在国家积极推进碳达峰、碳中和目标背景下, 水泥行业减少碳排放势在必行。大掺量矿物掺合料混凝土使用了大量矿物掺合料, 大幅减少了水泥用量, 因此受到较大关注。本文重点综述了大掺量矿物掺合料混凝土的碳化行为、微观机理研究现状和常用矿物掺合料对混凝土抗碳化性能的影响; 总结了混凝土碳化的影响因素, 以及碳化行为的测试评价方法和优缺点; 最后, 提出了碳化可能存在的途径, 并指明了进一步的研究方向, 这对于改善大掺量矿物掺合料混凝土耐久性和降低建筑行业碳排放具有重要意义。

纤维增强混凝土的宏观力学性能与纤维/基体的界面结合密切相关。本文通过分子动力学模拟, 研究氧化石墨烯(GO)对聚乙烯醇纤维(PVA)/基体界面结合的影响。结果表明, 当GO与PVA纤维以共价键连接时, PVA纤维从混凝土中被拉出所需的拉力最大, GO的存在能提升纤维与基体的界面黏结性能。混凝土基体与GO主要以钙氧键和氢键连接, 其中钙氧键数量多且化学键强度高。但GO与PVA纤维物理连接时, GO与PVA纤维仅依靠强度较弱的氢键连接, 对界面的黏结性能带来负面作用。此外, GO受到更多离子键和氢键的束缚, 原子平移运动减少, 与基体的界面黏结性能提高。

为研究石灰石粉细度和掺量对水泥浆体流变性能和水化进程的影响, 采用安东帕流变仪测试了新拌浆体的流变性能, 通过计算触变环面积表征浆体的触变性, 同时利用湿堆积密度测试和水膜层厚度计算结果解释石灰石粉对水泥浆体流变行为的影响机制, 最后通过微量热测试和XRD定量分析阐明石灰石粉对水泥水化进程的影响规律。结果表明, 10%(质量分数)掺量下, 1 000目(5.25 μm)石粉的掺入使屈服应力较掺400目(17.34 μm)石粉降低了48.4%, 但较掺600目(11.23 μm)石粉提高了15.6%; 相同细度下, 掺10%和20% 600目石粉浆体屈服应力较空白组分别降低767%和818%; 石粉的掺入降低了浆体的触变性, 并改变了触变性随时间的变化规律; 增加石粉细度和掺量使浆体湿堆积密度增大, 颗粒水膜层厚度提高, 浆体屈服应力和稠度减小; 增大石粉细度能够缩短水化诱导期, 使水化第二放热峰前移, 促进早期C3S溶解和C-S-H生成, 加快水泥水化进程。

为提高工程水泥基复合材料(ECC)的经济适用性, 并保证其较好的拉伸延性, 研究了PVA-ECC的制备方法, 配制出性价比较高的PVA-ECC, 为实际工程提供更多的材料选择。首先基于ECC的微观力学模型和多尺度结构特征, 确定ECC配合比的优化方向。然后通过设计12组不同配合比的ECC试件单轴压缩试验和单轴拉伸试验, 研究硅灰、水泥/粉煤灰比、水胶比、PVA纤维种类和CaCO3晶须对ECC力学性能的影响, 确定了混杂纤维水泥基复合材料的较优配合比。最后通过价值工程法对比分析本文制备的混杂纤维水泥基复合材料的经济价值, 并根据其成本和性能, 提出了三种具有代表性的配合比: 低成本、拉伸延展性相对较低、单掺国产PVA纤维的H12; 中等成本、拉伸延展性相对较高、复掺两种PVA纤维的H11; 高成本、高拉伸延展性、复掺日产PVA纤维和CaCO3晶须的H8。本研究可为实现力学性能优化和经济性提高的双重目标提供数据参考。

纤维增强延性水泥基材料(ECC)造价昂贵, 在实际工程应用中尚未被推广。在传统ECC体系中加入钢纤维, 并按照不同体积分数(0%、25%、50%、75%、100%)将国产PVA纤维替代日产PVA纤维, 制备极具性价比的钢-PVA混杂纤维增强延性水泥基材料, 通过立方体轴心抗压试验研究混杂纤维延性水泥基材料的单轴受压力学性能。结果表明: 随着国产PVA纤维的增加, 钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料的抗压强度先减小后增加, 抗压韧性指数先增强后减弱, 而峰值应变提升效果较为显著; 相较于普通水泥基材料, 钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料具有更好的完整性和延性; 综合材料抗压性能与材料造价, 国产PVA纤维替代日产PVA纤维配制钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料可以实现功能价值和经济价值的协同最大化。

