煤矸石粗骨料-地聚物混凝土的力学与耐久性能研究

将原状和煅烧的煤矸石粗骨料分别按不同掺量替代碎石,制备煤矸石粗骨料?地聚物混凝土,分析了煤矸石掺入量、煅烧与否对混凝土28 d抗压强度、抗氯离子渗透性能、抗冻性能的影响,并探究混凝土性能指标之间的相关性、煤矸石粗骨料的合适掺量及其煅烧的必要性.此外,借助扫描电镜探讨其内部机理.结果显示:随着煤矸石粗骨料掺入量增加,煤矸石粗骨料地聚物混凝土的抗压性能、抗渗性能、抗冻性能均会在不同程度上减弱,其中以抗冻性能的影响最为显著;与原状煤矸石粗骨料地聚物混凝土相比,相同煤矸石掺量下的煅烧煤矸石粗骨料地聚物混凝土在抗压强度上展现出很大的优势,抗氯离子渗透性能不如原状煤矸石地聚物混凝土,抗冻性能与原状粗骨料地聚物混凝土差别不大;煤矸石粗骨料合适掺量的阈值为50％.     

偏高岭土-矿渣基地聚物与花岗岩骨料界面的分布特性及影响因素

以碱激发偏高岭土-矿渣作为胶凝材料、花岗岩为骨料制备地聚物混凝土,通过扫描电镜SEM-EDS及显微硬度分析研究地聚物与骨料的界面粘结区的微观结构、分布,以及液固比和骨料尺寸对地聚物-骨料界面的影响。研究结果表明,在地聚物与骨料的界面区域存在界面过渡区(ITZ),包含了以N-A-S-H凝胶为主的固相和收缩裂缝,化学组分与地聚物凝胶有较大不同。界面过渡区沿骨料周围不同位置表现出明显的分布不均匀特性,骨料下缘处的界面过渡区的微观结构和硬度都显著更差。随着液固比及骨料半径的增大,其分布的不均匀性增加:骨料下界面ITZ中的裂缝宽度增大,N-A-S-H凝胶厚度减小且强度降低;但配比及骨料尺寸对骨料上界面及侧界面的ITZ影响并不显著。骨料下界面ITZ应是偏高岭土-矿渣基地聚物混凝土的薄弱区域。     

地聚物基透水混凝土的制备与性能

透水混凝土因具有透水透气、吸声减噪等功能而被广泛研究和关注。然而,其普遍存在孔隙结构,造成受力不均,使得透水混凝土只能用于低荷载的路面。为了提高透水混凝土的强度和耐久性,本研究将地聚物作为透水混凝土的胶凝材料,并采用正交试验研究了最佳配比,分析了孔隙率、骨料粒径、激固比、矿渣掺量、水玻璃模数对其性能的影响。以抗压强度、劈裂抗拉强度、透水系数、抗冻性为指标,拟合分析了孔隙率与透水系数、透水系数与抗压强度、孔隙率与抗劈裂强度之间的关系。结果表明:目标孔隙率15%、激固比60%、骨料粒径2～5 mm、水玻璃模数1. 4、矿渣掺量20%为最优配比,所得地聚物透水混凝土的28 d抗压强度为33 MPa,抗劈裂强度为2. 4 MPa,透水系数为8. 4 mm/s,抗冻性能达标。     

碱激发再生砖粉地聚物的抗压强度与微观特性

废弃黏土砖在建筑垃圾中占有较高比例，经过破碎、研磨后得到的再生砖粉存在火山灰活性，可作为地聚物的原料进行使用。采用正交实验方法研究矿物掺合料、激发剂、水与胶凝材料的质量比(水胶比)等因素对再生砖粉地聚物抗压强度的影响，并通过X射线衍射、扫描电镜能谱、红外光谱等微观手段系统地进行表征。结果表明：矿粉取代率、水玻璃掺量对再生砖粉地聚物抗压强度影响显著；矿粉取代率的提高，促使水化硅铝酸钠凝胶向水化硅铝酸钙凝胶转变，提高再生砖粉地聚物的抗压强度；高钙体系再生砖粉地聚物中含钠的水化硅铝酸钙、水化硅酸钙等多种凝胶与Ca(OH)₂晶体共存；偏高岭土的掺入促进含钠的水化硅铝酸钙凝胶的生成，提高聚合反应程度，延缓裂缝的生长，内部微结构得到较大改善，利于强度的发展。     

