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基于定量XRD的碱激发胶凝材料分子动力学模拟研究

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建筑材料学报 2024年

作者：王晴李赫维丁兆洋张强赵明宇沈阳建筑大学材料科学与工程学院

碱激发偏高岭土非晶相主要由N-A-S-H凝胶构成，碱激发矿渣非晶相主要由C-A-S-H凝胶构成。非晶相成分难以通过传统方法进行准确的表征，故较难搭建真实的分子模型。本文提出一种碱激发胶凝材料分子模型搭建方法，采用Rietveld精修和内标... 详细信息

碱激发偏高岭土非晶相主要由N-A-S-H凝胶构成，碱激发矿渣非晶相主要由C-A-S-H凝胶构成。非晶相成分难以通过传统方法进行准确的表征，故较难搭建真实的分子模型。本文提出一种碱激发胶凝材料分子模型搭建方法，采用Rietveld精修和内标法QXRD分析获得碱激发胶凝材料的晶相成分，与XRF结果对照分析非晶相化学成分，采用XRD分峰法得到碱激发胶凝材料非晶相的近程有序结构，利用Materials Studio软件搭建N-A-S-H和C-A-S-H的结构，并通过分子动力学模拟径向分布函数和体积模量进行验证。结果表明：N-A-S-H凝胶的近程有序结构与方钠石接近；C-A-S-H凝胶的近程有序结构与水化钙铝黄长石接近。通过径向分布函数与体积模量验证了搭建模型的准确性。本文的模型搭建方法基于真实样品的XRD测试结果，相较传统搭建方法具有更好的真实性和创新性。

关键词：碱激发胶凝材料反应产物 X射线衍射 Rietveld精修 XRD分峰法分子动力学模拟

NaOH浓度对地聚物再生骨料混凝土尺寸效应的影响

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混凝土 2024年第9期 1-5页

作者：周静海苏群丁兆洋沈阳建筑大学土木工程学院辽宁沈阳110168

设计了4种不同立方体尺寸(70 mm、100 mm、150 mm和200 mm)和5种不同NaOH浓度(3 mol/L、5 mol/L、7 mol/L、9 mol/L、11 mol/L)的地聚物再生骨料混凝土试块,研究了不同NaOH浓度条件下的地聚物再生骨料混凝土抗压强度的尺寸效应。通过试... 详细信息

设计了4种不同立方体尺寸(70 mm、100 mm、150 mm和200 mm)和5种不同NaOH浓度(3 mol/L、5 mol/L、7 mol/L、9 mol/L、11 mol/L)的地聚物再生骨料混凝土试块,研究了不同NaOH浓度条件下的地聚物再生骨料混凝土抗压强度的尺寸效应。通过试验发现:GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中规定的换算系数并不适用于地聚物再生骨料混凝土,给出2种方法来进行地聚物再生骨料混凝土尺寸换算系数的取值,第一种是平均数方法:α_(200)=0.93、α_(100)=1.13、α_(70)=0.70,第二种方法采用线性拟合:α_(200)=0.9735-0.0065ε、α_(100)=1.0445+0.0125ε、α_(70)=0.718-0.002ε;尺寸为200 mm、150 mm和100 mm的地聚物再生骨料混凝土抗压强度均符合Bazant的尺寸效应理论曲线,采用无量纲的方法可以得到地聚物再生骨料混凝土抗压强度与NaOH浓度和尺寸参数耦合作用影响的预测方程,所提出的方程具有更好的适用性,并且得出了不同NaOH浓度条件下地聚物再生骨料混凝土的临界尺寸和临界强度值。

关键词：地聚物再生骨料混凝土抗压强度尺寸效应 NaOH浓度

基于灰色关联与二分法的无机矿物聚合物强度特性研究

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材料导报 2017年第23期31卷 182-186页

作者：王晴李天如张强丁兆洋沈阳建筑大学材料科学与工程学院沈阳110168

采用灰色关联分析法与二分法结合,研究了氧化物组成对无机矿物聚合物强度主导因素的影响。研究发现根据强度主导因素的不同可以将无机矿物聚合物分成两个区域,Ⅰ区CaO含量小于25%(ωCaO25%),该区强度受CaO含量的影响更大。分别在两区域... 详细信息

