纳米材料结构分析

纳米材料结构分析（精选12篇）

纳米材料结构分析 第1篇

1 金属材料腐蚀类别

1.1 金属性化学腐蚀

金属性化学腐蚀主要是各类金属材质和非极性物质进行接触后产生一系列化学反应, 在反应过程中, 会对金属材料产生腐蚀性侵害, 该化学反应是一种纯粹的化学变化, 其再现了金属腐蚀过程的化学反应。在金属性和工艺介质接触时, 金属材料和非电解质发生化学方应, 且在反应过后产生附着物, 这种现象在电子转移过程中没有出现, 其电流的形成条件不成熟, 其反应状态与动力学机理相吻合。

1.2 金属电化学性腐蚀

在金属反应的腐蚀性侵害中, 具有电化性腐蚀性质的金属材料和化合溶液之间极易发生化学反应, 金属原子失去电子表现出的阳极区和非物质性原子失去电子表现出的阴极区域反应会同时存在, 这种情况下会产生电流, 且流动比较明显。其具体反应与电化学反应具有吻合性, 因此, 可以将电化学腐蚀分为以下几种类型:第一是氢气原子腐蚀;第二种是吸氧溶液的电解质腐蚀。因此, 可以将钢铁一类的金属物质想象成在湿热环境下的腐蚀过程, 这些金属表面附着一层水气, 水气与大气中的二氧化碳发生水溶性反应, 产生大量的酸性溶液, 该情况下, 金属铁离子会产生电化学反应。电化学反应过程中, 一些阳性的铁离子在氧化中失去, 在金属结构中, 阳极电流流向阴极, 从而释放出来, 并出现大量的金属氧化物和非金属阴极, 这就是铁锈蚀物。

2 金属材料的预防腐蚀手段改进

2.1 在金属表面构建防护层

(1) 就金属材料的磷化处理而言, 这种处理方法主要是清除金属材料表面的油污以及锈蚀物, 之后再将金属材料放入磷酸盐溶液中进行浸泡, 一段时间后, 金属材料表面就会有出现一层难溶于水的磷化物, 这层磷化物可以作为金属的保护膜附着在金属表面, 我们把这一处理过程称作金属的磷酸盐化。金属材料经过磷酸盐化处理后, 其表面就会出现暗灰或者深灰色, 且在金属材料表面有5~20μm厚的保护层, 他具备的良好耐腐蚀性, 能使其在空气中得到良好的保存。金属材料经过磷酸化处理后, 其表面形成的膜状物具有多孔性和极强的油漆吸附能力。如果能将金属物的底层进行磷酸化处理, 并生成膜状保护物, 可以增强金属的耐腐蚀性能。

(2) 就金属材料的氧化膜处理工艺而言, 这种处理方法主要是将氢氧化钠及亚硝酸钠混合后形成的溶液进行加热处理, 并将这种溶液涂抹在金属材料表面, 在金属材料的表层会形成耐腐蚀的蓝色氧化物结构膜, 我们通常将这种处理方法称为“发蓝处理”。如果想提高金属材料的抗腐蚀性能, 必须要对金属进行发蓝处理。金属材料经过发蓝处理后, 形成的氧化物保护膜在机动性及黏润性上极强, 经过发蓝处理后的金属材料, 其加工精度不会再受到影响。如一些精密零件及科研类型的零件在经过发蓝处理后, 防腐蚀性能变强。

(3) 非金属涂层粉刷。对喷漆处理工艺而言, 金属表面的防腐处理比使用塑料涂刷进行防腐, 质量略低。一般情况下, 会用比较鲜明的颜色在金属表面用塑料进行密实平整涂刷, 使其不仅可以起到防腐的作用, 还能美化金属表面, 因此, 该处理工艺在很多领域得到广泛应用。

2.2 重防腐油漆涂装防腐工艺

重型防腐油漆涂装防腐工艺可以使金属材料的表面得到美化, 且这种工艺的处理方法简单, 因此, 其被广泛应用。现阶段, 这种处理工艺在钢铁桥梁等一些金属制品表面的防腐处理方面已得到广泛应用, 且这种处理工艺已成为首选。对重型防腐涂料而言, 国际上知名防腐油漆及国内制造的一些品牌涂料的制作过程非常相近, 这些防腐材料都有数层喷涂结构作为依托, 这些防腐材料主要分为底面漆、中层漆及在金属表面喷涂的材料。

2.3 热喷涂防腐工艺

(1) 火焰喷涂处理:熔化细微金属丝或粉末利用可燃气体组分的燃烧反应所放出的热量当作热源, 这种工艺属于火焰喷涂工艺。火焰喷涂处理方法主要是在对涂料进行雾化处理后再将其喷涂到所要保护的金属材料表面。西方国家很早就开始用这种处理工艺进行金属材料的防腐蚀处理, 且在金属材料防腐蚀方面取得了丰硕的研究成果。

(2) 电弧喷涂工艺:电弧喷涂处理工艺的处理方法是在要喷涂的金属材料表面放置两根已通电的金属丝, 且将金属丝进行加热融化处理, 使融化后的金属丝在金属表面形成一层保护膜。金属材料表面有了这层保护膜, 再加上一层全封闭型的防腐材料, 金属材料表面就可以得到长久的防腐保护。

2.4 离子注入工艺

离子注入工艺在20世纪70年代就已出现, 这种处理工艺主要是对金属材料表现进行改良处理, 其与传统处理工艺存在很大差别。这种处理工艺具有的高能量物质会对金属材料表面形成高速冲击, 改变金属材料表面的性质。如果在真空状态下使用该工艺进行金属材料表面的防腐蚀处理, 其产生的高能量F粒子在进入金属材料表面前得以加速, 从而调节了金属材料表面的组成特性, 在金属材料表面形成高度饱和的固溶体, 大大提高了金属材料的耐腐蚀性。

2.5 热浸镀防腐技术

热浸镀防腐技术主要是使用一些熔点较低的金属, 比如:锌、锡、铅和铝, 将这些熔点较低的金属融化后当作防腐蚀涂料, 并且将其均匀涂抹在需要做防腐蚀处理的金属材料表面。通常说的镀锌就是这样一种防腐蚀金属材料, 使用该防腐蚀涂料, 辅之运用热浸镀技术, 就可以使经过防腐蚀处理后的金属材料在易受腐蚀的环境下长期使用。

3 结语

金属材料表面进行良好的防腐蚀处理能延长金属材料的使用寿命, 减少设备方面的金属材料损失。以金属材料表面涂层技术为基础, 金属材料的耐腐蚀性能得到大幅度改善, 在节约能源的同时, 保护了环境。

随着科技的发展, 我国在金属防腐蚀领域的研究越来越多, 鉴于金属的腐蚀对设备性能以及环境的影响, 要从设备维护和环保方面出发, 不断提高金属防腐蚀技术, 并在各行各业中利用各种金属防腐材料及防腐蚀技术, 不断加深对金属防腐蚀技术及材料的研究。金属的防腐蚀作为设备维护的一项重要工作, 在生活以及工作领域已得到越来越高的重视, 社会在进步, 科技在发展, 金属防腐蚀技术也会得到进一步的发展。

摘要：本文对金属材料的反腐涂装结构进行分析, 解决各行业均有的金属腐蚀问题, 减少金属腐蚀带来的危害, 认真分析原因并做好相关防腐处理工作, 以便减少或消除金属腐蚀带来的负面影响。

关键词：金属材料,防腐蚀,涂装结构

参考文献

[1]李润生.金属腐蚀与防护[J].表面工程资讯, 2010, (4) :20-25.

