碱激发粉煤灰地聚物的力学性能及微观机制研究

电力工业废渣通过碱激发可再生成一种新型的、绿色的高性能无机聚合物胶凝材料.试验以一级低钙粉煤灰为原材料、水玻璃和氢氧化钠为复合碱性激发剂制备粉煤灰地聚物,通过无侧限抗压强度试验、X射线衍射试验和扫描电镜试验,研究碱激发剂模数和养护龄期的变化对粉煤灰地聚物力学性能的影响.试验结果表明:激发剂模数是影响地聚物试样力学性能的重要因素,随着模数的增大,试样无侧限抗压强度先增大后减小,在各养护龄期下模数为1.1时试样的无侧限抗压强度最高;粉煤灰玻璃体在碱性溶液的侵蚀破坏下发生解聚-缩聚反应,生成的N-A-S-H凝胶填充了试样孔隙,促进了试样无侧限抗压强度的增长;当模数为1.1且养护龄期为28 d时,试样的无侧限抗压强度达到最大值10.3 MPa且微观结构密实、整体性强.     

早期外加电场下激发剂对粉煤灰地质聚合物性能的影响

以粉煤灰为原料,水玻璃和氢氧化钠为激发剂制备粉煤灰地质聚合物.研究了早期外加电场下激发剂和外加电压对粉煤灰地质聚合物试样表面温度、抗压强度的影响,分析了其矿物组成的变化.研究结果表明:早期外加电场下,氢氧化钠和钠水玻璃激发粉煤灰地质聚合物试样的抗压强度均比未加电场时提高,外加电压增加可以显著提高材料的表面温度和抗压强度...     

偏高岭土基地质聚合物的制备

以偏高岭土为主要固体原料,掺加少量粉煤灰和矿渣,以硅酸钠水玻璃为碱激发剂,制备了偏高岭土基地质聚合物.研究了粉煤灰含量、水玻璃模数、养护方式和矿渣掺量对样品抗压强度的影响.结果表明,在粉煤灰含量为35%、硅酸钠水玻璃模数为l.2、矿渣含量为10%时样品具有较高的抗压强度,养护温度为常温时,28天强度为72MPa,80℃时可达80MPa;通过XRD和MAS-NMR微观分析表明制备的地质聚合物具有类沸石结构,其微观结构形态为无定形态;-Si-O-Al-的键接方式主要为SiQ4(4Al)、SiQ4(2Al)和SiQ4(4Si).     

建筑垃圾—矿渣地聚合物材料的制备及性能

以建筑垃圾、矿渣为原料,以硅酸钠为碱激发剂制备地聚合物材料,考察硅酸钠模数、建筑垃圾/矿渣重量比、水胶比及硅酸钠用量等因素对地聚合物初凝时间、抗压强度和抗折强度的影响规律。结果显示:当硅酸钠模数为1.0,建筑垃圾/矿渣重量比为0.5,水胶比为0.26,硅酸钠用量为10%时,地聚合物综合性能最佳:初凝时间65min;7d(28d)抗压强度33.3MPa(45.6MPa);7d(28d)抗折强度6.0MPa(4.5MPa)。SEM分析显示建筑垃圾包覆在地聚合物材料中,界面结合紧密。     

基于响应面法的ECC基体力学性能研究与配合比优化

ECC基体材料力学性能对ECC性能有很大影响,为提高ECC基体力学性能,采用响应面法中的Box-behnken试验设计方法构建二次多项式回归方程,研究不同水胶比、粉煤灰替代率及砂胶比对ECC基体抗压强度和抗折强度的影响,对ECC基体抗压强度和抗折强度进行优化设计,给出ECC基体的最优配合比。结果表明：水胶比对ECC基体抗压强度及抗折强度的影响最大,粉煤灰替代率次之,砂胶比的影响最小;当ECC基体的水胶比为0.24、粉煤灰替代率为42%、砂胶比为0.45时,其抗压强度和抗折强度达到最大值。本工作可为ECC复合材料配合比设计提供一定的参考。     

