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胶凝材料

胶凝材料作为建筑材料的核心组成部分,其性能与功能直接决定了建筑结构的耐久性、安全性及环境友好性。从传统的硅酸盐水泥到新型的绿色胶凝体系,胶凝材料的研究始终与人类对高效、可持续建筑解决方案的追求紧密相连。在全球碳中和目标与城市化进程加速的双重驱动下,胶凝材料领域正经历着深刻的变革与创新。

当前,胶凝材料的研究热点集中于三大方向:一是低碳化与资源化利用。通过工业废弃物(如粉煤灰、矿渣)的活化技术、低碳水泥配方设计以及地聚物胶凝材料的研发,行业正逐步减少对传统高能耗原料的依赖,降低生产过程中的碳排放。二是功能化与智能化。自修复胶凝材料、高延性水泥基复合材料以及适用于3D打印的流变可控胶凝体系,为复杂工程结构与极端环境应用提供了新可能。三是复合化与纳米化。纤维增强、纳米颗粒改性等技术显著提升了胶凝材料的力学性能、耐久性及抗渗性,推动了其在海洋工程、核设施防护等高端领域的应用。

本专题期刊旨在汇聚胶凝材料领域的最新研究成果,涵盖从基础理论到工程应用的全方位创新。通过深入探讨低碳胶凝体系的反应机理、功能化设计的分子调控策略以及复合材料的界面强化技术,我们期望为学术界与产业界搭建桥梁,推动胶凝材料向绿色、智能、高性能方向迈进,助力全球建筑行业的可持续发展。

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  • 研究·开发
    李正虎, 刘云, 敖进清, 李光照, 杨新志, 和振海, 李严, 李昱
    功能材料. 2025, 56(4): 4111-4119. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2025.04.014
    掺合料的颗粒分布与表面特性对喷射混凝土的早期强度提升和回弹率降低至关重要。以硅灰(SF)和矿渣微粉(GGBFS)为原料,制备了纳米硅灰包覆矿渣复合微粉,系统探讨了其对水泥浆体结构、流变性和力学性能的影响,并在工程中应用。结果表明,当SF的含量为50%时,矿渣复合微粉展现出优异的综合性能。相较于单掺SF,掺入矿渣复合微粉的水泥浆体初始屈服应力提高32%,塑性粘度降低9.8%。矿渣复合微粉掺量为8%时,喷射混凝土1 d强度从未掺时的10.9提高到16.4 MPa,回弹率从26.1%降至7.3%。研究结果对推动新型微纳米复合材料作为掺合料在混凝土中的低成本、规模化应用有重要意义。同时也为在“双碳”背景下工业固废的综合利用提供了有效途径。
  • 综述·进展
    赵铁军, 张婷婷, 万海涛, 李智辉, 田青, 田林杰
    功能材料. 2025, 56(3): 3067-3078. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2025.03.009
    随着科技的发展,大量电子设备的应用使电磁辐射风险骤增,对信息安全、军事安全、生态安全带来威胁。建筑吸波材料能够有效降低电磁辐射危害,对生态文明可持续发展具有重要意义。以水泥基吸波材料为例,从吸波剂对电磁波的损耗机理(电阻型、电介质型、磁损耗型)及水泥基体结构(层状、周期、多孔)方面归纳总结了水泥基吸波材料的发展现状与研究中存在的不足,并对该类材料未来的发展方向进行了展望,为研发理想吸波器提供参考。
  • 热点·关注
    乔宏霞, 栾帅, 杨天霞, 刘昊信
    功能材料. 2025, 56(2): 2001-2009. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2025.02.001
    磷酸镁水泥(MPC)因其高性能和良好的耐腐蚀性被应用于盐渍土地区,但由于其脆性高,在工程长期使用过程中会出现大量的微裂缝,从而影响MPC结构的耐久性和使用寿命。玄武岩纤维(BF)作为新型纤维被添加到MPC中,以进一步提高MPC在盐碱土地区的应用效果和耐久性能。因此,通过掺加不同体积掺量的BFRMPC在复合盐溶液(5%Na2SO4+3.5%NaCl)中进行冻融加速试验,借助XRD、SEM-EDS能谱分析、低场核磁共振技术(NMR)微细观孔隙结构来揭示BFRMPC的腐蚀劣化机理。试验结果表明:在复合盐冻融耦合环境下,BF的掺入可以显著加强MPC的耐腐蚀性能,而掺入0.09%体积掺量的BF使得MPC强度提升最为明显且腐蚀程度最低,同时BF的添加减弱了水泥侵蚀后孔隙的劣化,较普通MPC凝胶孔占比增大了5.74%,大孔占比降低了26.38%。
  • 综述·进展
    陶春艳, 杨志全, 张聪, 朱红霖
    功能材料. 2024, 55(8): 8034-8042. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.006
    橡胶颗粒具有良好的吸能变形能力,将橡胶颗粒掺入水泥基中可以有效提高材料的韧性,同时能够增强水泥基的抗冻性、抗开裂、抗冲击等性能。但由于橡胶颗粒是一种憎水物质,导致橡胶与水泥浆液的界面粘结力较弱,水泥基材料的强度有所下降,因此对橡胶水泥基材料进行化学与物理改性研究。结果表明,改性橡胶通过两种方式来增强水泥基材料的性能:其一,改性剂通过溶解橡胶颗粒表面的杂质和在其表面形成一层薄膜来提高橡胶的亲水性;其二,改性剂与水化产物发生反应,形成有效的化学交联,使橡胶颗粒与水泥浆液形成紧密连接。同时研究发现,橡胶颗粒与纤维聚合物对水泥基材料的增强增韧有协同作用。
  • 综述·进展
