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关键词： 透水沥青路面   复合改性   大孔隙混合料   路用性能   透水基层   渗透性能  

摘要： 随着我国城市化进程的加快,城区道路积水滞留无法及时排出,导致城市产生“雨洪”效应进而影响交通出行;加之“海绵城市”建设的需要,现在透水路面铺装在我国的应用越来越多。为了提升透水道路的耐久性,改进现有透水沥青路面材料性能及工程应用的不足,本文对全透水沥青道路的面层和基层的材料、组成配比设计及结构的力学状态等进行研究,具体内容与结论如下: （1）选用SBS（I-D）改性沥青分别内掺10%、20%、30%的脱硫橡胶颗粒制备SBS/脱硫橡胶复合改性沥青,并对其进行三大指标测试。结果显示:脱硫橡胶颗粒掺量的增加导致SBS/脱硫橡胶复合改性沥青针入度与延度的降低、软化点的增大,表明脱硫橡胶颗粒可以改善沥青的粘度和高温性能。利用红外光谱仪和荧光显微镜对SBS（I-D）改性沥青以及三种不同掺量的SBS/脱硫橡胶复合改性沥青的微观特性进行分析,结果显示SBS/脱硫橡胶复合改性沥青历经一系列物理变化能够形成均匀一致的稳定性结构。 （2）采用干法拌合工艺制备SBS/脱硫橡胶复合改性型透水沥青混合料,并对其进行配合比设计。经过飞散试验和析漏试验,得到该透水沥青混合料的最优级配和最佳油石比。同时,对其抗冲击、抗飞散、高低温、水稳及渗透性能进行测试发现各项测试结果均满足规范要求。 （3）分别加入5kg/m3、7kg/m3、9kg/m3掺量的醋酸乙烯-乙烯共聚（VAE）乳液对透水水泥稳定碎石进行改性,着重研究了其透水性能和强度特征。最终选定级配F为设计级配,最佳水泥掺量为7%。随着VAE乳液掺量的增高,VAE乳液改性透水水稳碎石基层抗压强度升高,渗透能力虽有小幅下降但也达到了设计标准。 （4）使用Abaqus有限元软件对城市全透水沥青路面的力学响应进行分析。研究采用不同参数,包括面层厚度、面层模量和基层厚度,并重点分析荷载作用下路表弯沉、面层底部拉应力和基层底部拉应力的响应情况。在设计海绵城市全透水沥青路面时,可以通过减少面层模量和基层水泥的使用量,选择合适的基层模量来增强路面的承载力。