采用灰色关联分析法与二分法结合,研究了氧化物组成对无机矿物聚合物强度主导因素的影响。研究发现根据强度主导因素的不同可以将无机矿物聚合物分成两个区域,Ⅰ区CaO含量小于25%(ωCaO25%),该区强度受CaO含量的影响更大。分别在两区域内进行强度拟合,Ⅰ区符合二元多项式函数,Ⅱ区符合二元傅里叶函数。在各区域内进行强度拟合,拟合曲面投影图说明水玻璃模数在0.8~1.6时,Ⅰ区使用低模数水玻璃激发较好;当n(CaO)/n(SiO_2+Al_2O_3)0.3时,开始显现出n(CaO)/n(SiO_2+Al_2O_3)对强度的影响,随着n(SiO_2)/n(Al_2O_3)的增大,强度呈现先增大后减小的趋势;Ⅱ区则是高模数水玻璃激发更好,水玻璃模数小时最高强度区域出现在n(CaO)/n(SiO_2+Al_2O_3)值大的区域,当激发剂模数增大时,最高强度区域n(CaO)/n(SiO_2+Al_2O_3)的值减小。

关键词：无机矿物聚合物强度主导因素氧化钙含量氧化硅/氧化铝物质的量比氧化钙/(氧化硅+氧化铝)物质的量比

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列车分布式吸能系统的波传播特性和参数分析

爆炸与冲击 2019年第3期39卷 110-119页

作者：丁兆洋郑志军虞吉林中国科学技术大学近代力学系中国科学院材料力学行为和设计重点实验室安徽合肥230026

建立了考虑车厢中弹性波传播影响的列车分布式吸能系统的简化理论模型。基于一维应力波理论,对碰撞过程中各吸能器的响应进行了理论分析,得到相关的控制方程并求解。观察到各吸能器界面上典型的阶段性、平台样的速度响应,并分析了其机理... 详细信息

建立了考虑车厢中弹性波传播影响的列车分布式吸能系统的简化理论模型。基于一维应力波理论,对碰撞过程中各吸能器的响应进行了理论分析,得到相关的控制方程并求解。观察到各吸能器界面上典型的阶段性、平台样的速度响应,并分析了其机理,进而对如何合理设置和排布吸能器进行了分析。结果表明:对于相邻的吸能器,碰撞前端吸能器的压垮强度应高于后端,否则后端吸能器无法同时发挥作用;各吸能器的平台应力的大小和排布是决定吸能系统作用效果的控制参量,能够决定各吸能器的吸能时长和吸能总量。具体分析了相邻吸能器的平台应力分布对系统吸能性能的影响,得到了在所研究的情况下使总吸能量最大的优化设计参数。该研究可为列车分布式吸能系统的优化设计提供理论指导。

关键词：弹性波分布式吸能系统平台应力优化设计传播特性压溃强度

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无机矿物聚合材料的制备及其水化产物的研究

无机矿物聚合材料的制备及其水化产物的研究

作者：丁兆洋沈阳建筑大学

学位级别：硕士

无机矿物聚合物,是一种以天然铝硅酸盐矿物或工业固体废弃物为主要原料,与高岭土和适量碱硅酸盐溶液充分混合后成型硬化形成的新型生态节能材料。其性能与陶瓷相似,以无机[SiO]四面体和[A1O]四面体为主要组成,结构上具有空间三维网状结... 详细信息