    刘爽, 赵立革, 李雨洋, 韩康, 刘艳军, 李润丰, 赵宇翔, 郑永超
    功能材料. 2024, 55(6): 6069-6078. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.06.009
    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。
  • 工艺·技术
    沈才华, 曾志康, 赵嘉俊, 洪晶晶
    功能材料. 2024, 55(4): 4201-4208. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.025
    煅烧高岭土能有效改善环氧树脂水泥基材料的力学性能,实验表明:煅烧高岭土可大大提高环氧树脂水泥基材料的3 d早期抗折、抗压强度,当高岭土掺量为30%时,改性环氧树脂水泥基材料的抗折及抗压强度分别提高了134.28%、106.25%;当高岭土掺量小于30%时,改性环氧树脂水泥基材料具有二次抗折强度,且抗折强度残余率大于50%。根据不同高岭土掺量对改性环氧树脂水泥基材料抗压强度、抗折强度、二次抗折强度的影响规律,提出了适用于不同结构工程受力特点的多强度组合指标配比优化法,获得了考虑二次抗拉强度影响的不同最大拉应力和最大压应力组合条件下最优的高岭土配比,为实际不同结构体不同部位不同受力特征的高岭土改性环氧树脂水泥基材料制备提供了理论依据。
  • 热点·关注
    王月, 赵思毅, 俞佩瑶
    功能材料. 2024, 55(3): 3023-3034. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.004
    氧化石墨烯(GO)因其出色的性能在改善水泥基材料微观结构、力学性能上均有很好的应用前景。然而,GO的增强效果很大程度上取决于其在水泥基体中的分散性。总结了近年来GO在水泥基材料中的研究成果,重点综述了GO的分散方式、分散机理以及相应的力学性能改善机理;对比了不同GO分散方式的优缺点,分析了GO分散前后对水泥基材料微观结构和力学性能的影响;提出了目前研究存在的问题,并对未来研究趋势进行展望;旨在为后续GO在水泥基材料中的稳定应用提供参考,以促进制备高效功能化的GO水泥基复合增强材料。
  • 综述·进展
    韩雷莹, 王学志, 辛明, 王思月, 贺晶晶
    功能材料. 2024, 55(3): 3073-3082. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.009
    氧化石墨烯(GO)作为石墨烯(G)的衍生物有着与石墨烯相类似的力学性能和导热性能等优异性能,并且其亲水性官能团使其相比于石墨烯来说更容易在水中分散从而更容易与水泥基相结合。大量研究已表明GO掺入水泥基中不但可以增强水泥基的力学性能和耐久性能还可以增强水泥基的电磁屏蔽性能、导热性能等性能,为多功能型、智能型混凝土的开发提供了可能。以GO复掺其他功能纤维材料在水泥基中的应用为中心,简述了GO的性能特点、结构特质从而表明GO在水泥基材料中应用的广度和范围,并重点综述了GO的分散性研究和GO复掺纤维水泥基的工作性能、水化过程、力学性能、耐久性能、功能性能的研究,并对未来GO复掺纤维水泥基材料研究的方向进行了展望。
  • 工艺·技术
    余梦龙, 李进, 谢剑凯, 王永辉, 赵成, 李祥坤
    功能材料. 2024, 55(3): 3165-3169. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.021
    为加速铜选矿废水(CMw)的资源化利用,采用CMw作为拌合水制备碱激发粉煤灰/矿渣(AAFS)胶凝材料,研究了不同CMw掺量对AAFS凝结时间、水化特性、水化产物、孔结构和抗压强度的影响。结果表明:在AAFS中掺入CMw会略微延长其凝结过程,但略微促进AAFS的水化过程,这与CMw的酸性、有机药剂残留和金属离子有关。通过掺入不同量CMw,AAFS的凝胶孔不断增加,而过渡孔体积逐渐减小,抗压强度呈现出先增大后略微降低的趋势。当CMw掺量为50%时,AAFS的抗压强度提升幅度最大,分别为12.23%(3 d)、21.07%(7 d)、16.74%(28 d)。研究结果可为铜选矿废水的资源化利用提供新的思路和参考。
  • 综述·进展
    夏慧芸, 吕昕, 张耿通, 杨国龙, 宋莉芳, 牛艳辉
    功能材料. 2024, 55(2): 2082-2090. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.02.010
    无机/有机复合吸水材料具有一定的亲水基团和三维网络结构,吸水性、保水性和释水性优异,是水泥基材料重要的内养护剂之一。通过在水泥基材料中引入无机/有机复合吸水材料,利用其吸-释水特性可自动调节水泥基材料内部相对湿度,促进水化反应,减少水泥基材料自收缩和早期开裂等现象,提高力学性能和耐久性。概述了无机/有机复合内养护剂(CICA)的制备方法、结构特征以及吸-释水行为;综述了CICA对水泥基材料水化进程、微观结构、宏观性能和耐久性的影响;展望了CICA在混凝土应用的发展前景,为CICA在水泥基内养护中的应用提供一定理论指导和技术参考。
  • 研究·开发
    杜婷, 帅小根, 石雯, 陈前, 李晨宇
    功能材料. 2024, 55(2): 2142-2147. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.02.016
