逐梦六十载 奋进新时代——北京建筑材料科学研究总院六十年发展侧记

岁月流转,山河壮阔,紧随共和国的成长步伐,北京建筑材料科学研究总院(以下简称“北京建材总院”)在北京金隅集团的正确领导下,从北京市建材工业局内部实验室一路走来,60年筚路蓝缕,60年风雨兼程,从组建研究所到成立研究院,从北京市级重点科研院所到产业集团技术中心、中央研究院,先后经历了从事业单位到科技型企业再到国家级重点实验室的大跨度发展转型,从单一以科研为主,到科研、产业、质检三足鼎立,再到科技创新与科技服务双轨并行,薪火传承,逐步发展壮大,最终走出了一条以应用基础型研究为核心、推动建材行业技术进步和产业转型升级的创新发展新路子。

钒钛铁尾矿制备绿色建筑材料的研究进展

钒钛磁铁矿是以铁、钒、钛为主的多金属元素共生的复合矿,在世界分布不均衡。中国是该矿石的主要产出国之一,该矿石分布在五个主要矿带。钒钛铁尾矿是钒钛磁铁矿选矿过程中产生的固体工业废弃物,是一种多金属伴生的铁尾矿。该尾矿在中国的堆存量巨大,富含很多有用化学组分,也被称为人工矿床。该尾矿以硅酸盐为主,主要化学成分是二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙和氧化铁等,主要矿物是脉石矿物。国内外学者对其在绿色建筑材料综合利用方面做了很多有益探索,但总体来看,这些研究更多停留在实验室里。主要原因是(1)不同尾矿库甚至同一尾矿库的钒钛铁尾矿理化性能可能有较大差异,尾矿原料的稳定性不足;(2)受尾矿原料不稳定的理化性能影响,中试结果经常出现较大差异,难以实现规模化利用;(3)钒钛铁尾矿库大多地处偏僻,运输成本高,且缺乏高附加值的尾矿产品,规模以上企业因投入大产出小望而生畏。本文综述了钒钛铁尾矿在中国的地域分布和堆存量,重点研究了其化学组成、矿物组成、粒度分布和重金属浸出,分析了其作为主要原料在绿色建筑材料方面的研究进展,指出了存在问题并展望了发展前景。

不同木纤维对水泥基胶凝材料水化进程的影响研究

木纤维的加入可改善水泥基胶凝材料的抗拉强度,但只采用机械破碎及沸煮处理的木纤维对水泥基胶凝材料有缓凝、阻凝作用,阻碍了木纤维在水泥制品中的应用,为提升木质家具企业的木纤维利用率,从机械破碎的松木、杂木纤维的长径比着手,研究经碱法预处理的木纤维对水泥基胶凝材料水化进程的影响。结果表明:未预处理的杂木纤维只影响水泥早期水化热释放速率,对水泥水化热释放总量影响较小,未预处理的松木纤维具有明显的阻凝作用;采用Ca(OH)_(2)溶液浸泡可以有效降低木纤维对水泥水化的缓凝作用,与其他碱液浸泡相比,采用Ca(OH)_(2)浸泡可避免水泥胶凝体系引入其他物质。

工业与建筑固废高效利用混凝土及其工程结构防灾研究

我国工业固废与建筑拆除固废存量巨大,且固废产生量逐年增加,固废堆存造成的滑坡灾害、环境污染灾害和占用大范围场地给可持续发展带来了挑战。此外,历次大地震造成房屋倒塌也产生大量的建筑固废,如何将这些建筑固废在灾后重建中高效利用,引发国内外学者的广泛关注。目前利用这些固废制备混凝土是具有重要价值和前景的方案,采用工业固废、建筑固废、工业和建筑固废制备的混凝土被统称为固废混凝土,其中利用后两者制备的混凝土也被称为再生混凝土。固废高效利用混凝土有3层含义,即固废胶凝材料和固废骨料性能提升、高固废掺量混凝土、固废混凝土在工程结构中根据受力需求合理利用。综述了不同建筑固废和工业固废的物化特性,概述了不同固废材料对混凝土力学性能和耐久性能的影响,在归纳固废混凝土构件及结构抗震性能、抗火性能研究结果的基础上,对固废混凝土结构防灾技术研究的发展进行了展望。

