高延性地质聚合物复合材料性能及微结构研究进展

基于桥联法则理论、经微观力学设计而成的高延性水泥基复合材料(HDCC)以其拉伸荷载下具有的多缝开裂和应变硬化性能而优于普通混凝土,然则其发展仍受制于高制备成本及碳排放。近10年来,绿色经济性地质聚合物/碱激发材料与纤维复合增韧的高延性复合材料(HDGC)得到研究与发展。本文在概述地质聚合物/碱激发材料反应机理及HDCC材料设计理论的基础上,主要综述了HDGC基本性能与微结构的已有最新研究进展。研究表明,制备HDGC具有可行性且制备的HDGC表现出高延性复合材料所具备的力学响应特点,包括压缩、拉伸应变硬化、界面微观力学、弯曲、抗冲击性能等。然而,受材料组成复杂等因素影响,HDGC力学和微结构依赖于地质聚合物/碱激发材料基体化学性质的改变。HDGC同时具有更小的裂缝宽度而利于材料自修复、较大收缩值以及潜在的良好耐久性。此外,基于有限研究,对比了HDGC与HDCC的相似与差异,以期更好地了解地质聚合物/碱激发材料被用作HDCC替代品时应注意的条件。最后进一步对HDGC存在的问题和研究方向做出了总结与展望。

高延性水泥基复合材料的流变特性和纤维分散性

为了研究高延性水泥基复合材料（HDCC）流变特性对短切聚乙烯醇（PVA）纤维分散性的影响规律，采用流变仪和荧光显微分析技术分别对HDCC浆体的流变特性以及短切PVA纤维在HDC C基体中的分散性进行研究．实验结果表明：HDC C浆体流变行为符合赫切尔巴尔克模型，浆体流动后，应变梯度随应力增量按幂指数增长；当HDCC浆体塑性黏度为1.3～7.3 Pa·s时，即使短切PVA纤维的体积掺量为1.5％～2.0％，纤维在HDCC 基体中的分散系数均大于0.92，实现了均匀分散．合理调整配比中粉煤灰、减水剂和功能性组分的掺量，可调控HDCC浆体塑性黏度并实现短切PVA纤维的均匀分散，为HDCC高延性的理论设计提供实验支持．

脂肪酸类相变储能建筑材料的研究及应用

介绍了常用脂肪酸类相变材料及其低共熔混合物具有适合的热物性且多次加速热循环后仍具有良好的热稳定性的特点,是符合建筑领域要求的一类理想的相变材料。综述了脂肪酸类相变材料与建筑材料的结合方式以及脂肪酸类相变储能建筑材料的应用。针对脂肪酸在相转变时由于体积膨胀与盛装容器或担载材料间产生的相容性问题提出相应的评价方式,并对脂肪酸类相变储能建筑材料存在的问题和今后的研究方向提出了建议。

生态型高延性水泥基复合材料的变形性能研究

针对高延性水泥基复合材料收缩大、易开裂的问题，采用经级配优化的普通河砂替代磨细石英砂、国产短切粗PVA纤维替代进口纤维，制备了生态型高延性水泥基复合材料，并开展了不同强度等级生态型高延性水泥基复合材料的变形性能研究。结果显示，生态型高延性水泥基复合材料抗压强度为20～60 MPa时，干燥收缩应变终值在1046～1255με之间，自干燥收缩终值在619～882με之间，圆环约束试件在7～14 d开裂，裂缝仅两条，最大裂缝宽度132μm。生态型高延性水泥基复合材料较传统高延性水泥基复合材料具有更好的综合抗裂性能。

定形相变材料及其石膏基储能建筑材料的研究

以月桂酸-肉豆蔻酸-棕榈酸三元低共熔脂肪酸(LA-MA-PA)为相变芯材,硅藻土为担载材料,基于真空吸附法制备了不同质量比的LA-MA-PA/硅藻土定形相变材料并确定了最佳配比。采用SEM、FT-IR、DSC对该定形相变材料的微观形貌、结构和热性能进行表征分析。将其与建筑石膏结合制备石膏基储能建筑材料,并对其调温功能和相变过程中脂肪酸的渗漏情况进行评价。蓄放热试验表明,含15%定形相变材料的石膏基储能建筑材料的温度波动明显小于普通石膏建筑材料,两者温度最高点和最低点的差值为4.9℃。此外,对石膏基储能建筑材料进行热处理后并没有造成其中脂肪酸的明显渗漏情况。