[2]吴国波.金属材料的腐蚀与防腐措施研究[J].科海故事博览, 2009, (8) :50-52.

[3]唐委校.过程设备焊接结构[M].北京:化学工业出版社, 2010:121.

无机材料显微结构分析半开卷复习题 第2篇

一、名词解释

1、光性均质体/光性非均质体

2、双折射

3、光率体/光性指示体

4、光性方位、5显微结构

二、作图题

1、一轴晶负光性光率体的三个主要切面

2、二轴晶正光性光率体的光轴面（标明各主轴及光轴的位置）

3、二轴晶负光性光率体的光轴面（标明各主轴及光轴的位置）

三、问答题：

1、光在什么条件下产生双折射？双折射形成的偏光有何特征？

2、简述一轴晶、二轴晶晶体的光性方位。

3、一轴晶、二轴晶之光性正负如何确定？

四、计算题

1、平行金红石（四方）（100）晶面取一薄片，在折射率仪中测得C轴方向为2.616，垂直C轴方向为2.832；试绘出其光率体，并写出最大双折射率及其光性正负。

2、平行莫来石（斜方）斜方柱面（110）取一切面测得最大折射率为1.654，垂直斜方柱面另取一切面（001）面测得其折射率变化在1.644-1.642之间。已知光轴面//（010），试绘出其光率体并写出最大双折射率、光性符号、光性方位。

第2章复习题

一、名词解释

1、消光

2、光程差

3、干涉色级序

4、补色法则

5、平行消光

6、对称消光

7、延性符号

8、消色

二、判断题

1、同一放大倍数的物镜，其数值孔径愈大分辨率愈高。

2、目镜与显微镜的分辨率无关，它只是把物镜放大的像进一步放大使眼睛看见而已。

3、解理缝的宽度和清楚程度只与矿物解理的完善程度相关。

4、镜下矿物颜色的浓度仅与该矿物的吸收能力有关。

5、矿物的多色性与薄片的厚度有关，薄片愈厚，多色性愈不明显。

6、干涉色级序的高低完全取决于光程差的大小。

7、两个晶体薄片在正交镜间45o位置异名轴重叠后，它们的干涉色总比重叠前要低。

8、正交偏光镜下晶体薄片与石膏板同名轴重叠，干涉色升高一个色序。

三、作图题

1、显微镜下的自形晶、半自形晶、及他形晶

2、贝克线的形成原因图示

3、平行消光、斜消光及对称消光

4、晶体消色时的晶体光率体与补色器光率体的位置与方向

四、问答题：

1、偏光显微镜在使用之前要进行哪些调节与校正？调节焦距时应怎样做？

2、在镜下怎样测量矿物晶体两组解理的夹角？

3、什么是贝克线？它是如何产生的？并用图示出贝克线的形成原因？移动规律是什么？有什么作用？

4、糙面是怎样形成的？

5、光程差与哪些因素有关？它影响干涉与消光的结果情况如何？

6、怎样测晶体切片的干涉色级序？

7.设橄榄石晶体薄片厚度0.03mm，三个主轴分别为：Ng=1.689, Nm=1.670, Np=1.654，其垂直Bxa切面和垂直Bxo切面上的光程差为多少？平行光轴面的切面又具有什么样的光程差？

8、普通辉石为正光性二轴晶，在正交偏光下其最高干涉色为二级黄（光程差为R＝880nm），⊥Bxa切面具有一级亮灰干涉色（光程差为R＝210nm），已知Ng-Nm=0.019，求薄片厚度。

第3-5章复习题

一、名词解释（每题3分）

1、反射率

2、陶瓷釉

3、刚玉瓷

4、纤维/晶须

二、问答题：

1、影响反射率的因素？

2、如何评价氧化铝陶瓷的显微结构？

3、防止滑石瓷老化的措施？

4、简述板状刚玉、电熔白刚玉及电熔棕刚玉制备和显微结构特点。

5、烧结镁砂、海水镁砂和电熔镁砂在制备方法和显微结构上各有何不同？

6、从玻璃熔窑室顶上取下一块用后的硅砖，请对其结构演变进行分析。

7、简述硅酸盐结合镁铬砖、直接结合镁铬砖和电熔再结合镁铬砖制备方法和显微结构的不同。

纳米材料结构分析 第3篇

关键词：路面；结构；材料；应用

随着科技的不断发展，路面结构及路面材料技术也有了较大的提高。路面结构能够针对不同的道路来设计针对性的结构，并且在很大程度上对日后的应用产生积极作用，路面材料技术在应用的时候，可以降低工程成本，提高工程质量，从根本上保证在日后的发展中，我国的道路能够持续性的使用，减少检修次数。本文主要对路面结构及路面材料技术在工程上的应用进行一定的分析。

一、路面早期损坏现象机理分析

对于公路来说，在长久的应用当中，除了自然当中的日晒雨淋，还有过多的车流量以及超重的影响，这些因素都会对路面造成一定的损伤，从而导致公路不得不检修。另一方面，即便检修合理，并且恢复到了以往的质量，在本质没有改变的情况下，一定会让公路再次受损。应用路面结构及路面材料技术能够帮助工程更好的修建，在源头将问题彻底解决。在此，本文首先对路面早期损坏现象机理进行一定的分析。

（一）半刚性基层引起收缩裂缝的反射缝问题

在目前的公路应用当中，半刚性基层引起的收缩裂缝的反射缝问题是非常严重的，不仅影响了公路交通的日常工作，同时对出行的人们和车辆造成了客观上的威胁。从目前的情况来看，这个问题在我国的发生概率较高，各省市地区的交通道路具有一定的类似问题发生。在日后的工作当中，必须彻底解决这个严重的安全隐患，否则很有可能造成较大的事故。经过一定的研究，产生半刚性基层引起收缩裂缝的反射缝问题的主要原因是：在路面交通荷载重复作用下，半刚性基层的干缩裂缝和收缩裂缝会扩展到沥青路面面层形成反射裂缝而具有弱点。由于半刚性基层中细颗粒部分较多，比例一般超过20%。半刚性基层中的粗集料已经不能或很难形成嵌挤，完全成为一种悬浮密实状态。从以上的表述来看，只有从源头来解决问题，才能避免反复的情况发生。

（二）唧浆问题

公路经过多年的发展，在很多方面都表现出了一定的积极效果。但是在经济迅速发展的情况下，人们的出行率有所增加，社会对公路的需求也有所上升，再加上旅游旺季等一系列因素的作用，我国很多地区的公路都因为压力过大，因此产生了唧浆问题。目前国、省道多数采用沥青碎石路面，沥青碎石路面由于空隙率大、抗渗性差，公路建成后，来自沥青层及基层的水将积存在基层表面，无法通过基层排走，受地表水侵蚀以及各种外因条件的影响，路面早期容易出现唧浆病害，进一步发展导致路面大面积破坏。唧浆问题的发生不是偶然现象，过去也有发生唧浆问题，但是并没有现阶段如此严重。从客观的角度来说，要想彻底解决唧浆问题，就需要应用路面结构及路面材料技术，在改变公路内部架构和本质的同时，对公路质量实施巩固性的措施，只有这样才能将唧浆问题完全解决，防止再次发生较大的危害事件。