低温环境下不同地聚物砂浆力学性能及水化反应机理研究

为进一步提升低温环境下矿渣基地聚物砂浆的力学性能，以矿渣、硅灰和偏高岭土为主要原料制备了4种地聚物砂浆，探究不同原料组合对地聚物砂浆力学性能的提升效果，并结合扫描电镜和傅里叶红外光谱试验分析了不同组合地聚物砂浆的微观结构和硅灰、偏高岭土的改性机理。结果表明：在低温环境10℃的养护下，掺加硅灰可极大促进矿渣基地聚物砂浆早期水化反应，生成大量的C-S-H凝胶与水化铝酸钙产物，宏观上表现出更高的早期力学性能和强度增长速率；掺加偏高岭土，对矿渣基地聚物砂浆的早期力学性能有不利影响，但后期强度增长速率较快且强度值较高，养护时间为28d时，矿渣-偏高岭土基(S-MK)、矿渣-硅灰-偏高岭土基地聚物砂浆(S-SF-MK)试件的抗压强度均达60MPa以上；掺入硅灰和偏高岭土后，试件微观结构得到了改善，内部裂缝减少，均降低了地聚物砂浆的干缩率，偏高岭土降低干缩的效果较硅灰更好。研究结果为低温环境下矿渣基地聚物砂浆的制备和寒区抢修工程的应用提供了理论参考。     

多因素对再生复合掺料基地聚物混凝土抗压强度的影响

大量的建筑废弃物给环境带来了严重负担,本工作利用建筑废弃物制备而成的再生复合掺料替代地聚物混凝土中的粉煤灰,以实现建筑废弃物的再生利用.试验研究了养护条件、氢氧化钠浓度以及再生复合掺料替代率对再生复合掺料基地聚物混凝土抗压强度的影响,并利用SEM对混凝土微观形貌进行对比分析.研究结果表明,再生复合掺料对地聚物混凝土的和易性有不利影响,但与基准混凝土相比,替代率为20％～60％(质量分数,下同)的再生复合掺料基地聚物混凝土的抗压强度有所提高.高温养护能提高混凝土的抗压强度,与常温养护相比,3 d、7 d和28 d抗压强度分别平均提高了198.5％、104.0％和52.6％.氢氧化钠浓度对不同替代率的再生复合掺料基地聚物混凝土的影响不同,在低替代率(0％～40％)时,混凝土抗压强度随氢氧化钠浓度的增加而增加;在高替代率(60％～100％)时,混凝土抗压强度随氢氧化钠浓度的增加先增加后降低.因此再生复合掺料应用于地聚物混凝土中部分替代粉煤灰是可行的.     

钢管地聚物再生混凝土短柱轴压荷载下的实验研究

地聚物再生混凝土(Geopolymeric recycled concrete,GRC)是一种考虑环境可持续发展的新型建筑材料,它是利用粉煤灰激发的碱溶液完全代替水泥,同时利用再生粗骨料完全或部分代替天然粗骨料制作而成的新型混凝土材料。地聚物再生混凝土可以用在钢管结构中,称为钢管地聚物再生混凝土构件。该文对12根钢管地聚物再生混凝土短柱进行了一系列实验研究,实验设计主要考虑了2种不同钢管界面尺寸、不同混凝土类型(普通再生混凝土、地聚物再生混凝土)以及不同再生骨料取代率(0%、50%、100%)。通过实验研究考察了构件在轴压荷载作用下的荷载-应变关系,对比分析了各构件的极限承载力和失效机理,并且通过延性指标(DI)对比分析了各个钢管短柱在轴压荷载作用下的延性行为表现。结果表明,随着钢管核心混凝土中再生粗骨料的增多,钢管地聚物再生混凝土和钢管再生混凝土的极限承载力随之降低。再生粗骨料的含量对钢管地聚物再生混凝土短柱的力学行为表现影响更大。最后,依照各规程的理论计算方法对本实验结果进行了比较,进一步探讨了各规程对计算钢管再生混凝土和钢管地聚物再生混凝土柱承载力的适用性。     