生态型高延性水泥基复合材料的可适性设计理论与可靠性验证Ⅰ:可适性设计理论

目前,国内普遍使用多元化固体废弃物粉末和自主研发的高强高模合成纤维来制备生态型高延性水泥基复合材料(Ecological high ductility cementitious composites, Eco-HDCC)。然而,原有高延性水泥基复合材料经典设计理论中的理论判据与现有Eco-HDCC材料的实际情况不完全相符,已不能适用于这类多元复合Eco-HDCC材料的可靠性设计与性能调控,因此,迫切需要对该经典材料设计理论进行修正和优化。本研究引入纤维分散系数和主裂缝断面有效纤维体积率两个修正参数,重新限定四个控制参数的取值范围,对经典HDCC设计理论进行了优化修正,并通过测试典型配比Eco-HDCC的宏观力学性能、微观力学性能与纤维分散度,评价可适性设计理论的合理性。研究结果证明,当采用本研究修正后的可适性设计理论并将关键设计参数取值范围控制于0.75≤α~*≤1、V_(f,effect)>1.5%、PSH_1>2.0、PSH_2>1.2时,Eco-HDCC材料可稳定实现高延性(单轴拉伸荷载下的极限应变超过2%)和多缝开裂的特性。本研究结果不仅可使采用多元化固体废弃物粉末和国内自主研发的高强高模PVA纤维制备的Eco-HDCC复合材料的设计过程更加有据可依、灵活可靠,而且能使其满足不同延性和性价比的工程需求,具有重要的理论意义和工程指导价值。

超高性能水泥基材料复合盐侵蚀研究:合成Friedel盐和钙矾石在硫酸盐和氯盐溶液中的稳定性

化学合成了氯离子在水泥基材料中的主要侵蚀产物Friedel盐(3CaO·Al_2O_3·CaCl_2·10H_2O)以及硫酸根离子在水泥基材料中的主要侵蚀产物钙矾石(3CaO·Al_2O_3·3CaSO_4·32H_2O),采用XRD和综合热分析(TG-DSC)研究了二者的稳定性与转变机理,通过浸泡实验探究不同侵蚀性离子之间相互作用对水泥基材料的影响。结果表明:硫酸盐对Friedel盐稳定性影响显著,硫酸根离子置换Friedel盐中的氯离子,并最终生成钙矾石;氯盐对钙矾石的稳定性也有影响,氯盐同样可以使钙矾石分解。两种腐蚀产物之间存在平衡,并且在一定条件下可以相互转化。实验证实氯盐与硫酸盐复合溶液对水泥混凝土侵蚀过程中存在复杂的离子交互作用。

生态型高延性水泥基复合材料关键力学性能和成本分析

制备高延性水泥基复合材料（HDCC）所用日产进口PVA纤维和磨细石英砂的高昂材料成本，限制了其在国内的大面积推广和应用。以降低生产成本和推动HDCC的应用为目标，首先利用国产短切粗PVA纤维、经级配优化且最大粒径为1．18mm的普通河砂、大掺量粉煤灰制备低成本生态型高延性水泥基复合材料（ECO—HDCC）；再系统研究ECO—HDCC的基本力学性能及其影响机理；最后对比分析ECO—HDCC与传统HDCC的生产成本。力学性能试验结果显示，调控水胶比和PVA纤维体积掺量可以制备得到抗压强度为20-40MPa、四点弯曲强度为9．0—11．0MPa、跨中挠度为10～18mm和单轴极限拉应变达1．9％的ECO—HDCC；成本分析显示ECO—HDCC生产成本仅为传统HDCC的1/3。低成本ECO—HDCC的制备成功为其在国内大面积推广和应用提供了理论指导。