（三）半刚性基层与沥青层之间的连结问题

除了上述的两个问题以外，我国公路的早期损坏还有半刚性基层与沥青层之间的连结问题。公路的设计并不是将所有的材料铺到路面上就可以的。虽然部分材料的性能比较优越，但是在实际的施工当中，材料和材料之间也会产生一定的矛盾和冲突，从而严重影响公路的使用寿命。从现有的情况来看，我国在沥青层施工过程中往往不恰当地要求先将沥青层下面层修通，这中间开挖中央分隔带，埋管道、绿化、安装护栏等施工使路面污染严重，致使多条高速公路均不同程度出现了较严重的车辙，这不仅使路面平整度变差，影响行车安全，而且很快出现推移、网裂、坑洞、坑槽等早期病害。由此可见，半刚性基层与沥青层之间的连结问题已经到了非常严重的地步，如果得不到妥善的解决，势必影响我国的道路安全和地区之间的经济发展。在以后的工作当中，半刚性基层与沥青层之间的连结问题必须作为首要解决的问题，只有这样才能在客观上和主观上满足公路的修建要求。

二、路面结构及路面材料技术在工程上的应用

（一）路面结构

为了更好的解决路面损坏当中的问题，同时进一步巩固公路的质量，本文主要以A至B段的高速公路为例。在路面结构方面，运用旋转振动（GMT）技术，设计沥青混凝土、水泥稳定碎石的骨架密实型的配合比，控制沥青、水泥用量，使得沥青混凝土SMA的密度达到2.48kg/cm。水泥稳定碎石的水泥用量控制在3% 以下，其密度达到2.44 kg/cm 左右，强度控制在4--5MPa。通过应用上述的路面结构及路面材料技术，路面损害的部分问题得到了很好的解决。另一方面，由于我国的公路数量较多，因此A至B段的高速公路仅仅能够代表一部分的公路，要想让每个地区的公路问题都得到解决，还需要根据自身的实际情况，适当的改良技术，在数值方面也要追求符合實际，否则很难将问题彻底解决。

（二）路面材料

对于公路来说，材料的应用具有决定性的影响。首先，材料分为原材料和加工材料，两种材料拥有各自的优势，有些时候要配合使用，有些时候要分开使用。为了避免上述半刚性基层与沥青层之间的连结问题的再次发生，必须有效利用材料，将不同材料的实际功能充分发挥出来。在A至B段的高速修建当中，沥青下面层采用70号沥青，稀浆封层、中上面层采用SBS改性沥青，沥青软化点在65℃以上。粗集料碎石首先选开采有一定时间、基本没有风化岩的石质为优质石灰岩的石料厂。再要求厂家对碎石设备、筛分设备进行改造。生产现场派驻监理，从石头爆破、到各级碎石都要派人捡除风化石。细集料采用优质机制砂和矿粉。通过以上路面结构及路面材料技术的应用，相关问题得到了很好的解决，并且基本上没有复发过。另外，我们在应用路面结构及路面材料技术的时候，必须完全清楚每一种材料的优势和劣势，力求在综合运用中，达到一个理想的效果。

（三）施工控制

应用路面结构及路面材料技术的一个容易被忽略的环节就是施工控制，以我国的发展来看，施工控制并没有达到一个理想的效果，导致路面结构及路面材料技术在工程上应用的时候，产生了较大的阻碍。本文认为，在施工控制方面，必须要从以下几个方面出发：第一，有关路面结构及路面材料技术的设备必须控制其有效应用，避免长时间作业引起的故障；第二，有关路面结构及路面材料技术的施工人员要合理安排施工时间，同时对天气情况要有一个综合的了解，避免客观上的因素对公路质量产生影响。只有在施工控制方面，做到一个较高的水准，才能让路面结构及路面材料技术发挥出真正的功效。

三、结束语

本文对路面结构及路面材料技术在工程上的应用进行了一定的分析，同时在公路现存的问题进行了一定的阐述。以我国目前的发展情况来看，路面结构及路面材料技术还是需要不断的优化，只有从根本上强化技术，正确应用，才能保证公路的质量。相信在日后的工作当中，我国公路的质量和使用寿命会进一步的提高。

参考文献：

[1]哈国文.高速公路车辙病害综合防治体会[J].甘肃科技纵横，2011（03）.

[2]吕志刚，王鹏，盛安连.基于ARM7车载式高速公路平整度测试仪研制[J].自动化与仪表，2010（10）.

关于橡胶材料的结构与黏弹性分析 第4篇

关键词：橡胶,材料,结构,黏弹性,分析

橡胶是加工经提取的橡胶树等植物的胶乳后制成的具有绝缘性并且隔绝空气与水的高弹性高分子化合物, 分为天然橡胶与合成橡胶等种类。橡胶材料由于其稳定的化学结构具有高弹性和良好的耐磨性和耐酸碱腐蚀性等优势, 因此广泛应用于交通运输、医疗卫生和生活用品等工业与生活各方面。橡胶材料在制作过程中需加入炭黑等补强剂以提高橡胶的强度、弹性和耐磨性。本文主要探讨橡胶材料的结构对其黏弹性的影响。

一、橡胶材料的结构

1. 线型结构

线型结构是未经硫化橡胶的普遍结构, 硫化是橡胶材料在一定条件下, 橡胶大分子由线型结构转变为网状结构的交联过程, 未经此过程则形成线型结构。由于橡胶材料分子量巨大, 因此在无外力作用的情况下, 大分子链呈现无规则卷曲线团状。但是当经过外力作用再取消外力后, 大分子线团的纠缠度随之发生改变, 造成分子链反弹并产生强烈的复原倾向。

2. 支链结构

橡胶材料呈支链结构时, 大分子链的支链会聚集形成凝胶。凝胶对橡胶材料的性能和加工都会造成不利影响, 会阻隔橡胶加工时补强剂的使用, 并且无法在橡胶内部形成补强与交联, 导致橡胶材料质量薄弱。

3. 交联结构

橡胶内线型分子在硫化过程中通过原子和原子团的架桥互相连接, 形成三维网状结构, 并且随着硫化进程的深入, 网状结构形成力度与速度也会不断增强。这会造成分子链段的自由活动能力下降, 且其可塑性和伸长率也不断下降, 从而使橡胶的强度、弹性和硬度得以提升。

二、橡胶材料结构对橡胶黏弹性的影响

硫化胶是支链结构中支链聚集形成的凝胶与交联结构中缠结橡胶相结合形成的呈互穿网络结构的一种橡胶材料, 炭黑混炼胶中存在的松散结合橡胶则通过一定数量的吸附点将分子链组成三维立体网络, 贯穿于上述互穿网络。炭黑橡胶凝胶对混炼胶的流变行为等黏弹性均会造成一定影响。