纳米碳材料在水泥基材料中分散技术及表征方法的研究进展

纳米碳材料具有独特的结构和优异的性能,能够作为增强材料改善水泥基材料的性能,受到了广泛研究与关注,然而这均以纳米碳材料在水泥中能够良好分散为基础。纳米碳材料比表面积大,分子间作用力强,难以直接分散在水泥基体中,且分散效果也不易判断。本文系统梳理了常见的纳米碳材料在水泥基材料中团聚的机理,总结了近年来国内外学者采用的分散技术,详细分析了各种分散方法的机理与优缺点,同时列举了纳米碳材料在水泥基材料中分散效果的表征方法。在未来的研究中,可以重点开发更高效、更适合工业化生产的分散方法,研究纳米碳材料在水泥基体中真实分散状态的评价手段,助力纳米碳改性水泥基复合材料在实际工程项目中的规模化应用。

建筑垃圾分离渣土热活化研究及其在盾构注浆料中的应用

成分复杂、火山灰活性低是制约建筑垃圾分离渣土资源化利用的主要原因。研究了建筑垃圾分离渣土的热活化处理及其在盾构注浆料中的应用。结果表明:未经处理的建筑垃圾分离渣土主要由惰性水化产物、石英或方解石组成,经过热活化处理后,建筑垃圾分离渣土中形成了新的活性组分,部分取代粉煤灰和天然细砂后能够促进水泥基胶凝材料体系的水化反应。考虑活性激活效果和经济性,热活化温度500~800℃为宜。使用热活化温度为500℃的建筑垃圾分离渣土制备的盾构注浆料性能符合DB11/T 1608—2018的要求。

水泥基材料无机纳米改性的研究进展

高性能水泥基复合材料的研究受到了广泛关注,纳米材料在促进水泥水化、提升水泥微观结构的致密性以及改善水泥基材料的力学性能和耐久性方面表现出色,赋予水泥基材料多样功能性的同时,减少水泥的添加量。从材料的机理层面出发,将不同维度的无机纳米材料对水泥基材料的水化、微观结构、力学性能以及耐久性等方面的影响进行了系统梳理,并展望了未来无机纳米材料改性水泥基材料的研究方向。

基于F-ANP的建筑材料质量风险评价研究

鉴于建材产品质量风险相互依赖的多属性特征和建筑材料质量风险问题的复杂性,运用网络分析法和模糊综合评价的思想,构建了基于模糊网络分析方法的建材产品质量风险评价模型;通过Super Decision软件计算各指标的权重值,实现了对建材产品质量风险高效、实用的量化评价。以建筑节能材料聚苯板为例证实了该方法的实用性和有效性。

搅拌加入CO_(2)对水泥基材料性能的影响研究

本文研究了在搅拌过程中分别掺入固态干冰及气态CO_(2)对水泥砂浆和净浆性能的影响规律,并利用热重和扫描电镜微观测试手段阐明其影响机制。结果表明:在水泥拌合过程中,固态干冰和气态CO_(2)的加入均会引起水泥基材料流动性的劣化,导致胶砂的抗折强度和抗压强度降低;当胶砂比从1∶3提升到1∶2.4时,CO_(2)的水化促进作用得以体现,加入适量的CO_(2)会对水泥胶砂的力学性能起到积极的作用,当CO_(2)加入量为0.3%~0.6%时,胶砂各龄期强度均有明显的提升;当增大CO_(2)加入量时,胶砂各龄期强度的增强效果逐渐降低;添加不同量的干冰与气态CO_(2)后,水泥净浆的固碳量均有不同程度的提升,当CO_(2)的加入量为0.5%时,水泥净浆的净固碳量最高,之后随着CO_(2)加入量的增大,其固碳量不再提升;CO_(2)的加入会与水泥中的C_(3)S、C_(2)S等矿物生成碳酸盐晶体,形成成核点位,加快水泥的水化进程,从而提升胶砂的强度。

