝土的拉伸与弯曲破坏机理。

氯离子(Cl-)引起的锈蚀是影响钢筋混凝土使用寿命的主要问题。硅酸盐水泥-富铝材料(粉煤灰、矿渣等)复合体系可以有效结合Cl-, 提高钢筋混凝土抵抗Cl-侵蚀的能力, 成为当前的研究热点。然而, 现有研究对硅酸盐水泥-富铝材料复合体系Cl-结合能力的横向对比较为缺乏。本文首先介绍了Cl-在水泥体系中的结合机理, 重点总结了不同硅酸盐水泥-富铝材料复合体系的Cl-结合能力, 并以Al2O3含量作为主要变量横向对比了现有研究中复合体系的Cl-结合能力。同时, 阐述并分析了影响复合体系Cl-结合能力的多方面因素。最后, 为后续研究提供了更为准确地衡量与对比多种硅酸盐水泥-富铝材料复合体系Cl-结合能力的参考方案, 同时为设计新型高性能硅酸盐水泥-富铝材料复合体系提供理论基础。

稀土元素在铝(氢)氧化物矿物表面的吸附过程对铝土矿中稀土元素的富集和以吸附态存在的稀土元素的提取回收均具有重要影响。本文选择勃姆石作为研究对象, La和Y分别作为轻稀土和重稀土元素的代表, 以批实验的方法, 探究吸附时间、溶液pH值和背景电解质对勃姆石吸附稀土离子的影响。研究发现: 勃姆石吸附稀土离子在72 h内能够接近平衡, 对La3+和Y3+的吸附率分别约为45%和35%; 在所选pH值范围内吸附率随pH值增加而升高; 同时, 吸附率随背景电解质浓度增加而升高。由于质子化效应, 在弱酸性条件下, 勃姆石表面携带正电荷, 与稀土离子之间存在静电斥力, 稀土离子与勃姆石之间可能形成内圈络合物。通过对比轻稀土和重稀土的吸附行为发现, 勃姆石对轻稀土有更强的吸附能力。此外, 通过热力学和动力学模型拟合分析发现, 勃姆石对稀土离子的吸附更符合Langmuir单层吸附模型和准二级动力学模型。

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。

以花岗岩石粉(GP)为矿物掺合料, 通过X射线衍射仪、扫描电镜、综合热分析仪研究了GP对水泥浆体力学性能、物相组成、微观形貌的影响。结果表明: 在标准养护条件下, 掺加15%(质量分数, 下同)GP的水泥浆体28 d抗压强度最高, 为37.0 MPa; 与未掺加GP的水泥浆体相比, 掺加10%GP的水泥浆体56 d线收缩下降了183%, 掺加20%GP的水泥浆体初凝时间和终凝时间分别缩短了20.7%、18.2%。在水养条件下, 掺加20%GP的水泥浆体28 d抗折强度较标准养护条件下提高了48%。GP通过火山灰效应参与水泥浆体水化过程, 形成更多的水化硅酸钙(C-S-H), 掺加GP可以促进水泥浆体形成Ⅰ型C-S-H, 有利于提高水泥浆体力学性能, 缩短凝结时间。

本文研究了不同种类的含硫酸盐固废对硅酸盐水泥水化的影响, 测试了含硫酸盐固废水泥力学性能、凝结时间、线性膨胀率随SO3含量变化的规律, 采用化学结合水、XRD和SEM等测试手段揭示了不同含硫酸盐固废对硅酸盐水泥水化的影响机理。结果表明, 随SO3含量增加, 含硫酸盐固废水泥胶砂抗折强度和抗压强度均先增大后减小, 初凝时间和终凝时间均呈增加趋势并在SO3含量达到一定值后增加速度放缓, 线性膨胀率均不断增大。由于不同的含硫酸盐固废的硫酸盐存在形式不同, 硫酸盐溶出的速率也有差别, 与水泥中铝酸三钙反应生成钙矾石(或单硫型水化硫铝酸钙)的速率和数量也不同, 相同龄期下的水化程度也不同, 因此不同的含硫酸盐固废对水泥力学性能、凝结时间和线性膨胀率等性能的影响存在一定差异。

