高强度玻璃是航空航天、信息电子和装备制造等领域重要的视窗材料。为保证玻璃能够在苛刻环境条件下正常使用, 需要不断提高玻璃力学强度、硬度和抗冲击性能, 因此高强度玻璃的研究备受关注。目前高强度玻璃的研究主要聚焦于: (1)探究不同体系高强度玻璃材料组分-结构-性能之间的关系, 以及掺杂玻璃的性能变化情况; (2)开发高强度玻璃新型强化方法, 研究适用于不同高强度玻璃体系的物理强化和化学强化工艺等。本文综述了氧化物对不同体系玻璃的网络结构和力学强度的影响, 基于不同玻璃体系和化学组成, 分析比较了掺杂玻璃力学性能的演变特点, 总结了国内外高强度玻璃组分设计研究进展, 为高强度玻璃材料的科学研究和发展提供参考。

本文通过XRD、SEM、TG-DSC、耐腐蚀性、密度、硬度、断裂韧性等测试, 研究不同热处理制度和煤矸石掺量对微晶玻璃晶体结构、微观形貌、物化性能的影响。结果表明, 该体系煤矸石微晶玻璃析出的主晶相为钙长石相(CaAl2Si2O8), 随着热处理晶化温度的升高, 析出的主晶相数量变多, 尺寸变大, 但主晶相种类并未改变。当热处理制度为核化温度750 ℃保温1 h、晶化温度1 000 ℃保温1 h时, 主晶相晶体尺寸大小约300~400 nm。在优化热处理制度下, 当煤矸石掺量从44%(质量分数)增加到70%时, 4种不同煤矸石掺量微晶玻璃的物化性能相差不大。综合考虑煤矸石固废利用率和样品的物化性能指标, 煤矸石掺量为70%的样品综合性能最佳。本文设计的煤矸石微晶玻璃体系, 对煤矸石固废的包容性好, 消纳性强, 可实现煤矸石固废的大掺量高值化利用, 为解决煤矸石固废堆积、环境污染等问题提供了理论基础和实验依据。

以钛矿渣为主要原料, 采用熔融法制备CaO-MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃, 通过综合热分析仪、X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析了SiO2含量对钛矿渣微晶玻璃的基础玻璃稳定性及晶化行为的影响。结果显示: 以原渣制备微晶玻璃时, 其基础玻璃结构不稳定, 易析出钙钛矿晶体, 随着SiO2含量的增加, 基础玻璃趋于稳定, 析晶温度上升, 热处理后析晶程度更高, 显微结构更加致密, 因而强度更高。通过加入辅助原料石英粉来调节SiO2含量, 当SiO2含量为40%(质量分数)时, 可以制备出具有稳定玻璃体、晶相仅为透辉石、抗弯强度为82.1 MPa的微晶玻璃, 其钛矿渣掺量在80%(质量分数)以上, 具有重要的经济与社会效应。

基于真空玻璃的典型结构特征, 分析了大气压差、温差及风载荷作用下真空玻璃的应力分布特征, 给出了最大弯曲拉应力定量计算公式。基于结构抗力设计方法, 分析了长期和短期应力协同作用下真空玻璃的承载性能设计。结果表明, 在给定基片厚度情况下, 随着支撑物间距的增大, 真空玻璃最大弯曲拉应力呈近似线性增长, 在支撑物间距不变情况下, 真空玻璃最大弯曲拉应力随基片厚度增大呈指数式下降趋势。温差引起的最大弯曲拉应力与玻璃基片厚度及长宽尺寸无关, 但与膨胀系数有关, 温差值与其引发的真空玻璃最大弯曲拉应力呈线性关系。相同条件下, 真空玻璃抗风压性能弱于与其等厚度的单片玻璃。在长期和短期应力协同作用下, 宜分别计算不同应力作用时间下真空玻璃的效应设计值进行校核。

真空玻璃是具有优异保温、隔热、降噪性能的新型绿色建筑材料。本研究运用COMSOL Multiphysics 5.6软件建立了相关物理模型, 探究不同规格真空玻璃的性能差异及不同玻璃在节能建筑中的应用情况。结果表明: 500 mm×500 mm规格的真空玻璃的保温性能强于200 mm×200 mm及100 mm×100 mm规格的真空玻璃。随着真空玻璃规格的增大, 真空腔体积变大, 导致边缘密封层占整个真空玻璃表面面积百分比减小, 边缘密封层的传热对真空玻璃的传热影响减少, 真空玻璃的保温性能因而得到增强。节能建筑中使用真空玻璃替换普通平板玻璃和中空玻璃可以达到更好的节能效果。建筑物在冬季使用真空玻璃7 d时室内平均温度比使用平板玻璃高出3.91 K, 比中空玻璃高出2.25 K。

传统真空玻璃支撑柱采用人工或机器布放, 存在生产效率低、漏布率高等缺点。本文采用低熔点玻璃浆料印刷烧结制备支撑柱, 优化了支撑柱印刷浆料调和浓度及印刷板参数, 分析了不同烧结温度对支撑柱成型尺寸和强度的影响。结果表明, 优化后的浆料调和浓度为5 g/mL, 优化后的印刷板孔径为1.0 mm, 厚度为0.5 mm, 支撑柱最佳烧结温度为380 ℃, 成型后支撑柱直径为1.25 mm, 高度为0.23 mm, 硬度达549.92 HV, 性能较好。该研究对真空玻璃制造工艺具有指导意义。

