地聚合物凝胶体系中N-A-S-H和C-A-S-H结构的分子模拟

钙元素对地聚合物凝胶结构的形成影响显著,根据含钙量的不同可分为高钙体系(C-A-S-H)和无钙体系(N-A-S-H).基于Materials Studio软件,用Amorphous Cell(AC)模块构建了N-A-S-H和C-A-S-H凝胶结构模型.在Universal力场下,对2个凝胶结构模型的稳定性、动力学轨迹、微观表征及弹性模量进行了分子动力学模拟.结果表明,构建的N-A-S-H和C-A-S-H凝胶结构模拟值与试验值吻合较好.由于钙元素的存在,无定形态体系出现了向晶体转变的特征,并对地聚合物的力学性能产生正向增益.

地聚合物凝胶结构建模及分子动力学模拟

地聚合物胶凝材料是一类以多种非晶质至半晶质相的三维铝硅酸盐空间网络结构为主的新型无机非金属材料。本工作使用溶胶-凝胶法制备了不同CaO含量的地聚合物凝胶,通过X射线衍射表征了地聚合物凝胶的结构;基于蒙特卡罗方法,使用Materials Studio软件构建地聚合物N-A-S-H凝胶、C-A-S-H凝胶和不同Ca含量的地聚合物凝胶的结构模型,在Universal力场下对凝胶结构进行优化和分子动力学模拟,计算了各结构模型的径向分布函数、结构参数,模拟了弹性模量和凝胶结构的X射线衍射谱。研究结果表明:根据Ca含量的不同地聚合物凝胶可以分为无钙体系、低钙体系、中钙体系和高钙体系,无钙体系主要是N-A-S-H凝胶,低、中钙体系以N-A-S-H和C-A-S-H混合凝胶为主,高钙体系只含有C-A-S-H凝胶相和Ca(OH)2相,低钙体系CaO含量小于16.7%,高钙体系CaO含量大于30%;在Universal力场下,N-A-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶的弹性模量分别为22.04 GPa和62.37 GPa,含钙体系地聚合物凝胶的弹性模量随Ca含量的增加而增大;地聚合物凝胶结构模型的径向分布函数表明,其分子结构为典型的无定型结构,且主要化学键的平均键长与实验值吻合较好,含钙体系地聚合物凝胶结构模型中Si-O键、Al-O键和O-O键径向分布函数出现了峰的分裂现象,Ca的加入使Si-O键、Al-O键和O-O键类型变得复杂。

碱性激发剂对不同含钙体系地聚水泥水化性能的影响研究

采用硅灰、矿渣及偏高岭土为主要原料,NaOH改性的水玻璃作为碱性激发剂来制备地聚水泥,研究不同的水玻璃模数和水玻璃掺量对地聚水泥水化性能的影响规律。研究结果表明:随着水玻璃模数的增大,地聚水泥的水化放热量减小;而随着水玻璃掺量的增大,地聚水泥的水化放热量增加。在低钙体系中地聚水泥只有一个放热峰;而在中、高钙体系中,当水玻璃模数为1.0~1.6、水玻璃掺量>50%时,地聚水泥出现第二个放热峰。

石墨改性EPS颗粒对超轻泡沫混凝土性能的影响

采用普通硅酸盐水泥、气凝胶粉、石墨改性EPS颗粒、发泡剂等制备了干密度约为120 kg/m^(3)的石墨改性EPS颗粒超轻泡沫混凝土,研究了石墨改性EPS颗粒对其密度、力学性能、吸水率、导热系数和孔结构的影响。结果表明:当石墨改性EPS颗粒掺量为30%时,超轻泡沫混凝土的各项性能最优,抗压强度为0.25 MPa,吸水率为10.3%,导热系数为0.0326 W/(m·K);随着石墨改性EPS颗粒掺量的增加,损泡率明显增大,孔径分布和孔结构参数发生明显改变。

改性磷石膏抹灰砂浆性能研究

为了解决磷石膏抹灰砂浆耐水性差的问题,促进磷石膏抹灰砂浆在建筑行业的应用,采用预处理的改性磷石膏,研究了水胶比和减水剂掺量对改性磷石基抹灰砂浆物理性能、力学性能和耐水性能的影响,并通过在体系中引入有机硅防水剂来进一步改善磷石膏抹灰砂浆耐水性能。研究结果表明:减水剂掺量和水胶比是影响磷石膏抹灰砂浆性能的主要因素,低水胶比和低减水剂掺量有利于其力学性能和耐水性能的提升,且减水剂掺量不宜高于0.9%;有机硅防水剂虽然能有效改善磷石膏抹灰砂浆耐水性能,但会对其强度造成不利影响,实际应用时其掺量不宜高于0.6%;水化产物中的凝胶和钙矾石可以填充二水硫酸钙晶体间空隙,有利于试件密实度、强度和软化系数的提高,且有机硅防水剂会在水化产物表面和间隙中形成防水膜,可以进一步改善试件耐水性能。