碱激发对粉煤灰混凝土强度及微观结构的影响

为探究常温条件碱激发对粉煤灰混凝土强度及其微观结构的影响,本研究利用1.2模数钠水玻璃激发不同掺量粉煤灰配制混凝土试件,通过抗压强度试验、核磁共振试验和红外光谱试验,结合分形理论研究其宏观力学性能与微观孔隙结构与物质组成的变化规律。研究发现：适量钠水玻璃有助于N-A-S-H凝胶生成,使微观结构更加致密、提高混凝土早期抗压强度。碱当量4%、粉煤灰替代率40%的微观孔隙结构最优,28 d龄期抗压强度达46.45 MPa。基于分形理论建立核磁共振和红外光谱与其分形维数的关系,将碱激发粉煤灰混凝土微观特征量化。进一步,通过灰关联熵分析发现红外光谱分形维数D_S和0～0.02μm区间的孔隙是影响抗压强度的主要因素。此外,建立了GM(1,3)混凝土抗压强度预测模型,来反映碱激发粉煤灰混凝土的微观孔结构和化学生成物对其抗压强度的影响,为提高粉煤灰在混凝土中的利用率提供理论支撑。     

高性能PVA纤维增强水泥基材料的制备与性能

为了获得高性能PVA纤维增强水泥基复合材料的制备方法,研究了砂的颗粒级配、水胶比和粉煤灰掺量对高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)的弯曲性能、抗压、抗折强度及开裂模式的影响。结果表明:随着砂的细度模数降低,ECC的跨中挠度增大,早期强度提高,但后期强度变化不明显。随着水胶比的增大,ECC的初始开裂荷载降低,跨中挠度增大,平均裂缝宽度增加。0.25水胶比的ECC的抗压强度可以满足高强度等级的要求。0.35水胶比的抗压强度可以满足对普通强度等级的要求。随着粉煤灰掺量的增加,ECC的初始开裂荷载降低、抗折和抗压强度逐渐降低,ECC的跨中挠度提高,平均裂缝宽度变小。在水胶比一定的条件下,采用细砂,适当增加粉煤灰掺量有助于提高ECC的韧性和延性。     

高温短期养护对低钙粉煤灰地质聚合物性能的影响

以低钙粉煤灰为硅铝原料,NaOH和钠水玻璃为激发剂,粉煤灰和NaOH混合后加水玻璃并在50℃、60℃、70℃、80℃和90℃的烘箱内养护6h、12h和18h制备地质聚合物。探讨了高温短期养护对地质聚合物力学性能的影响,并对在80℃下养护18 h的地质聚合物进行了XRD和TG分析,表明形成了具有耐高温性能的低钙粉煤灰地质聚合物。在较低温度下只有经较长时间养护才能获得较高抗压强度的地质聚合物;而在较高温度下可以在较短时间内获得较高抗压强度。     

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。     

水玻璃模数对矿渣基胶凝材料水化特性及动力学的影响

为进一步明确水玻璃在矿渣基胶凝材料(SCM)水化过程中的作用机制,借助力学性能测试、X射线衍射和热重分析考察了水玻璃模数对SCM抗压强度和水化产物的影响。同时,采用等温量热法和Krstulovic-Dabic动力学模型,讨论了SCM结晶成核与晶体生长(NG)、相边界反应(I)和扩散(D)过程的水化动力学参数与水玻璃模数之间的相关性。结果表明,在水玻璃模数为0.7～2.5范围内,SCM的主要水化产物均为水化硅(铝)酸钙凝胶,其生成量随水玻璃模数的增加逐渐降低。低水玻璃模数(Ms=0.7)条件下,大量低聚合度硅(铝)酸钙凝胶的生成造成了SCM抗压强度的降低。动力学研究表明,SCM的水化过程符合Krstulovic-Dabic动力学模型,控制历程均表现为NG→I→D。水玻璃模数对SCM水化过程的作用机制在于对各阶段反应速率常数的影响,NG、I和D过程的反应速率常数均随水玻璃模数的增加逐渐降低,导致了SCM水化反应速率下降。     