    以粉煤灰和矿渣掺入方式和掺量为变量,设计24组C30再生粗骨料混凝土,对再生混凝土的抗压强度进行了研究。试验结果表明,粉煤灰或矿渣单掺时,再生混凝土的抗压强度随矿物掺料的掺量增加呈现先上升后下降趋势,同等掺量下矿渣单掺优于粉煤灰单掺;双掺时保持粉煤灰或矿渣掺量20%不变,再生混凝土立方体和轴心抗压强度随另一种微细矿物掺量的增加同样呈现先上升后下降趋势,双掺较单掺方式对再生混凝土抗压强度的提升效果更佳,且再生混凝土的抗压强度存在明显的尺寸效应。单掺粉煤灰或矿渣时再生混凝土轴心抗压强度和立方体抗压强度换算系数随其掺量增加而增大,双掺则稳定保持在0.85±0.02。此外,论文还建立了不同微细矿物掺料条件下再生混凝土抗压强度换算系数的修正公式,验证结果表明公式预测误差较小。建议实际工程再生混凝土配制采用粉煤灰和矿渣双掺方式,且掺量控制在25%以内。
  • 热点·关注(2023年度重庆市出版专项资金资助项目)
    田耀刚, 鲁涛, 赵成, 蒋静, 纪括, 王振军
    功能材料. 2024, 55(1): 1031-1037. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.005
    为改善机场道面修补砂浆脆性大和粘结性能差等问题,本文利用水性环氧树脂(WER)、聚丙烯(PP)纤维和硫铝酸盐水泥(SAC)制备出一种快速修补砂浆,并对其工作性能、力学性能、阻尼性能和耐硫酸盐腐蚀性能进行研究。结果表明,PP纤维和WER可显著提高快速修补砂浆韧性和粘结性能,使得快速修补砂浆2 h抗压、抗折强度和粘结强度分别达到22.3,5.1和3.7 MPa,满足民用机场规范要求,同时可改善快速修补砂浆的阻尼性能和抗硫酸盐侵蚀性能。
  • 工艺·技术
    张建俊, 王宝强, 蔡冀奇, 姜英杰, 冉佳莹
    功能材料. 2023, 54(12): 154-162. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.021
    为研究适用于高浓度废弃尾矿砂浆充填体的胶凝材料,通过扩展度等试验检测不同粉煤灰掺量下砂浆流变特性,并分析试验方法的适用性;通过检测砂浆微观性质探究粉煤灰基胶凝材料作用机理。结果表明:扩展度与L管模型试验的相关性为0.985,说明扩展度可作为L管的预试验,协同表征砂浆流变性能;掺入10%粉煤灰的砂浆屈服应力降低了13.06%~24.74%,3 d强度提升了40%,7 d强度提升了9.9%,使固废综效得以充分发挥;随粉煤灰含量逐渐增加,浆液离子浓度逐渐降低,导致胶凝颗粒间斥力增加,颗粒更为分散;同时10%掺量粉煤灰的浆液3 d水化放热累计量261.696 J/g,提升了2.9%,孔隙率15.15%降低了4.02%,即粉煤灰的“滚珠”特性一定程度上改善了流动性并提升了硬化体强度。
  • 研究·开发
    龚皓
    功能材料. 2023, 54(11): 11192-11197. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.11.025
    以P.O 42.5硫铝酸盐水泥为基体材料,通过将不同掺杂量的S105矿渣添加到混凝土中制备了硫铝酸盐高性能水泥混凝土。研究了S105矿渣的掺杂量对混凝土晶格结构、微观形貌、力学性能、抗冻性能和氯离子扩散性能的影响。结果表明,适量S105矿渣的添加加速了混凝土的水化反应,增大了水化凝胶的均匀性和致密度,减少了孔洞和裂纹的出现。随着S105矿渣掺杂量的增大,混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度均表现出先增大后降低的趋势,养护28 d时,S105矿渣掺杂量30%(质量分数)的混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度均达到最大值,分别为47.4,10.4和2.59 MPa。S105矿渣的添加减小了混凝土的氯离子扩散系数,养护28 d时,S105矿渣掺杂量60%(质量分数)的混凝土的氯离子扩散系数最小为1.35×10-8 cm2/s。S105矿渣的添加提高了混凝土的抗冻性能,经过冻融循环90次后,S105矿渣掺杂量30%(质量分数)的混凝土的抗压强度最大为35.1 MPa,抗压强度衰减最少为25.95%。
  • 研究·开发
    李悦, 郑星远, 林辉
    功能材料. 2023, 54(10): 10125-10130. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.10.016
    采用氢氧化钙(Ca(OH)2)对硅酸镁基胶凝材料中的原材料MgO进行了不同质量比例的替代,对其流动度、凝结时间和抗压强度进行了测试,并结合X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM-EDS)、热重分析(TG-DTG)和压汞测试(MIP)分析了影响机理。结果表明, Ca(OH)2能够显著增大硅酸镁基胶凝材料的流动度与抗压强度,缩短其凝结时间。XRD、SEM-EDS、TG、MIP测试结果说明了抗压强度提升的原因:Ca(OH)2与硅灰反应生成了C-S-H凝胶,并且促进了MgO的水化,提高硅酸镁基胶凝材料的水化程度,使其孔隙率显著降低。
  • 工艺·技术
    杨志全, 朱红霖
    功能材料. 2023, 54(8): 8217-8227. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.08.027