1. 橡胶及其影响因素

橡胶大分子链进入炭黑等结构密度较大的补强剂缝隙中, 并受动力学影响形成“结构化”形态, 炭黑混炼胶呈支链结构并会产生橡胶凝胶 (PRG) , 橡胶凝胶中包含的橡胶即是结合橡胶 (Bd R) 。炭黑含量充足且分布均匀时, 混炼胶中的PRG在萃取过程中能够保持完整性, 并且混炼胶经萃取后与普通硫化胶的结构相似, 经显微镜观察两者结构均呈现三维立体网状形态, 只是混炼胶由于Bd R含量高于普通硫化胶, 其强度和耐磨性均有不同程度降低。但是橡胶实际制作时, 炭黑在橡胶表面及内部难以呈均匀分布状态, 且混炼胶中的Bd R分布也不够均匀, 使得PRG得以存在于黑炭表面吸附层的诸多区域, 并且炭黑混炼胶中的PRG数量也随炭黑含量的增多和炭黑聚集密度的增大而增多[1]。

2. 橡胶的黏弹性

Bd R或PRG的高玻璃化转变温度 (Tg) 可与生胶相同或略高于生胶, 炭黑内填充有丁苯橡胶 (SBR) 混炼胶, 此混炼胶内Bd R的Tg与生胶相同, 并且当混炼胶的溶剂被萃取后, 炭黑或者PRG的Tg未发生改变。炭黑对SBR的Tg不产生影响, 但是会使Bd R的Tg升高3-6℃, 当Bd R的Tg升高至一定程度时, 分子链的链段便开始运动, 使Bd R表现出高弹性质, 进而使整个分子链运动并表现出粘流性质。

炭黑混炼胶过程中Bd R尤其是Bd R内粒子表面吸附能力强的部分运动受限, 粒子表面吸附层是橡胶能够很好地吸附于炭黑表面和橡胶弹性随填料小幅度振动而大幅度下降的原因。但是橡胶吸附于炭黑表面主要是由于炭黑的不均匀性, 炭黑表面存在一些活性较大的活化点, 活化点中包含的不配对电子使得橡胶与炭黑发生化学反应, 这种化学吸附能力远大于粒子表面吸附层作用。化学吸附使得Bd R中的分子链能够比较容易地在炭黑表面移动并且不易与炭黑脱离, 这样Bd R与炭黑之间就形成了能够滑移的且坚固的键, 也便产生了第二次补强效应。

第一次补强效应为Bd R在外力作用下, 分子链的滑移及粒子表面吸附作用能够吸收外力的冲击并对外力引起的摩擦或滞后形变起到缓冲作用, 第二次补强效应则主要使外力能够均匀分布。这两种补强效应相结合有助于增强Bd R强力, 抵抗外力对Bd R的破坏, 从而将对Bd R黏弹性的损害降至最低[2]。

3. 橡胶与橡胶黏弹性的关系

炭黑表面的吸附层与扩散至炭黑缝隙中的粒子均对橡胶力学性能有积极作用。Bd R中高分子量组分形成吸留橡胶, 能够增大逾渗阈值的数额即扩大分子体积从而影响橡胶材料黏度。另外橡胶中的粒子与橡胶自身相互作用可提高Bd R含量, 并且使橡胶弹性受填料振动的影响降低。相关研究指出橡胶中Bd R含量与橡胶混炼时的黏度存在一次函数关系, 即橡胶黏度随着Bd R含量增加黏性也会相应提升, 也就是说当渗入炭黑的粒子结构不相同时, 其渗透所形成的混炼胶黏弹性大小取决于橡胶中Bd R含量的多少[3]。

混炼胶在粘流态时的形变行为变化与橡胶中的Bd R老化密切相关, 橡胶在储存和制作过程中, 容易受光热、机械应力等内外因素的共同作用引起物理化学特性和机械性能的破坏, 因此会造成混炼胶存储过程中产生流变行为。随着炭黑以较慢速度聚集, Bd R中高分子量组分逐渐增多并在附着于炭黑表面的吸附层, 致使混炼胶完成硫化定型, 从而使得橡胶黏弹性随Bd R含量增大而线性增加。

结束语

橡胶材料在使用一段时间后, 由于使用过于频繁、热度过高和雨水破坏等原因会发生不同程度的老化和滞后损伤, 利用橡胶材料结构的改变增加其黏弹性能够有效降低橡胶材料的磨损程度, 并减缓其老化速度, 因此研究橡胶材料结构对其黏弹性的影响具有现实意义。工业用橡胶材料多加入炭黑等补强剂, 炭黑的使用能够与橡胶自身发生化学反应, 从而改变橡胶内部结构, 对橡胶的黏弹性变化产生积极影响。

参考文献

[1]宋义虎, 等.橡胶材料的结构与黏弹性[J].高分子学报, 2013, 20 (09) :1115-1125.

[2]杨加明, 等.多层黏弹性复合材料结构阻尼性能优化设计[J].航空学报, 2011, 32 (02) :265-269.

纳米材料结构分析 第5篇

7月，甘肃省建设厅节能办公室、甘肃省墙体改革领导小组办公室、甘肃省建筑科学研究院的专家会同“黄土塬区(庆阳市)墙体材料资源化及节能方案研究课题组”进行了关于“甘肃省非中心城市节能墙体材料的结构现状及前景分析”的专题交流会。会议就甘肃省节能墙体材料的现状和前景提出了意见和建议。本文即为课题组结合庆阳市节能墙体材料的研究、在此次会议基础上完成的。

摘 要：在地处世界黄土堆积层最厚的黄土高原上的甘肃省，黄土资源相当丰富，黏土多孔砖墙体仍是被许可的一个相对可行的墙体结构方案。根据对最具有典型代表性的甘肃省非中心城市——庆阳市的节能墙体材料的调查研究，分析了西北经济欠发达地区节能墙体材料的结构现状及应用前景，并提出了相应的建议。

一、引言

西北经济欠发达地区建筑标准偏低，采暖能耗高，能源浪费大，建筑节能更是势在必行。基于此，结合建筑节能课题研究，作者以甘肃省非中心城市——庆阳市作为典型代表，与庆阳市墙改工作领导小组办公室和庆阳市建设工程造价站一起，通过对陇东学院在建的6#、7#学生公寓楼和2#实验楼应用节能墙体材料情况进行现场抽样、技术经济指标测算和一系列研究，来分析西北经济欠发达地区节能墙体材料的结构现状及未来前景。

二、甘肃省非中心城市节能墙体材料的结构现状

实心黏土砖的生产不符合国家节能节地政策，必将逐渐被淘汰。但从甘肃全省范围来看，当前承重墙的墙体材料主要还是黏土实心砖、黏土空心砖和混凝土小型砌块等。这是因为甘肃地处世界黄土堆积层最厚的黄土高原上，生产烧结黏土砖的黄土相当丰富。在经济比较落后的非中心城市，过去有许多生产黏土砖的砖厂，这些乡镇企业生产技术成熟，如转产多孔砖，将在改善材料热工性能、提高建筑舒适度、节能节地等方面取得成效。从这些情况考虑，经济欠发达的非中心城市发展烧结多孔砖及其结构体系，在今后相当一段时间内将是一项可行的技术方案。目前，甘肃省已经制定出相应的规程及构造图集，今后只要进一步加强生产企业的管理，提高产品质量，保证措施配套，多孔砖结构体系在多层住宅建筑中还将是一个比较经济可行的方案。