关键词： POM纤维   超高性能混凝土   配合比设计   力学性能   耐久性能  

摘要： 中国具有丰富的海洋资源,随着海洋发展战略的实施,已经新建了大量的海港、码头、防洪堤坝、海底隧道、海上光伏发电平台和跨海大桥等混凝土结构工程,混凝土结构在海上工程的应用对服役混凝土的耐久性能提出了更高的要求。近年来,超高性能混凝土(UHPC)因其优异的性能被广泛的应用于各种复杂环境,钢纤维作为UHPC中最常用的纤维存在着自身成本高且在腐蚀性环境中易发生锈蚀等问题,因此在海洋工程中的应用受到限制。聚甲醛纤维(简称POM纤维)具有优异的耐腐蚀性、重量轻和高强度的特点,而且具有良好的热稳定性,在海洋环境中具有优异的长期稳定性。POM纤维的加入不仅能增强混凝土基体的力学性能,还能有效提高混凝土的耐久性能,因此,本文针对于POM纤维超高性能混凝土的力学性能与耐久性展开研究,具体研究如下: (1)通过抗压强度的响应面模型分析,发现水胶比和硅灰水泥比对抗压强度影响显著,纤维含量与水胶比的交互作用对抗压强度影响显著;通过抗折强度的响应面模型分析,水胶比和纤维含量对抗压强度影响显著,纤维含量与水胶比的交互作用对抗折强度影响显著;通过响应面优化设计得出混凝土基体性能最优配合比为水胶比0.175,硅灰水泥比为0.33,POM纤维掺量为1.8%,模型误差低于5%。 (2)POM纤维的掺入对POM纤维超高性能混凝土的力学性能有正向的提升作用,且在早期时更为明显,随着龄期的增大提升效果降低,POM纤维掺量大于1.5%时能够改善混凝土的脆性破坏特征。POM纤维超高性能混凝土的流动性能会随着纤维含量的增加而降低;抗压强度会随着纤维含量的增加呈现先增大后降低的趋势,当纤维掺量为2%时,此时的抗压强度达到最大值为117.8MPa;抗折强度以及抗拉强度会随着纤维含量的增加而增加,当纤维掺量大于2%时,抗弯强度和抗拉强度提升明显;随着POM纤维含量的增加,在当POM纤维掺量较低(≤1.5%)时,纤维含量的增加对弹性模量的提升不明显,当POM纤维掺量较高(>1.5%)时,此时纤维的增加对弹性模量有提升作用。 (3)POM纤维超高性能混凝土在海水浸泡、海水干湿循环、氯盐浸泡、硫酸盐浸泡以及复合盐浸泡下的质量损失率以及抗压强度损失率均呈现先增大后减小的规律,POM纤维的加入能够延缓腐蚀,降低质量损失率以及抗压强度损失率,提升抗压耐蚀系数。经过180d的不同溶液浸泡后,当POM纤维含量为1.8%时,相对自然环境,抗压强度退化分别为4.8%、9.7%、6.8%、11.7%以及10.7%,不同侵蚀环境对试件侵蚀的程度大小排序为:硫酸盐浸泡>复合盐浸泡>海水干湿循环>氯盐浸泡>海水浸泡。 (4)通过对侵蚀180d后的POM纤维超高性能混凝土的微观测试分析可知,不同侵蚀环境下的侵蚀产物主要为石膏、钙矾石以及Friedel’s盐。在海水浸泡和海水干湿循环境中由于氯离子以及硫酸根离子含量较低,生成的腐蚀产物较少,基体上出现微孔,整体较为致密。氯盐浸泡中主要的腐蚀产物为Friedel’s盐,结构伴随着裂缝和微孔,硫酸盐浸泡中主要腐蚀产物为石膏和钙矾石,结构疏松多孔,腐蚀程度较为严重,复合盐浸泡后结构疏松多孔,腐蚀程度轻于硫酸盐浸泡,腐蚀产物中钙矾石的含量较低,说明高浓度的氯离子能够延缓硫酸根离子的侵蚀作用,减轻对混凝土的腐蚀程度。