先驱体转化法制备耐高温Si-Al-C-O纤维

以聚硅碳硅烷(PSCS)与乙酰丙酮铝为原料,在常压高温条件下反应制备出聚铝碳硅烷(PACS),经过熔融纺丝、空气预氧化、烧成等工艺,制备出性能优异的耐高温Si-Al-C-O(KD-A)纤维.研究了PACS纤维组成,预氧化过程中的质量增加、Si-H反应程度、凝胶含量,探讨了氧对KD-A纤维性能的影响;通过元素分析、AES和SEM等一系列分析,研究了KD-A纤维的结构组成以及耐高温性能.研究表明,PACS纤维空气预氧化过程中,主要是Si-H键与氧发生反应生成Si-O-Si交联结构;KD-A纤维的组成SiC1.51O0.31Al0.013耐高温性能明显优于普通SiC纤维,在空气中1000℃下加热100h后,强度保留率达到60%左右.     

尾矿砂-S-95矿渣粉地聚物对铅离子的固化及其作用机制

地聚物是一种新型凝胶材料，主要以物理吸附或化学封装的方式固化重金属。以铁矿尾矿砂和S-95矿渣粉为原料，在碱激发剂的作用下制备固化重金属Pb²⁺地聚物。以正交试验研究原料质量比、水玻璃模数、碱固质量比对地聚物抗压强度的影响；研究Pb²⁺的添加量对固化体抗压强度的影响，并通过毒性浸出试验及XRD、IR表征手段探究固化效果和机理。结果表明：当尾矿砂与S-95矿渣粉质量比为3∶7、水玻璃模数为1.1、碱固比0.25时，地聚物28 d的抗压强度可达47.1 MPa;当Pb²⁺添加质量分数为0.5%时，在3种浸出液中固化效果均能达到98%以上；Pb²⁺以微弱的化学键合作用影响地聚物的网状结构，没有键合到骨架结构中，以非晶体的形式存在。     

粉煤灰地聚物反应体系下的反应影响因素分析

以粉煤灰基地质聚合物为研究对象,研究了粉煤灰在地聚物反应体系下的反应影响因素。主要研究内容有:反应时间、反应温度和反应碱浓度对反应过程及宏观强度的影响及相关反应机理。结果表明:在反应中后期,粉煤灰反应速率明显下降而此时地聚物的宏观性能反而呈现最大值。以75℃为例,反应时间从24h延长到672h的过程中,反应程度仅从20.8%增加到了32.4%,平均反应速率仅为0.0179%/h,而此时样品的抗压强度则从1.31MPa增加到了7.98 MPa;在地聚物反应体系下,反应产物为无定形的硅铝胶凝体,该物质的致密程度与地聚物宏观性能直接相关;温度的升高可有效提高粉煤灰的反应速率及地聚物的宏观性能,促进无定形胶凝体的形成和硬化。反应24h,75℃下的反应程度和抗压强度可以达到20.8%和1.31 MPa,而同期35℃下的反应程度只能达到7.8%且尚未形成宏观强度;碱浓度的变化不仅可影响反应速率和宏观性能,还可改变粉煤灰在地聚物反应体系下的最终反应程度,在反应温度为75℃和50℃时,10 mol/L体系下672h的反应程度比5 mol/L体系分别高了90%和28.6%。     

用自然纤维增强地聚物材料:综述

自然纤维是一种来源广泛、低价环保的可再生资源,用自然纤维替代合成纤维制备复合材料的研究受到了人们的普遍关注.另外,地聚物是一种新兴的无机硅铝酸盐胶凝材料,被认为是普通硅酸盐水泥的理想替代品,同样备受瞩目.地聚物混凝土具有早期强度高、防火、耐高温、绿色环保及有效固定重金属等优点,但是其脆性大、抗裂性差.在地聚物混凝土中掺入自然纤维具有轻质、保温隔热及延缓混凝土开裂等特性,而且对生态友好,可以促进资源可持续发展,具有较好的应用前景.为了确定自然纤维对地聚物混凝土结构的增强效果和机理,本文评述了近期国内外有关自然纤维对地聚物混凝土力学性能影响的研究报道.首先总结了自然纤维的来源、处理方式及基本力学性质;其次详述了自然纤维对碱激发粉煤灰/矿渣/偏高岭土地聚物复合材料力学性能影响的相关研究;最后讨论了自然纤维增强地聚物混凝土的耐热性,并对今后需进一步研究的相关问题提出了建议.     