    碳纳米管是一种性能优越的新型材料,将其掺入水泥基材料中可改善材料的微观结构及耐久性能。综述了碳纳米管的成核、填充和桥联等作用特性对水泥基材料微观结构及抗碳化性能影响的研究进展,讨论了碳纳米管的掺量、分散方法和长径比对水泥基材料碳化反应的影响机理。分析表明碳纳米管以成核作用促进水泥水化,使水化产物Ca(OH)2增多,基体碱性增强而使碳化变慢,并结合填充作用和桥联作用优化材料孔隙结构和界面过渡区密实度,抑制微裂缝形成,阻止CO2渗入,从而优化水泥基材料微观结构,增强其抗碳化性能。最后,分析了目前研究存在的问题,并对其研究前景进行展望。
  • 热点·关注 (2022年度重庆市出版专项资金资助项目)
    乔宏霞, 曹锋, 赵紫岩, 文晨
    功能材料. 2023, 54(5): 5001-5007. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.05.001
    一定条件下煅烧及研磨处理制备的青稞秸秆灰(HBSA),是一种生物质硅源活性掺合料,对氯氧镁水泥(MOC)的力学性能会产生影响。为了研究HBSA掺入MOC中对其力学性能的影响规律,将不同HBSA掺量的MOC砂浆试件分别在干燥及饱水状态下进行抗折、抗压强度试验,采用强度损失率和软化系数来表征MOC在饱水状态下的力学性能损伤程度,并通过低场核磁共振技术和气体吸附法对MOC砂浆试样的孔隙结构进行测试与表征。研究结果表明,掺入5%HBSA的MOC在干燥及饱水状态下的抗折、抗压强度最大,掺入10%HBSA的MOC在饱水状态下的强度损失率最低、软化系数最高。当HBSA掺量为10%时,MOC的孔隙结构中有害孔和多害孔的比例显著减少、最可几孔径减小,优化了MOC的孔隙结构,增强了饱水状态下的力学性能。
  • 工艺·技术
    陈辉, 陈芳芳
    功能材料. 2023, 54(5): 5198-5203. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.05.026
    为改善粉煤灰混凝土水化活性偏低和强度不足等问题,通过在粉煤灰混凝土中添加石墨烯,制备了具有优异力学性能和耐久性能的石墨烯增韧粉煤灰混凝土。分析了石墨烯掺杂量对粉煤灰混凝土力学性能、水化反应和耐磨性能的影响。结果表明,石墨烯的添加加速了水化反应的进行,缩短了水化诱导期的时间,增大了诱导期水化热释放速率,使得水化放热速率达到峰值的时间减小,混凝土中水化产物的量增多,混凝土的结构致密性提高。随着石墨烯掺杂量的增加,混凝土的抗压强度、抗折强度和挠度值先增大后降低,0.05%(质量分数)石墨烯掺杂量的混凝土的抗压强度和抗折强度均达到最大值,分别为44.32 和5.96 MPa,较纯混凝土分别提高了12.89%和10.78%;0.05%(质量分数)石墨烯掺杂量的混凝土的挠度值最大为7.1 mm,抗变形能力提高;随着石墨烯掺杂量的增加,混凝土的单位面积磨损量先减小后轻微增大,0.05%(质量分数)石墨烯掺杂量的混凝土的磨损量最小为1.13 kg/m2,耐磨性能最优。
  • 热点·关注(2022年度重庆市出版专项资金资助项目)
    王信刚, 张轩哲, 邹府兵, 朱街禄
    功能材料. 2023, 54(2): 2001-2005. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.02.001
    以水泥基混杂微胶囊为研究对象,采用环扫电镜(ESEM)、激光粒度分布仪(LA)、激光共聚焦显微镜(LSM)分别表征其微观形貌、颗粒特性和修复特征,采用强度恢复率、孔结构分析水泥基混杂微胶囊的二次修复能力。结果表明:缓释微胶囊囊壁孔洞分布均匀,具有缓慢释放和多次释放特点;普通微胶囊表面粗糙易破裂,具有快速释放和破裂释放特点。水泥基混杂微胶囊一次强度恢复率相比单掺缓释微胶囊提升28.72%,二次强度恢复率相比单掺普通微胶囊提升252.34%。水泥基混杂微胶囊具备快速修复能力且可以实现二次修复,二次修复主要是缓释微胶囊发挥作用。
  • 工艺·技术
    张洁林, 梅军鹏, 李海南, 李雨浓, 董崇, 王智鑫
    功能材料. 2023, 54(2): 2197-2203. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.02.026
    以粉煤灰、矿粉、偏高岭土为主要原料制备二元体系复合碱激发胶凝材料,将不同配比的复合碱激发胶凝材料以不同浸泡方式在5% (NH4)2SO4溶液中侵蚀120 d,并通过测定力学性能来优化制备方案,接着利用扫描电镜(SEM)分析不同体系的侵蚀破坏机理。结果表明:粉煤灰-矿粉基(FA-SP)最佳配比为2∶3,且在半浸泡下强度损失严重,出现大量裂缝和盐结晶。偏高岭土-矿粉基(MK-SP)最佳配比为1∶1,结构稳定,半浸泡组与全浸泡组外观形貌没有明显差异,具有良好的抗硫酸盐侵蚀性能,受NH+4侵蚀作用小。
  • 研究·开发
    张毅, 吴立山, 余志辉, 张聪
    功能材料. 2022, 53(12): 12110-12115. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.12.014