高收缩率是限制高性能工程水泥基复合材料(HP-ECC)大规模工程应用的瓶颈之一。本文通过引入超吸水性聚合物(SAP)来缓解HP-ECC的收缩, 研究了不同掺量的SAP对HP-ECC抗压强度、抗折强度、拉伸性能、自收缩和干燥收缩性能的影响, 并采用扫描电子显微镜(SEM)研究了SAP对HP-ECC拉伸后纤维表面形貌变化的影响。结果表明, HP-ECC中掺入SAP后的抗压强度和抗折强度降低, 自收缩和干燥收缩得到缓解, 且自收缩和干燥收缩随SAP掺量的增加而降低。此外, HP-ECC的拉伸强度降低, 拉伸延伸率提高。SAP的引入降低了基体的断裂韧度, 使基体更容易形成微裂缝, 从而改善了HP-ECC的应变硬化行为和多缝开裂现象。随着SAP掺量的增加, 纤维从基体中拔出时的表面形貌越来越光滑, 纤维-基体界面黏结性能降低。

为研究蒸压轻质混凝土(ALC)板专用砂浆的早期抗剪黏结性能, 设计并制作了4组专用砂浆黏结Z型试件和1组普通砂浆黏结Z型试件, 通过对试件进行单面剪切试验, 分析了普通砂浆黏结试件和不同养护龄期下专用砂浆黏结试件的抗剪强度、破坏形式和荷载-滑移曲线等抗剪黏结性能指标, 并采用ABAQUS软件建立了专用砂浆黏结试件受剪有限元模型。研究结果表明: 专用砂浆的早期黏结强度较高且发展较快, 养护1 d后的抗剪强度是同强度等级普通砂浆养护28 d后的3.5倍; 随着养护龄期的增加, 专用砂浆黏结面的剪切刚度和极限滑移量均有小幅度增长, 相较于普通砂浆, 专用砂浆的塑性变形能力和试块-砂浆界面的黏结强度均有所提高; 有限元计算的荷载-滑移曲线以及破坏特征与试验结果吻合较好, 验证了牵引力-分离定律模拟专用砂浆黏结行为的有效性和可靠性。

利用足尺试验与有限元模型, 研究了采用聚氨酯(PU)材料制备的桥梁无缝伸缩缝的服役性能。首先, 制备了3种不同配合比的改性PU材料, 测试并对比了它们的初凝时间、拉伸强度、撕裂强度、硬度、路面附着力、吸水率、抗车辙及老化性能, 确定了最适用于桥梁无缝伸缩缝的最优PU配合比方案。然后, 采用所选的PU材料设计制作了4个足尺无缝伸缩缝试验件, 并建立了与之相匹配的有限元模型。最后, 通过对比分析试验实测与有限元计算结果, 表现出所设计的无缝伸缩缝在单轴拉伸/压缩、竖向变形及低周疲劳荷载工况下均能保持优异的服役性能。此外, 研究结果还表明在改性PU无缝伸缩缝与路面之间设置45°倾角可以显著改善受力状态, 避免接缝处早期开裂。

振捣是混凝土密实成型的重要手段, 振捣效果直接决定了混凝土成型后的力学性能和耐久性能。本文提出了基于斯托克斯定律、适用于振捣作用下新拌混凝土流变性的测试和评价方法--拉球法, 分析了静态下该方法与流变仪所测流变参数的相关性, 论证了其评价新拌混凝土流变性的可靠性。结果表明, 拉球法与流变仪所测塑性黏度和屈服应力具有良好的线性相关性。振捣可使近振源处浆体的黏性阻力降低90%以上, 并且可以有效排出新拌砂浆中的较大气泡(孔径大于500 μm)而保留微小气泡(孔径小于200 μm)。高引气剂掺量下振捣排出较大气泡的作用效果更强, 当引气剂掺量由0.015%增大至0.030%(质量分数)时, 孔径在［500, 1 000) μm 的气泡含量降幅由31.0%增大至84.8%, 孔径在［1 000, 2 000) μm的气泡含量降幅由10.3%增大至36.4%。

以风积沙混凝土为研究对象, 采用核磁共振、场发射扫描电子显微镜及能谱仪观测不同风积沙掺量及不同浓度硫酸盐侵蚀作用下混凝土的微观孔隙结构、微观形貌及产物特征。结果表明: 随着风积沙掺量增加, 风积沙混凝土抗压强度先增强后减弱, 孔隙率先降低后增加, 风积沙掺量为40%(质量分数)时力学性能最好; 随着硫酸镁浓度的增加以及侵蚀周期的延长, 风积沙混凝土相对动弹性模量先增加后降低; 当硫酸镁浓度为3.5%、风积沙掺量为40%时, 风积沙混凝土浸泡360 d时仍满足标准要求, 此时风积沙混凝土孔隙率为2.553%, 其中少害及有害孔占比达到63.8%, 且产生较多针棒状钙矾石; 当硫酸镁浓度为5.0%(质量分数)时, 孔隙率增加至2.879%, 少害及有害孔比例降低至57.3%, 钙矾石富集程度进一步增加。

