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关键词： 矿渣碱激发材料   秸秆纤维   纤维改性处理   力学性能   抗裂性能   电子显微镜分析  

摘要： 因传统水泥基材料的生产过程存在巨大的环境污染与能源消耗,为了稳定推进碳达峰碳中和战略目标,因此研发新型环保建筑材料成了国内外众多学者的目标。碱激发材料具有较好的力学性能,但同时也脆性大易开裂等缺点,有研究表明向碱激发材料中掺入纤维可有效提高试件的抗裂性,但多数人的研究重点主要放在化学合成纤维增加碱激发材料的各种性能,未能完美契合将碱激发材料作为一种绿色环保材料的研究初衷,所以本文选择掺入绿色环保的天然植物纤维——秸秆纤维,以改善碱激发材料的流动性能、力学性能以及抗裂性能。本文以矿渣为主要原材料,研究了掺入不同种类、处理方式与掺量的秸秆纤维后,对材料的流动性、抗压抗折强度以及抗裂性能的影响,得到了如下结论: (1)掺入秸秆纤维后,碱激发材料的流动性均降低。但处理过的秸秆纤维对碱激发材料的影响较大,其中改性小麦秸秆纤维(Pretreated wheat straw fiber,PTWSF)对材料流动性的影响最大,当掺量达到1%后,已开始影响正常浇筑,改性玉米秸秆纤维(Pretreated corn straw fiber,PTCSF)对材料流动性的影响最小。未处理的秸秆纤维对碱激发材料流动性的影响均小于处理后的秸秆纤维,其中未改性玉米秸秆纤维(Untreated corn straw fiber,UTCSF)的影响较大,未改性水稻秸秆纤维(Untreated rice straw fiber,UTRSF)的影响最小。分析认为未处理的秸秆纤维影响碱激发材料流动性的主要原因是材料的吸水性,吸水后导致试件水胶比减小,使试件流动性降低。处理后的秸秆纤维对碱激发材料流动性的影响较大的主要原因是碱处理使秸秆纤维表面更加粗糙,与碱激发基质的粘结效果更好。 (2)秸秆纤维对碱激发材料抗压强度的影响较为复杂。不同处理方式与种类的秸秆纤维对材料抗压强度的影响均不相同,其中随着UTRSF与未改性小麦秸秆纤维(Untreated wheat straw fiber,UTWSF)掺量的提升,试件的抗压强度逐渐降低,直至掺量达到1.5%,UTRSF对试件抗压强度的负影响更大;随着UTCSF、改性水稻秸秆纤维(Pretreated rice straw fiber,PTRSF)、PTWSF与PTCSF掺量的增加,材料的抗压强度逐渐增加,当掺量达到1%或1.2%后试件的抗压强度开始下降,PTWSF对试件抗压强度的增强效果最好。分析认为,UTRSF与UTWSF的掺入使碱激发试件抗压强度降低的主要原因是UTRSF与UTWSF表面有一层脂类物质,与碱激发浆体几乎未粘结,使得试件内部的缺陷增加,在试件抵抗压力作用时,更容易被破坏,导致试件抗压强度逐渐降低。UTCSF、PTRSF、PTWSF与PTCSF的掺入会使碱激发材料的抗压强度出现以上变化趋势的原因是当掺入少量UTCSF时,UTCSF吸水性带来的影响大于引起试件内部缺陷所带来的影响,综合两个影响因素,碱激发试件的抗压强度随之上升,随着UTCSF掺量的逐渐提升,试件内部缺陷越来越多,吸水性带来的影响已无法弥补,使试件的抗压强度开始下降。碱处理增大了秸秆纤维的比表面积,使纤维表面更加粗糙,增加了纤维与碱激发材料的粘结效果,成丝状的秸秆纤维还会弥补试件自身内部的缺陷,使抗压强度逐渐增加,当纤维掺量达到1%与1.2%后,掺入纤维导致试件内部微裂缝与空隙增加,试件的抗压强度开始下降。 (3)掺入秸秆纤维会使碱激发材料的抗折强度明显提升,随着掺量的增加,呈现先增后减的趋势。其中处理后的秸秆纤维的增强效果要优于未处理的秸秆纤维,PTWSF的增强效果最佳,UTCSF的增强效果最弱。因本身WSF单根体积较小,PTWSF经碱处理后比表面积明显增大,故当掺量相同时,试件单位体积内PTWSF数量相对其他两种碱处理后的纤维更多,且掺入PTWSF后,对试件抗折强度的增强效果最大,与试件的粘结强度更大,故对试件的抗折强度增强最明显。UTCSF的影响较弱的原因是将UTCSF掺入试件中后,因其具有较强的吸水性致使其在养护过程中硬度会相应变小,软化的CSF不能较好的抵抗抗折效果,最终抗折强度低于掺入其他两种纤维。 (4)秸秆纤维的掺入均会使碱激发材料抗裂性能增强,但增强效果不一,其中PTRSF的增强效果最佳,PTCSF的增强效果最差,其余秸秆纤维的增强效果均是正向的。秸秆纤维在抵抗试件开裂时均能发挥其优良的抗拉性能,综合微观分析表明,RSF经碱处理后表面粗糙程度增加,与碱激发基体的粘结更加紧密,同时纤维变成丝状,在试件开裂时纤维发生的破坏多数为拉断破坏,充分发挥出其高强的抗拉性能,使试件抗裂性能显著提升。CSF经碱处理后表面仍存在部分酯类物质导致其与碱激发基体粘结时不够紧密,且硬度明显变大,浮在试件表面极易诱导微裂缝的产生,使试件开裂指数无法下