关键词： 质子交换膜燃料电池   耐久性   双极板   膜电极   失效机理  

摘要： 质子交换膜燃料电池（PEMFC）是21世纪最理想的发电技术之一,是实现“双碳”目标的重要实施方案。PEMFC具有环境友好、功率密度高、操作温度低、冷启动快等优点,虽然已有许多成功的应用案例,但耐久性问题仍然是其实现大规模商业化应用的最大瓶颈。PEMFC的耐久性,一方面受双极板（BPP）、膜电极（MEA）等核心材料本征性能和结构的影响,另一方面受运行工况、条件和控制策略的影响。坚持从可持续的高性能原材料开发到最佳运行策略的系统性研究,并准确评估核心材料的性能衰退机理,对于开发高可靠、高耐久的PEMFC至关重要。本文针对PEMFC在不同复杂工况、条件下的性能衰减规律不明确,核心材料衰退机理不清晰,以及耐久性衰减缓解策略不精准等问题,以短堆和单电池为研究对象,结合耐久性实测运行和材料的非原位表征分析,系统性的研究了BPP和MEA在动态、稳态工况和不同温度条件下的失效模式,并全面分析了铜离子(Cu2+)污染MEA对其初始性能和耐久性的影响。得到的主要结果如下: 使用车载动态工况,研究了金（Au）涂层金属双极板在3 k W燃料电池电堆中进行原位的5000 h耐久性试验的性能变化及失效机理。研究表明,BPP和MEA之间良好且稳定的匹配状态是导致电堆欧姆电阻在长期耐久性测试过程中始终保持稳定（3～5 mΩ）的原因,而这种接触状态在电池的重装过程中会被破坏,导致局部接触电阻显著增大。Au涂层的失效模式包括Au的团聚、过渡层氧化物的生长并逐渐覆盖Au涂层等过程。涂层的失效会导致接触角降低（最低降至0°）和表面粗糙度的增加,引起质量传输能力降低。此外,研究发现BPP表面的钝化层在高电位下会加速溶解,导致离子析出的风险。 阳离子污染对MEA的性能和耐久性影响显著且不可逆。以Cu2+污染物为例,采用喷涂的方法,研究了MEA阴极催化层中定量引入不同浓度的Cu2+,对其初始性能和耐久性的影响。研究发现,随着Cu2+浓度的增加,电池初始性能的衰减是非线性的,0.001mg cm-2的浓度成为一个重要“拐点”,Cu2+不仅限制了离聚物中的质子传导性和氧传输能力,还显著降低了氧还原反应的活性。Cu2+的存在加速了耐久性测试过程催化剂电化学活性面积的降低,造成欧姆阻抗和质量传输阻抗显著增大。还导致了Pt的溶解和团聚加速,质子交换膜的化学衰减加速,并引起催化层大量介孔结构的坍塌。 基于变载加速工况,研究了3种不同温度条件（60℃、70℃和85℃）对燃料电池电堆耐久性的影响。研究发现,85℃条件造成电池的性能衰减率最大(极化电压衰减率为26.2%@1600 m A cm-2),主要表现在活化和传质极化损失严重。其次是60℃条件,由于不佳的水管理造成了电堆瞬时电压波动大及部分可逆性能衰减。85℃条件还导致了电堆均一性的显著降低（电压标准偏差增大了约10.8倍）。从MEA核心材料的分析可得,85℃、60℃条件相对于70℃条件下短堆性能衰减快的主要原因归结于催化层催化剂的团聚和大量介孔结构的损失。 设计了一种恒电流耐久性运行工况（S1）,并提出另一种相对变化的工况作为缓解策略（S2）,研究了两种不同工况下的电堆性能变化规律和衰减机理。研究表明,稳态工况导致了电堆的活化极化损失增加和均一性降低,而快速变载和短暂的阴极“欠气”策略对电池性能衰减起到了一定的恢复作用。催化剂快速团聚,Pt0向高价态转移,且催化层和扩散层介孔结构的损失是导致S1电堆整体性能衰减更大的内在原因。通过高低电流的快速变化,提高了S2电堆中气体的瞬时流速和压力,可以有效缓解了催化层孔结构的堵塞和阳极“反极”问题。短暂的阴极欠气,使得阴极铂氧化物被还原以及SO42-解吸并随着产物水排出电池,恢复了部分可逆衰减性能。

关键词： 超高性能混凝土   钢筋混凝土   复合结构   耐久性能   建筑材料技术  

摘要： 随着建筑材料技术的快速发展，超高性能混凝土与钢筋混凝土复合结构的耐久性能成为研究热点。目前，这一领域的研究尚不充分，存在如材料相互作用不明确、环境适应性评估不足等问题。基于此，文章通过系统的理论分析和实验研究，探讨了两种材料的耐久性能，以期为现代建筑提供更为安全、经济的材料解决方案。