韧性城市构筑需要更多高强、高韧的混凝土基础设施, 现有钢纤维增强混凝土(SFRC)细观力学模型与断裂性能模拟研究仍存在挑战。本文借助Python软件对Abaqus前处理二次开发, 建立了SFRC三维细观模型, 全局插入内聚力单元模拟骨料与混凝土基体之间的界面, 研究钢纤维体积率VSF、混凝土基体强度、骨料粒径对SFRC单轴压缩断裂性能的影响。结果表明: VSF在0%~2.0%时, VSF越大, SFRC抗裂性能越好, 且残余应力更大; VSF为20%时, SFRC应力较未加入钢纤维混凝土提高了60.64%; 当基体强度增加时, SFRC的韧性也随之提高, C60、C80混凝土所对应的最大应力值与C40混凝土相比分别提高了66.48%、91.39%, SFRC的应力-步长曲线在弹性阶段变得更陡峭; 骨料粒径在5~7 mm时, 随着骨料粒径的增加, SFRC的抗裂性能显著增强。显然将分散、不定向的韧性钢纤维加入脆性混凝土基体中可有效增强混凝土设施的抗震韧性和抗裂性能。

为探索高温对钢纤维自密实混凝土(SFRSCC)的动、静态力学性能的影响, 对常温(25 ℃)和不同温度(200、400、600、800 ℃)热处理后的SFRSCC进行动、静态力学性能试验, 结合LS-DYNA软件与HJC本构模型进行数值模拟分析。结果表明: 随着温度等级的提高SFRSCC的静态抗压强度先增大后减小, 在200 ℃时达最大值66.9 MPa; 在同等级冲击荷载作用下, 随着温度等级的提高, SFRSCC的动态抗压强度先增大后减小, 并在200 ℃时达到最大; SFRSCC的动态抗压强度随冲击荷载等级的增加而增大, 动态强度增长因子随应变率的增加而增大; 模拟与试验的破坏形态具有一致性。

为研究直通孔孔径、积水深度和水平径流速度对新型自密实透水混凝土(NSPC)抗堵塞性能的影响规律, 测试了堵塞和高压水枪冲洗后NSPC的透水系数, 并基于堵塞物被直通孔道捕获的概率建立了NSPC堵塞模型。结果表明, NSPC堵塞循环后的透水系数随直通孔孔径增加而增大, 当直通孔孔径与堵塞物粒径之比大于5时, 堵塞物形成的颗粒流仍会造成NSPC堵塞。积水深度的升高会降低NSPC堵塞后的透水系数, 水平径流速度对NSPC的透水系数影响较小, 但会延迟透水系数降低的时间。高压水枪清洗后NSPC的透水系数恢复率最高可达到85%。建立的NSPC堵塞模型能够预测直通孔道内堵塞物质量和透水系数衰减率的变化规律。

针对传统经验公式对高性能混凝土强度预测时存在偏差大、效率低等问题, 本文提出一种基于Stacking模型融合的高性能混凝土强度预测方法。首先, 通过数据清洗和归一化对1 030组高性能混凝土抗压强度试验数据进行预处理, 剔除异常数据及消除数据间量纲影响; 其次, 基于极端梯度提算法(XGBoost)、类别优先梯度提升算法、多层感知器和随机森林(RF)4种算法开展超参数优化、模型训练和评估, 采用决定系数、均方根误差和平均绝对误差对比分析4种基学习器对强度预测的整体效果, 在此基础上构建基于Stacking集成学习融合多种机器学习算法的高性能混凝土强度预测模型; 最后, 采用103组新的高性能数据集对模型进行验证, 并开展可解释分析。结果表明: 与其他基学习器的组合相比, XGBoost和RF融合模型的预测精度和性能均明显提高, 泛化性能较好, 且可解释分析显示最重要的输入特征变量是龄期和水泥, 说明模型内在的预测逻辑与工程实践的经验较吻合, 具有较高的合理性与可靠度。研究结果为进一步提高高性能混凝土强度的预测精度提供参考。

超高延性水泥基复合材料(ECC)构建的面层相较于普通刚性混凝土路面面层, 具有更长的使用寿命。本研究对六种典型ECC材料制作而成的面层进行了生命周期评价和成本分析。结果表明, 虽然ECC面层短期内在环境影响和成本方面不占优势, 但是超长的使用寿命和较低的维护频率使其在整个生命周期内的环境影响和成本远低于普通刚性混凝土面层。与普通刚性混凝土面层相比, 含辅助胶凝材料(粉煤灰或矿渣)和环保纤维(聚丙烯纤维或玄武岩纤维)的ECC面层在生命周期内减少了63.2%~68.5%的增温潜势, 且成本只占普通刚性混凝土面层的9.6%~23.3%。