粉煤灰地聚物混凝土性能与环境影响的综合评价

目前对粉煤灰地聚物混凝土环境影响评价大多数只考虑环境效益单方面的因素，而力学性能和耐久性能是材料在工程应用中的重要评价指标，材料选取需要同时考虑其力学性能、耐久性能与环境影响。因此，本工作采用生命周期评价(LCA)方法，选取抗压强度、抗硫酸盐侵蚀性能和环境影响为评价指标，设计九组配合比的粉煤灰地聚物混凝土进行环境影响和抗硫酸盐侵蚀的量化分析，利用灰色聚类评价方法建立综合评价模型。结果表明：(1)粉煤灰地聚物混凝土的环境影响主要来自原材料生产阶段，占比高达73%以上；(2)粉煤灰地聚物混凝土的环境效益随碱激发剂用量、粉煤灰用量和硅酸钠与氢氧化钠比值的增大而降低，碱激发剂用量对环境效益影响最大；抗压耐蚀系数越大其抗硫酸盐侵蚀性能越好；(3)在本试验中，配合比1的环境效益最优，配合比5抗硫酸盐侵蚀性能最优，配合比3综合性能最优。     

氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土的抗硫酸溶蚀性能研究

以地聚物再生混凝土为基体，将混凝土浸泡于pH=1.0的硫酸溶液中48 d,以其表观损伤、抗压强度、质量损失、中和深度作为耐硫酸性能指标，研究不同掺量的氧化石墨烯(0.01%,0.03%,0.05%,均为质量分数，下同)对混凝土抗硫酸溶蚀性能的影响。此外，通过SEM、XRD、FTIR对氧化石墨烯的改性效果进行微观分析。结果表明：掺入少量的氧化石墨烯可显著提高混凝土的抗硫酸性能，但随着掺量的增加改性效果逐渐减弱。改性后混凝土的抗压强度分别提高56.0%、17.0%、6.0%,且经硫酸溶蚀48 d后仍优于未改性混凝土。48 d后掺量为0.05%的混凝土出现最大的质量损失和中和深度，以及SEM图中较差的界面过渡区和较多松散的腐蚀产物代表其改性效果最差。综合宏观表现、XRD和FTIR分析，确定氧化石墨烯掺量为0.01%时地聚物再生混凝土具有最佳的抗硫酸溶蚀性能。     

再生骨料透水混凝土的透水性和抗压强度

为系统掌握再生骨料透水混凝土的制备和性能变化规律,采用实验手段研究了再生骨料透水混凝土的透水性能和抗压强度。参考一般混凝土试验方法,分析在不同骨料粒径组合下原生骨料透水混凝土透水性能和抗压强度的差异。在此基础上,选择透水性能和抗压强度均较优的骨料粒径组合,在其中加入再生骨料,探究不同再生骨科取代率对再生骨料透水混凝土透水性能和抗压强度的影响以及透水系数与抗压强度间的相关性。结果表明:(1)对于采用的粒径组合(10 mm+20 mm),再生骨料透水混凝土的抗压强度较原生骨料透水混凝土高,当取代率不超过50%时,其抗压强度随取代量的增加而增大,但当取代率超过50%时,其抗压强度则有所下降;(2)再生骨料透水混凝土的透水性能较原生骨料透水混凝土好,透水系数随取代量的增加会有30%~195%的增幅;(3)与原生骨料透水混凝土抗压强度随透水系数增加持续下降变化不同,再生骨料透水混凝土的抗压强度随透水系数的增加会呈先上升后下降的变化。     

SiC陶瓷纤维先驱体——聚铝碳硅烷的合成与表征

在高温常压下,以聚二甲基硅烷(Polydimethylsilane,PDMS)和乙酰丙酮铝(Al(AcAc)3)为原料,合成了碳化硅(SiC)陶瓷纤维先驱体———聚铝碳硅烷(Polyaluminocarbosilane,PACS)。采用红外光谱法和凝胶渗透色谱法对制备的PACS进行了结构和分子量表征;通过正交实验设计,研究了反应温度、裂解温度、反应时间和原料配比4种因素对PACS的Si-H键含量、支化度和数均分子量Mn的影响,并用极差分析法进行了主次因素分析,结果表明反应温度是上述三指标的主要影响因素。综合分析各指标对PACS后续纺丝性能和高温碳化过程的影响,确定制备PACS较优的实验条件为:反应温度390℃、裂解温度490℃、反应时间10h及原料Al(AcAc)3与PDMS配比4%(质量分数)。     