高强度超薄盖板玻璃是电子信息产品的重要组成部分, 化学强化(离子交换)是提升超薄盖板玻璃力学性能的主要技术途径。在离子交换过程中, 玻璃易产生应力弛豫等现象, 导致化学强化玻璃难以具备较高的表面压应力、较大的应力层深度与较高的维氏硬度。本文采用两步法离子交换工艺, 研究了熔盐、离子交换温度与时间等因素对强化后超薄铝硅玻璃应力层分布及维氏硬度等性能的影响。结果表明, 本文所研发的两步法离子交换工艺, 可以使玻璃兼具较高的表面压应力、较大的应力层深度与较高的表面维氏硬度。离子交换后, 铝硅玻璃的表面压应力可达900 MPa以上, 应力层深度可达70 μm以上, 同时表面维氏硬度达7.2 GPa以上。

玻璃熔体电阻率是设计玻璃电熔窑或电助熔窑的关键参数之一, 研究玻璃熔体电阻率测量的边界条件对获得精确电阻率值极其重要。本文基于欧姆定律, 构建玻璃熔体电阻率测量装置, 探讨了馈入电压、交流电频率、试样颗粒尺寸和填充率等因素对钠钙玻璃熔体在900~1 450 ℃电阻特性的影响。结果显示, 当馈入电压为2~10 V, 交流电频率为1 kHz, 试样颗粒尺寸为830~1 700 μm, 填充率为80%, 降温速率为2 ℃/min时, 电阻率测量结果的误差在各温度段都小于1。该研究可以为玻璃熔体电阻率测量提供参考, 进而支撑玻璃电熔窑及电助熔窑电加热系统的设计, 实现难熔及易挥发玻璃的熔化。

光致变色玻璃的透光率随光辐射强度的不同而变化, 因此, 光致变色玻璃可用于调控阳光进入建筑, 是具有节能功效的智能玻璃。然而, 目前光致变色玻璃在建筑中应用的研究较少, 缺少科学评价其节能性能的方法。本文以制备的卤化银光致变色玻璃为研究对象, 建立了光致变色玻璃节能性能简化模拟方法。利用DeST能耗软件研究了光致变色玻璃应用于不同建筑中的节能效果, 计算和比较了两种变色特性的光致变色玻璃在不同建筑中的冷热负荷和照明能耗。研究结果显示: 光致变色玻璃在建筑面积较大且窗墙比0.6以上的公共建筑中, 全年节能率最高超过10%; 在建筑面积和窗墙比较小的建筑中, 其主要作用在于阻隔紫外线和防眩光。本文的方法和结果可为光致变色玻璃节能性能的研究提供参考, 对光致变色玻璃的应用推广具有一定的促进作用。

针对浮法玻璃成形过程, 提出了锡槽入口段简化稳态多相模型, 并采用Ansys Fluent 2019 R3软件, 模拟研究了500 t/d锡槽入口段玻璃液的流动与成形过程, 分析了拉引量、玻璃液黏度对唇砖与八字砖区玻璃液流动与液层厚度分布的影响。结果表明, 拉引量过小或黏度过低时液层出现不连续, 拉引量过大或黏度过高时液层横向厚度均匀性变差, 案例锡槽实现浮法玻璃均匀稳定成形的工艺操作范围是拉引量400~550 t/d, 黏度400~600 Pa·s。

铝-锆-硅(AZS)材料是玻璃工业窑炉中关键的砌筑材料, 其显微结构和ZrO2晶相的稳定性对材料的抗钠钙玻璃液侵蚀性能具有显著影响。本文采用化学分析、高温X射线衍射分析、抗玻璃液侵蚀试验及电子显微镜等测试分析方法, 研究了配加少量Y2O3的熔铸41#AZS材料的理化性能。结果表明: 配加少量Y2O3, 可以起到稳定剂的作用, 可改善该材料的显微结构, Y2O3主要赋存于首先结晶的ZrO2晶体及枝晶中, 致使这些结晶相的颗粒变细, 而且ZrO2相变温度范围变小, 相变程度降低, 改善了ZrO2晶体及共晶体的稳定性, 从而显著提高该材料的抗玻璃液侵蚀性能。

氯氧镁水泥具有高强度、强黏合力、耐磨、抗冲击、低碱性及低腐蚀性等优点, 作为无机胶黏剂和胶凝材料已在包括木材加工在内的众多行业中应用。但氯氧镁水泥的耐水性差, 严重影响了其规模化应用与推广。在保证氯氧镁水泥力学性能的条件下, 如何提高其耐水性成为氯氧镁水泥的研究热点。本文综述了近年来国内外在提高氯氧镁水泥耐水性方面的研究进展, 重点总结了不同外加剂应用于氯氧镁水泥改性的方法及作用机理。并对氯氧镁水泥在人造板等领域的发展前景进行了展望, 以期为高性能氯氧镁水泥的开发和应用提供理论与技术指导。