二氧化碳矿化养护水泥基材料研究进展

为了减缓建筑行业生产过程中CO_(2)排放对全球气候变化的影响,建筑行业提出了CO_(2)矿化封存技术,即利用CO_(2)与水泥基材料中的水泥熟料以及水泥水化产物等反应生成以方解石为主的碳酸钙(CaCO_(3))沉淀和无定形高聚合度硅胶(SiO_(2)·nH_(2)O)。CO_(2)矿化养护水泥基材料在实现永久封存利用CO_(2)的同时,因其矿化产物具有较好的稳定性、填充效应和成核效应,矿化养护后的水泥基材料力学强度得以提升,耐久性得到改善,相比其他养护方法,短时间内可以获得具有高性能的水泥基材料。本文总结了现阶段CO_(2)矿化养护水泥基材料的最新研究进展,从反应机理和影响因素两方面进行了介绍,详细分析了预养护、相对湿度、水胶比、CO_(2)浓度、养护压力和温度等养护条件对水泥基材料CO_(2)矿化养护后性能、固碳率以及矿化程度的影响,并对CO_(2)矿化技术在水泥基材料中未来的发展和研究方向进行了展望。

防静电环氧地坪涂料导电矿物材料

静电产生的电磁波危害工作生活,因此需要性能良好的静电防护材料。本研究综合分析了静电防护涂料中导电材料的特点和防静电机理。以防静电环氧地坪涂料为例,分析静电防护材料中的导电矿物材料,重点分析了导电金属抗静电涂料、浅色抗静电涂料、碳系抗静电涂料中导电矿物材料。以碳系抗静电涂料为主,分析了决定防静电性能的导电材料的成分、结构和性能。在此基础上,探讨抗静电地坪涂料导电矿物材料的发展趋势,探索能够防护静电的高性能抗静电地坪涂料。与传统导电材料相比,碳石墨矿物材料具有明显优势。采用石墨矿物为原料合成的石墨烯碳添加少量就能大幅提高环氧树脂的电导率,获得优异的防静电效果。深入研究导电矿物微观结构特点,在分子原子层次上进行纳米结构组装,有可能开发出高性价比的抗静电涂料,提高电子仪表、医药等行业生产生活洁净场所的防静电水平。

既有建筑改造的新型点挂式外墙保温体系研究

通过对既有建筑现有改造技术与改造现状的研究,设计了点挂式A级岩棉保温装饰板体系,并对相关指标进行计算、试验和测试,形成具有技术特色的城市既有建筑外保温系统及应用技术体系。通过研发专用固定连接件及系统配套材料,开发以单独锚固受力的A级岩棉保温装饰板系统及施工技术,解决既有建筑节能改造中外墙保温材料脱落、施工扰民、材料浪费、湿法作业等难以克服的问题。该体系达到了65%节能标准,可以在保证外观效果的同时,缩短施工周期,可在高度24 m及以下的既有建筑外墙节能改造中应用。

功能性三元胶凝材料配合比设计与性能研究

以硫铝酸盐水泥-硅酸盐水泥-半水石膏三元胶凝材料为研究体系,利用量热仪、XRD、TG-DSC等测试手段分析了不同配合比对三元胶凝材料水化放热和水化产物的影响,并测试13组不同配合比的三元胶凝材料流动度、凝结时间、抗压强度等物理力学性能。结果表明:三元胶凝材料产物相主要为钙矾石、Ca(OH)_(2)、二水石膏与单硫型硫铝酸钙等,但配合比对三元胶凝材料水化进程的影响较大。基于相关性分析发现,半水石膏含量越大,三元胶凝材料流动度越小;硫铝酸盐水泥含量越大,三元胶凝材料初凝越快;硅酸盐水泥含量越大,三元胶凝材料28 d龄期的抗压强度越低。

二次铝灰湿法除氟工艺及氟化物的转化行为研究

为了研究湿法除氟因素(液固比、时间、温度、溶液种类、溶液浓度)对二次铝灰湿法处理过程中氟化物浸出效率及底渣氟化物浸出的影响规律,分别采用单因素实验测定湿法浸出前后底渣及其浸出液氟化物含量,同时对二次铝灰原样及湿法处理后的底渣进行XRD、SEM-EDS表征。结果表明,两种浸出介质条件下,以上5种因素均对氟化物浸出效率产生影响,常温湿法浸出条件下,NaOH溶液碱浸去除氟化物效果优于去离子水。去离子水浸出氟化物的最佳工艺参数:液固比(体积质量比,mL/g,下同)为30、水解时间为4 h、水解温度为90℃,此时氟化物浸出率为12.98%。常温条件下NaOH溶液浸出氟化物的最佳工艺参数:液固比为10、NaOH溶液浓度为1.5 mol/L、水解时间为30 min,此时氟化物浸出率为65.85%。XRD表征结果反映出湿法处理后二次铝灰中AlN含量有不同程度的减少,SEM-EDS表征结果反映出湿法处理后底渣中氟化物含量均相应减少,上述研究结果为二次铝灰湿法处理过程中氟化物去除提供科学依据。