    碳酸钙晶须可以有效改善水泥基复合材料在常温下的压缩性能,但是高温作用后碳酸钙晶须对材料压缩性能的影响尚不清楚。研究了不同体积掺量(0%、0.5%、1%、2%)的碳酸钙晶须增强水泥基复合材料分别在常温以及200,400,600 和800 ℃高温作用后的压缩性能。试验结果表明,常温下随着晶须掺量的提高,试件的抗压强度和压缩韧性呈先上升后下降的趋势,其中掺入1%碳酸钙晶须的材料压缩性能最好。200 ℃条件下材料的抗压强度和压缩韧性较常温均有明显提高,而当目标温度超过200 ℃后,高温对材料的压缩性能劣化作用明显,其抗压强度和压缩韧性持续衰减,800 ℃作用后各组的压缩性能已没有明显差距,但在每个目标温度作用下,碳酸钙晶须均可以提高高温作用后的抗压强度值和压缩韧性值,说明碳酸钙晶须的掺入对提高材料在高温作用后的压缩性能有积极作用。
  • 综述·进展
    吕忠, 刘子言, 宋羿昊, 项腾飞, 郭明磊, 陈德鹏
    功能材料. 2022, 53(10): 10062-10070. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.009
    混凝土材料在荷载和环境作用下容易发生开裂,影响结构的耐久性以及强度。受胶囊法自修复体系的启发,以多孔轻骨料为载体,研究人员提出内置封装修复剂材料的轻骨料自修复体系。评述了近年来国内外有关轻骨料自修复水泥基材料的发展状况,阐述无机多孔轻骨料的破裂方式以及修复剂释放机理,对比分析内置修复剂轻骨料水泥基材料裂缝愈合前后的基体力学性能和耐久性能,以及裂纹愈合程度和愈合效率的评价方法,总结了轻骨料自修复水泥基材料裂缝修复研究所存在的主要问题,展望了其研究趋势和发展前景。
  • 工艺·技术
    王晋浩, 郑传磊, 金宝宏, 赵亚娣, 李淑翔, 李新正, 杨保明, 候玉飞
    功能材料. 2022, 53(9): 9209-9218. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.030
    基于正交试验对比16组C30纤维自密实再生混凝土,研究聚乙烯醇纤维(PVA)、钢渣石、粉煤灰和包浆再生骨料对纤维自密实再生混凝土力学性能的影响。结果表明:粉煤灰对抗压强度、劈拉强度和弯折强度影响都显著,最大分别提升了34.4%、21.6%和16.9%;PVA对劈拉强度有一定影响,最高提升了9.1%;钢渣石和包浆再生骨料对3种强度都不显著,钢渣石对劈拉和弯折强度显著性高于包浆再生骨料,对于抗压强度则反之;采用功效系数法对4种因素进行综合评分,得到最优配合比为:1%(体积分数)的PVA,10%(质量分数)的钢渣石,30%的粉煤灰和50%的包浆再生骨料;引入其他学者的研究结果,对力学试验数据进行非线性回归分析,验证新换算关系式相关性良好。对包浆工艺的工业化生产提出建议。
  • 研究·开发
    畅祥祥, 刘松辉, 张程, 房晶瑞, 刘姚君, 赵松海, 管学茂
    功能材料. 2022, 53(4): 4142-4149. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.04.019
    为了降低生产高性能预制建材制品过程中二氧化碳的排放,用工业原料石灰石和砂岩在1 275 ℃煅烧制备了一种低钙固碳胶凝材料,研究了胶砂比(1∶0、1∶1、1∶2、1∶3)对低钙固碳胶凝材料碳化程度及砂浆早期碳化硬化性能的影响规律,并通过XRD、TG-DTA、FT-IR、SEM、纳米压痕、压汞仪等研究了碳化低钙固碳胶凝材料浆体与硅质河砂骨料的界面矿物组成、孔隙率及微观力学性能演变规律。结果表明,随着胶砂比的降低,固碳胶凝材料的碳化程度显著提高;而胶砂比为1∶1时砂浆的抗压强度最高,碳化养护24 h抗压强度达到46.9 MPa;继续降低胶砂比,砂浆的碳化硬化性能下降,可能与碳酸钙晶体在界面过渡区的富集有关。
  • 研究·开发
    吴晨洁, 王德志, 马志鹏
    功能材料. 2022, 53(4): 4193-4198. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.04.027
    为研究超细粉煤灰和再生细骨料对超高性能混凝土(UHPC)性能的影响,通过工作性能、轴心抗压、轴心抗拉和电镜扫描试验研究了超细粉煤灰和再生细骨料对UHPC抗压强度、抗拉强度和微观结构的影响规律,并建立了基于超细粉煤灰和再生细骨料影响的UHPC强度预测模型。结果表明:增加超细粉煤灰掺量,UHPC扩展度增加流动性较好,掺量不超过10%可改善UHPC抗压强度,达到115.36 MPa,超过后抗压强度有所降低,抗拉强度呈现上升趋势;再生细骨料掺量增加UHPC工作性能变差,但抗压强度及抗拉强度逐渐升高;电镜扫描试验发现粉煤灰消耗Ca(OH)2产生更多C-H-S凝胶使得结构内部更加密集。基于改进的可压缩堆积理论模型,建立了超细粉煤灰改性再生细骨料UHPC强度预测模型。
  • 热点·关注 (2020年度重庆市出版专项资金资助项目)
    贾兴文, 连磊, 涂俊, 田昊, 侯铁军, 王平
    功能材料. 2021, 52(12): 12030-12035. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.12.005
    重要基础设施的冬季抢修和维护需要使用在严寒和无养护条件下可快速凝结硬化的高早强修复材料。磷酸镁水泥(MPC)常用于制备快速修复材料,但是严寒环境下,其早期力学性能显著降低。采用高活性氧化镁晶须作为增强材料,研究了(-20±2)℃环境下氧化镁晶须对MPC凝结硬化特征、早期强度和水化产物的影响。结果表明,(-20±2)℃环境下,氧化镁晶须快速水化,显著提高MPC浆体初始温度,氧化镁晶须掺量为1%~3%时,MPC水化温升峰值可达60~70 ℃,2 h抗压强度和抗折强度达到25.4和6.6 MPa。氧化镁晶须快速水化释放热量,保证MPC的酸碱反应顺利进行,同时生成的鸟粪石作为晶种产生诱导结晶作用,促进MPC早期水化和鸟粪石晶体生长,使MPC在严寒环境下依然具有较高的早期强度。