地聚物具有低碳环保的优点, 但低钙粉煤灰地聚物存在黏度高、常温凝结时间过长、强度低等问题。本文研究了液固比、碱溶液浓度、减水剂掺量、矿渣掺量等因素对低钙粉煤灰地聚物流变性能、凝结时间和抗压强度的影响。结果表明: 新拌地聚物的流变曲线与修正Bingham模型的拟合度较高; 屈服应力受矿渣掺量影响最大, 随矿渣掺量增大而增大; 塑性黏度受液固比影响最大, 随液固比升高显著下降。纯低钙粉煤灰地聚物常温凝结缓慢, 初凝时间超过8 h, 终凝时间超过23 h, 当液固比为0.40、碱溶液质量浓度为29%(质量分数)、矿渣掺量为25%(质量分数)时, 初终凝时间分别大幅缩短至54、145 min, 7 d抗压强度达到23.2 MPa。掺加0.3%~0.5%(质量分数)聚羧酸减水剂后, 纯粉煤灰地聚物的28 d抗压强度提高约20%。

钢渣由于早期活性低, 易磨性差, 安定性不良, 制约了其在水泥混凝土中的大规模利用。本文通过对钢渣进行高温重构, 研究了钢渣在不同重构温度下的矿物相转变及易磨性、安定性、活性指数的变化。结果表明: 高温可以优化钢渣的矿物相组成, 促进难磨相浮氏体(FexO)、RO相的转化, 促进钢渣中硅酸二钙(C2S)向硅酸三钙(C3S)转变, 促进镁铁尖晶石(MgFe2O4)的生成; 矿物及液相分布均匀, 矿物组成良好、边界更清晰的重构钢渣往往表现出更高的强度, 试验所用两种钢渣经过1 400 ℃的高温重构, 其28 d活性指数可分别达99.03%和96.52%; 钢渣中f-CaO含量随重构温度的升高而显著降低; 易磨性则随着重构温度的升高呈先升高后降低的趋势。

为研究铜渣尾矿作为填料对沥青混合料性能的影响, 分析了铜渣尾矿的物理化学性质, 通过马歇尔稳定度试验确定沥青混合料的最佳配合比, 开展车辙试验、劈裂试验、冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验来评价沥青混合料的路用性能, 对铜渣尾矿沥青路面进行检测, 并通过微观形貌分析铜渣尾矿与沥青的黏附特征。结果表明: AC-25C、AC-20C、AC-16C、AC-13C沥青混合料中铜渣尾矿掺量分别为4%、3%、3%、2%(质量分数), 其对应沥青用量为38%、4.2%、4.5%、4.6%(质量分数)时, 沥青混合料性能最佳。与石灰石沥青混合料相比, 铜渣尾矿沥青混合料的高温稳定性、抗裂性、水稳定性得到明显的提升。铜渣尾矿沥青路面性能良好, 其渗水系数为62 mL/min, 摩擦系数为90, 压实度为964%, 均符合规范标准, 铜渣尾矿与沥青形成的沥青胶浆具有良好的黏结性能。