探究早强型聚羧酸系减水剂(ES-PCE)对水泥水化的作用机制, 有助于ES-PCE的研发设计与推广应用。本文通过对水泥水化进程、溶解速率、水化产物生长、凝结时间与抗压强度进行表征, 分析了ES-PCE与普通聚羧酸系减水剂(PCE)对基准水泥早期水化的影响机理。结果表明: PCE与ES-PCE均会降低水泥悬浮液的溶解速率; PCE的掺入延缓了水泥水化的诱导期与加速期, 降低了水化放热量; 而ES-PCE仅略微延迟了水泥水化的诱导期, 但缩短了加速期, 水化放热量基本不变。与基准水泥相比, ES-PCE分别提早了水泥初凝时间10 min和终凝时间85 min。ES-PCE的掺入提高了水泥早期和后期强度, 掺0.2%(质量分数)ES-PCE的水泥7 d抗压强度较基准组提高了14%, 而同掺量的PCE强度提高仅为前者的一半。PCE与ES-PCE的掺入释放了水泥颗粒团状絮凝结构中的水分, 有利于水泥水化, 但二者对水化的影响截然相反; PCE分子结构中大量的羧基络合了溶液中的Ca2+, 抑制了水泥颗粒表面晶核的形成, 起到了一定的缓凝作用; 然而, ES-PCE分子结构中羧基含量较低, Ca2+的络合作用较弱, 缓凝效果并不明显, 在体系中有效水分增多的情况下, 反而促进水泥的水化, 起到了早强效果。水灰比为0.4的水泥砂浆中, ES-PCE的掺量适宜控制在0.3%以下, 在保证减水率的同时, 对水泥早期和后期强度均起到一定的增强作用。

为了拓展氯氧镁水泥(MOC)的使用范围, 研究了缓凝剂(柠檬酸、硼酸、葡萄糖酸钠)对氯氧镁水泥凝结时间、抗压强度、电阻率、水化热和耐水性的影响, 同时采用X射线衍射仪分析了氯氧镁水泥改性后的水化产物。结果表明, 掺入缓凝剂会延长氯氧镁水泥的凝结时间, 当缓凝剂掺量达到0.75%(质量分数, 下同)时, 各组试样的28 d抗压强度较空白组分别下降了19.3%、16.7%和20.2%。缓凝剂的掺入降低了水泥浆体电阻率速率曲线和内部温度曲线的峰值, 推迟了水化放热速率曲线第二峰值出现时间, 即降低了氯氧镁水泥的水化速率, 改善了氯氧镁水泥放热集中的现象。缓凝剂能提高氯氧镁水泥的耐水性, 当硼酸掺量为0.75%时, 软化系数可达到0.79。

极端环境和复杂荷载条件对混凝土结构的材料性能提出了更高的要求, 聚合物通过改性水泥基材提高混凝土性能的方法已经得到了广泛应用。本研究为揭示环氧乳液改性水泥基材水化过程的硬化机理, 通过等温放热试验分析环氧乳液对水泥水化放热过程的影响, 结合原位XRD技术跟踪水泥主要矿物熟料和水化产物在水化反应早期的相含量发展。研究结果表明, 环氧乳液对水泥水化的阻滞作用与环氧颗粒、水泥矿物熟料和水化产物之间的相互作用有关, 并随着水化时间的延长, 相互作用效果越明显。在水泥胶凝体系中, 环氧乳液会减缓水化放热速率, 降低水化放热峰值, 减少累积放热量。环氧乳液通过抑制水泥矿物(C3S、C3A、石膏)的溶解和水化产物(钙矾石、氢氧化钙)的析出, 延缓硅酸盐反应和铝酸盐反应; 环氧乳液对水泥水化的影响随着其掺量的增加而增强。

以水泥、硅灰和粉煤灰为主要胶凝材料制备的低碱度水泥可应用于放射性焚烧灰的固化, 但其存在早期强度发展慢、后期强度不高的问题。本文以聚合硫酸铝作为添加剂激发火山灰材料反应活性, 通过测定不同掺量聚合硫酸铝加入后固化体的抗压强度、孔隙率及pH值变化,并结合水化产物组成与含量、水化放热特性等表征手段, 分析了聚合硫酸铝对低碱度水泥早期水化过程的影响规律和作用机理。结果表明: 掺入聚合硫酸铝可以显著提高低碱度水泥固化体的早期抗压强度, 使水化放热峰提前, 促进了火山灰反应的发生, 提高了水化产物的生成量, 使微观结构更加密实, 同时有效降低试样的早期碱度, 有利于抑制焚烧灰中活性铝的腐蚀反应。

本文研究了不同拌和水以及海水拌和时粉煤灰和硅灰掺量对硫铝酸盐水泥(SAC)砂浆力学性能和表观孔隙率以及净浆凝结时间、化学收缩、孔溶液pH值和氯离子结合能力等的影响, 并通过XRD、SEM和EDS分析水泥水化产物和微观结构。结果表明, 海水能加快SAC早期水化并提高其早期强度, 但后期强度和淡水拌和时无明显差别。粉煤灰和硅灰均会延长SAC凝结时间, 对早期抗压强度不利, 而掺加质量分数为5.0%和7.5%的硅灰能提高SAC砂浆28 d抗压强度。硅灰掺量增加时会提高用水量和表观孔隙率, 降低流动性, 使水泥化学收缩增大, 降低净浆pH值且减少氯离子结合量; 粉煤灰能够提高砂浆流动性, 减少水泥化学收缩, 但掺量越大对SAC砂浆抗压强度和抗折强度越不利, 掺质量分数为10%的粉煤灰可小幅提高氯离子结合量且减小表观孔隙率。