碱激发矿渣水泥基材料收缩性能研究

通过XRD、SEM、TGA等方法研究了膨胀剂掺量、碱当量、水玻璃模数对碱矿渣水泥砂浆干燥收缩、质量损失的影响。结果表明:氧化钙膨胀剂的加入会使矿渣产生膨胀现象,且随膨胀剂掺量(6%~10%)的增加,膨胀值增大;而氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂的加入对矿渣的收缩无改善效果。XRD及SEM测试结果表明,氢氧化钙是氧化钙膨胀剂在矿渣中的主要膨胀源;掺加氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂后未生成钙矾石相,是其未能改善矿渣收缩的主要原因。水玻璃模数及碱当量都会影响膨胀剂在矿渣中的作用效果。膨胀剂的加入会降低矿渣在干燥条件下的质量损失及体系游离水含量,其中氧化钙膨胀剂对两者的降低幅度更大。

掺和料对磷石膏复合胶凝材料性能影响研究

研究主要掺和料矿粉及水泥单掺和复掺对磷石膏复合胶凝材料力学性能及耐水性能的影响,并通过扫描电镜(SEM)、压汞法(MIP)探究影响机理。结果表明,水泥掺量为0~20%、矿粉掺量为0~40%时,水泥和矿粉的单掺对磷石膏抗压强度有负面影响,但可有效提升软化系数。水泥及矿粉复掺时,可显著提高磷石膏软化系数,使软化系数达到0.65以上;当水泥掺量为5.58%,矿粉掺量为20.00%时,磷石膏复合胶凝材料抗压强度达到最大值16.50 MPa;水胶比由0.6降低至0.3,可制备抗压强度为32.50 MPa,软化系数为0.87的高强耐水磷石膏复合胶凝材料。由SEM结果可知,水泥及矿粉的水化产物包覆在石膏晶体表面,可显著提升其耐水性;由MIP结果可知,矿粉与水泥复掺可增加小孔(3~50 nm)比例及孔弯曲度,大幅降低平均孔径,改善孔径分布,增加基体致密度,进而提升抗压强度。

低水胶比高性能纤维增强水泥基复合材料性能研究

在水胶比为0.19~0.28范围内,制备了高性能纤维增强水泥基复合材料,研究了水胶比对水泥基复合材料工作性能、力学性能、干缩性能及微观形貌的影响。结果表明:在水胶比为0.19~0.28范围内,随着水胶比的减小,新拌浆体的黏聚性逐渐增大,流动性逐渐降低,含气量增大;水胶比<0.22会对纤维与水泥基材的粘结造成不利影响,降低其极限延伸率和折压比;水胶比对水泥基复合材料干缩影响显著,干缩90%以上发生在10 d养护龄期以内,10 d后收缩率几乎不再增长;水胶比≤0.22条件下,试件破坏时纤维被拔断,水胶比≥0.25条件下,试件破坏时纤维被拔出,纤维拔出比拔断更有利于极限延伸率的提高。

高性能纤维增强水泥基复合墙板热力学和耐火性能研究

基于高性能纤维增强水泥基复合材料和泡沫混凝土设计了一种新型复合墙板,并研究其热力学和耐火性能。结果表明,复合墙板的传热阻随着填充的泡沫混凝土密度等级的降低而增大,传热系数最低为0.77 W/(m^2·K);复合墙板燃烧性能为A1级,耐火极限达到3 h。高性能纤维增强水泥基复合材料在高温环境下水化产物之间发生物理化学反应,由碳酸钙、水化硅酸钙、钙矾石、铝酸三钙生成氧化钙和钙铝黄长石;泡沫混凝土在高温环境作用下出现明显的收缩现象,水化产物结晶程度增加。

碱激发磷石膏复合胶凝材料力学性能研究

以磷石膏粉、矿粉、粉煤灰和水泥为主要胶凝材料,水玻璃为激发剂,制备了磷石膏复合胶凝材料,研究了水泥掺量(0、5%、10%、15%)和碱当量(0、2%、4%)对磷石膏复合胶凝材料力学性能的影响,并对适用于磷石膏复合胶凝材料的外加剂种类和掺量进行了分析。结果表明:单掺水泥时,随着水泥掺量的增加,磷石膏复合胶凝材料的抗压强度逐渐增大,且当水泥掺量为15%时,28 d抗压强度最大,为22.9 MPa;单掺水玻璃时,随着碱当量增加,磷石膏复合胶凝材料的抗压强度总体呈逐渐增大趋势,且当碱当量为4%时,28 d抗压强度最大;水泥和水玻璃复合使用时的最佳组合为10%水泥+4%碱当量;与聚羧酸减水剂相比,掺萘系减水剂磷石膏复合胶凝材料的28 d抗压强度最高可达39.4 MPa。