磷酸盐胶凝材料力学性能好, 制备工艺简单, 为资源化利用铜渣提供了新的途径。本文以铜渣和磷酸二氢钠(NaH2PO4)为原料制备了磷酸盐胶凝材料, 采用电子万能试验机、X射线粉末衍射仪及扫描电子显微镜研究了原料配合比和养护条件对铜渣基磷酸盐胶凝材料抗压强度、物相和微观形貌的影响, 并采用同步热分析仪考察了磷酸盐胶凝材料的热稳定性。结果表明, 原料配合比对磷酸盐胶凝材料的力学性能和微观结构有重要影响, 适当提高养护温度有利于强度发展。当NaH2PO4/铜渣质量比为0.30、水/(NaH2PO4+铜渣)质量比为0.15、60 ℃下养护7 d时, 铜渣基磷酸盐胶凝材料抗压强度高达54.70 MPa。铜渣基磷酸盐胶凝材料优异的力学性能源自铜渣中铁橄榄石(Fe2SiO4)与NaH2PO4反应生成的致密无定形结构相。铜渣基磷酸盐胶凝材料热稳定性较好, 空气气氛下467 ℃开始被氧化分解, 无定形结构相发生相转变。

硼泥作为一种硼工业废弃物一直未得到有效利用, 对环境有极大的危害。本文将高温焙烧预处理的硼泥作为原料制备硫氧镁水泥, 研究了不同焙烧条件对硼泥的影响, 以及硼泥焙烧温度、保温时间、硼泥焙烧产物掺量对硫氧镁水泥的力学性能、物相和微观形貌的影响。结果表明: 硼泥中的MgCO3于700 ℃焙烧温度条件下保温2 h, 可分解得到较高活性MgO, 此时硼泥的烧失率维持在23.50%, 水合活性达到最高, 为24.64%。在焙烧温度700 ℃、保温时间2 h、硼泥掺量质量分数为45%的条件下制备的硫氧镁水泥力学性能最优, 其体积密度为1.7 g/cm3, 28 d抗压、抗折强度分别为59.0、8.0 MPa。

采用钢渣矿渣复合粉替代硅酸盐水泥, 钢渣骨料替代天然骨料制备碱激发钢渣-矿渣透水混凝土(ASSPC), 研究不同因素下ASSPC抗压强度的变化规律, 结合XRD、TG、FESEM和SEM-EDS表征ASSPC硬化胶凝材料和界面过渡区(ITZ)的微观性能, 阐明胶凝材料对ASSPC力学性能发展的作用及影响机理。结果表明, ASSPC具备较高的早期抗压强度, 随矿渣-钢渣掺比提高, ASSPC的抗压强度先上升后下降。采用钢渣作为骨料制备透水混凝土, 可有效优化ITZ的微观性能, 改善ASSPC的力学性能。随着水胶比(0.24~0.32)提高, ASSPC的抗压强度先增大后减小。

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。

采用不同种类的纤维和尾矿砂制备环保型混杂纤维-尾矿砂工程水泥基复合材料(MFT-ECC)。以流动度和力学性能为指标, 通过正交试验优选了MFT-ECC中不同纤维的最优掺量; 通过四点弯曲疲劳试验, 对比了不同应力水平下各组ECC试件的疲劳性能; 利用扫描电子显微镜观测MFT-ECC的微观结构。结果表明: 当聚乙烯醇纤维、碳酸钙晶须、改性聚丙烯纤维的体积掺量分别为0.9%、0.8%、0.3%时, MFT-ECC的流动度和力学性能最优; 掺量优选后的MFT-ECC的疲劳性能最好, 其疲劳寿命随应力变化敏感性低, 与基准组相比, 不同应力水平下的强度折减系数分别提高了1.33%和6.56%; 尾矿砂的加入使ECC内部产生填充效应和堆积效应, 提高了材料的密实度。本研究为制备经济环保、性能优越的ECC材料提供了参考。

发展低熟料高标号胶凝材料是水泥工业碳达峰目标达成的有效途径之一, 但对水泥混合材特性利用及多种混合材协同作用也提出了更高要求。本文以四川地区工业固废硅锰渣和地域资源丰富的石灰石为主要混合材, 配制了熟料-硅锰渣-石灰石复合胶凝材料, 研究了复合胶凝材料性能及水化特性。研究结果表明, 熟料-硅锰渣-石灰石复合胶凝材料工作性良好, 后期力学性能增强, 且石灰石粉的成核诱导水化效应可有效改善单独使用硅锰渣胶凝材料体系凝结时间延长和早期强度过低问题。复合胶凝材料体系中, 石灰石粉的早期成核诱导水化效应和硅锰渣后期水化活性均能得到充分发挥。此外, 硅锰渣和石灰石粉能够协同参与胶凝材料体系水化, 消耗铝相生成水化碳铝酸盐相, 增加水化产物总量, 同时也能阻止AFt向AFm转变, 有利于体系力学性能稳定提升。