  • 综述·进展
    张程, 刘松辉, 畅祥祥, 赵松海, 房晶瑞, 管学茂
    功能材料. 2021, 52(12): 12036-12042. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.12.006
    低钙胶凝材料体系作为一种新型体系,可与二氧化碳反应生成稳定的碳酸钙和高聚合度的二氧化硅凝胶,符合目前水泥行业要求减少碳排放的政策方针。为了更好的了解低钙胶凝材料体系,综述了低钙胶凝材料的碳化反应过程、分析了不同因素对该体系固碳能力的影响,以及碳化硬化体的相关性能,并对后续低钙胶凝材料的发展提出了展望。
  • 工艺·技术
    梅军鹏, 徐智东, 李海南, 马保国, 王智鑫, 姜天华
    功能材料. 2021, 52(12): 12184-12189. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.12.028
    研究了纳米二氧化钛(Nano-TiO2,NT)/苯丙乳液(Styrene-acrylic emulsion, SAE)复合对水泥基材料强度和抗渗性的影响,并通过它们对硬化水泥石水化特性及微观结构的影响分析了其作用机理。结果表明,SAE-NT复掺可显著改善单掺SAE引起的早期强度降低及对水化的延迟作用,降低水泥基材料的总孔容、有害孔和多害孔,细化孔结构,提高水泥熟料的水化程度及C-S-H凝胶的聚合度,从而提高水泥基材料的强度和抗渗性。研究成果对纳米粒子/聚合物在水泥基材料中的复合应用具有一定的指导意义。
  • 工艺·技术
    郝肖雨, 田耀刚, 赵成, 黄显龙, 纪括, 齐琳, 贾侃
    功能材料. 2021, 52(12): 12210-12215. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.12.032
    针对目前沥青路面坑槽修复材料在雨季难以修复或修复后稳定性、耐久性差等问题,利用水性环氧树脂、乳化沥青和水泥基胶凝材料三者进行复合,制备一种具有高早强、稳定性优良的水性环氧树脂-乳化沥青-水泥(EAC)快速修复材料,研究不同水性环氧树脂掺量对其力学性能和路用性能的影响,并采用XRD、SEM和IR分析其微观特性。结果表明,水性环氧树脂的掺入使EAC快速修复材料2 h强度略有降低,但可显著增加其后期强度,且在一定范围内增大其掺量可提高修复材料的高低温性能和水稳定性。微观测试结果显示,水性环氧树脂可延缓胶凝材料的水化进程,延迟CH的结晶;适量的水性环氧树脂可提高EAC快速修复材料的致密性。
  • 研究·开发
    赵启亮, 李辉, 刘文欢, 赵忠忠
    功能材料. 2021, 52(6): 6145-6151. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.021
    铅锌冶炼渣经高温熔融,水淬急冷会形成玻璃形态物料,在碱性条件下具有一定的活性,可用于生产建材掺合料和胶凝材料。以铅锌渣为主原料,添加少量水氯镁石、钙基固废和水泥作为激发剂,成功制备了铅锌渣生态胶凝材料。通过电子万能试验机、X射线衍射仪(XRD)分析了胶凝材料的力学性能和水化产物特征;通过正交试验的方法研究了胶凝材料力学性能的变化;并通过扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、压汞仪(MIP)等方法分析了胶凝材料水化产物的微观形貌及结构特征。结果表明,当水氯镁石掺量为3%(质量分数),固废总掺量为70%(质量分数),水灰比为0.4,钙基固废掺量为16%(质量分数)时,制备出的铅锌渣生态胶凝材料性能最优,其28 d抗压强度达到9.73 MPa,且水灰比为影响抗压强度的第一因素;XRD分析表明,胶凝材料发生了聚合反应,生成了-Si-O-Si-的结构;SEM分析表明,胶凝材料水化产物微观下呈现蜂窝状结构,这种结构激发了其潜在水化活性,提升了材料的力学性能;FT-IR分析表明,Si-O键逐渐聚合为Si-O-Si键,C-S-H中硅氧四面体聚合度增加;MIP分析表明,胶凝材料的孔径较小,硬化体结构密实,强度较大。
  • 研究·开发
    张跃宏, 刘松辉, 王上, 周蓉, 张海波
    功能材料. 2021, 52(5): 5091-5096. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.05.013
    利用煤气化炉渣(CGS)替代天然砂(NS)骨料制备了煤气化炉渣水泥砂浆(CGSM),研究了CGSM物理力学性能及微观结构发展规律,结合扫描电子显微镜和能谱仪、压汞仪分析了水泥砂浆中CGS骨料与水泥浆体的界面反应机理。结果表明,CGSM在28 d之前强度低于天然砂水泥砂浆(NSM),在28 d之后强度持续增长并超过NSM;CGS骨料在水泥浆液的激发作用下反应生成额外的钙矾石和C-S-H凝胶,降低了水泥砂浆的孔隙率,增强了CGS骨料与水泥浆体的粘结性能,是CGSM后期强度持续增长的主要原因。
  • 热点·关注 (2019年度重庆市出版专项资金资助项目)
    魏晓斌, 李东庆, 明锋