高温不仅降低砂浆的力学性能, 还会对其耐久性产生重大的影响。通过高温马弗炉以3种不同升温速率(即5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min)加热砂浆至400 ℃、500 ℃、600 ℃来模拟火灾试验。通过新的试验技术(允许在围压下同时测量气体渗透性和孔隙率)研究了不同温度损伤后砂浆的气体渗透性和孔隙率以及力学性能的变化。结果表明, 随着升温速率的加快以及温度的升高, 砂浆气体渗透率与孔隙率逐渐增大。与未升温相比, 当以15 ℃/min加热至600 ℃时, 砂浆气体渗透率增加了2个数量级, 孔隙率增大了1.77倍; 在加卸载围压过程中, 砂浆气体渗透率与孔隙率均不可逆地降低; 升温速率越大, 加热温度越高, 砂浆气体渗透率与孔隙率对围压就越敏感。孔隙率对围压的敏感性与气体渗透率相比较小, 但孔隙率对围压的敏感性证实了加卸载围压过程中裂纹不可逆闭合与孔隙不可逆破碎; 当以3种升温速率加热砂浆至400 ℃、500 ℃和600 ℃时, 随着升温速率的加快以及温度的升高, 砂浆的抗压强度逐渐降低。

通过玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋/高延性水泥基复合材料(ECC)的中心拉拔试验, 分析了分级粒径ECC和BFRP筋表面形式及直径对BFRP筋/ECC粘结性能及粘结-滑移曲线的影响。结果表明,BFRP筋/ECC的破坏模式分为BFRP筋拔出破坏和BFRP筋拉伸破坏。选取BFRP筋/ECC粘结-滑移曲线中的残余波浪段各峰值应力点, 采用拟合直线斜率的绝对值|k|表征ECC对BFRP筋横肋的磨损程度, 当|k|值≥0.144时, BFRP筋横肋会被完全磨损, 当|k|值＜0.144时, BFRP筋横肋会被磨损至与填充其凹陷的ECC齐平。BFRP筋/ECC的平均粘结强度随骨料粒径的变化并不显著, 分级粒径ECC可使BFRP筋/ECC的平均粘结强度提高3.2%~9.6%, 采用骨料粒径为0.15~0.3 mm的BFRP筋/ECC粘结性能最优。BFRP筋的直径越大, BFRP筋/ECC的平均粘结强度越小, BFRP筋直径为12 mm的BFRP筋/ECC平均粘结强度与BFRP筋直径为8 mm、10 mm的BFRP筋/ECC相比降低分别约8.2%、4.4%。采用浅螺纹BFRP筋的BFRP筋/ECC, 平均粘结强度下降83.7%, 但其整体粘结应力变化较为平稳, 对ECC和BFRP筋的损伤程度均最小。减小BFRP筋直径、ECC骨料粒径, 或BFRP筋/ECC自由端处BFRP筋的肋深, 有助于提高BFRP筋/ECC的粘结性能及稳定性。

混凝土的宏观力学行为取决于材料组成及其性质。本文基于键基近场动力学理论建立了多相非均质性的混凝土细观尺度数值模型, 研究了单轴拉伸作用下混凝土的宏观力学性能和断裂过程。通过改变粗骨料含量、砂浆强度、粗骨料强度以及界面过渡区强度对模型合理性进行了验证。结果表明: 软化段之前的应力-应变曲线能够被很好重现, 能准确描述混凝土在单轴拉伸作用下的力学性能和断裂过程; 调整数值模型中各相材料的力学参数能够合理模拟出不同类型的混凝土在单轴拉伸作用下的断裂过程。

碱式硫酸镁混凝土有具有快凝、早强、高抗拉强度、抗腐蚀等优点, 但对其生成的梁的斜拉破坏尚缺乏研究。为了探索两种材料混凝土斜拉破坏梁力学性能差异, 本文进行了碱式硫酸镁混凝土和普通混凝土梁斜拉破坏对比试验。试验结果表明, 碱式硫酸镁混凝土梁在开裂荷载、极限承载力等方面具有一定优势, 此外, 两种材料梁的破坏模式有一定差异。对比同配筋同混凝土强度等级的普通混凝土梁, 碱式硫酸镁混凝土梁开裂荷载和承载力提高20%以上, 故对现行的普通混凝土梁承载力和开裂荷载计算公式进行了修正。本文对碱式硫酸镁混凝土在土木工程中的应用有一定的意义。

由于环境侵蚀, 混凝土结构易开裂破坏, 掺入适宜的外加剂可减轻其损伤劣化。本文研究了不同氧化镁膨胀剂掺量对混凝土抗侵蚀性能的影响, 测试了混凝土经MgSO4浸泡后的质量损失、强度变化, 结合微观结构变化, 评价了掺氧化镁膨胀剂混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。结果表明: 硫酸盐长期浸泡环境下, 混凝土试件的质量和力学性能均先增加后降低, 掺入氧化镁膨胀剂以及降低硫酸盐溶液浓度都能降低硫酸盐的侵蚀速率; 氧化镁膨胀剂的掺入一方面能够细化混凝土内部孔结构, 降低硫酸盐的侵蚀损伤速率, 延缓试件损伤开裂形成微裂纹; 另一方面氧化镁膨胀剂填充了开裂后的微裂纹, 阻断或减小了硫酸盐继续传输通道, 从而抑制裂纹继续扩展。