石膏的溶解度和溶解速率等特性对无水硫铝酸钙水化及性能有重要的影响。本文采用等温量热仪、XRD、TG-DTG等多种测试方法, 研究了半水石膏、二水石膏、硬石膏溶解特性及其对无水硫铝酸钙水化进程的影响, 并基于Krstulovic-Dabic和Kondo模型, 计算了水化反应各阶段的动力学参数。结果表明, 半水石膏、二水石膏、硬石膏在纯水中的溶解度分别为2.74、2.30、2.38 g/L, 半水石膏的溶解速率最大, 其次是二水石膏, 硬石膏的最小(1 h的溶解度为1.19 g/L)。石膏的加入缩短了无水硫铝酸钙水化诱导期进而加快了水化进程, 其中半水石膏表现最为显著, 水化热曲线几乎不存在诱导期, 二水石膏次之, 硬石膏对诱导期的影响最小; 加速期初期的水化反应速率常数从小到大为硬石膏体系、二水石膏体系、半水石膏体系。石膏溶解速率和溶解度影响钙矾石的形成过程, 溶解速率大的石膏促使水化早期钙矾石沉淀出现, 生成量快速达到最大值; 且在相同时间内, 溶解度高的石膏体系钙矾石生成量大, 在水化1 h时, 半水石膏体系中钙矾石生成量约占试样总量的15.77%(质量分数), 二水石膏体系中钙矾石生成量占13.28%(质量分数), 硬石膏体系中钙矾石生成量仅占3.60%(质量分数)。

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。

为考察萘系减水剂(FDN-C)在土体固化中的应用效果, 在高塑性黏土中掺加不同用量FDN-C, 与木质素磺酸钙(CA-LS)对比, 分析其对压实荷载、无侧限抗压强度等力学性能的影响, 并对固化处理后试样粒度、微观结构、结合水以及矿物成分和官能团等进行分析, 研究FDN-C对土壤颗粒的作用机理。结果表明: 与CA-LS类似, FDN-C也可起到降低压实荷载, 提高土体无侧限抗压强度的作用, 在掺量超过土样质量的0.7%后, 掺加FDN-C试样的压实荷载更低, 添加两种减水剂试样的无侧限抗压强度相当; FDN-C和CA-LS均可通过分散土中的“假粉粒”, 降低土颗粒表面结合水膜厚度及减少颗粒间距, 使土颗粒间更密实, 从而提高土体的工程性质; 不同的是, CA-LS降低弱结合水膜厚度能力较强, FDN-C降低强结合水膜厚度能力较强。CA-LS分子中较多可交联的游离空位使其具有一定的粘合性, 可以使土颗粒更好地胶结到一起, 而未发现FDN-C有类似作用。

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。

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行过程中, 产生的自由基会攻击质子交换膜, 使其开裂或形成孔洞, 导致电池失效。常见的改性方法是在质子交换膜(PEM)中添加自由基清除剂材料。基于此, 本文合成了Sn掺杂CeO2自由基清除剂, 通过提高Ce3+浓度来增强其在PEMFC中自由基清除性能, 避免PEM厚度迅速减薄, 从而提高质子PEMFC的耐久性。密度泛函理论计算和试验结果表明, Sn掺杂会引起CeO2产生晶格畸变, 降低氧空位形成能, 促进CeO2中Ce3+的形成。同时, Sn2+的加入可将CeO2-Sn样品中的Ce4+还原为Ce3+, 提升Ce3+的浓度, 从而提高PEM的耐久性。单电池测试结果表明, 经70 h的开路电压衰减测试, CeO2-Sn-5%改性后的质子交换膜组装的单电池电压衰减率最低(18%), 且功率保留率(56%)比其他样品更高, 表明该样品具有更优异的耐久性。