关键词： 纳米材料   水泥基材料   力学性能   多元线性回归   支持向量机回归   随机森林回归  

摘要： 水泥在我国进行社会主义现代化建设过程中扮演着重要的角色,它不仅被应用于工业发展与民居建设,而且在桥梁、高铁及港口修建等方面都是不可缺少的建筑材料。随着现代建筑工程的发展,水泥材料已无法满足当下的要求,而纳米材料的引进给水泥基材料的研究带来了新的思路,由于其较小的尺寸和优异的物理化学性能,对水泥基复合材料的性能有着重要的影响。将纳米材料掺入水泥基材料中,可在不增加水泥用量的基础上有效的提高水泥基材料的力学性能和耐久性能,具有重要的社会经济效益。目前纳米材料对水泥基材料性能的影响研究大部分考虑纳米材料单掺的情况,而本文将基于纳米SiO2、纳米Al2O3和碳纳米管三种常见纳米材料在水泥基材料中单掺的最优配合比,分别开展两两复掺复合改性水泥基材料力学性能的影响。并采用三种不同的机器学习方法对纳米改性复合水泥基材料力学性能进行预测。主要内容如下: （1）开展纳米材料单掺水泥净浆试验,研究了纳米SiO2掺量、纳米Al2O3掺量、碳纳米管掺量对水泥净浆抗折、抗压强度影响规律;并通过SEM和XRD微观表征技术,分析了纳米改性水泥净浆的微观形貌和水化产物,结果显示,碳纳米管和纳米矿物均能提高水泥基材料的强度,且碳纳米管、纳米SiO2与纳米Al2O3存在一个最佳掺量,分别为2.5%、1.5%和0.15%。 （2）开展纳米材料复掺水泥净浆试验,研究了纳米SiO2与纳米Al2O3复掺、纳米SiO2与碳纳米管复掺、纳米Al2O3与碳纳米管复掺对水泥净浆抗压强度的影响规律;并利用SEM和XRD微观表征技术,分析了纳米改性水泥净浆的微观形貌和水化产物,探讨其对宏观力学性能改善的作用机理。 （3）采用多元线性回归、支持向量机回归和随机森林回归三种方法,以水泥、聚羧酸减水剂、纳米SiO2掺量、纳米Al2O3掺量、碳纳米管掺量和养护龄期为输入变量,以抗折强度和抗压强度为输出变量,建立纳米材料改性水泥基材料的力学预测模型,并对模型效果进行了对比分析。

关键词： 导电水泥基材料   碳纤维   碳量子点   片层石墨烯   导电性能   压敏性能   电热性能  

摘要： 作为基础的建筑材料,水泥基材料在建造、加固和装饰建筑物中发挥关键作用。由于建筑行业的快速发展,传统水泥基材料往往不能满足现代化建筑需求,而添加导电填料制备具有导电性能的智能建筑材料已成为水泥基材料的重要发展方向之一。目前,已有众多的材料作为导电填料应用于制备导电水泥基复合材料,尤其以碳纤维、碳纳米管、碳黑、石墨烯等为代表的碳基材料脱颖而出,然而不同尺度导电填料对导电水泥基复合材料性能影响的研究却较少。本文拟以碳量子点、碳纤维和片层石墨烯三种尺度的纳米碳基材料作为导电填料制备导电水泥基复合材料,并开展了以下研究: 1、单掺碳纳米材料导电水泥基复合材料的力学性能和导电性能 以导电填料种类、掺量和龄期为变量,制备水泥基材料净浆试件,开展水泥基复合材料抗压强度和导电性能试验,研究不同尺度碳纳米材料对导电水泥基复合材料性能的影响规律;并结合微观形貌分析和物相分析方法揭示不同导电填料对水泥基材料力学性能和导电性能的影响机理。结果表明,不同尺度导电填料在合适掺量下均能够提升水泥基材料的力学性能和导电性能。 2、复掺碳纳米材料导电水泥基复合材料的力学性能和导电性能 设计碳纳米材料的复掺配比,研究三种尺度碳材料不同配合比对水泥基复合材料性能的影响。根据导电填料单掺时试件的渗流曲线选择合适的掺量,制备不同配比的导电水泥基试件并测试试件抗压强度和电导率。结果显示,与对照组相比,复掺导电填料也可改善试件抗压强度的同时提高试件电导率,对比了三种导电填料在导电水泥基中对电导率影响大小。 3、复掺碳纳米材料导电水泥基复合材料的传感性能 研究不同复掺配比的导电水泥基复合材料在应力场、温度场、湿度场作用下导电性能的变化,并通过电热试验研究不同水泥基复合材料的电热性能。结果显示,碳量子点—碳纤维水泥基复合材料对压力和湿度敏感度更高,碳量子点—碳纤维—片层石墨烯水泥基复合材料对温度敏感度更高,碳纤维—片层石墨烯水泥基复合材料短时升温速率最高。