    功能材料. 2020, 51(12): 12024-12035. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2020.12.005
    地聚合物是一种新型绿色胶凝材料,在力学性能和耐久性方面具有诸多优良的性能,同时也存在一些缺点。利用纳米材料的尺寸优势,对地聚合物进行改性是克服其缺点的一条可行途径。系统阐述了纳米材料掺入地聚合物对其拌合物和易性、力学性能和耐久性所产生影响,总结分析了影响机理,探讨了目前纳米改性地聚合物所存在的问题。综合分析后认为,未来的改性研究在进一步揭示影响机理的基础上,重点考虑纳米材料与其他组分的相容性、协同性;精准设计开发出适用于地聚合物反应体系的纳米核壳粒子;定量化、多指标化评价纳米颗粒在水溶液与胶体环境中的分散性。提升纳米改性效能,为未来纳米改性地聚合物研究提供参考。
  • 研究·开发
    吕擎峰, 陈臆, 赵彦旭, 单小康, 谷留杨
    功能材料. 2020, 51(12): 12135-12141. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2020.12.020
    利用X射线衍射试验(XRD)、傅里叶变换红外光分析(FTIR)、扫描电镜(SEM)、压汞试验(MIP)和核磁共振(NMR)等试验研究碱激发地聚物中氯离子对硫酸根离子的影响机理。试验表明:硫酸钠掺量一定时,随着氯化钠掺量的增加地聚物28 d无侧限抗压强度不断下降。氯离子会抑制粉煤灰基地聚物中钙矾石(AFt)的生成,氯化钠溶液混入净浆迅速生成Friedel盐(FS)。随着氯化钠的不断增加,微裂隙增多,孔隙直径增大,孔隙体积增大。核磁共振图谱中强峰逐渐向右移动,粉煤灰玻璃体硅氧多面体网络结构部分低聚硅氧四面体结构基团Q0没有提高反而降低,高聚硅氧四面体结构基团Q4不降低反而提高。粉煤灰基地聚物中氯离子对硫酸根离子有一定的抑制作用。
  • 研究·开发
    张翼, 张庭瑜
    功能材料. 2020, 51(10): 10089-10093. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2020.10.013
    按照一定配合比,制备了多层石墨烯/水泥复合材料,通过SEM和XPS分析了多层石墨烯的形貌与结构,通过抗压/抗弯强度测试研究了多层石墨烯添加量对复合材料力学性能的影响,通过导电性能测试及压敏性能测试探讨了添加多层石墨烯对复合材料电阻及压敏性能的影响,并分析了水化时间对复合材料电阻性能的影响。结果表明,多层石墨烯的微观结构呈多层堆叠分布,多层石墨烯中C和O原子比为4.5左右;添加适量的多层石墨烯可以显著改善复合材料的力学性能,添加多层石墨烯可使复合材料的抗压强度和抗弯强度最大提高30.1%和11.6%;随着水泥水化时间的增加,复合材料的电阻均呈上升趋势;但随着多层石墨烯含量的增加,复合材料的电阻均呈下降趋势,当多层石墨烯的含量<1.2%(质量分数)时,多层石墨烯的含量对复合材料的电阻的影响不大;当多层石墨烯的含量从1.2%(质量分数)增加到1.6%(质量分数)时,复合材料的电阻显著降低;在水泥中加入多层石墨烯后,会增大复合材料的电阻变化程度(R-R0)/R0,使其具有压敏性能,当多层石墨烯的添加量为1.6%(质量分数)时,复合材料压敏性能最优。
  • 研究·开发
    钱锋, 刘宪昌
    功能材料. 2020, 51(10): 10152-10156. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2020.10.023
    采用球磨法,以多层石墨烯纳米片(GNP)为增强相,制备了不同GNP含量的石墨烯纳米片水泥基复合材料(GNP/CBC)。采用场发射扫描电子显微镜和X射线衍射仪对复合材料的微观结构进行表征,运用四探针电导率仪和差示扫描量热仪、傅里叶红外光谱仪、霍尔效应测试仪等对复合材料的热电性能进行研究。结果表明,石墨烯增强的水泥基复合材料的电导率随GNP含量的增加而增加,在70 ℃ 、GNP含量为20%(质量分数)时,复合材料的电导率最高为16.2 S/cm,功率因数最大值为1.6 μW/(m·K2);复合材料的塞贝克系数随温度的升高而增加,在70 ℃、GNP含量为15%(质量分数)时,复合材料的塞贝克系数最大为34 μV/K,霍尔系数最大为+0.842 cm2/C,同时品质因数最高可达1.44×10-3。GNP/CBC可潜在地应用于建筑物的室内气候改善和城市热岛(UHI)效应缓解。
  • 研究·开发
    李维红, 常西栋, 王乾, 陈宇红
    功能材料. 2020, 51(5): 5148-5153. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2020.05.024
    分别以快硬硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥作为基本胶凝材料,辅以减水剂、促凝剂、体积稳定剂等,制备了2个系列的速凝3D打印水泥基材料,以期实现快速打印。实验结果表明,制备的速凝3D打印水泥基材料能够将凝结时间控制在5~20 min;打印试件建造性能良好,整体变形量<5%,最底层变形量<10%;具有较高的早期和后期强度,模拟打印试样强度损失率不超过15%,满足建筑3D打印材料对于工作性能和力学性能的要求。
  • 研究·开发
    王瑶, 徐亦冬, 曾鞠庆, 潘志宏, 李明明
    功能材料. 2020, 51(3): 3108-3113.