为了研究应力水平对混凝土超声波波速的影响, 本文设计并浇筑了素混凝土轴心抗拉试件、素混凝土轴心抗压试件、素混凝土立方体抗压试件、钢筋混凝土受弯构件, 并分别对素混凝土试件、钢筋混凝土构件进行不同应力水平下的超声波波速检测试验。结果表明: 拉、压应力水平对混凝土试件超声波波速影响较小, 可以忽略不计。低应力水平对钢筋混凝土构件超声波波速影响较小, 高应力水平导致混凝土构件出现裂缝时对超声波波速影响较大。混凝土构件拉应力-超声波波速关系曲线可分为无损伤期、损伤发展期、损伤稳定期、构件破坏期。当拉应力达到极限拉应力的15%~25%时, 构件从无损伤期进入损伤发展期, 此时超声波波速没有变化; 当拉应力达到极限拉应力的35%~55%时, 构件从损伤发展期进入损伤稳定期, 此时超声波波速降低了5%左右; 当拉应力到达极限拉应力的60%~75%时, 构件从损伤稳定期进入构件破坏期, 此时超声波波速降低了8%左右。

以贝壳替换部分传统水泥基材料, 研究其对污染物的吸附能力, 可扩大水泥基材料的功能型工程应用范围。本文通过吸附动力学、等温吸附等原理论证了贝壳材料的吸附机理, 讨论了pH值、接触时间和污染物浓度等影响因素对贝壳吸附性能的影响, 并综述了贝壳在建筑领域的相关应用。结果表明, 在水泥基材料中采用贝壳替代胶凝材料或天然骨料都展现出较好的吸附能力。贝壳吸附过程中最佳pH值为5~7, 贝壳颗粒表面的活性位点有限, 在一定浓度下就会达到饱和, 同时贝壳的活性位点会随着粒径的减小而增多, 选取小粒径的贝壳粉有利于增加吸收容量, 提高去除效率。本文通过分析贝壳吸附性能及贝壳在水泥基材料中的应用, 可为设计功能型水泥基吸附材料提供思路。

基于生命周期评价方法研究了矿渣-硫铝酸盐水泥生产过程的环境影响, 采用敏感性分析方法探明了全球变暖潜值(global warming potential, GWP)及初级能源消耗(primary energy demand, PED)两种环境影响的主要来源, 并分析了矿渣-硫铝酸盐水泥相比硅酸盐水泥的碳减排效应。结果表明: 在矿渣-硫铝酸盐水泥的生产中, 熟料煅烧对GWP贡献最高, 原料开采对PED贡献最高; 敏感性分析显示石灰石用量与煅烧煤炭用量对GWP影响最大, 而煤炭与生产过程电力使用对PED影响最大; 与硅酸盐水泥相比, 矿渣-硫铝酸盐水泥的GWP显著降低, PED略微减少; 高矿渣掺量下矿渣-硫铝酸盐水泥力学性能的不足可能影响其应用前景。

为提高工业废渣的利用率, 选用磷石膏、高炉矿渣、硅酸钠代替部分水泥并对土样进行固化处理。通过D-最优混料设计, 得出3与7 d的无侧限抗压强度回归方程, 并计算得到最优质量配合比。使用最优配方固化土样, 测得3和7 d无侧限抗压强度分别达4.88和5.84 MPa。通过因素间交互分析结果, 得出固化材料的最优掺量范围。通过X射线衍射和扫描电子显微镜对固化土微观机理进行分析, 结果表明最优固化土相比水泥固化土水化反应更完全, 颗粒间连接更密实, 结构更稳定。最后通过对最优配方进行环境效益与经济性评价, 得出该配方在强度、环境效益、经济性等方面均要优于水泥。

中和渣(NS)是矿物开采和冶金处理过程中生成的以硫酸钙为主要成分的工业废渣, 中和渣大量堆积储存会给环境带来巨大威胁, 因此, 迫切需要探索一种回收利用中和渣的新技术。研究了不同粒化高炉矿渣掺量的中和渣基地质聚合物的力学性能, 并通过X射线衍射测试、反应热测试、压汞测试、傅里叶变换红外光谱测试和扫描电子显微镜测试等手段, 对中和渣基地质聚合物的物相组成、水化速率、孔结构及微观形貌进行了表征。结果表明: 在激发剂作用下, 中和渣与粒化高炉矿渣间地质聚合反应的主要产物为C(N)-A-S-H凝胶。粒化高炉矿渣的掺入可提高聚合反应速率, 生成更多的地质聚合物凝胶, 使得中和渣基地质聚合物微观结构更致密, 力学性能也更高。粒化高炉矿渣掺量为30%(质量分数)的中和渣基地质聚合物28 d抗压强度可达178 MPa。

