为了进一步提高建筑业生产效率,研究员研发出了水泥基材料3D打印这一新型增材制造技术,在房屋建筑、道路桥梁、地下工程等建造领域取得了显著的发展,并表现出较大的发展潜力。马国伟、王里编著的《水泥基材料3D打印关键技术》一书系统地归纳了水泥基材料3D打印工艺建模的最新进展,提出了水泥基材料3D可打印性的量化指标,研究了打印微观结构的力学各向异性,提出了3D打印结构的整体性增强方法,并对该项技术进行了展望。笔者通过对该书的学习,认为其内容详实、可读性强,总结要点如下。

通过自行设计的离子空间传输试验装置,分析研究了硫酸盐和氯盐的空间传输性能,并通过测试硫酸盐和氯盐共存时产物的组成和形貌,分析硫酸根离子对氯离子固化行为的影响。结果表明,在SO42-与Cl-共存的情况下,Cl-在不同时间和空间传输量较纯溶液时均有减小,说明SO42-会阻碍Cl-的传输;SO42-与Cl-均可与水泥基材料的水化产物发生反应,其中SO42-反应生成AFt,Cl-反应生成Friedel盐,当两者共存时,Friedel盐生成量减少,说明SO42-会减弱Cl-的固化能力,从而减弱混凝土结构中氯盐的腐蚀破坏程度。

采用体积取代法将气凝胶浆料引入水泥基体中,制备了气凝胶-水泥复合多孔材料(ACPC),结合压汞(MIP)、氮吸附(NAD)和扫描电子显微镜(SEM)对ACPC孔结构和微观形貌进行表征,研究了ACPC的孔结构和硬化性能。试验结果表明,当气凝胶浆料取代量由0增加到66%时,材料孔隙率从23.0%上升至78.1%,平均孔径从45.3 nm增加至198.3 nm。气凝胶的引入可以细化孔结构,材料介孔孔容由0.03 mL/g增加到0.20 mL/g,孔结构得到改善。在水泥浆体中引入气凝胶浆料,可以得到干密度为365~1262 kg/m^3、抗压强度为0.8~24.1 MPa、导热系数为0.066~0.364 W/(m·K)的ACPC。

从工程适用性出发,介绍了水泥基材料用增稠剂的发展历程、类型及其特点等,探讨了增稠剂对水泥基材料抗离析性能改善机制,总结了增稠剂对水泥基材料流变性能、含气量、凝结时间的影响规律,指出了掺增稠剂水泥基材料的研究趋势。

为提高道路修补砂浆的抗弯折性能,研究了聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维及玄武岩纤维单掺及复掺情况下对水泥基材料抗折强度影响规律。结果表明,玄武岩矿物纤维对抗折强度增强效果较小;单掺聚乙烯醇纤维0.75%时,28 d抗折强度比不掺增加15%;单掺1%聚丙烯纤维时,28 d抗折强度比不掺增加16%。聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维及玄武岩矿物纤维复掺时,聚乙烯醇纤维对砂浆28 d抗折强度增强效果的影响程度最大。复掺聚乙烯醇纤维0.5%、聚丙烯纤维0.5%、玄武岩纤维0.25%时,3 d、28 d抗折强度分别为9.4 MPa、13.8 MPa,28 d抗折强度比不掺纤维砂浆增加22%。

从陶瓷粉的材料特性入手,阐述了陶瓷粉作为混凝土矿物掺合料的可行性和水化特性,在此基础上,进一步从陶瓷粉对水泥基胶凝材料的工作性、强度、耐久性的影响等方面,综述了水泥-陶瓷粉胶凝材料的国内外研究现状。并针对现有研究存在的问题,对水泥-陶瓷粉胶凝材料的进一步研究提出了建议。

为了制备压敏性良好的碳纤维水泥基复合材料,通过对碳纤维表面进行化学镀镍处理,得到镀液的最佳配方和镀镍工艺,并研究镀镍处理对碳纤维水泥基复合材料压敏性的影响。结果表明,当主盐、还原剂、稳定剂和络合剂浓度分别为30 g/L、20 g/L、50 g/L和10 g/L,镀液p H值为10,试镀时间为15 min时,碳纤维的导电性最佳。镀镍层厚度和碳纤维掺量对压敏性的影响规律一致,当镀镍层厚度和碳纤维掺量分别为1μm和0.4%时,碳纤维水泥基复合材料的压敏性最佳。

为了明确水泥基渗透结晶型防水剂对水泥基材料自修复性能的影响,研究了防水剂掺量为0、1%、2%、3%时砂浆试块裂缝的自愈合过程,并利用XRD、SEM、FT-IR等手段分析了防水剂中的活性物质以及自修复产物的主要成分、晶相和微观形貌,提出了其对水泥基材料自修复作用机理,对其在工程中的应用以及国内自主研发该类产品具有一定的借鉴作用。

结合国内外最新研究成果,综述了纳米MgO对水泥基材料的工作性、力学性能、孔结构、耐久性能及收缩膨胀特性的影响,分析了纳米MgO水泥基材料的收缩膨胀机理。并针对当前研究的不足,提出了进一步研究方向,为后续纳米MgO的应用研究提供借鉴。

利用自主研发的旋转空蚀设备对不同龄期的硬化水泥净浆和硬化水泥砂浆进行连续空蚀试验,观察分析空蚀区和磨蚀区破坏方式的异同,并利用SEM、EDX、XRD、TG&DSC等分析手段观察空蚀对于水泥基材料壁面的破坏形貌,研究空蚀过程对水泥水化产物的破坏。试验结果表明,经过2 h连续不断地空蚀试验破坏,水泥基材料表面尖锐的边缘发生钝化,表现为片状,杆状晶体基本消失,形成熔融组织。空蚀对水泥净浆表面的破坏不仅是简单的力学破坏,同时空蚀效应可以造成水泥水化产物的部分分解,其破坏形式为热分解。具体而言,经过2 h旋转空蚀试验后的28 d水泥净浆试样,水化凝胶损失量不低于30%,氢氧化钙的损失量在25%以上,对硬化水泥浆体的劣化有较为显著的影响。