无机矿物聚合物,是一种以天然铝硅酸盐矿物或工业固体废弃物为主要原料,与高岭土和适量碱硅酸盐溶液充分混合后成型硬化形成的新型生态节能材料。其性能与陶瓷相似,以无机[SiO]四面体和[A1O]四面体为主要组成,结构上具有空间三维网状结构的新型胶凝材料。本课题以矿渣和偏高岭土作为主要原材料,制备无机矿物聚合物净浆及其混凝土,研究矿渣的活性、原材料中n（SiO）/n（AlO）摩尔比、n（NaO）/n（AlO）摩尔比及n（HO）/n（SiO）摩尔比或水胶比对无机矿物聚合物净浆或混凝土抗压强度的影响。在此基础上,建立原材料中氧化物组成和无机矿物聚合物净浆抗压强度之间的数学模型以及无机矿物聚合物净浆和混凝土抗压强度之间的数学模型。同时,对无机矿物聚合物水化产物进行研究,并使用XRD、SEM等现代分析方法对样品的结构进行了表征。研究结果表明,随着氧化物活性的增加,无机矿物聚合物净浆和混凝土抗压强度均增大,且在一定范围内,无机矿物聚合物净浆抗压强度和混凝土抗压强度均随着n（SiO）/n（AlO）摩尔比、n（NaO）/n（AlO）摩尔比及n（HO）/n（SiO）摩尔比或水胶比的增加而呈现先增加后减小的趋势。在n（SiO）/n（AlO）=3.9 , n（NaO）/n（AlO）=0.4 ,n（HO）/n（SiO）=2.0时,净浆抗压强度最大,达79.94MPa;在n（SiO）/n（AlO）的摩尔比=3.9,n（NaO）/ n（AlO）摩尔比=0.3,水胶比=0.35时,混凝土抗压强度最大,达65.88MPa。通过多元线性回归分析,建立无机矿物聚合物净浆28d强度（y）与n（SiO）/n（AlO）摩尔比（x）,n（NaO）/n（AlO）摩尔比（x）和n（HO）/n（SiO）摩尔比（x）四者之间的数学模型: y = 85.9+2.94x+3.41x-22.28x;无机矿物聚合物净浆28d抗压强度（x）、水胶比（x）和混凝土28d抗压强度（y）之间的数学模型:y = 22.99+0.62x-22.88x。无机矿物聚合物水化产物研究表明:随着n（SiO）/n（AlO）摩尔比的增加,其化学结合水含量先增加后降低,当（SiO）/n（AlO）=3.9时,化学结合水达到最大值;随着矿渣活性的增加,n（NaO）/n（AlO）摩尔比的增加以及水化龄期的增加,化学结合水含量不断增加,水化越完全。研究表明,在不同的条件下,无机矿物聚合物28d抗压强度在化学结合水含量接近0.1g时均达到最大值。随着水化龄期的延长,pH值出现不同的变化规律,1dd的pH值逐渐升高,说明其内部的聚合反应强于解聚反应,3dd的pH值逐渐降低,说明其内部的聚合反应弱于解聚反应;7d4d的pH值又开始逐渐升高;14d8d的pH值基本不变化,说明内部反应基本趋于稳定。研究表明,在不同的条件下,无机矿物聚合物28d抗压强度在pH值=10～11时,达到最大值。随着水化龄期的增加,无机矿物聚合物中SiO和Ca含量逐渐降低,Na含量逐渐增加,说明随着龄期的增加,内部逐渐成链,释放出Na,SiO逐渐形成了网络结构,Ca也参加了反应而逐渐消耗。1d4d龄期的SiO减少的速率高于其14d8d的速率,说明网络形成在水化早期就已经基本形成。通过IR分析可以看出无机矿物聚合物中存在大量的Si-O键、Al-O键、Si-O-Si键和Al-O-Si键,说明无机矿物聚合物是由Si、Ai和O共同构成三维网络结构,而且由于有SiO键和AiO键震动所带来的强吸收带,说明无机矿物聚合物是由[SiO]四面体和[AlO]四面体为基本单元构成的。从XRD分析可以看出原料中的晶体消失,生成了非晶态材料;随着矿渣活性的升高,其特征峰位置不变,但是其峰值逐渐减弱,说明活性高的样品内部水化越完全。通过SEM分析表明活性高的无机矿物聚合物的结构致密;随着龄期的增长,无矿物聚合材料的表面结构逐渐完整,龄期为3d至7d时,出现了类似于晶体的结构,龄期为7d至14d时,此结构又消失,龄期为14d至28d时,表面逐渐密实。