水泥基胶凝材料氧化物含量与氯离子结合量的定量关系

为揭示氯盐溶液及存在硫酸盐复合盐溶液中氯离子对水泥基材料的侵蚀特性,合理选用氯盐环境下水泥基材料组分,减小海洋环境和盐湖卤水对混凝土造成的氯离子侵蚀问题,本工作通过添加矿物掺合料(矿渣和粉煤灰)改变主要氧化物含量,研究水泥基材料氧化物含量与氯离子结合量的关系。采用等温吸附法测试样品的氯离子结合量,采用X射线衍射仪(XRD)和同步热分析仪(TG-DSC)表征侵蚀产物。实验结果表明,在氯盐溶液侵蚀下,水泥基材料的氯离子结合量与其Al 2O 3、SiO 2含量成正比,与CaO含量成反比。在硫酸盐存在的复合盐溶液侵蚀下,硫酸盐浓度较低(3.5%NaCl+0.5%Na 2SO 4)时,氯离子结合量略有下降,测试结果表明Friedel盐的生成量不会因硫酸根离子的引入而降低,此时两种离子没有明显的竞争关系;当硫酸盐浓度提高到5%Na 2SO 4时,氯离子结合量下降显著,实验结果表明Friedel盐的生成量降低,两种离子间竞争关系显著,但不影响氧化物含量与氯离子结合量之间的相关性。

轻质保温高延性水泥基复合材料的拉伸性能与耐久性能

本研究采用引气剂与PVA纤维制备出密度等级为A10、强度等级达C20的轻质保温高延性水泥基复合材料(LIHDCC),并研究了不同纤维体积掺量时LIHDCC的基本力学性能、导热性能、单轴拉伸性能、纤维/基体界面粘结性能、抗冻性能、抗氯离子渗透性能及其孔结构。结果表明,纤维体积掺量为1.5%和2.0%的LIHDCC的抗压强度均可以达到C20;导热系数分别为0.08 W/(m·K)和0.10 W/(m·K);极限拉伸应变分别为0.72%和0.85%;纤维在基体中的平均化学粘结力为6.92 J/m^2,摩擦应力和滑移硬化系数分别为1.25 MPa和0.42;LIHDCC具有较好的抗氯离子渗透性能及抗冻融能力;通过X射线层析扫描(X-CT)技术对LIHDCC孔径大小与孔的分布进行分析,引气剂引入的气泡分布均匀,气泡平均直径在0～1 mm。

矿渣与粉煤灰掺量对高延性水泥基复合材料力学性能与应变硬化特性的影响

高延性水泥基复合材料(High Ductility Cementitious Composites,HDCC)是指在弯曲和拉伸荷载作用下具有应变硬化特性的水泥基复合材料,具有单轴拉伸延性好,耐久性能优异等优点。在材料设计中用大掺量的粉煤灰来替代水泥,以实现更加优异的高延性。本文研究了在聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)纤维体积掺量为1.2%和1.4%时,同时掺入高炉矿渣与粉煤灰制备高延性水泥基复合材料,通过改变高炉矿渣与粉煤灰的掺量,得到试件的抗压强度、抗折强度与弯曲韧性,用以对比矿渣与粉煤灰不同质量比例对高延性水泥基复合材料力学性能、弯曲韧性和表面裂纹特征的影响规律。结果显示,当矿渣和粉煤灰掺量分别为总胶凝材料质量的40%和10%时,试件呈现出良好的应变硬化与多缝开裂特性,最大挠度达到10.79mm,极限拉应变为1.26%,裂纹数量达到14条。表明了矿渣的掺入有利于在保证高延性水泥基复合材料具有应变硬化特性的前提下,可以有效提高高延性水泥基复合材料中的强度和弯曲韧性,对于此类材料的工程应用十分有益。

超高性能钢纤维水泥基复合材料-高延性水泥基材料复合梁的制备及弯曲性能

研究了无配筋条件下超高性能钢纤维水泥基复合材料(UHPFRCC)与高延性水泥基复合材料(HDCC)复合梁试件的弯曲变形性能.通过纯剪切强度测试,比较了界面处理工艺对界面粘结性能的影响.通过弯拉实验测试了复合梁试件在弯曲载荷下的变形性能,并与纯UHPFRCC梁的变形能力进行对比.结果表明,不同的界面处理工艺决定了界面粘结性能.最佳的界面处理方法能使界面粘结强度高于HDCC基体本身强度,界面过渡区基体致密,没有明显的微观缺陷.UHPFRCC-HDCC复合梁在弯拉荷载下,极限抗弯强度达到13.4 M Pa,跨中最大挠度为2.8mm.HDCC能通过自身的多缝开裂增加裂缝数目来改善变形能力.与UHPFRCC梁相比,UHPFRCC-HDCC复合梁弯曲时,塑形变形明显,并具有更大的弯曲挠度.