由于甘肃省建筑结构体系在节能节地方面的还存在不足，寻求一种在多层建筑领域内能替代烧结黏土砖的结构材料，一直是建筑科技工作者的一项重要任务。近10年来，借鉴国内外经验，得到了一个基本共识，即从综合因素(包括节能节地等方面)考虑，以水泥、砂、石为基本材料的混凝土小型空心砌块是传统烧结黏土砖的最主要替代产品。生产混凝土小型空心砌块所用的骨料(砂石)系地方材料，在我国西北地区均比较普遍，所用的胶结料(水泥)系我国的长线产品，砌块生产既可以采用大型机械化生产线，也可以采用中小型机具，而且质量一般可以得到保证。另外，经过这些年的研究，可以认为，通过芯柱、构造柱与圈梁等可靠连接，小型砌块结构完全可以满足甘肃地震区对结构抗震性能的要求。尽管混凝土小型空心砌块在使用中还存在一些问题，但从长远的眼光来看，混凝土小型空心砌块必将在西北经济欠发达地区得到进一步的发展。

三、几种墙体材料经济技术指标分析

现以陇东学院6#、7#学生公寓楼和2#实验楼的结构材料方案为例比较几种墙体材料的经济技术指标。陇东学院6#、7#学生公寓楼为6层砖混结构，单体建筑面积均为5786.03m2。根据研究需要，结合工程实际，6#学生公寓楼墙体材料采用黏土多孔砖(240mm×115mm×90mm)，7#学生公寓楼墙体材料采用黏土实心砖(240mm×115mm×53mm)，然后对这两种方案进行经济测算和对比分析。

陇东学院2#实验楼为5层框架结构，建筑面积为9883.03m2，基础采用钢筋混凝土柱下交梁基础。根据研究需要，结合本工程实际，内隔墙除采用轻质五防板外，其余填充墙体材料采用了黏土空心砖

(240mm×240mm×115mm)和混凝土小型空心砌块(390mm×290mm×190mm)两种方案，然后对这两种方案进行经济测算和对比分析。

1、测算内容及范围

墙体所消耗的砖、砂、石及人工指标和墙体材料的物理、热工性能指标，其中，学生公寓楼墙体体积2507.37m3，实验楼墙体体积836.98m3。

2、测算依据

现行甘肃省预算定额，庆建发[2004]69号文件2004年第一期建设工程一类材料指导价。

3、测算结果与经济技术指标分析(见表

1、表2)

4、结论

(1)墙体采用黏土多孔砖比之采用黏土实心砖，可降低造价2036.75元，单位面积造价降低0.35元/m2，降低率为0.6%；可节约1102个工日，节约率为25.9%。

(2)墙体采用黏土多孔砖比采用黏土实心砖可节约黏土31.9%，减少用地，降低能耗，满足建筑节能的要求；墙体自重可减轻22.0%，基础宽度可随之减小，工程造价也将随之降低；黏土多孔砖与黏土实心砖的强度等级相当。这是因为，黏土多孔砖与黏土实心砖相比，虽然孔洞的客观存在减少了砖的有效承载面积，但由于挤出成型时压力较大，黏土多孔砖外壁的致密度提高，补偿了因承载面积减小造成的强度损失。

(3)黏土多孔砖与黏土实心砖相比，导热系数降低了48.8%，传热系数降低了16.7%，热惰性指标提高了31.9%，保温隔热性能显著提高。

(4)墙体采用混凝土小型空心砌块比采用黏土空心砖可降低造价27393.34元，单位面积造价降低1.15元∕m2，降低率为2.2%。

(5)混凝土小型空心砌块与黏土空心砖相比，强度高，表观密度小，墙体自重减轻2.7%，可降低对基础的承载要求；在减轻建筑物重量的同时，还可以节约原材料；体积大，可提高砌筑工效，加快施工进度；避免使用黏土，可达到保护环境、治理污染、节约土地、节约资源的目的。

(6)混凝土小型空心砌块与黏土空心砖相比，导热系数降低了32.4%，传热系数降低了17.1%，热惰性指标提高了7.6%，保温蓄热效果好，可以满足《节能设计标准》规定的热工性能要求。

(7)采用混凝土小型空心砌块与采用黏土空心砖相比，可以实现墙体材料生产由高能耗向低能耗转化、由重型向轻型转化、由小体积向大体积转化、由挖土毁田向节能利废转化的目标。

四、西北欠发达地区节能墙体材料的前景

(1)烧结黏土多孔砖是在普通烧结黏土实心砖的基础上发展起来的，两者的生产工艺基本接近。承重用多孔砖的空洞率一般约为25%～30%，强度有7.5、10、15、20、25、30等几个等级，目前主要有PK型和DM型两种。PK型多孔砖的主规格尺寸为240mm×115mm×115mm，导热系数为0.5～0.7W/mK，其中的PKI型是甘肃省早期用作多层住宅承重墙体的主要材料。PK型多孔砖的生产工艺简单，价格低廉(仅比普通空心砖略高)，墙体承重也有所减轻(约比普通空心砖墙体降低20%)，墙体热阻也比普通实心砖要大，是甘肃省为满足第一阶段节能要求而推荐的主要承重材料。但是由于这种产品墙体热阻提高不多，一般厚度为370mm的墙体仍然不能满足第二阶段节能的要求，因此，建材生产部门在PK型多孔砖的基础上，进一步增大块体的空洞率(大于30%)，并使其主规格尺寸与当前提倡的建筑模数相吻合，生产出主规格尺寸为190mm×190mm×90mm的模数多孔砖(即DM砖)，其导热系数经测定可达0.3～0.5W/mK。在寒冷地区，一般厚度(400mm)可基本满足第二阶段节能的要求，且生产成本增加不多。应当说，烧制模数多孔砖在今后相当一段时期内，在我国西北经济不甚发达、并且黄土资源又很充裕的地区，还是一个相对可行的墙体结构方案。

(2)普通混凝土小型空心砌块的原材料是水泥、砂、石，生产规模可大可小，无需大量挖土，同时由于空洞率较大(一般均大于40%)，墙体的重量相对于实心砖要轻一些。近几年来，混凝土小型空心砌块在我国西北地区得到了长足的发展，有些地区已发展成为承重墙体的主要材料。不过，混凝土小型空心砌块发展水平极不均衡，在甘肃省非中心城市，承重用的混凝土小型空心砌块才刚刚开始起步，仅有少数几家单位在筹备生产线。可以预见，从西北地区范围来看，混凝土小型空心砌块作为承重墙体的主要材料必将得到进一步发展和完善，并逐步取代黏土实心砖和黏土多孔砖，在多层住宅建筑中得到广泛地应用。

五、几点建议

搞好建筑节能是既经济又合理的民心工程，应该动员全社会共同努力，加快实现预期节能目标。根据西北经济欠发达地区当前情况，提出以下几点建议。

(1)推行建筑节能必须是政府行为。目前，绝大部分建筑的建设者、使用者和管理者三方面是分离的，经济上没有直接的利害关系，建设者往往着眼于少花钱多盖房子，重建筑面积，轻使用功能。如果采用建筑节能措施，虽增加了少量投资，却能取得很大效益。所以，从持续发展的战略出发，从维护国家的整体利益和人民群众的长远利益出发，建筑节能必须进行政府干预。