关键词：矿渣偏高岭土无机矿物聚合物混凝土活性氧化物组成抗压强度数学模型水化产物

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地聚合物凝胶结构建模及分子动力学模拟

材料导报 2020年第4期34卷 56-61页

作者：王晴康升荣吴丽梅张强丁兆洋沈阳建筑大学材料科学与工程学院

地聚合物胶凝材料是一类以多种非晶质至半晶质相的三维铝硅酸盐空间网络结构为主的新型无机非金属材料。本工作使用溶胶-凝胶法制备了不同CaO含量的地聚合物凝胶,通过X射线衍射表征了地聚合物凝胶的结构;基于蒙特卡罗方法,使用Materials... 详细信息

地聚合物胶凝材料是一类以多种非晶质至半晶质相的三维铝硅酸盐空间网络结构为主的新型无机非金属材料。本工作使用溶胶-凝胶法制备了不同CaO含量的地聚合物凝胶,通过X射线衍射表征了地聚合物凝胶的结构;基于蒙特卡罗方法,使用Materials Studio软件构建地聚合物N-A-S-H凝胶、C-A-S-H凝胶和不同Ca含量的地聚合物凝胶的结构模型,在Universal力场下对凝胶结构进行优化和分子动力学模拟,计算了各结构模型的径向分布函数、结构参数,模拟了弹性模量和凝胶结构的X射线衍射谱。研究结果表明:根据Ca含量的不同地聚合物凝胶可以分为无钙体系、低钙体系、中钙体系和高钙体系,无钙体系主要是N-A-S-H凝胶,低、中钙体系以N-A-S-H和C-A-S-H混合凝胶为主,高钙体系只含有C-A-S-H凝胶相和Ca(OH)2相,低钙体系CaO含量小于16.7%,高钙体系CaO含量大于30%;在Universal力场下,N-A-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶的弹性模量分别为22.04 GPa和62.37 GPa,含钙体系地聚合物凝胶的弹性模量随Ca含量的增加而增大;地聚合物凝胶结构模型的径向分布函数表明,其分子结构为典型的无定型结构,且主要化学键的平均键长与实验值吻合较好,含钙体系地聚合物凝胶结构模型中Si-O键、Al-O键和O-O键径向分布函数出现了峰的分裂现象,Ca的加入使Si-O键、Al-O键和O-O键类型变得复杂。

关键词：地聚合物凝胶分子结构建模 Ca含量分子动力学模拟

水玻璃模数对地聚物再生混凝土力学性能的影响

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建筑材料学报 2023年第1期26卷 61-70页

作者：丁兆洋苏群李明泽王晴周静海沈阳建筑大学土木工程学院辽宁沈阳110168 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室湖北武汉430070 沈阳建筑大学材料科学与工程学院辽宁沈阳110168

采用地聚物为胶凝材料、废弃混凝土为粗骨料,制备了地聚物再生混凝土(GRAC),研究了不同水玻璃模数(n)条件下GRAC的力学性能,分析了其微观结构对力学性能的影响机理.结果表明:地聚物的强度由两种凝胶态水化产物提供,其分别具有层状的水... 详细信息

采用地聚物为胶凝材料、废弃混凝土为粗骨料,制备了地聚物再生混凝土(GRAC),研究了不同水玻璃模数(n)条件下GRAC的力学性能,分析了其微观结构对力学性能的影响机理.结果表明:地聚物的强度由两种凝胶态水化产物提供,其分别具有层状的水化硅铝酸钙(C-A-S-H)结构和网络状的水化硅铝酸钠(N-A-S-H)结构;GRAC的抗压强度随n降低而增加;GRAC抗压强度的尺寸换算系数与n的大小相关,强度标准差随n增加而减小;在以n为变量的GRAC抗压强度本构方程中,n与GRAC应力-应变曲线的上升段拟合系数为多项式函数关系,与下降段拟合系数为有理分式函数关系.