本文通过对暴露长达10年的表面涂层混凝土试件和青岛市胶州湾大桥实体结构进行涂层粘结强度、氯离子浓度等测试, 对涂层应用在混凝土结构上的长期防护效果进行了研究。结果表明: 在冰冻海水环境暴露10年后, 大气区、浪溅区和水变区混凝土表面涂层的粘结强度均超过1.5 MPa, 符合现行规范要求; 在浪溅区和大气区环境下, 涂层对海工混凝土的长期防护效果较好, 但在水变区环境下涂层的防护效果相对较差; 有涂层混凝土试件的表观氯离子扩散系数与无涂层混凝土在水变区环境下已无明显差别; 大桥实体结构中有涂层混凝土的表面氯离子浓度较无涂层混凝土降低了2.3~3.9倍, 且涂层对于实体结构的抗氯离子长期侵蚀效果稍弱于小尺寸混凝土试件。

针对大孔隙沥青混合料路面对灌浆材料工作性能要求较高的特点, 本文开发了一种半柔性路面用早强型水泥基灌浆料。采用快硬硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥在不同比例下进行复掺, 确定了水泥体系的基础配比; 通过正交试验, 确定了粉煤灰、硅灰、赤泥等矿物掺合料最佳配比。通过在灌浆料体系中复掺减水剂、胶粉、缓凝剂及早强剂外加剂, 对灌浆料的工作性能进行了优化调控, 最终获得满足性能要求的半柔性路面用水泥基灌浆料。结果表明, 灌浆料体系的最优配比为m(快硬硫铝酸盐水泥)∶m(普通硅酸盐水泥)=7∶3, 外掺粉煤灰、硅灰、赤泥的量分别为硫铝酸盐-普通硅酸盐复合水泥质量分数的9%、6%、3%, 水胶比为0.40, 砂胶比为0.25, 早强剂、胶粉、减水剂、缓凝剂的掺量分别为0.08%、2.5%、0.35%、0.20%(质量分数), 其初始和20 min流动度分别为13 s和19 s, 初凝和终凝时间分别为62 min和65 min, 3 h、1 d、7 d和28 d的抗压强度分别为17.08 MPa、18.13 MPa、24.59 MPa和26.19 MPa, 7 d干缩率为0.18%。

活性炭具有独特的孔隙结构和表面性质, 这使其在净化工业烟气领域中有着重要应用。普通活性炭孔容偏小、微孔分布较宽、比表面积较小, 导致其吸附性能无法较好地满足烟气深度净化需求。对活性炭进行改性可优化孔容孔径, 提高孔隙率, 改善表面酸碱性, 进而提高活性炭的吸附性能。本文综述了近年来在酸性、碱性和中性条件下改性活性炭的研究进展, 并基于活性炭改性现存的不足和瓶颈问题总结了未来活性炭改性的研究重点。

蛭石具有良好的吸附性、离子交换性能, 在废水处理中有广泛的应用前景。天然蛭石由于层间存在大量亲水性无机阳离子, 使矿物表面被一层薄的水膜包围, 对有机物吸附能力较弱。为提高蛭石对萘磺酸基有机物的处理能力, 本文通过酸活化预处理天然蛭石, 以三辛胺(TOA)为有机改性剂对蛭石进行负载, 制备TOA改性活化蛭石(TOA-Hts), 使蛭石同时具有吸附-萃取双重性能。利用 XRD、FT-IR和BET等方法对其进行表征, 并研究了溶液pH值、TOA-Hts投加量对吸附性能的影响, 分析了TOA-Hts吸附机理。结果表明, 废水中的R′SO-3主要是与TOA发生络合萃取反应吸附在TOA-Hts上, TOA-Hts比蛭石原矿对萘磺酸基废水的去除率提高90.63%, 吸附量达到78.98 mg·g-1, 吸附过程符合Freundlich热力学模型和准二级动力学模型。

天然水硬性石灰(natural hydraulic lime, NHL)是由钙硅质原料煅烧消化所得, 主要成分是硅酸二钙(Ca2SiO4, C2S)和氢氧化钙(Ca(OH)2, CH), 与我国古代岩土类建筑物的兼容性较高, 是一种优秀的古建筑修复材料。为探究NHL的煅烧工艺, 本文使用方解石粉和石英粉作为NHL煅烧原料, 设置不同冷却方式(急冷≈500 ℃/min、随炉冷却≈60 ℃/min)、恒温时间(0~180 min)和煅烧温度(1 000~1 200 ℃), 通过X射线衍射和游离氧化钙(f-CaO)测试方法评价NHL烧成制度。结果表明: 在低于1 150 ℃煅烧C2S时, 改变降温速率不会使C2S在降温过程中发生晶相转变; 同一温度下, 随恒温时间的增加NHL煅烧产物中C2S含量增多, 在30~45 min时其含量达到该温度下的最大值, 且温度升高能增加该最大值, 在恒温过程中C2S先以β-C2S存在, 随时间延长, 逐渐转变为γ-C2S; 煅烧温度1 150 ℃, 恒温时间45 min, 急速冷却的煅烧制度可用于制备NHL。