关键词： 煤矸石   骨料   水泥   外加剂   干混砂浆  

摘要： 随着全球工业化的快速发展,煤炭开采与加工过程中产生的煤矸石量日益增加,严重影响了生态环境。另一方面,传统的砂石资源日益匮乏,开采成本不断上升,同时开采过程对环境的破坏也不容忽视。因此,寻找一种可替代砂石的新型建筑材料,成为当前建筑领域亟待解决的问题。煤矸石作为一种工业废渣,其化学成分和物理性质与砂石存在一定的差异。然而,通过科学的方法和技术手段,可以将其转化为具有优良性能的建筑材料。本研究主要在现有的实验条件下,以煤矸石为骨料替换砂石,通过添加不同的添加剂制备了三种不同类型的干混砂浆。首先研究了利用煤矸石代替传统砂石做为骨料制备普通干混砌筑砂浆,通过添加少量的常见外加剂,在满足GB/T25181-2019《预拌砂浆》M10强度标准基础上,寻求煤矸石的最大利用率,并探究各影响因素对普通干混砌筑砂浆性能的影响。接着通过添加粉煤灰、硅灰以及各种外加剂增强干混砂浆的性能,进一步探究强度更高的干混砌筑砂浆,并分析其增强原理。最后在干混陶瓷砖粘结砂浆(又称瓷砖胶)传统配方基础上,利用煤矸石替代传统砂石制备干混陶瓷砖粘结砂浆,并探究各影响因素对干混陶瓷砖粘结砂浆性能的影响。对制备出的三种干混砂浆进行XRD和SEM等表征分析,考察了不同干混砂浆的性能强度,并对机理做了简要阐述。论文得出的主要结论如下:1.煤矸石以其高硬度、性能稳定及良好的保温和粘合度等特性,展现出作为干混砂浆骨料的巨大潜力。本文已成功利用煤矸石作为骨料替代传统砂石,制备出三种不同性能的干混砂浆,砂浆内部结构紧密,空隙小,有着很好的致密性,因此砂浆的性能优越。同时降低了砂浆成本,提高砂浆性能,为建筑业的可持续发展提供新的解决方案。2.当煤矸石的用量为83%,水泥用量为17%,外加剂1#用量为0.2 g/kg,加水量为194～200 m L/kg,此时普通干混砌筑砂浆的稠度达到91.5 mm和保水率达到92.11%,7 d抗压强度可达10.6 MPa,可以满足国标中GB/T 25181-2019中的M10标准规定。3.当煤矸石用量为70%,水泥用量为24%,粉煤灰用量为2%,硅灰用量为3%,膨胀剂、纤维素、早强剂、减水剂、消泡剂、引气剂用量为0.15%、0.4%、0.4%、0.8%、0.08%、0.02%,水量为160 m L/kg,此时高强度干混砌筑砂浆样品的稠度为75.1 mm、保水率达到99%,28 d抗折强度达到9.0 MPa,抗压强度达到54.2 MPa。其强度甚至超过GB∕T25181-2019《预拌砂浆》中干混砌筑砂浆的M30强度等级。4.当选用20目颗粒大小且未经过煅烧煤矸石与水泥掺量分别为掺量为70%和30%,另外再加入分别为0.25%、0.25%、0.1%、2.0%、0.1%的羟丙基甲基纤维素、甲酸钙、聚乙烯醇、胶粉特种砂浆外加剂时,干混陶瓷砖粘结砂浆样品14 d拉伸粘结强度达到了1.12 MPa,满足干混陶瓷砖粘结砂浆C2级强度标准。