关键词： 复合材料   编织角   针刺密度   弹性性能   单胞模型  

摘要： 针刺碳/碳(C/C)复合材料具有耐高温、耐摩擦、耐腐蚀、高比刚度、低密度等优异性能,已经广泛应用于汽车工业、航天航空等领域。针刺C/C复合材料的细观结构是影响其力学性能的重要因素,本文根据细观力学理论对针刺C/C编织复合材料进行精细化建模来预测其弹性性能,精细化模型充分考虑了纤维结构和应力分布,提高了计算精度。主要内容如下: (1)根据针刺C/C编织复合材料的纤维分布特征将其分为编织层、网胎层和针刺区域,每个部分由纤维、孔隙和基体组成。为了方便后续建模,对单胞子区域有效弹性性能进行预测。采用Mori-Tanaka方法预测由孔隙和基体组成的新基体的弹性性能,采用Chamis细观力学经验公式预测针刺区域的弹性性能。 (2)根据针刺C/C编织复合材料的细观结构,建立平行四边形单胞模型。采用surface deviation模式的自动网格划分方法,划分表面网格,然后基于表面网格生成四面体网格。对模型施加六种边界条件,研究不同编织角下复合材料的应力分布情况。最后通过脚本提取每个网格单元的体积,应力和应变,根据应力和应变的关系,得到针刺C/C编织复合材料弹性性能,并研究编织角度、针刺密度对其弹性性能的影响。 (3)根据GB/T 33501-2017《碳/碳复合材料拉伸性能试验方法》和GB/T40398.2-2021《碳/碳复合碳素材料试验方法第二部分:弯曲试验》制备针刺C/C编织复合材料试样,采用LE5255微机控制电子万能试验机对试样分别进行拉伸试验和弯曲试验。得到试样的失效模式、拉伸模量、弯曲模量和位移-载荷曲线,分析失效原因,并将拉伸模量与有限元预测结果对比验证了模型的准确性。

关键词： 室内采暖   电热混凝土   碳纤维   聚丙烯纤维   电阻率  

摘要： 将高延性混凝土(Engineered cementitious composite,ECC)应用于建筑结构中,是建筑材料未来发展的一大趋势。建筑结构不仅需要达到较好的力学性能,还有建筑采暖这一要求,若能兼顾建筑质量和建筑采暖这两项要求,高延性混凝土则可成为目前最具优势的建筑材料。 本试验用高延性混凝土(以下简称为ECC)制备导电混凝土,以室内采暖为研究背景,研究加入不同掺量的粉煤灰(25%,30%,35%)、碳纤维(0.5%,1.0%,1.5%)、聚丙烯纤维(0.3%,0.5%,0.7%)的高延性混凝土的导电性、电热特性、材料力学性能。以及在经历常温和不同高温(200℃,400℃,600℃,800℃)后的导电性、电热特性以及材料力学性能的试验,研究温度对不同配合比试块的影响。采用正交实验方法,研究其导电性能、电热转化效率,以及抗压强度、抗弯强度、劈裂抗拉强度等,确定最优配合比。对于高温后混凝土的电热特性和力学性能研究,采用单因素实验方法,结合常温状态和不同高温后的试验结果确定各个材料最优掺量。 研究结果表明: (1)当碳纤维掺量为0.5%时,分散剂的掺量为水泥质量的0.2%,消泡剂的掺量为0.05%,分散及消泡效果良好;碳纤维掺量为1.0%时,分散剂的掺量为0.4%,消泡剂的掺量为0.1%;碳纤维掺量为1.5%时,分散剂的掺量为0.8%,消泡剂的掺量为水泥质量的0.2%。故分散剂掺量随着碳纤维掺量的变化呈指数倍增加,消泡剂掺量随着碳纤维掺量的变化呈二次函数变化。 (2)粉煤灰和聚丙烯不直接参与导电,但可间接影响混凝土的导电性。根据正交试验结果,在保证高延性混凝土材料力学性能的基础上,电热特性最好的掺量为:粉煤灰掺量30%,碳纤维掺量1.5%,聚丙烯纤维掺量0.7%。记录不同电阻率的混凝土升温情况,电阻率在4-5Ω·m内,发热效果较为适宜。 (3)当混凝土经过高温后,电热特性随着温度的升高而减弱,经历过的温度越高,自然冷却后混凝土试块的导电性能以及电热性能越差;混凝土力学性能在试块经过200℃高温且自然冷却后达到最强,经过400℃后试块力学性能明显弱于常温时的力学性能,在经过800℃后,混凝土基本失效。故电热混凝土试块的电热特性在常温下最佳,力学性能在经过200℃高温并且自然冷却后达到最强。