为研究铁尾砂泡沫混凝土抗冻融性能, 制备了5组目标密度为900 kg/m3的泡沫混凝土, 在硫酸盐环境下冻融循环后, 对比分析不同铁尾砂掺量泡沫混凝土的质量损失、强度损失、孔隙面积率和微观结构。以质量损失和强度损失为衡量指标, 评选最优配合比, 基于Wiener退化过程进行可靠度分析并预测剩余寿命。结果表明: 在硫酸盐冻融循环过程中, 泡沫混凝土表面损伤, 内部孔隙连通形成裂缝, 各试件质量呈先增加后减少的趋势; 抗压强度和孔隙面积率持续下降, 细粒径铁尾砂的掺入有效缓解了泡沫混凝土的损伤。其中, 20%(质量分数)铁尾砂掺量的泡沫混凝土抗冻融能力最强, 试件经过约300次冻融循环后失效。本研究可为泡沫混凝土在冻土地区的应用提供思路。

以粒化高炉矿渣为主要材料, 在碱性电石渣激发作用下, 制备了一种矿渣-电石渣基地质聚合物。通过XRD、SEM、EDS、FTIR、TG-DSC等微观测试技术, 对矿渣-电石渣基地质聚合物的性能及作用机制进行了分析, 同时对地质聚合物进行了重金属浸出测试。结果表明: 当外掺电石渣质量分数为14%、水胶比为0.34时, 矿渣-电石渣基地质聚合物在4 d常温养护、32 h蒸汽养护环境下抗压强度达到31.8 MPa; 地质聚合物的水化产物主要为水化硅铝酸钙、水化碳铝酸钙和少量钙钒石晶体; 浸出液中重金属浓度均满足国家毒性控制标准, 说明了地质聚合物的安全性; 电石渣对矿渣碱激发作用效果良好。

为了提高粉煤灰、矿渣、铁尾矿砂和机制砂等固废的利用率, 制备早强、微膨胀的高强灌浆料, 本文通过复配普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥, 以及设计石英砂-铁尾矿砂-机制砂的三元复合体系和正交试验的方式分析了在固废复合材料共同作用下灌浆料的力学性能和微观结构。试验结果表明, 普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥最优质量比为4∶1, 石英砂、铁尾矿砂、石灰石机制砂的最优质量配合比为7∶1∶2, 正交试验4种因素对灌浆料试件强度影响程度由大到小为水胶比、粉煤灰掺量、胶砂比和矿渣掺量, 通过极差分析得到最佳因素水平组合为水胶比为033、胶砂比为1.0∶1.2、粉煤灰掺量和矿渣掺量分别为6%和10%(质量分数)。通过XRD、SEM分析发现, C-S-H凝胶的密实程度会影响灌浆料试件的强度, 水胶比对钙矾石物相有影响, 钙矾石和六水铝酸三钙能提高试件的早期强度。

为研究不同工业固废粉末对自密实高性能混凝土力学性能和耐久性的影响机理, 对掺入不同比例粉煤灰、矿渣、石灰粉末、煤矸石粉末和大理石粉末的混凝土进行了试验研究。通过测试混凝土的坍落扩展度、T50流动时间、L型仪和V型仪流动时间来评估其施工性能, 通过测试混凝土超声波波速和抗压强度来分析其力学性能, 通过测试混凝土通电量和水渗透深度来表征其耐久性。结果表明: 粉煤灰、矿渣、石灰粉末、煤矸石粉末及大理石粉末可用于配制施工性能和耐久性均佳的自密实高性能混凝土; 粉煤灰和矿渣粉末的允许掺量分别为35%(质量分数, 下同)和60%, 煤矸石、石灰粉末和大理石粉末的允许掺量各为30%, 粉煤灰的添加有利于提高混凝土的流动性, 使其坍落扩展度最大可达到750 mm; 除石灰粉末外, 增加工业固废粉末掺量也可提高混凝土抗氯离子渗透性能, 但增加细粉的掺量会降低混凝土的抗渗性能和抗压强度, 其中, 掺入30%石灰粉末的混凝土抗压强度下降最明显, 降幅达到20.8%。

脱硫石膏(FGD gypsum)作为一种固废, 可经过高温煅烧制备建筑石膏, 实现固废资源化利用。以脱硫石膏为原料, 氧化钙和硫酸铝为复合转晶剂, 在170 ℃下煅烧2 h制备建筑石膏, 研究复合转晶剂的复合比例及掺量对建筑石膏力学性能的影响, 并揭示其复合转晶机理。结果表明, 当复合转晶剂掺量为1%(质量分数)、氧化钙和硫酸铝复合比例为1∶1(质量比)时, 制备的建筑石膏力学性能最佳。水化后石膏块体致密性良好, 水化产物呈相互交错的短柱状或纤维状。建筑石膏的2 h抗折和抗压强度分别为3.6和9.7 MPa, 绝干抗折和抗压强度分别为6.8和23.5 MPa, 满足《建筑石膏》(GB/T 9776-2022)中3.0级建筑石膏的要求。