碱激发粉煤灰-钢渣粉协同固化膨胀土力学特性与微观机理研究

针对北疆供水一期工程的膨胀土受干湿-冻融循环作用引起力学特性劣化诱发的工程灾变问题,本工作采用钢渣粉、粉煤灰两种工业废渣作为固化材料,NaOH作为碱性激发剂对膨胀土进行改良,通过开展无侧限抗压强度、直接剪切、侧限压缩、SEM扫描电镜和X射线衍射试验,探究碱性激发工业废渣固化膨胀土的力学特性和微观结构机理。试验结果表明：(1)随着不同改良试剂的依次加入,孔隙结构得到改善,黏聚力不断增大,当粉煤灰质量掺量约为15%,钢渣粉掺量约为18%,烧碱掺量约为5%时,改良的膨胀土结构整体性最为致密,黏聚力达到峰值,土体抗压抗剪强度达到最高,固化效果最为显著。(2)最优配合比的改良土随着养护龄期的延长,生成的水化硅酸系列凝胶增多,胶结程度增强,孔隙含量减少,土体密实性和整体结构得到明显改善,抗压和抗剪强度均有较大幅度的提高,说明龄期对改良土体强度的形成有大幅度的影响。(3)通过对不同试验材料掺量下最佳改良土体的微观机理分析,可知随钢渣粉和烧碱的加入有针棒状的水化硅酸钙以及无定形状的硅铝酸盐凝胶物质生成,胶结联结土颗粒形成团聚体,颗粒间接触点增加,土体结构稳定性增强,从宏观力学行为上表现为固化土体整体强...     

水胶比对超高性能混凝土强度的影响

利用紧密堆积理论设计胶凝材料和细骨料的配合比，研究不同水胶比(0.135～0.165,质量分数，下同)对超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)施工性能、抗压强度的影响；对不同水胶比的UHPC拌合物进行含气量(体积分数，下同)测试；并利用低场磁共振分析和扫描电镜分析，研究UHPC试件的孔结构和微观形貌。结果表明：随着水胶比的增大，UHPC拌合物的扩展度增大并呈现线性关系；UHPC的抗压强度随着水胶比的增大呈现先增大后减小的趋势，在水胶比为0.15时抗压强度达到最大；水胶比为0.15时含气量最小，并且抗压强度与含气量之间存在良好的线性关系；水胶比为0.15时的孔结构最优，基体最密实。     

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%。     

干湿循环条件下生物聚合物改良砂土强度特性

通过无侧限抗压强度试验和三轴剪切试验对生物聚合物(XG)/砂土复合材料强度特性进行研究，分析不同XG含量(与砂土质量比)和不同干湿循环次数对XG/砂土的强度特性的影响，并利用扫描电子显微镜和低场核磁共振分析仪对不同XG/砂土的微观结构进行分析与研究。研究结果表明：随着XG含量的增加，XG/砂土的无侧限抗压强度、峰值偏应力和黏聚力均发生增强，内摩擦角在27°～32°范围内变化。随着干湿循环的次数的增加，XG/砂土的无侧限抗压强度、峰值偏应力和黏聚力均发生一定的减小。当经历4次干湿循环时，XG/砂土的强度降幅为28.57%。随着干湿循环次数的继续增加，强度的降幅趋于平缓。生物聚合物可以在砂土表面和孔隙中形成大量的网状结构，大量的网状结构相互连接为网状膜将砂土连接为一个整体。环境中水分的变化会使得网状膜产生一定的损伤，使得XG/砂土的力学性质降低。但相较于未经改良的砂土，XG/砂土仍然拥有较强的结构性能和力学性能。     

废弃混凝土再生微粉固化盐渍土的强度特性及微观机理研究

再生微粉由其成本低、易获取的特点用于固化盐渍土可以达到固废利用、节约资源的目的.本实验基于无侧限抗压强度试验、XRD和SEM试验,探究了再生微粉联合粉煤灰、水泥固化盐渍土的强度特性、微观机理、固化机制,结果表明:再生微粉替代部分粉煤灰、水泥掺入盐渍土后,固化土抗压强度较天然盐渍土有了大幅提升,且再生微粉替代粉煤灰的较优替代量为80％;再生微粉的掺入促进了粉煤灰的硅酸化反应,生成具有胶凝作用的水化硅酸钙、水化铝酸钙,相互构成网状结构,提高了土体稳定性;再生微粉联合水泥固化盐渍土时,生成的胶结能力较强的C?S?H和C?A?H凝胶会与再生微粉共同填充于土间孔隙中,使土体结构更加密实,通过凝胶的凝结硬化作用增加盐渍土的抗压强度.     