高性能纤维增强水泥基复合材料大空腔外墙板性能模拟研究

基于高性能纤维增强水泥基复合材料和泡沫混凝土设计了一种新型大空腔外墙复合墙板。基于高性能纤维增强水泥基复合材料力学性能试验,依据数字孪生理念对复合材料力学性能及墙板构造设计性能开展了相应的有限元模拟以确定其数值模拟参数。在此基础上对大空腔外墙板的构造进行了优化设计研究,进行了极限弯载试验,验证了大空腔外墙板构造设计的合理性。结果表明,复合基材的抗压强度为78.5 MPa,抗拉强度为6 MPa,抗折强度为20 MPa,并建立了该材料的数值模拟模型,相关参数C_(1)=0.375,C_(2)=0.95,C_(3)=3.2 MPa,C_(4)=120 MPa;确定3个空腔,肋板厚度10 mm是科学合理的构造,此时均布破坏荷载为3.00 kPa。

高性能多功能一体化复合墙板连接设计与性能研究

结合现有预制混凝土外挂墙板体系与超高韧性水泥基复合材料(ECC)的优势,提出了一种由高性能薄壁大空腔壳体与多功能芯体组成的高性能多功能一体化复合墙板体系,其标准板面密度≤75 kg/m^(2),极限抗弯荷载最小为2333 N/m^(2),多功能芯体为改性聚苯颗粒泡沫混凝土的标准板的传热系数为0.77 W/(m^(2)·K)。结合标准板特性,提出了定制化外墙及其连接节点、密封防水等构造,多种构造组合可满足不同气候区、不同节能设计标准的要求,并根据需要对薄壁大空腔壳体的极限抗弯强度进行数值模拟,结果表明,均布抗弯荷载与试验结果相吻合,并验证了材料在数值模拟中的性能参数。

高性能纤维增强水泥基复合材料及其墙材制品性能试验研究

制备了一种以高性能纤维增强水泥基复合材料为壳体、泡沫混凝土为芯体的新型复合墙板,并对其力学性能、热工性能进行了研究。结果表明:随着纤维掺量的增加,复合墙板的3 d、7 d和28 d抗折强度明显增加,7 d和28 d抗折强度均能达到20 MPa以上,极限抗弯荷载系数为9.0;空心墙板的力学性能与复合墙板基本一致;空心墙板的传热系数较高,为3.20 W/(m^(2)·K),复合墙板的传热系数最低,为0.82 W/(m^(2)·K)。

GF/PP纤维对磷石膏试件力学性能的影响研究

采用磷石膏、玻璃纤维(GF)、聚丙烯纤维(PPF)、缓凝剂、减水剂及水制备了不同纤维长度、不同纤维掺量的磷石膏试件,研究了GF和PPF的纤维长度和掺量对磷石膏试件力学性能的影响,结果表明:相同纤维长度的PPF对磷石膏试件抗折强度的提升优于GF,但当纤维长度在12 mm以上时,GF更有利于试件抗压强度的提高;0.20%及以上掺量的PPF有利于试件抗折强度的提升,0.15%及以上掺量的PPF有利于试件抗压强度的提升;掺量为0.20%的PPF和掺量为0.05%的GF组成的复配纤维虽然能极大提升试件的抗压强度,但对试件的抗折强度不利;掺量相同时,数量较少的长纤维更有利于磷石膏试件抗折强度的提升。

典型纳米改性发泡剂对泡沫混凝土性能的影响

采用十二烷基硫酸钠、α-烯烃磺酸钠和脂肪醇聚氧乙烯醚混合制得了泡沫混凝土发泡剂,掺入纳米材料对该发泡剂进行改性,研究了纳米材料种类及掺量对发泡剂发泡性能和稳泡性能的影响,进一步采用纳米改性发泡剂制备了超轻泡沫混凝土,研究了纳米改性发泡剂对泡沫混凝土物理力学性能及微观孔结构的影响,结果表明:纳米改性发泡剂中纳米颗粒的掺入会在一定程度上减小发泡体积,用于表征泡沫稳定性的析液半衰期随着纳米颗粒掺量的增加呈先上升后下降的趋势;在所选用的纳米材料中,疏水纳米SiO_(2)对发泡剂的性能提升最明显;疏水纳米SiO_(2)改性发泡剂能有效降低泡沫混凝土干湿密度、体积吸水率和导热系数,提高抗压强度,并可以将成型试件内部气孔孔径控制在较小范围。

表面活性剂浓度对其发泡性能和稳泡性能的影响

以发泡剂掺量为单一变量,研究了不同表面活性物质浓度对发泡倍数和稳泡性能的影响,并通过掺加纳米颗粒的方式对K12溶液稳泡性能进行了改性。研究结果表明:AES、K12、AOS、AEO-9、茶皂素浓度提升对发泡剂发泡能力和泡性能有利,且通过极差分析可知,以上几种表面活性物质浓度对于发泡体积的影响程度差别不大,对于稳泡性能的影响程度有较大差距,其中K12影响最大,CMEA影响最小,疏水纳米SiO_(2)可极大地提升稳泡效果。