本文以废水泥的再生利用为研究目标, 构造了脱硫石膏-废水泥体系, 评估了碳化对脱硫石膏-废水泥体系再生砌块力学性能和表观密度的影响, 并通过XRD、FTIR和SEM揭示了再生砌块的成分、化学结构和形貌变化。结果表明, 在石膏存在的条件下, 废水泥的碳化可顺利进行。碳化过程能够有效增加脱硫石膏-废水泥样品的抗压强度。当水灰比为0.4、废水泥掺量为60%(质量分数)时, 与未碳化的样品相比, 碳化过程使样品的抗压强度提高了108.3%; 当水灰比为0.8、废水泥掺量为65%(质量分数)时, 与未碳化的样品相比, 碳化过程使样品的抗压强度提高了270.0%。通过调整水灰比和废水泥掺量可控制碳化产物的化学结构和微观形貌, 碳化过程对废水泥内部的水化具有一定促进作用, 在促进体系力学性能增强的同时降低了块体的表观密度。研究结果将为综合利用废水泥和脱硫石膏两种固体废弃物提供新思路和可靠的再生应用方案。

为研究再生砂粉混凝土的力学性能及细观损伤, 本文基于Python语言对ABAQUS软件进行了二次开发编程, 建立了考虑骨料、新老砂浆基体和界面过渡区的多相三维混凝土有限元模型, 并通过抗压强度试验验证有限元模型的有效性。结果表明, 本文建立的再生砂粉混凝土细观模型可有效模拟其力学性能和细观损伤情况, 抗压强度实测值与模拟值的误差较小, 不超过10.65%; 再生砂粉混凝土试块破坏整体呈“X”形式, 与试验现象基本一致, 初始损伤出现在界面过渡区处, 然后逐渐发展直至贯通, 随着再生细骨料及再生微粉含量的增多, 其损伤扩展程度更加严重, 并且其力学性能也随之下降。

建筑固废在破碎为再生骨料过程中产生的砂粉具有填充和火山灰效应, 为实现建筑固废绿色再生利用提供新途径。本文以废砖、废混凝土为原材料制备混合型再生砂粉(再生复合微粉、再生细骨料)和再生粗骨料。采用正交试验方法结合室内击实试验、冻融试验、干缩试验探究混合型再生砂粉对水泥稳定碎石耐久性能的影响, 确定混合型再生砂粉的最佳组成, 运用SEM结合能谱分析揭示混合型再生砂粉对水泥稳定碎石耐久性能影响的机理。结果表明, 经冻融循环后试件的抗压强度损失值均小于基准试件, 最大降幅为1163%, 干缩应变最大增幅为6975%。混合型再生粗骨料对水泥稳定碎石最佳含水量、抗冻性能影响最为显著; 混合型再生细骨料降低试样抵抗变形的能力, 对其干缩性能影响高度显著。混合型再生砂粉可以有效改善混合料的密实度, 火山灰效应使试件Ca/Si比降低52.83%。极差分析可确定混合型再生复合微粉、再生细骨料、再生粗骨料最佳替代量依次为40%、20%、40%(质量分数)。研究成果可为再生材料在道路工程水泥稳定碎石基层应用提供参考。

为探究橡胶颗粒及玄武岩纤维交互耦合后对混凝土力学性能的影响, 本文以橡胶体积掺量、玄武岩纤维体积掺量、玄武岩纤维长度作为三个主要因素, 通过抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度试验研究三个因素对玄武岩橡胶混凝土的影响。结果表明: 橡胶掺量的增加会降低混凝土的力学性能, 但会改善混凝土的变形能力并降低脆性, 玄武岩纤维的掺入可以改善混凝土各项力学强度, 但掺量过多时, 除抗拉强度外, 其余强度均下降。综合分析得出当橡胶体积掺量为10%, 玄武岩纤维体积掺量为0.10%, 玄武岩纤维长度为18 mm时混凝土各项力学性能最优。基于受压应力-应变全曲线分析, 提出玄武岩橡胶混凝土的受压应力-应变本构模型, 为玄武岩橡胶混凝土构件的非线性分析和工程设计提供参考。

为探索生活垃圾焚烧灰渣的资源化应用前景, 本文考察了生活垃圾焚烧灰渣与凝灰岩制备地质聚合物的可行性。本文采用单轴抗压强度试验、XRD、FTIR和SEM等研究灰渣掺量、硅钠摩尔比和碱当量对灰渣-凝灰岩基地质聚合物性能的影响。结果表明: 养护时间对灰渣-凝灰岩基地质聚合物的物理力学性能影响较大, 在最佳工艺参数(灰渣掺量为20%, 硅钠摩尔比为17, 碱当量为9%)下, 灰渣-凝灰岩基地质聚合物的28 d单轴抗压强度为23.2 MPa, 体积密度为1.56 g/cm3。灰渣-凝灰岩基地质聚合物主要物相为石英、透长石、硫铝酸钙和方解石, 地质聚合反应过程生成大量硅铝酸盐凝胶, 导致地质聚合物微观结构呈大颗粒与小颗粒胶连状。灰渣-凝灰岩基地质聚合物的重金属浸出毒性满足国家规范要求。