(2)西北经济欠发达地区的资金短缺，所以必须优化节能方案，充分利用有限的节能投资。这就要求我们首先应该选择那些投资少、回收期短的节能方案。当然，要想节约节能投资，就必须有好的节能材料。对于不断涌现的质优价廉的节能产品进行推广的同时，还应结合当地资源，积极开发研制出成本低、重量轻、强度高的优质节能材料，从而使本地区的建筑节能工作迈上一个新的台阶。

纳米材料结构分析 第6篇

一、纳米晶的结构特征

纳米晶内部结构的高度均一，使纳米晶成为构筑纳米有序结构材料极具潜力的结构单元，并且由于纳米晶的粒径处于纳米级别的尺度，使之具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等一些特殊的物理效应。

1.小尺寸效应。纳米颗粒的尺寸与光波波长、传导电子的德布罗意波长及超导态的相干波长或透射深度等物理特征尺寸相當或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒表面层附近原子密度减小，纳米颗粒表现出新的光、电、声、磁等体积效应，其他性质都是此效应的延伸。

2.表面效应。纳米微粒表面原子与总原子数之比随纳米粒子尺寸的减小而急剧增大，随着粒径减小，表面原子数迅速增加，微粒的比表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。由于表面原子数的增多，原子配位不足，导致纳米微粒表面存在许多悬键，表面活性很高，极不稳定，同时也引起表面原子电子自旋构象和电子能谱的变化。

3.量子尺寸效应。当粒子尺寸下降到某一值时，金属材料的费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，而半导体材料则能隙变宽，以及由此导致的不同于宏观物体的光、电和超导等性质。具体到不同的半导体材料，其量子尺寸是不同的，只有半导体材料的粒子尺寸小于量子尺寸，才能明显地观察到量子尺寸效应。

4.宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。

二、纳米晶材料的性能

半导体纳米材料的尺度是处于原子簇和宏观物体的交界区域，是介于宏观物质与微观原子或分子间的过渡亚稳态物质，它有着不同于传统固体材料的性能，并且表现出奇异的力学、光学、电学、磁学、热学和表面活性等特性。

1.力学性能。由于纳米材料晶界原子间隙的增加和气孔的存在，使其杨氏模量减小了30%以上，此外，由于晶粒减小到纳米量级，使纳米材料的强度和硬度高于粗晶材料4-5倍。晶界对于物质的力学性能有着重大的影响，纳米晶材料的晶粒尺寸极小而均匀，且晶粒表面清洁对于力学性能的提高都是有利的，因此纳米晶材料的力学性能与大晶体材料相比有着许多优点。

2.光学性能。纳米材料与常规材料在结构上有很大差别，特别是在电子态、缺陷态和能级态结构方面，突出表现在小尺寸颗粒和庞大体积分数的界面，界面原子排列和键位的组态的无规则性较大，使纳米晶材料的光学性能出现一些与常规材料不同的新现象。

表面效应和量子效应对纳米材料的光学特性有着很大的影响，使其表现出优异的光学性质。纳米晶半导体随着颗粒粒径的减小，带隙随之增加，因而导致光吸收谱和发射谱的频移。

3.电学性能。由于纳米材料晶界上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导，金属向绝缘体转变，在磁场中材料电阻的减小非常明显。Gleiter等人对纳米金属Cu、Pd、Fe块体的电阻与温度关系进行了系统的研究，结果表明纳米材料的电阻高于常规材料，电阻温度系数强烈依赖于晶粒尺寸，当颗粒小于某一临界尺寸（电子平均自由度）时，电阻温度系数可能由正变负，而且纳米材料的电学性能决定于其结构，如随着纳米碳管结构参数的不同，纳米碳管可以是金属性的、半导体性的。

4.磁学性能。当晶粒尺寸减小到纳米级时，晶粒之间的铁磁相互作用开始对材料的宏观磁性有重要的影响。Herzer研究指出，当Fe基非晶薄带经适当退火处理具有纳米晶结构时，材料的各向异性和矫顽力明显下降而具有更为优异的软磁性能。纳米晶粒的磁各向异性与晶粒的形状、晶体结构、内应力以及晶粒表面的原子有关，与粗晶粒材料有着显著的区别，表现出明显的小尺寸效应。

5.热学性能。由于纳米材料界面原子排列比较混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱，因此，纳米材料的比热和膨胀系数都大于同类粗晶和非晶材料的值。纳米金属或合金的比热比同类粗晶材料可高出10%～80%，而纳米微粒的熔点、晶化温度和开始烧结温度均比常规粉体低很多，这是因为颗粒小，纳米微粒的表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远远小于大块材料，纳米粒子熔化时所需增加的内能小于大块材料，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。

6.表面活性。随着纳米微粒粒径减小，比表面积增大，表面原子数增多及表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键等，使得纳米微粒具有高的表面活性，适于作催化剂和贮氢材料。

除了以上提到的性能，由于纳米晶的特殊结构，纳米晶材料的超塑性、表面活性、自扩散性等都与其多晶体材料有着很大的差异。

纳米晶材料所具有的优良性能使其展现出广阔的应用前景，尤其是聚合物纳米复合材料具备特殊的结构和优异的性能，它集两者优秀的综合性能和协同效应，并且一直是物理、化学、材料学科等科学领域密切关注的重要课题之一。随着技术进步及新工艺、新方法的不断研究开发，纳米复合材料必将进一步深入到人类社会的各个方面。

泡沫材料微结构设计与弹性性能分析 第7篇

通过各种算法设计实现材料微观组织结构的数字化仿真与数值化模拟是利用计算机技术研究材料科学的主要趋势。Van der Burg和Shulmeister最先以随机Voronoi模型的胞体结构对开孔泡沫材料微结构进行了仿真与数值计算[1,2]。在统计学意义上,基于Voronoi模型的泡沫材料微结构,其胞体几何特征、分布特征与真实泡沫材料具有一定差异。对此,Lauten-sack结合球填充算法构造Laguerre图,得到了规则性更强,更符合真实结构的泡沫材料微结构[3]。在国内,卢子兴等[4]针对Voronoi模型泡沫材料的弹性性能进行了深入的讨论,而基于Laugerre模型泡沫材料微结构的数值模拟还较少。然而,采用Laugerre模型构筑泡沫材料微结构,并以此进行细观力学响应计算能更准确的反映泡沫材料微结构对其性能的影响,这对泡沫材料微结构设计具有重要意义。

本工作针对基于Laguerre模型的泡沫材料微结构仿真与弹性性能计算展开研究。对泡沫材料微结构构造、设计与表征的算法实现过程进行讨论,并基于对商业有限元软件ABAQUS前处理的二次开发,开发出一款泡沫材料微结构设计与仿真的软件,搭建“材料微结构-可视化演示-力学建模”之间“沟通”的桥梁,用于研究几何特征和分布特征对泡沫材料力学性能的影响,实现泡沫材料微结构的“性能导向型设计”[5,6],为泡沫材料微结构的可视化设计、细观力学响应计算提供基础性的仿真工具。

1 Laguerre模型

采用Laguerre算法构造的胞体结构在几何形貌和拓扑结构上与某些材料微观组织结构十分相似,通过选定合适的尺度,使得微结构达到统计学意义上的平均性质,可以获得具有与材料组织、相结构等各种组成物十分近似的材料微观组织结构的几何模型。