原状脱硫石膏聚苯颗粒轻质保温材料的制备与性能

在原状脱硫石膏胶凝体系研究的基础上,针对相关原料对原状脱硫石膏聚苯颗粒轻质保温材料各项性能的影响进行了实验研究.实验结果得到:保温骨料聚苯颗粒与原状脱硫石膏胶凝体系的最佳体积比为82.6%;纤维素醚与原状脱硫石膏胶凝体系的最佳质量比为0.5%;可再分散乳胶粉与原状脱硫石膏胶凝体系的最佳质量比为0.8%;聚丙烯纤维与原状脱硫石膏胶凝体系的最佳质量比为0.2%,各组分均外掺.根据最佳比制得的保温材料的各项性能均满足《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》(JG 158—2013)的相关要求.有效解决了原状脱硫石膏的资源化应用问题,为固体废弃物脱硫石膏的综合利用开辟了一条新途径.

钢渣微粉对超高性能水泥基复合材料性能的影响

研究了铜渣微粉的火山灰活性和不同掺量对低水胶比超高性能水泥基复合材料的水化热、流动度、抗折强度、抗压强度的影响规律。试验结果表明，钢渣微粉具有比较高的火山灰活性，28d的活性指数可达到87．1；钢渣微粉掺量为10％时．累积放热量达到最大；当钢渣微粉掺量大于10％时，随着掺量的增加，累积放热量随之减少；铜渣微粉颗粒近似球体．会提高极低水胶比超高性能水泥基复合材料的流动度；钢渣微粉的掺入使超高性能水泥基复合材料的抗折强度先增加后减小，钢渣微粉掺量为10％的超高性能水泥基复合材料抗折强度最高，高达25．8MPa;钢渣微粉掺量在0-20％内，抗压强度略有降低。但仍可满足超高性能水泥基复合材料强度要求。证明了钢渣微粉可作为胶凝材料制备极低水胶比超高性能水泥基复合材料的可能性。

氯盐和硫酸盐交互作用下水泥基材料的破坏机理综述

西部盐湖和海洋环境中存在大量的氯盐和硫酸盐,当水泥基材料处于氯盐-硫酸盐环境中,其破坏规律以及破坏机理与单一侵蚀因素作用明显不同,因此有必要探究两种盐在侵蚀过程中所呈现的交互作用。已有文献对氯盐和硫酸盐侵蚀下水泥基材料破坏规律的研究可以分为两部分:硫酸盐存在下氯盐对水泥基的侵蚀、氯盐存在下硫酸盐对水泥基的侵蚀。硫酸盐可以明显降低水化产物的氯离子结合量,因为硫酸根不仅能够分解Friedel盐,而且能先与C3A或AFm反应,抑制Friedel盐的产生。但是,氯离子扩散速率高,可以先于硫酸根离子进入水泥基材料内部与水泥水化产物反应,延缓钙矾石的产生,抑制硫酸盐的侵蚀。两种离子在向材料内部侵蚀过程中相互影响,相互牵制。最后,根据目前的研究,提出几个有意义的思考方向。

矿渣-稻壳灰基碱激发胶凝材料的制备

以工农业废料矿渣、稻壳灰为主要原料,制成一种新型胶凝材料,并对此胶凝材料的强度进行探讨,就不同种类的碱激发剂等因素进行探究。同时,用X射线衍射分析不同龄期此体系碱激发胶凝材料的矿物组成,并用扫描电镜观察不同龄期材料的微观形貌。结果表明,稻壳灰的活化可采用"两段煅烧法",碱组分含量为10%、激发剂为水玻璃时激发效果最好,胶凝材料水化产物为低钙硅比的C-S-H凝胶。

SiO_(2)气凝胶材料在建筑墙体保温中的应用研究

SiO_(2)气凝胶是一种高孔隙率的固体材料,具有热导率低、质轻、透光率高和比表面积高等特性,防火防潮性能优异,是一种轻质环保的新型多功能材料。SiO_(2)气凝胶与传统建筑材料进行结合,可以制作出新型气凝胶墙板、气凝胶毡、气凝胶涂料和气凝胶砂浆混凝土等保温性能优异的新型建筑墙体保温材料。SiO_(2)气凝胶在建筑墙体保温隔热领域有着广阔的应用前景。