生态烧结料制备免烧砖试验研究

以生态烧结料为主要原料,采用压制成型法制备免烧砖,研究了成型压力、原料配比等对免烧砖抗压强度的影响,并进行了免烧砖制备工业化试验。结果表明:成型压力20 MPa时,在m(生态烧结料):m(水泥):m(炉渣):m(废砖石)=45:15:15:25条件下,免烧砖的7、28 d抗压强度分别达到12.98、16.04 MPa;按照优化的原料配比,工业化试验制备的免烧砖性能符合JC/T 422—2007《非烧结垃圾尾矿砖》中MU15要求,试样表面无凹凸、裂缝、破损和分层等现象。凝胶物质与生态烧结料中矿物以及其他物质相互交织,将胶凝材料体系中的颗粒紧密包裹,形成致密的网状结构,提高了免烧砖的抗压强度。

水泥窑烟气相变吸收剂碳捕集工艺模拟研究

本文通过Aspen Plus模拟软件建立了水泥窑烟气相变吸收剂碳捕集工艺模型,通过该模型,对水泥窑烟气相变吸收剂碳捕集工艺进行了工况分析、灵敏度分析、工艺优化分析等计算,掌握工艺过程中的关键工艺参数对工艺系统的影响规律,摸清楚工艺特点,为工程实践提供理论依据和数据支持。根据模拟计算的分析结果,得到以下几点结论:①PZ配比控制在5%,MDEA控制在30%即可;②吸收剂进料温度控制在30℃为宜;③吸收塔填料高度10m;④建议再生温度控制在100℃以下,高过100℃,再生能耗会显著提高;⑤基于以上筛选的关键工艺参数,MDEA+PZ体系相变吸收剂再生能耗在2.59GJ/tCO_(2),结合工艺改进及优化,当贫富液换热温差控制在5℃,采用富液分级流工艺,分级流比例控制在5%时,相变吸收剂的再生能耗为2.36GJ/tCO_(2)。

Ti含量对矿渣玻璃体结构及其水化活性的影响机制研究

本文选取几种Ti含量不同的矿渣,利用XRD、DSC、FT-IR、XPS等测试手段分析矿渣重熔处理前后无定型网络中Al—O、Ti—O和Si—O结构的变化情况。结果表明,随着钛含量增加,原矿渣中的Al^(3+)和Ti^(4+)倾向以稳定性较差的高配位形式存在,这会减弱其玻璃体结构对热变化的抵抗能力,表现为玻璃转变温度T_(g)和结晶温度T_(x)降低。经重熔急冷后,随着钛含量的增加,高钛矿渣中的Ti^(4+)和Al^(3+)会倾向以低配位的形式存在,这些网络形成体的增多会导致玻璃体结构稳定性增强,表现为矿渣后期活性明显减弱。这说明矿渣的性能除了受碱度以及玻璃体含量影响之外,还与无定型网络的结构变化紧密相关。

不出筋密拼接预制剪力墙受弯性能试验研究

对6个不出筋密拼接预制剪力墙足尺试件进行拟静力试验,分析了轴压比和边缘构件纵筋配筋率对不出筋密拼接预制剪力墙受弯承载力的影响。结果表明:不出筋密拼接预制剪力墙试件破坏损伤区域主要集中在竖向插筋孔和纵向凹槽壁处;试验轴压比为0.20~0.30时,墙体受弯承载力和刚度随轴压比增大而提高,轴压比较大时,提高幅度明显减小;边缘构件纵筋配筋率在1.16%~2.36%时,随着配筋率增大,墙体承载力和初始刚度提高,刚度退化速度加快,延性降低。可通过JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中现浇钢筋混凝土剪力墙受弯承载力公式进行受弯承载力计算,计算结果偏安全。