近年来, 重金属离子的去除是复杂环境中水处理面临的难点问题之一, 静电纺丝制备的三维SiO2纳米纤维棉具有耐高温、耐强酸的特点, 是复杂环境中水处理的理想前驱体材料。以三维SiO2纳米纤维棉作为基底, 在引发剂偶氮二异丁腈作用下催化乙烯苯磺酸和乙二苯单体发生原位聚合, 实现聚乙烯苯磺酸在SiO2纳米纤维棉表面均质包覆, 制备SiO2@聚乙烯苯磺酸纳米纤维棉。通过SEM、FT-IR等表征方法揭示了该纳米纤维棉的形貌和化学组成, 采用热重分析仪对其进行热稳定性测试, 并研究了该纳米纤维棉在高温、酸性条件下的吸附再生性能。结果表明: SiO2@聚乙烯苯磺酸纳米纤维棉对Cu2+、Cd2+和Pb2+有很高的吸附容量, 当pH值为5.5和初始离子浓度为100 mg/L时, 吸附容量分别为73.0、91.0、161.0 mg/g, 当温度为80 ℃时吸附容量仍可达81.0、64.0、123.0 mg/g; 吸附过程符合准二级动力学和Langmuir等温吸附, 具有较强的再生性能, 经10次离子脱附-吸附循环, Cu2+、Cd2+和Pb2+的容量保持率分别为83.5%、81.1%、77.6%。

与传统金属材料相比, 氧化铝纤维增强氧化铝基(Al2O3/Al2O3)复合材料因具有比强度高、密度低、耐高温和抗氧化等特点, 已经成为新一代备受国内外学者关注的航空航天热结构复合材料。本文介绍了目前常用的氧化铝纤维及其基本性能, 总结了Al2O3/Al2O3复合材料中常用的界面相及其对复合材料性能的影响规律, 归纳了Al2O3/Al2O3复合材料的制备工艺及性能, 指出了该材料未来的发展趋势, 旨在为国内Al2O3/Al2O3复合材料的研究提供借鉴和参考, 促进Al2O3/Al2O3复合材料在航空航天领域热端高温部件上的广泛应用。

金导体浆料因具有较好的稳定性与可焊性而被广泛应用于低温共烧陶瓷(LTCC)中。金粉的表面形貌、粒径等性质会对金导体浆料产生较大影响。以氯金酸为原料、D-异抗坏血酸为还原剂、阿拉伯树胶为分散剂, 采用不同试验条件制备了纯度较高的三种类球形金粉, 且三种金粉的表面形貌、粒径与比表面积均不同。金粉生长过程属于种子介导的生长方法, 控制Cl-浓度与反应液pH值最终可获得不同形貌与粒径的金粉。研究表明, 三种金粉的比表面积分别为0.740、0.418、0.447 m2·g-1。金粉比表面积显著影响金浆的黏度, 以三种金粉为功能相, 在相同配比下制备LTCC用金导体浆料, 其黏度分别为326、209及214 Pa·s。试验结果表明, 以NaOH溶液溶解氯金酸并调整氯金酸溶液pH值为2, 30%(质量分数)二乙二醇乙醚溶液作还原剂溶剂时制得的金粉为功能相来制备金导体浆料, 烧结后膜层致密度最高、方阻较低以及金丝键合强度最高, 其方阻与金丝键合强度分别为1.11 mΩ/□与866 g, 三种金导体浆料均具有较好的可焊性。

对粉煤灰基多孔陶瓷的有效利用不但能够减少粉煤灰对环境的污染, 而且在废水处理等领域表现出较高的应用价值。本文以粉煤灰为主要原料, 膨润土为黏结剂, 活性炭为造孔剂, 采用直接成型烧结工艺制备了一种性能优异的多孔陶瓷材料, 并研究了烧结温度和活性炭用量对多孔陶瓷结构与性能的影响。结果表明, 粉煤灰/膨润土烧结形成陶瓷骨架, 活性炭氧化形成孔洞结构, 在两者协同作用下形成多孔陶瓷材料。随着烧结温度的升高和活性炭用量的减少, 多孔陶瓷材料的显气孔率和吸水率减小, 体积密度和抗压强度增大。当烧结温度为1 100 ℃和活性炭用量为60%(质量分数)时, 所制备的多孔陶瓷综合性能更优, 显气孔率为6175%, 体积密度为093 g·cm-3, 吸水率为 6348%, 抗压强度为429 MPa, 对浓度为100 mg·L-1的Pb2+溶液的去除率为984%, 饱和吸附量高达4579 mg·g-1。