矿物掺合料对地聚合物抗冻性能的影响

以碱激发偏高岭土制备地聚合物混凝土,分别研究了掺入15%的钢渣、矿渣或粉煤灰的地聚合物混凝土的力学抗压强度和抗冻性能,测试了地聚合物混凝土的真空饱水体积吸液率,运用XRD、SEM和DSC-TG等测试方法分析了矿物掺合料对地聚合物微观结构和水化产物的影响。结果表明:钢渣或矿渣能有效提高地聚合物混凝土的抗压强度,而粉煤灰的掺入使其强度稍有降低;地聚合物表观形貌中存在较多的孔洞和微裂缝导致其抗冻性能较差,掺入钢渣或者矿渣后地聚合物形成了新的产物C-S-H凝胶、C-A-S-H凝胶等并填充在结构中形成更加密实的板状结构,降低了地聚合物混凝土冻融破坏速率,五次冻融循环后地聚合物的相对强度均在90%以上,抗冻性能得到提高;粉煤灰降低了制备地聚合物混凝土的用水量且未水化的粉煤灰颗粒镶嵌在结构中增加了其密实性和抗冻性能,五次冻融循环后相对强度为86.9%,基准组的相对强度仅为79.7%。     

高温短期养护对低钙粉煤灰地质聚合物性能的影响

以低钙粉煤灰为硅铝原料，NaOH和钠水玻璃为激发剂，粉煤灰和NaOH混合后加水玻璃并在50℃、60℃、70℃、80℃和90＊（2的烘箱内养护6h、12h和18h制备地质聚合物。探讨了高温短期养护对地质聚合物力学性能的影响，并对在80℃下养护18h的地质聚合物进行了XRD和TG分析，表明形成了具有耐高温性能的低钙粉煤灰地...     

偏高岭土掺合料对水泥胶砂强度的影响

将不同比例的偏高岭土与矿渣、粉煤灰复合掺入水泥砂浆,分析水胶比和偏高岭土掺合料对水泥胶砂强度的影响,并借助活性指数综合分析偏高岭土掺合料的诱导激活效应。研究结果表明:偏高岭土与其他矿物参合料复掺比例一定时,随水胶比增大,水泥胶砂的强度呈下降趋势。当水胶比一定时,掺量在5%～15%范围之内,偏高岭土与矿渣复掺可提高水泥的早期强度;偏高岭土、矿渣与粉煤灰复掺更有助于改善水泥3～7d的抗折和抗压强度。偏高岭土在复掺比例为40%左右,水泥胶砂的抗折强度和抗压强度活性指数达到最佳。     

煤矸石改良黄土的力学和抗冻融性能

【目的】提出用煤矸石改良黄土的解决方案,解决煤矸石存量逐年增大且利用率低、季冻区黄土地基病害严重的双重难题。【方法】分析煤矸石改良黄土的反应机制,通过无侧限抗压强度、直剪、固结压缩和湿陷性试验,分析煤矸石改良黄土试件的无侧限抗压强度、抗剪强度、黏聚力、内摩擦角、压缩系数和湿陷系数等力学性能指标,确定煤矸石的最优掺量;以黄土原料为对照组,将最优掺量的煤矸石改良黄土试件进行冻融循环试验,再次进行无侧限抗压强度和直剪试验,分析冻融循环后最优试件的力学和抗冻融性能。【结果】当煤矸石质量分数为20%,养护龄期28 d时,煤矸石改良黄土的无侧限抗压强度为585 kPa,抗剪强度为287 kPa,压缩系数约为0.19 MPa^-1,黏聚力为63.755 kPa,内摩擦角为29.646°,湿陷性完全消除;进行冻融循环试验后,随着冻融循环次数的增大,无侧限抗压强度逐渐减小,冻融循环次数为11时的无侧限抗压强度、抗剪强度、黏聚力损失率分别为26.9%、 7.4%、 18.6%,内摩擦角变化较小,煤矸石改良黄土的力学和抗冻融性能较好。【结论】煤矸石活性较低,改良后的黄土的强度虽然提升幅度...     

超高性能混凝土工作性与强度影响因素分析

材料组成对超高性能混凝土(UHPC)的性能具有至关重要的影响。采用坍落扩展度、抗压强度和抗折强度试验,分别分析了水胶比、钢纤维、减水剂、硅灰、粉煤灰对UHPC工作性和强度的影响,提出了适宜的UHPC材料组成配比;通过灰色关联度分析,对比了不同影响因素对UHPC工作性与强度的影响程度。结果表明:UHPC的各组成材料推荐用量为水胶比0.18～0.20,钢纤维25～50 kg/m~3,减水剂20～25 kg/m~3,硅灰120～130 kg/m~3,粉煤灰100～110 kg/m~3。水胶比对UHPC工作性的影响最显著,水胶比越大,UHPC的流动性越好;钢纤维对UHPC工作性的影响最小。与水胶比和钢纤维相比,粉煤灰、减水剂、硅灰对UHPC抗压强度的影响较为明显;对于抗折强度,水胶比的影响最大,硅灰的影响最小。