隧道用纤维素纤维混凝土在弯拉荷载作用下的耐久性

针对隧道衬砌结构混凝土在服役过程中承受弯拉荷载的实际情况,研究了纤维素纤维混凝土分别在加载40%四点抗弯强度和不加荷载条件下的抗氯离子渗透性、抗碳化、抗冻融及抗硫酸盐侵蚀等耐久性能及其微观机理,并与未加载的普通素混凝土耐久性能进行了对比分析.结果表明：由于纤维素纤维具有独特的空腔结构和亲水性,可在硬化混凝土基体中乱向均匀分布并显著优化混凝土的孔隙结构,使得未加载的纤维素纤维混凝土与基准素混凝土相比,耐久性显著提高,电通量仅降低25%,不同龄期碳化深度减小0.9～2.5 mm.与未加载的纤维素纤维混凝土相比,加载后的纤维素纤维混凝土耐久性略有削弱,电通量增加了17%,不同龄期碳化深度加深了0.2～1.3 mm;但与未加载的基准素混凝土相比,加载后的纤维素纤维混凝土耐久性仍有所提高,电通量仅降低了12%,不同龄期碳化深度减小0.4～1.2 mm;200次硫酸盐干湿循环后,加载后的纤维素纤维混凝土相对动弹性模量仍比未加载的基准素混凝土高出3%.

菱镁矿品位对MgO膨胀剂组成结构及性能的影响

通过对煅烧菱镁矿尾渣与二级菱镁矿所得MgO膨胀剂(MEA)组成、微观结构、活性及膨胀特性的研究,探讨了低品位菱镁矿制备MEA的可行性。结果表明,菱镁矿尾渣中方解石、白云石及铁元素等杂质的存在使MEA中f-CaO含量较高,方镁石含量较低;菱镁矿尾渣MEA中MgO晶粒为条状颗粒,而非二级菱镁矿MEA的球粒状,晶粒尺寸变大,晶粒间排列紧密,MEA颗粒表面有裂纹存在;柠檬酸法检测低品位菱镁矿所制MEA活性时应调整柠檬酸用量;有效膨胀组分含量低的情况下,800℃煅烧掺量为4wt%、6wt%和8wt%及850℃煅烧掺量为8wt%时,掺菱镁矿尾渣MEA水泥浆体的膨胀率比掺二级菱镁矿MEA水泥浆体的膨胀率大。可见,在一定条件下低品位菱镁矿所制MEA膨胀性能较高品位菱镁矿所制MEA好,有利于低品位菱镁矿矿产资源的有效利用。

氯离子与硫酸根离子在水化硅酸钙表面竞争吸附的分子动力学研究

水化硅酸钙凝胶(C-S-H)是水泥基材料中主要起粘结作用的胶体,也是发生氯离子和硫酸根离子物理吸附的主要原因。由于实验方法无法直观表现C-S-H物理吸附的过程以及吸附量随时间的变化规律,本研究采用分子动力学模型模拟C-S-H物理吸附氯离子及硫酸根离子的过程,探究吸附过程中氯离子和硫酸根离子之间的交互作用关系。模拟利用配位数并结合等温吸附法计算了3.5%NaCl溶液及3.5%NaCl+3.5%Na2SO4复合溶液中Cl^(-)和SO_(4)^(2-)的吸附量。研究发现:物理吸附作用包括离子间的近程库伦(Coulomb)作用以及长程范德华(VDW)作用,SO_(4)^(2-)抑制了C-S-H对Cl^(-)的吸附,减弱了C-S-H对Cl^(-)的长程VDW作用,但并没有减少位点对Cl^(-)的吸附量,只是延缓了吸附发生的时间;SiOCa+是Cl^(-)及SO_(4)^(2-)的主要吸附位点,SiOH可以吸附少量Cl^(-),但对SO_(4)^(2-)无明显吸附作用,且SiOCa+与SiOH位点存在竞争关系。两种溶液中C-S-H凝胶对Cl^(-)的吸附量相差不大,约为0.06 mmol/g,对SO_(4)^(2-)的吸附量约为0.02 mmol/g。由分子动力学计算得出的C-S-H的离子吸附量,与通过测试实验合成的C-S-H及水泥浆体中的C-S-H的离子吸附量相符,由此可以证明分子动力学模拟可准确、可靠地表征侵蚀离子在水泥基材料内的复杂交互作用。