梯度折射率红外成像系统可在保持成像性能的基础上, 极大降低系统的尺寸、质量和成本, 有望推进红外成像系统向轻小型发展。然而, 目前没有可用的红外梯度折射率光学材料。本文基于65GeS2-25In2S3-10CsCl硫系玻璃, 利用梯度温度场热诱导析出轴向梯度分布的β-In2S3纳米晶体, 制得梯度折射率透明硫系微晶玻璃。结果表明: 析出的β-In2S3晶体为不同晶面取向纳米晶组成的多晶结构, 尺寸约为25 nm, 且晶体尺寸、数量与梯度温度场密切相关; 制得的梯度折射率硫系微晶玻璃仍保持良好的长波红外透过率, 且其10 μm处最大折射率差Δn达0.047。

以分析纯试剂为原料模拟含锌冶炼渣, 采用熔融法制备微晶玻璃, 利用X射线衍射、扫描电子显微镜、拉曼光谱等表征方法, 探究不同氧化锌掺杂量对微晶玻璃形成、晶化及理化性能的影响。结果表明, 微晶玻璃的主要结晶相为堇青石相, 少量氧化锌(低于0.5%, 摩尔分数, 下同)的加入能够增强玻璃形成能力。随着氧化锌含量逐渐增加(0.5%~20.0%), 玻璃网络结构的完整性变差, 玻璃的黏度降低, 微晶玻璃的主要结晶相由堇青石转变为尖晶石, 同时结晶度和晶粒尺寸增大, 从而微晶玻璃的体积密度、硬度和耐酸碱性提高。微晶玻璃对重金属锌有较好的固化效果, 因此锌浸出浓度远低于标准值, 浸出率趋于稳定。本研究可为实现微晶玻璃固化重金属提供参考和借鉴。

超短脉冲激光因具有加工精度高、热影响区小、效率高等优点, 在玻璃焊接领域有着广阔的发展前景。在实际场景中玻璃往往通过强化提升自身强度, 以满足其应用的可靠性。本文利用红外超短脉冲激光成功实现化学钢化玻璃之间的焊接, 通过显微镜观察焊点形状, 总结出了焊接功率、频率、速度与焊点尺寸的回归方程, 并验证了回归方程的准确性。结果表明: 在焊接频率为500 kHz、焊接速度为10 mm/s条件下, 随着焊接功率升高, 焊接化学钢化玻璃的机械强度先增大后减小, 化学钢化玻璃焊接剪切应力最大可达1109 MPa, 拉伸应力最大可达7.10 MPa; 激光焊接时化学钢化玻璃不仅受到本身热膨胀的压力还叠加了张应力, 更容易造成周围区域的破坏。

微晶玻璃不仅具有耐腐蚀、高强度等特性, 且具有易成型、光学性能良好等特点, 应用十分广泛, 备受学界关注。论文以2013-2017年和2018-2022年两个阶段有关微晶玻璃的SCI论文为样本, 通过CiteSpace 6 知识可视化软件构建了微晶玻璃研究领域作者科研合作网络和关键词聚类可视化知识图谱, 研究了作者科研合作网络和学术活跃度、可视化发展趋势。结果表明: 2013-2017年, 学者们更多关注微晶玻璃发光性能、生物活性以及固态电解质的研究; 2018-2022年, 除持续研究微晶玻璃生物活性外, 逐渐转向微晶玻璃的能量转换和碱活化的研究。本文总结前人研究, 发现提高生物活性微晶玻璃的抗菌性、控制微晶玻璃生长微纳晶相的方法以及透明发光微晶玻璃结晶度的改进技术等是微晶玻璃材料领域研究和应用的重要前沿方向。

研制高性能隔热材料对发展航空、建筑、运输等领域具有重要意义。二氧化硅(SiO2)纤维具有低密度、低热导、抗氧化的优点, 是一种极具发展潜力的隔热材料。然而, SiO2纤维的热导率有待进一步降低, 如何进一步提升其隔热性能是一个重要课题。本文从SiO2纤维的隔热机理出发, 首先分析了不同形貌(实心、中空、多孔)SiO2纤维的制备方法及研究现状, 并总结了SiO2纤维与有机材料、无机材料等复合的研究进展。同时, 简述了隔热材料目前的主要应用领域, 最后展望了SiO2纤维基隔热材料在未来的发展方向。

利用第一性原理, 研究了S空位(VS)和Tc掺杂单层MoS2的电子结构和磁学性质。结果表明, Tc掺杂的单层MoS2是一种具有铁磁性的n型半导体; 与Tc掺杂体系相比, VS的引入不会导致(TcVS)掺杂系统的总磁矩发生显著变化, 且磁矩主要由Tc原子所贡献; 在2Tc掺杂体系中, 通过形成能分析确定出最稳定构型; 2Tc掺杂体系的磁矩为2.048 μB, 主要由两个Tc 原子贡献。通过自旋电荷密度分析表明, (Tc-4d)-(S-3p)-(Mo-4d)-(S-3p)-(Tc-4d)耦合链的形成可能是2Tc掺杂体系发生铁磁耦合的原因。