通过凝结时间、抗压强度、电阻率、浆体内部温度测试和水化产物分析, 研究了20 ℃、35 ℃和50 ℃下矿渣(GGBFS)对铝酸盐水泥(CAC)早期水化行为的影响。结果表明, 掺入矿渣会逐渐减小CAC 72 h的化学收缩, 降低化学收缩速率峰值。20 ℃时, 电阻率变化曲线出现了明显的晶相转变期, 化学收缩曲线存在明显的诱导期; 35 ℃时, 凝结时间延长, 掺入矿渣抑制了电阻率的发展; 50 ℃时, 电阻率在接近24 h时显著降低, 凝结时间显著缩短, 掺入矿渣缓解了24 h电阻率的减小。矿渣-铝酸盐水泥体系的水化产物和抗压强度受养护温度的影响较大。20 ℃时, 掺入40%(质量分数)矿渣减少了CAH10的生成量, 降低了硬化浆体的强度; 35 ℃和50 ℃时, 1 d水化产物主要为C2AH8和少量C3AH6, 掺入矿渣延缓了强度的倒缩。在28 d龄期时, 不同养护温度下掺入矿渣均能促进C2ASH8的生成。

矿渣的理化特性差异对新型石膏矿渣硫铝酸盐水泥(SAC-GS)各方面性能均有很大影响, 因此本文选取3种生产用的典型矿渣, 尝试多维度构建矿渣组成结构与SAC-GS宏观性能方面的联系。采用X射线衍射(XRD)、X光电子能谱(XPS)等方法对各矿渣的矿物组成、元素组成及其存在状态进行对比分析。通过扫描电镜(SEM)、XRD等方法分析各水泥硬化浆体试样的水化过程, 并测试各试样不同水化龄期的抗压、抗折强度, 对比其早期水化放热速率、孔径分布等, 结果表明铝含量更高且活性更高的矿渣, 其水泥试样强度发展更快、水化程度更高、孔结构更加致密。基于以上分析, SAC-GS应选用高铝含量的矿渣原料。

电石渣的排放及贮存量日益递增, 电石渣硅铁的资源化利用也成为亟待解决的难题。为实现电石渣硅铁的高值化应用, 以干法电石渣中分离出的磁性硅铁为加重质配制重介质悬浮液, 并探究了悬浮液密度、黏土含量和硅铁粒度等因素对其粘度及沉降特性的影响。结果表明, 增大悬浮液密度或黏土用量以及减小硅铁粒度均会使悬浮液的粘度提高, 从而使加重质颗粒的沉降速度下降, 稳定性得到提升。此外, 为了进一步验证该悬浮液体系用于实际分选的可行性, 将不同密度的悬浮液用于选煤浮沉试验分选混合煤样, 在密度为1.30 g/cm3和1.40 g/cm3的重介质悬浮液中, 浮煤产率高且灰分含量较初始煤样大幅降低, 说明该悬浮液体系具有良好的分选性能。

为开发γ-C2S不锈钢渣碳储存的潜力, 最大限度地提高不锈钢渣的综合利用率。通过研究主要碳化参数(如液固比、成型压力、CO2分压)对不锈钢渣碳化性能的影响规律来评估不锈钢渣的CO2储存能力, 以期能够提供更佳的不锈钢渣碳化过程。利用XRD、SEM/EDS、DSC/TG分析对不锈钢渣碳化产物组成及微观形貌进行表征, 并探索其碳化机理。结果表明, 较佳碳化参数为成型压力为2.50 MPa, 液固比为10%, CO2分压为0.3 MPa。较佳碳化条件下每千克不锈钢渣可固化储存CO2气体约123.6 g。不锈钢渣碳化过程以γ-C2S碳化反应为主, 碳化产物中出现了片状、颗粒状的CaCO3, 随碳化时间延长, 晶体逐渐长大为团簇状。因此, 利用不锈钢渣储备碳及制备碳化制品是可行的。

为提高页岩油水平井上部固井质量, 通过浆体稳定性差异反向优化颗粒配比, 采用碱石灰和硫酸镁制备新型水化激活剂, 结合29Si NMR进行反应程度定量分析, 开发了一种粉煤灰-微硅-水泥三元复合低密度充填水泥浆, 并开展了五口井的工程试验。结果表明, 粉煤灰和微硅的最佳加量分别为40%、35%(质量分数), 碱石灰与硫酸镁的配比为3∶1(质量比)时组成的激活剂效果最好, 可将油井水泥的反应剩余量降低29.59%, 粉煤灰的反应剩余量降低68.61%, 常温下3 d、7 d抗压强度分别提升129%和92%, 三元复合体系的失水、游离液、稠化时间等均能满足固井充填需求, 现场应用表明固井合格井段占比超过90%, 体系具有良好的应用前景。

细度模数是衡量砂粗细程度的重要指标。当前国标细度模数公式未涉及粒级为0.15 mm以下的颗粒, 本文将粒级0.15 mm以下颗粒进一步细分为0.075~0.15 mm粒级与0.075 mm以下粒级, 将这两粒级纳入细度模数公式后形成了三个新的细度模数公式。通过MATLAB软件中rand函数随机大量生成四种不同细度模数试验, 结合花岗岩机制砂、凝灰岩机制砂、天然砂的筛分试验进一步验证不同细度模数公式的优劣性, 在筛分的同时即可测得机制砂近似石粉含量, 将近似石粉含量与标准方法测得的石粉含量进行线性回归, 可拟合出两者之间的经验公式。研究表明: 原细度模数公式分子上增加0.075~0.15 mm粒级颗粒筛分含量后, 更有利于表征砂的粗细程度。近似石粉含量与标准石粉含量差值为1.346 6%, 经SEM对不同砂样表面放大100倍后, 发现砂样表面越粗糙对石粉的吸附性越大, 近似石粉含量与标准石粉含量差值的波动性也越大。