以羧甲基纤维素(CMC)为黏结剂, 通过挤出成型的方式制备氮化硅陶瓷管材, 并研究了黏结剂含量对陶瓷管材生坯性能的影响, 烧结温度对氮化硅陶瓷相对密度、弯曲强度和微观形貌的影响, 以及氮化硅陶瓷的高温强度性能。结果表明: 黏结剂含量为7%(质量分数)时, 可制得干燥收缩均匀、表面光滑、无微裂纹的陶瓷管材生坯; 烧结温度在1 740 ℃时, 氮化硅陶瓷的相对密度和弯曲强度达到最大值, 分别为96%和(684±23) MPa, 其1 200 ℃时的弯曲强度达(380±21) MPa, 具有良好的高温强度性能。

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。

以粉煤灰、铁尾矿为主要原料, 采用高温烧结活化-水热合成工艺制备了新型沸石化陶粒。利用高温烧结得到烧结陶粒的同时对原料中的莫来石等惰性相产生活化作用, 后续采用水热反应对基础陶粒进行沸石化改性, 增加其比表面积及吸附能力。研究表明最佳的制备工艺条件为:m(粉煤灰)∶m(铁尾矿)∶m(石英砂)=7∶1∶2, 烧结温度1 040 ℃, 烧结时间30 min, NaOH溶液浓度1.5 mol/L, 水热温度160 ℃, 水热时间12 h。XRD、SEM、FT-IR和Raman结果表明, 制备的沸石化陶粒的主晶相为P型沸石和方沸石, 其比表面积从基础陶粒的1068 m2/g增加至35.770 m2/g, 同时, 对NH+4-N离子的最大吸附容量由基础陶粒的1.82 mg/g增加至13.34 mg/g, 分别增加至基础陶粒的33.49倍和7.33倍, 结果表明沸石化陶粒在废水处理中具有潜在的应用前景。

平板玻璃行业是典型的高能耗、高排放行业, 在实现碳中和目标过程中不容忽视。平板玻璃行业的碳排放来源于能源消耗和原料中碳酸盐的分解, 其中能源消耗是最主要来源, 占比80%左右。减少对化石燃料的依赖、提高玻璃熔窑热效率是平板玻璃行业脱碳的主要途径。原料中碳酸盐热分解产生的碳排放约占20%, 优化配合料的配方、减少碳酸盐原料引入等方式是有效的脱碳策略。碳捕集可用于减少平板玻璃生产过程中不可避免的二氧化碳排放。本文分析了平板玻璃工业的脱碳技术研究现状及面临的挑战, 并探讨了适合我国平板玻璃行业的脱碳策略。

以电子玻璃为密封材料的航天电连接器在航空航天领域中得到了广泛应用。本文以电子玻璃密封航天电连接器的气密性为优化目标, 对电连接器的封接工艺进行优化。以电连接器的漏率为响应目标函数, 运用Box-Behnken试验与响应面分析, 对封接工艺条件进行评价。建立二次多项式回归方程模型, 对回归方程进行方差分析与系统性检验, 并对封接温度、保温时间和氮气流量等工艺参数进行优化。结果表明, 最佳封接工艺条件为升温速率10 ℃/min、封接温度944 ℃、保温时间32 min、氮气流量1 408 L/h、降温速率10 ℃/min, 该条件下航天电连接器的平均漏率为4.07×10-10 Pa·m3·s-1, 与回归模型预测值相符。玻璃与金属封接的机理为玻璃与金属的化学键合与物理啮合, 以及玻璃与金属氧化物的良好润湿。