    氧化石墨烯(GO)表面富有大量的含氧基团,具有良好的亲水性,是新型纳米碳材料,会对水泥水化产物的形状及聚集态造成影响。本文将多层GO和水超声分散后形成GO分散液,对不同GO掺量的新拌水泥浆体的自收缩进行测试,并采用氮吸附法对其孔隙结构进行表征。结果表明,掺入GO会增加凝胶孔中的自由水,加快水泥水化速率,增大自收缩,且随着掺量的增加,自收缩会更加明显。由迟滞效应的特征推论出GO使得水泥浆体内部的孔隙呈现狭缝形。根据Kelvin方程的BJH法进行孔分布分析,探索GO对自收缩的调控机理。发现GO有助于细化内部孔径,使水泥浆体内部的大毛细孔向着小毛细孔转变,导致毛细孔压力增加,进而增加了水泥基复合材料的自收缩。
  • 研究·开发
    李飞, 陈鲤波, 马建宁, 曾晓辉, 王平, 龙作虹, 周昊, 李建辉
    功能材料. 2020, 51(3): 3139-3143.
    确定了玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的最优配合比,将玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料与普通C40混凝土在相同条件下进行耐久性对比实验。结果表明,玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料在300次冻融循环后,质量损失不到1.5%,而在不到150次冻融循环中,普通C40混凝土的质量损失已接近5%;混杂纤维水泥基材料28和56 d的渗透系数为普通C40混凝土的53%和26%,混杂纤维水泥基材料具有较强的抗渗透能力,抗渗性随着龄期增长逐渐增强;碳化时间<28 d时,混杂纤维水泥基材料的碳化深度大于普通C40混凝土,但碳化时间56 d时,混杂纤维水泥基材料的碳化深度为普通C40混凝土的90%;混杂纤维水泥基材料28和56 d的电通量分别为普通C40混凝土的65%和49%,混杂纤维水泥基材料的抗氯离子性能明显高于普通C40混凝土。玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的各项耐久性指标均优于普通C40混凝土。
  • 研究·开发
    夏超凡, 李志华, 张聪
    功能材料. 2020, 51(1): 1120-1125. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2020.01.020
    为了探究碳酸钙晶须对钢纤维/PVA混杂纤维增强高延性水泥基复合材料(HyFRHDCC)力学性能的影响,利用2%体积掺量的廉价碳酸钙晶须替代部分纤维,研究了不同纤维掺量HyFRHDCC的压缩性能和拉伸性能,利用扫描电子显微镜观察了HyFRHDCC的微观结构。研究结果表明,引入碳酸钙晶须能够提高HyFRHDCC的初裂拉伸应变和峰前压缩韧性;在1.5% PVA+0.25%钢纤维HyFRHDCC中掺入2%碳酸钙晶须可以改善材料的拉伸性能;当PVA纤维减少至1%时,HyFRHDCC出现了明显的应变软化行为。微观形貌分析发现,碳酸钙晶须能够通过裂纹偏转、晶须拔出以及裂缝桥联等微观机制改善HyFRHDCC的应变硬化行为。
  • 研究.开发
    黄睿, 廖宜顺, 许媛媛
    功能材料. 2019, 50(11): 11155-11160. https://doi.org/10.3969/j.issn.10019731.2019.11.026
    研究了常温下硝酸铵钙对硫铝酸盐水泥浆体的流动度、凝结时间、抗压强度、电阻率及浆体内部温度、水化热、水化产物和孔结构的影响,对硝酸铵钙的早强作用机理进行了分析。结果表明,当硝酸铵钙的掺量从0增大到5%时,水泥浆体的初始流动度明显增大,凝结时间显著缩短,6 h,1,3,7和28 d抗压强度均显著提高,电阻率变化速率曲线峰值出现的时间逐渐提前,水泥浆体内部温度逐渐升高,温峰出现时间提前;其掺量在2%以内时,水泥水化放热速率明显加快,1 d累积放热量略有增大,钙矾石的生成速率及生成量均增大,硬化水泥浆体的平均孔径、总孔体积和孔隙率减小。由于硝酸铵钙能够明显加快硫铝酸盐水泥的水化进程,使其早期强度显著提高,因此可用作早强剂。