有机聚合物衍生陶瓷技术具有聚合物分子可设计性强、成型容易和制备温度低等优点, 已经成为陶瓷及其复合材料的主要制备技术之一。裂解是陶瓷先驱体实现从有机到无机转化的关键步骤, 对目标陶瓷的组成、结构和性能有着决定性的影响。在陶瓷先驱体中添加过渡金属进行催化裂解, 可以改变其裂解行为, 进而调控和拓展裂解产物的结构和性能。本文从不同过渡金属对陶瓷先驱体的催化裂解作用入手, 总结了陶瓷先驱体催化裂解的研究现状, 探讨了催化机理, 并就后续深化研究与应用提出了发展建议。

氮化硅陶瓷不仅具有较高的力学性能还具有良好的透波性能、导热性能以及生物相容性能, 是公认的综合性能最优的陶瓷材料。作为轴承球的致密氮化硅陶瓷广泛应用在机械领域; 作为透波材料的多孔氮化硅陶瓷广泛应用在航空航天领域; 随着对氮化硅陶瓷材料的深入研究, 其在导热性和生物相容性方面的优异特性逐渐被科研工作者认识并得到开发和应用。本文详细阐述了氮化硅粉体的制备方法, 并综述了氮化硅陶瓷作为结构陶瓷在机械领域和航空航天领域的研究进展, 此外还介绍了其作为功能陶瓷在半导体领域、生物制药领域的研究和应用现状,最后对其未来发展进行了展望。

本文成功开发了用于光固化成型的树脂基硅藻土浆料, 系统探讨了分散剂种类、含量及固含量对硅藻土浆料流变特性的影响, 并对其作用机理进行了分析, 获得了用于光固化成型的高固含量、低黏度的硅藻土浆料, 并采用3D陶瓷光固化设备制备了结构复杂的硅藻土多孔陶瓷。结果表明,BYK2009为硅藻土浆料的最佳分散剂, 且当分散剂相对粉体质量为3%时, 浆料黏度最低。成功制备出粉体体积分数为40%的硅藻土浆料, 在剪切速率为30 s-1时, 硅藻土浆料黏度为17.30 Pa·s。在900 ℃烧结时得到显气孔率为51.30%、抗弯强度为(46.28±2.63) MPa的硅藻土多孔陶瓷。本研究为光固化成型具有复杂多级孔结构的硅藻土载体提供了参考。

以Er2O3-Mg2Si-Yb2O3为三元复合烧结助剂, 制备了力学性能优异的高导热氮化硅陶瓷, 研究了Er2O3-Mg2Si-Yb2O3体系对氮化硅陶瓷致密化、微观结构、力学性能、热导率的影响。研究表明, 当添加5%(质量分数, 下同)Er2O3+2%Mg2Si+4%Yb2O3烧结助剂时, 烧结助剂对氮化硅陶瓷致密度与晶界相含量的平衡效果最佳, 此时氮化硅陶瓷具有最佳性能: 抗弯强度为765 MPa,断裂韧性为7.2 MPa·m1/2,热导率为67 W/(m·K)。在烧结过程中, 只添加5%Er2O3+2%Mg2Si的烧结助剂产生的液相量少且黏度高, 不能使氮化硅陶瓷完成致密化; 此外, 当添加的Yb2O3含量超过4%时, 烧结助剂产生大量的晶界相, 降低了氮化硅陶瓷的性能。

本文通过一步反应合成法制备了铌镁-锆钛酸铅(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3, PMN-PZT)压电陶瓷, 研究了稀土元素钐(Sm)掺杂对PMN-PZT(x%(摩尔分数)Sm-PMN-PZT)结构与电学性能的影响规律, 得到了具有高压电性、高机电耦合系数和高居里温度的压电陶瓷。当x=2.0时, 压电常数d33=611 pC/N, 机电耦合系数kp=0.68, 介电损耗tan δ=1.65%,相对介电常数εr=2 650, 居里温度TC=283 ℃。测试压电陶瓷电致应变性能, 在3 kV/mm下单极电致应变达到0.20%, 显示出其大应变材料的特征。结果表明, Sm掺杂PMN-PZT压电陶瓷具有优异的综合电学性能, 有望在换能器、传感器以及致动器等领域广泛应用。

半导体光催化剂因其高效、生态友好、成本低等优点, 可用于解决能源与环境问题。层状双金属氢氧化物(LDHs)是一类由两种或两种以上金属阳离子组成的金属氢氧化物, 结构由主体层板和层间的插层阴离子及水分子相互交叠构成。LDHs纳米材料具有带隙可调、比表面积大、种类多样、成本低廉并且易与其他材料复合实现功能化等优点, 因此LDHs纳米材料在光催化领域中表现出良好的应用前景。本文系统综述了近年来LDHs纳米材料的制备方法及其在光催化分解水制氢、吸附和降解有机染料, 以及光催化还原二氧化碳等光催化领域的最新研究进展, 为未来高性能LDHs基纳米催化材料的制备及催化性能调控提供了一定的参考。