关键词：地聚物再生混凝土水玻璃模数尺寸换算系数应力-应变曲线本构方程

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磷酸镁水泥固化铜污染土的冻融稳定性研究

岩石力学与工程学报 2020年第S1期39卷 3123-3129页

作者：侯世伟张皓杨镇吉张瑀哲张玉龙丁兆洋沈阳建筑大学土木工程学院辽宁沈阳110168 沈阳建筑大学分析与检测技术研究中心辽宁沈阳110168

为研究重金属污染土的固化强度和长期稳定性,以磷酸镁水泥固化铜污染土为研究对象,进行基于冻融循环次数、磷酸镁水泥掺量、铜离子浓度等因素的强度和扫描电镜试验,给出冻融循环作用下固化铜污染土的无侧限抗压强度特征以及微观机制。... 详细信息

为研究重金属污染土的固化强度和长期稳定性,以磷酸镁水泥固化铜污染土为研究对象,进行基于冻融循环次数、磷酸镁水泥掺量、铜离子浓度等因素的强度和扫描电镜试验,给出冻融循环作用下固化铜污染土的无侧限抗压强度特征以及微观机制。研究表明:随着冻融循环次数增多、铜离子浓度的提高及磷酸镁水泥掺量的减少,固化土的无侧限抗压强度逐渐降低。3和12次冻融循环下固化污染土的无侧限抗压强度降低率最小,无侧限抗压强度降低率在冻融循环次数为6~9次时达到峰值。磷酸镁水泥固化低浓度重金属铜污染土的抗冻稳定效果显著,随金属离子浓度的增加固化土的冻融稳定性能降低。基于扫描电镜试验得到固化污染土的微观孔隙结构,当铜离子浓度0.5%且冻融6次时,磷酸镁水泥掺量从5%到20%,微观统计孔隙所占百分比减小17.43%,验证了强度变化机制。研究成果为我国冻土地区的重金属污染场地固化处理的长期稳定性评价提供参考,具有理论指导意义和工程应用价值。

关键词：土力学冻融循环重金属污染土固化作用无侧限抗压强度微观孔隙

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石灰石煅烧煤矸石水泥固化镍污染土特性研究

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2022年第4期38卷 618-626页

作者：侯世伟张飞陈昕张皓丁兆洋沈阳建筑大学土木工程学院辽宁沈阳110168 沈阳建筑大学工程材料检测中心辽宁沈阳110168

目的研究新型低碳石灰石煅烧煤矸石水泥材料在重金属污染土壤中的固化性能,探究其在固化污染土壤方面的潜在用途。方法通过无侧限抗压强度、电阻率、扫描电镜试验分析石灰石煅烧煤矸石水泥对重金属镍污染土的固化特性。结果无侧限抗压... 详细信息

目的研究新型低碳石灰石煅烧煤矸石水泥材料在重金属污染土壤中的固化性能,探究其在固化污染土壤方面的潜在用途。方法通过无侧限抗压强度、电阻率、扫描电镜试验分析石灰石煅烧煤矸石水泥对重金属镍污染土的固化特性。结果无侧限抗压强度随养护龄期的增长而增加,随镍离子污染质量比的增加而降低;电阻率随养护龄期的增长而降低,随镍离子质量比的增加而增大;不溶性絮状物与针状结晶物是水泥水化的主要产物。结论石灰石煅烧煤矸石水泥的掺加提高了重金属镍污染土的强度性能,改善了水泥土的微观结构。

关键词：低碳重金属固化无侧限抗压强度电阻率扫描电镜