同一硫酸盐环境下地聚物混凝土与普通混凝土的耐蚀性能及机理分析

实验采用国家标准GB/T 50082-2009中推荐的混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法,将粉煤灰基地聚物混凝土(FGC)和普通混凝土(PCC)试样置于质量分数为5%的硫酸钠溶液中进行干湿循环侵蚀实验。以试样侵蚀后的结构形态变化、抗压强度损失、质量体积变化、动弹性模量变化为评价指标,并借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)等分析手段对FGC与PCC在同一硫酸盐侵蚀环境中的耐蚀性能、损伤机理以及两者间的相互影响进行了研究与分析。结果显示,随着侵蚀周期的增长两种混凝土的抗压强度和体积均表现出先降低后上升的趋势;二者的最大质量变化率均较小,FGC为0.3%,PCC为0.6%;二者的动弹性模量变化均较为复杂。微观观测发现影响FGC和PCC结构形态的关键物质分别是粉煤灰颗粒与膨胀性产物。化学分析表明FGC与PCC间产生相互影响的原因是材料各组分在侵蚀液中的溶解与渗透。     

粉煤灰基地聚物水泥的改性及其对Pb(Ⅱ)吸附的研究

为了解决过多向自然界排放含有重金属的废物,造成生态环境破坏问题,根据地聚物水泥具有很好的吸附性能及在处理含有铅废物方面特殊作用,本实验中添加天然沸石对粉煤灰基地聚物水泥改性,通过XRD证明有结晶的沸石相P型沸石结晶和方沸石出现,并用静态吸附试验证明改性后吸附能力增强,探讨了地聚物水泥水化产物粉体对铅的吸附性能及其主要影响因素。     

激发剂浓度对偏高岭土基地聚物性能的影响机制

研究了激发剂、固化温度等外部因素对地聚物力学性能的影响及其机制,以NaOH和Na₂SiO₃作为激发剂,通过正交试验考察了偏高岭土基地聚物的力学性能对激发剂模数、激发剂浓度、固化温度和固化时间等影响因素的敏感性。通过微量热、红外光谱和扫描电镜-能谱方法分析了激发剂浓度影响聚合反应过程及地聚物性能的作用机理。试验结果表明:激发剂浓度是影响地聚物力学性能的最关键因素,地聚物抗压强度随激发剂浓度增加而提高;次关键因素是激发剂模数,地聚物强度随激发剂模数增大而降低。随着激发剂浓度增大,聚合反应逐渐充分,地聚物力学性能也随之提高;激发剂浓度为80%时聚合反应趋向完全,地聚物强度提高到99.98 MPa,生成物Si/Al大于1。      

高岭土煅烧活化过程研究

利用热重-差热、X射线衍射、红外光谱、扫描电子显微镜、拉曼光谱等测试手段,对高岭土煅烧活化过程进行研究,得到高岭土煅烧活化的温度范围,分析高岭土样品煅烧前后官能团的变化,并对其制备的地聚物进行抗压强度以及微观形貌对比。结果表明,高岭土的最佳活化条件为600℃下煅烧6 h,制备的地聚物水化浆体结构致密,水化产物呈层状堆积,7 d抗压强度达到62.7 MPa。     

含砷废渣水泥固化/稳定化技术研究进展

含砷废渣作为一种持久性污染物被广泛关注,固化/稳定化技术是治理含砷废渣的一种行之有效的途径。对硅酸盐水泥基胶凝材料固砷效果以及其固化机理等方面的研究进行了综述,水泥水化过程中产生的大量Ca(OH)_2与可溶性砷酸盐反应生成较为稳定的砷酸钙盐,降低砷的浸出浓度,从而实现砷的有效固化,但其存在污染物包容量小、耐久性差等缺点。本课题组提出了利用地聚物水泥(地聚物材料)固化含砷废渣,通过在地聚物材料水化聚合过程中,以同晶取代的方式实现AsO43-与SiO_4~(4-)、AlO_4~(5-)之间的化学键合,并辅以地聚物材料的高强、耐久性好的优良特性,利用地聚物材料固化含砷废渣实现砷的大容量、持久性地安全稳定固封。