由创伤、肿瘤和感染等原因引起的骨缺损通常面积较大, 超过了骨自愈范围而不能自修复。因此, 需要使用骨水泥对面积较大的骨缺损部位进行填充修复。磷酸钙水泥(calcium phosphate cement, CPC)是目前临床常用的一种骨水泥, 可任意塑形, 具有良好生物活性和生物相容性, 近几十年来得到国内外学者的广泛研究。然而, 从临床实践经验来看, CPC的应用范围有限, 仍需要对其进行性能改进。本文主要分为两部分: 在理化性能部分总结了CPC在力学强度、可注射性、抗溃散性和放射不透明性等四方面的改性方法; 在生物学性能方面讨论了CPC成骨活性、生物可降解性和载药性方面的改性研究。

生物质炭是指原料在部分缺氧或绝氧的条件通过特殊方法处理后产生的高度芳香化、高碳和高稳定性的固体产物。同一植物不同部位制备的生物质炭的性能往往具有较大差异, 本论文以胡麻为研究对象, 以KOH、H3PO4为活化剂, 对胡麻不同部位(杆、皮、根)进行活化, 采用水热炭化法、活化法、炭化-活化法制备生物质炭材料, 将产物用于吸附溶液中的罗丹明B(RhB)和亚甲基蓝(MB), 进一步评价其吸附活性。利用XRD、SEM、TG-DSC、N2-BET、UV-Vis等对产物的性能进行分析, 探究炭化温度、活化温度以及活化剂种类对生物质炭性能的影响。比较不同条件下制备生物质炭材料的微观形貌、比表面积、孔径以及产率。以胡麻杆为原材料, 磷酸为活化剂, 炭化温度200 ℃, 活化温度820 ℃时, 制备的生物质炭孔径分布均匀、数量较多、断面呈管状, 且其表面积最高, 可达1 247.63 m2/g。该产物对RhB和MB都表现出了良好的吸附能力, 在接近1 h时, 10 mg/L的RhB溶液就已经全部褪色, 吸附率高达100%。

BiMnO3因其铁磁性和铁电性共存的可能性倍受关注。然而, 经过热处理后BiMnO3纳米颗粒成分的变化过程尚不清楚。本文选用共沉淀法合成BiMnO3纳米颗粒, 将制备好的纳米颗粒在空气中以不同温度(300~600 ℃)热处理20 min。利用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)以及X射线光电子能谱(XPS)系统地研究了BiMnO3纳米颗粒的成分与晶体结构。TEM结果说明随着热处理温度的升高, BiMnO3纳米颗粒尺寸逐渐增大。XRD谱显示当热处理温度高于500 ℃时, 晶体结构由原来的单斜相转变为Pnma正交对称相。XPS结果证明氧缺陷会随温度的升高而减少。除此之外, XRD和XPS结果均说明, 热处理温度达到600 ℃时BiMnO3纳米颗粒会在空气中分解出Bi2O3。该研究结果有助于理解热处理对BiMnO3纳米颗粒成分变化的影响。

我国悠久的发展历史中, 陶瓷与陶器是一类极具代表性的重要制品, 不但作为日常生活器具应用于人们生活的方方面面, 还作为一种具有艺术美学价值的手工艺品, 起到装饰或文化传承作用。由我国当代著名陶艺学家、教育家陈淞贤先生编著的《中国传统陶瓷艺术研究》一书, 是一本传统中国陶瓷艺术的翔实研究材料。作者按照时间脉络, 以不同历史时期、不同艺术表现风格的陶瓷制品为对象, 包括彩陶、黑陶、汉陶、魏晋青瓷及唐三彩等, 详细介绍了中国陶瓷制作的发展历程。通过阅读该书, 读者能够快速了解有关陶瓷工艺、艺术特色、发展历史等方面的相关知识, 因此, 该书可作为普通读者、陶瓷专业学生与学者、工艺制造人员的辅助用书。宋朝是上承五代十国、下启元朝的重要历史时期, 陶瓷制品与陶瓷制作工艺得到了空前发展。本文以该书介绍的宋代陶瓷制品作为重点, 从艺术审美和艺术鉴赏的视角出发, 探讨陶瓷制作工艺的进步, 并对其中所体现的传统艺术特色与文化特征进行重点分析。

陶瓷器物上会绘制各式各样的纹理, 其颜色、纹饰都呈现出极为精美的特征, 成为民族文化传承元素的重要组成部分。在全球文化交流水平不断提升的前提下, 大众的思想认知及审美体验都呈现出较大的变化, 具有民族气息及个性化特点的产品设计会得到更多人的喜爱。经过长久的发展和更新, 现代陶瓷纹理在种类和样式以及颜色的精美度方面都得到了较大的发展, 在现代产品设计当中的应用是设计领域工作人员探讨的重点。《中国陶瓷纹饰》一书介绍了中国陶瓷的发展历史、种类、分布以及随时代发展的更新变化, 详细阐述了陶瓷纹理在不同时期的艺术光彩。该书不仅能够为陶瓷艺术研究提供专业理论参考, 同时能够为产品设计者提供设计思路及灵感。