在d维空间中点集P = {P1(p1,w1),P2(p2,w2),,Pn(pn,wn)},其中每个点Pi均被赋予了一个权值wi。对于点p∉P和Pi∈P,定义L=d(p,pi)2-wi为点p到权值点Pi的幂距离。将到点Pi的幂距离小于等于到其他任意权值点的幂距离所构成的集合称为点Pi关联的Laguerre单胞,所有非空单胞构成Laguerre图。其单胞的数学定义如下:

由每个权值点所关联的单胞集合构成权值点集的Laguerre图[7]。从Laguerre单胞的数学定义可以看出:单胞的形成受点集空间位置与权值分布的共同影响,若权值点集中所有点的权值大小均相等,则Laguerre单胞退化为Voronoi单胞。

本研究主要讨论点集中权值非负的情况。对于负权值的点,根据单胞定义,将所有权值点加上点集中最大负权值的绝对值即可转为非负权值点集,而不会影响单胞特性。 图1 为权值大小随机分布的二维Laguerre图。

2 泡沫材料微结构仿真

泡沫材料是一种多孔材料,每个孔洞均可近似看成为多面体,具有较好的规则性。在统计学意义上,泡沫材料微结构的胞体平均面数、边数相对固定,其面数通常小于14,而每个面近似为5边形,胞体体积按对数正态分布或伽马分布。而采用随机权值点集构造的Laguerre图,其胞体形状不规则性强,几何特征亦无法控制。要模拟出更加符合真实泡沫材料的微结构,则需进行模型拟合[8]。

2.1 模型拟合

在描述泡沫材料微结构几何特征时,采用基于胞体特征的参数,即胞体的平均体积v,胞体的平均面积 ,胞体的平均面数 和胞体形状因子

根据Laguerre单胞的数学定义可知,其特征将受点的空间位置与权值大小影响,因此对权值点集的空间位置与权值大小分布参数进行定量控制,可以产生符合实际材料微结构几何特征要求的Laguerre图,完成模型拟合过程。

模型拟合是通过球填充过程来实现,用以控制胞体形状及胞体的体积分布,达到给定真实泡沫材料微结构特征的要求。球填充是在指定容积内填充一定体积分数的球体,球体之间互不重叠。球填充可以由多种算法实现,本研究采用集合重排算法来实现[9],其适合控制球体体积的分布。

在体积为V的区域内,要对N个胞体体积按对数正态分布进行拟合[10],需构造N个体积按对数正态分布的球体,球体所占体积分数为vv,其概率密度函数为:

将对数正态分布的均值与标准差用正态分布的期望μ和标准差σ 表示如下:

球体的平均体积 体积分布的标准差为σs,则体积变异系数 因此,参数vv,cv与正态分布的期望和标准差关系如下:

由于胞体平均体积 与参数vv和cv均无关,而球体vv和cv的变化将影响胞体体积标准差与几何特征。随着vv的增大,球体体积分布与胞体体积分布逐步接近,当vv>50% 时,可以确保球与胞体的体积分布基本相同[11]。图2展示了vv=50%时的球填充结果以及球体与胞体之间的关系。

由上述讨论可知,结合球填充过程构造的Laguerre泡沫模型,实现了通过控制球体体积分布达到与真实泡沫材料微结构胞体体积分布的模型拟合的目的。

2.2 泡沫材料微结构仿真流程

泡沫材料分为开孔泡沫和闭孔泡沫两种类型。Laguerre图的几何结构包括边结构,面结构和体结构,而其边结构和面结构可以用来模拟开口和闭口泡沫材料微结构。泡沫材料微结构仿真的主要过程如下:

(1)对实际泡沫材料微结构的几何特征参数进行统计分析。通过对材料进行层析成像,并使用重构的方法,可以获得材料微结构的各项几何特征数据。

从重构图像中,泡沫材料微结构的胞体体积v、面积s、直径d和面数fc的平均值与标准差都可以估算出来。

(2)利用实际材料微结构胞体几何特征的平均值与标准差,根据模型拟合过程中各参数的转换关系,计算出球填充算法所需的参数。

(3)根据球填充参数完成球填充过程,产生具有指定特征的球体集合,将球体集合作为带权点集进行Laguerre图构造,生成对应几何结构的数据文件。

(4)最后提取出数据文件中线或面的几何信息,进行开孔或闭孔泡沫材料微结构的几何建模,构造出泡沫材料微结构的几何骨架。图3分别展示了开孔与闭孔泡沫材料微结构的几何骨架。

3 Laguerre模型的应用

根据上一节的讨论,利用Laguerre图的边系统与面系统,分别对开孔泡沫和闭孔泡沫材料的微结构进行仿真,并结合球填充算法实现仿真结构与实际结构的模型拟合。

3.1 开孔泡沫材料

开孔泡沫材料的原始数据是通过层析成像图片分析获得。这里使用文献[12]中分析得到的数据,图像尺寸为670670270 像素大小,每个像素大小为70.88μm,因此图像对应于47.49mm 47.49mm19.14mm的材料尺寸。图为对层析成像图片进行重构后的结果。根据对比三个坐标轴的胞体的平均直径,沿x轴的直径是沿y,z轴的1.4286倍,因此,为了得到各向同性的结构,对x轴进行缩放,即每个像素对应为49.6151μm,即33.24mm47.49mm19.14mm。

根据文献[12]所述,其缩放后的泡沫结构胞体的体积、面积、面数、宽度的平均值与标准差如表1所示。对此开孔泡沫材料微结构进行仿真,步骤如下:

步骤1:对胞体体积分布进行模型拟合。根据体积对数正态分布的平均值与标准差,求出正态分布下的标准差 据胞体变异系数cv与σ 的关系 计算出cv=0.236,作为初次构造参数.

步骤2:以球体cv=0.236,vv=60%、胞体平均体积v-3= 59.183mm、RVE尺寸为33.24mm 47.49mm19.14mm为参数进行球填充构造带权点集并进行Laguerre图构造。提取泡沫材料微结构胞体的几何信息,其胞体特征参数的均值与标准差通过最大释然估计进行计算。

步骤3:通过调整球体变异系数cv的大小,使得体积的最大释然估计与原始数据误差达到可接受范围。当cv=0.14时,模拟得到开孔泡沫材料微结构各项参数的均值与标准差如表1所示。

步骤4:由于模拟的泡沫材料微结构在x轴的直径是y,z轴的1.4286倍,可以看成为发泡方向,其胞体被拉长,呈各向异性。因此在完成各向同性的微结构数据生成之后,需要转换成各向异性的数据。通过程序将各向同性数据在x方向按比例进行拉伸,使胞体在此方向上被拉长,引入了真实泡沫结构微结构的各向异性。图4为扫描重构与各向异性泡沫材料的微结构。

图4开孔泡沫材料微结构(a)重构结果;(b)仿真结构Fig.4 The microstructure of open-cell foam(a)reconstructed image;(b)simulation result