关键词： 仿Bouligand结构   复合材料   力学性能   湿热环境   寒冷环境  

摘要： 仿Bouligand结构是一种以天然生物结构为灵感、具有轻质高强、高韧性以及可设计性强等诸多优点的新型仿生结构,在航空航天、建筑领域甚至防弹领域等方面有很大的应用潜力。但当前对于仿Bouligand结构的研究多为碳纤维、玻璃纤维等冉加工纤维上,具有加工流程繁琐、原材料昂贵等局限性,而竹材本身具有生长周期短、机械性能好等特点,使竹材在纤维增强等领域的应用较为广泛,具有广阔的研究前景与应用意义。同时,竹材本身具有天然的单向纤维,不需要再次加工的单向结构比其他复合材料制造出的单向结构更具有便捷性与研究意义。故本文将竹板叠层铺设成仿Bouligand结构,对比设置不同的螺旋铺设角度,并探究不同的使用环境对竹复合材料的性能影响。同时,设置不含竹节(节间)与包含竹节(含节)两组试样进行对比分析。在这一过程中,从探究最佳的热压工艺参数入手,研究了竹/环氧树脂复合材料的制备工艺方法;并在此基础上制备仿Bouligand结构竹复合材料,对不同旋转角度与是否含节的复合材料的力学性能进行讨论和分析;分别探讨湿热环境与寒冷环境对于仿Bouligand结构竹复合材料性能的影响。主要研究内容及结论如下: (1)探寻竹/环氧树脂复合材料成型工艺中的最佳热压工艺参数。结果表明:热压工艺参数(热压温度、热压时间与热压压力)对竹/环氧树脂复合材料的力学性能影响都较大。通过试验结果可得最佳热压工艺参数为:热压温度120℃,热压时间40 min,热压压力3 MPa。 (2)探寻不同旋转铺设角度对仿Bouligand结构竹复合材料的性能影响,分别以节间与含节为原材料制备仿Bouligand结构竹复合材料。结果表明:随着螺旋角度的增大,复合材料的弯曲性能和抗冲击性能呈现先增大再减小后逐渐趋于平缓的趋势。不同螺旋角度的仿Bouligand结构显著提升了复合材料的性能,在螺旋角度为20°时弯曲性能最佳,在螺旋角度为15°时抗冲击性能最佳;竹节减弱了竹复合材料的弯曲性能,但提升了其抗冲击性能。 (3)探寻湿热环境对仿Bouligand结构竹复合材料的性能影响。结果表明:在水溶液浸泡下,竹复合材料的水吸收曲线符合两阶段模型,且含节试样组的吸水量大于节间试样组。在湿热环境下,复合材料的力学性能有所下降,其中螺旋角度越小,下降的趋势越小。在螺旋角度为10°时,节间组的弯曲性能只降低了 11.45%,抗冲击性能只降低了 11.57%;含节组的弯曲性能只降低了9.49%,抗冲击性能只降低了 9.52%。湿热环境下仍符合随着螺旋角度的增大,弯曲性能和抗冲击性能呈现先增大再减小后逐渐趋于平缓的趋势。竹节减弱了竹复合材料的弯曲性能,但提升了其抗冲击性能。 (4)探寻寒冷环境对仿Bouligand结构竹复合材料的性能影响,结果表明:在寒冷环境下仍符合随着螺旋角度的增大,力学性能呈现先增大再减小后逐渐趋于平缓的趋势。在干冷环境下,复合材料的弯曲性能和抗冲击性能并未表现出较为明显的降幅,竹节提性了复合材料的抗冲击性能,在螺旋角度为45°时提升了 22.02%。在湿冷环境下,复合材料的力学性能表现出显著的提升,竹节提升了复合材料的抗冲击性能,在螺旋角度为10°时提升了 30.31%。