关键词： 地聚物   泛碱   原料组成   碱激发剂   外加剂  

摘要： 波特兰水泥作为全世界使用最为广泛的建筑材料,其大量的生产和消耗促进了建筑行业的快速发展,然而在水泥生产过程中,大量温室气体被排放并且消耗了大量能源,为维持可持续建材发展理念,寻找可替代材料显得尤为重要。地聚物是以铝硅酸盐为原料,在强碱激发下,经过溶解、扩散、重聚合,制备出以AlO4、SiO4四面体组成的三维立体网络型聚合物,具有制作简单、碳排放低、性能优异等一系列优点,它是目前国际上最受欢迎的绿色建材之一,用其替代水泥是实现持续发展的有效途径。然而,由于地聚物自身的一些缺陷,使其在工程应用受到一定的限制,例如:强度波动大、收缩率高等,尤其是地质聚合物的泛碱问题比传统混凝土更为严重,很大程度上影响了其外观、力学性能及耐久性,限制了地聚物的广泛应用。因此,寻找合适的方法来抑制地聚物的泛碱度成为现阶段学术界的重要议题,其理论结果可以为地聚物的实际应用提供支撑。 针对上述问题,本文以矿渣、陶瓷粉为原料制备地质聚合物,针对地质聚合物泛碱问题,指定多种方案,探究其对地质聚合物泛碱程度的影响,分析多种方案对宏观性能的影响,利用微观试验揭示其对地质聚合物泛碱抑制的具体机理,得出的结论让如下: （1）矿渣、陶瓷粉原材料中分别掺入铝土矿、粉煤灰及硅灰制备地质聚合物,分析了三者掺入对地质聚合物泛碱程度、抗压强度、流动度等的影响规律,得到其最优配比,三种方案对地聚物的泛碱程度存在明显的改善作用,分别改善了27.8%、36.6%和25.3%;力学性能也存在明显的改善作用,28d抗压强度分别提升了14.3%、31.6%和20.3%。 （2）随着碱激发剂种类和用量的变化,地聚物的泛碱度、抗压强度和使用性能均发生了显著变化。与单一激发剂相比,复合激发剂制备地聚物的泛碱度等性能更优。单一激发剂中,用KOH激发剂替代NaOH激发剂制备地质聚合物的泛碱程度和力学性能都得到了改善,28d抗压强度提升了23.8%。 （3）将奈系减水剂、硅烷憎水剂分别掺入到地质聚合物材料中,分析了二者掺入对地质聚合物泛碱程度、力学性能及工作性能的影响规律,得到了减水剂以及憎水剂的最佳掺入量,二者掺入对地质聚合物的泛碱程度有明显的改善作用,分别改善了28.8%和20.6%;减水剂的掺入改善了材料的力学性能,28d抗压强度提升了19.3%。 （4）利用XRD、FTIR、SEM微观实验揭示了泛碱程度、力学性能与微观结构之间的关系,分析了泛碱程度变化的具体机理,主要是从内部孔结构的优化及碱金属离子消耗两方面来减轻泛碱程度。

关键词： 新工科背景   高校   土木工程材料   实验教学   改革   四真三化  

摘要： 新工科建设是高校教育改革的重点方向，而土木工程材料实验教学改革也是实现新工科建设目标的重要途径。在土木工程材料实验教学改革过程中，应遵循新工科建设的理念和要求，将学科交叉融合、产教融合作为实验教学改革的主要方向，推动学科、产业和人才之间的协同发展。本文首先阐述了新工科建设对人才培养的要求，然后分析了现阶段土木工程材料实验教学改革的必要性和存在的问题，最后提出了土木工程材料实验教学改革策略。

摘要： 自密实纤维轻骨料混凝土的耐用程度与抗渗、抗冻、抗氯离子渗透等多项性能有关，本文按照水泥、粉煤灰、砂、轻骨料、水、外加剂（减水剂）质量比为384.5:187.6:765.7:436.8:183.1:8.5的配合比，制作了自密实轻骨料混凝土。根据混凝土的体积，分别掺入0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%的纤维，得到5种不同纤维掺量的自密实纤维轻骨料混凝土。在此基础上制作试件，分别进行了抗渗性能试验、抗冻融性能试验和氯离子渗透性能试验。结果表明，当纤维掺量在0.10%时，混凝土耐久性最佳。