3.2 闭孔泡沫材料

针对闭孔泡沫材料微结构,本研究模拟的材料是一种聚合物泡沫,原始图像大小为102410242000像素,每个像素为5μm,对应于5.12mm5.12mm10mm尺寸的泡沫材料,胞体壁的平均厚度为1.7μm,其体积分数为3.6%。采用重构方法估算出闭口泡沫结构的几何特征数据,文献[8]提供的数据与模拟数据统计见表2。

采用开孔泡沫材料拟合方法,并经过数据转换,这里以球体cv=0.46,vv=60%、胞体平均体积 、RVE尺寸2.89mm2.89mm2.89mm为参数进行球填充构造并生成Laguerre图,得到胞体结构数据。同时根据最大释然估计进行数据统计分析,并与原始数据进行比较,结果如表2所示。

由于该闭孔泡沫材料微结构为各向同性,无需进行各向异性处理,可直接根据Laguerre图的原始数据,并针对其面系统进行构造,完成闭孔泡沫材料微结构的仿真,结果如图5所示。

图5闭孔泡沫材料微结构(a)重构结果;(b)仿真结构ig.5 The microstructure of closed-cell foam(a)reconstructed image;(b)simulation result

3.3 仿真软件开发

通过对泡沫材料微结构进行模型拟合,在统计意义上得到了符合真实泡沫材料微结构特征的几何数据,同时结合商业有限元软件ABAQUS进行前处理二次开发,编写了用于建立泡沫材料微结构数值计算几何模型的脚本。最终,将自主开发的Laguerre算法程序与ABAQUS二次开发的脚本进行集成,开发了泡沫材料微结构的仿真平台软件VirtualTPS。

VirtualTPS提供了友好的图形用户界面(GUI),用户可以根据GUI界面便捷的输入泡沫材料微结构仿真中需要的各项参数,软件将自动调用内核命令,实现球填充算法与Laguerre图构造过程的自动衔接,同时采用流程化、自动化的建模方式,用户无需任何繁琐的操作就可以获得泡沫材料微结构的仿真结果,明显提高了仿真效率。图6为泡沫材料微结构仿真软件的参数输入界面。

4 闭孔泡沫弹性模量的数值分析

4.1 有限元建模过程

材料的微结构对材料性能有着重要影响。在对材料进行研究时,要获得材料微结构与性能之间的关系,通常需要进行大量的实验和计算。本研究将采用有限元数值计算的方法,通过改变泡沫材料微结构的几何特征,研究不同几何参数下材料所展现的性能。以下主要针对各向同性闭孔泡沫材料进行数值分析,研究低密度范围内(0.1<ρ/ρs<0.3)微结构的相对密度与胞体变异系数对泡沫材料弹性模量的影响。

材料微结构细观力学响应的数值计算建立在材料微观组织结构的 “代表性体积单元”(RVE)技术上[13，14]。对于闭孔泡沫材料微结构RVE的几何模型,它由Laguerre图的面系统构成,利用软件Virtual-TPS产生了RVE尺寸为1mm1mm1mm,球体平均体积v=0.005mm3及体积变异系数cv=0.2,0.4,0.6,0.8,1.0的5组闭孔泡沫材料微结构RVE几何模型,其模型胞孔个数均在200个左右。

在低密度范围内,可以认为胞壁在支柱处无明显堆积,因此假设胞壁具有相同且均匀的厚度,可以利用壳单元来描述。本研究对RVE几何模型进行整体网格划分,采用四边形壳单元S4,设置全局种子大小为0.015mm,分别对这5组泡沫材料微结构分别进行网格划分,得到各组模型的单元总数均在3万左右,其单元疏密程度能够有效地确保计算精度。图7展示了变异系数为0.2的闭孔泡沫材料微结构RVE几何模型及网格。

对泡沫材料微结构RVE赋予材料属性,基体材料弹性模量E=200GPa,泊松比v=0.35。通过调整壳单元截面属性的厚度,实现对基体材料的相对密度的控制,使得基体相对密度ρ/ρs=0.02,0.05,0.1,0.2,0.3,至此产生了25 组泡沫材料微结构RVE。

本研究使用的模型在代表单元尺度上不具有周期性,采用了类似于Silva和Gibson[15]的边界条件,约束模型一端表面节点的转动自由度与位移载荷方向上的平动自由度,对模型另一端表面采用耦合方式施加位移载荷,同样对其余表面上的节点在法线上的位移进行耦合,使其在该表面的法线方向上位移一致,保证模型在变形后仍保持为长方体形状。待计算完成后,输出加载过程中拉伸端总的作用力,其等效弹性模量(这里以x方向进行分析)的计算公式如下:

式中:Ex为x方向的等效弹性模量;Fx为x方向拉伸端总的作用力;ly,lz为模型y,z方向的边长。

4.2 变异系数对弹性模量的影响

为了研究胞体变异系数对相对弹性模量的影响程度,对25组泡沫材料微结构RVE分别施加相同的位移载荷,进行单轴拉伸模拟,计算其相对弹性模量,结果如图8所示。

从图8可以看出,在不同的胞体变异系数下,泡沫材料的相对弹性模量基本保持不变。从数值计算结果可以得出:各向同性泡沫材料微结构的胞体体积变异系数对其相对弹性模量的影响程度较小。

4.3 相对密度对弹性模量的影响

对于泡沫材料基体的相对密度对相对弹性模量的影响,Roberts和Garboczi[16，17]采用数字图像技术建立实体模型,通过计算得出相对密度与相对弹性模量有如下关系:

式中:0.1<ρ/ρs<0.3。

针对同一变异系数下5种不同相对密度的泡沫材料微结构RVE进行研究,分别计算各自的相对弹性模量。图9显示了本研究与Roberts和Garboczi给出的相对弹性模量随相对密度的变化。对本研究的模拟结果同样按指数进行曲线拟合,得到其拟合方程为:

通过比较式(8)和式(9)可以看出,本研究结果与Ro-berts和Garboczi得出的结果差别不大。说明了采用等厚度均匀胞壁预测低密度下泡沫材料弹性模量是可行的,同时也说明了基于Laguerre模型的泡沫材料微结构较准确地反映了真实材料的微结构。

5 结论

(1)以Laguerre算法为基础,采用球填充算法实现模型拟合过程,实现了三维泡沫材料微结构的表征,并结合商业有限元软件ABAQUS前处理的二次开发,通过对材料微结构仿真的模块化与可视化设计,开发泡沫材料微结构模拟的基础性平台软件Virtual-TPS,用于材料微结构的“性能导向型”设计。

(2)利用仿真软件,对两组真实泡沫材料微结构进行了仿真,将模拟结果与实际材料的微结构几何特征进行统计分析和比较,说明基于Laguerre模型的泡沫材料微结构具有较高的准确性。

纳米材料结构分析 第8篇

关键词：水泥基材料,水化反应,孔溶液离子浓度,原子力显微镜

水泥的水化过程一直以来都是水泥化学研究领域的一个重要领域内容, 其对于最早形成的水泥材料的结构和性质有极重要的影响[1,2,3]。其中水泥的极早期和早期水化过程对于水泥的水化和各方面性能又都有着很大的作用。水泥极早期和早期水化过程研究的侧重点又不同。后者是指各熟料相以及活性混合材料与石膏、碱金属离子溶液所发生的物理、化学反应。而极早期水化过程则更侧重于关注不晚于终凝时间的水泥水化过程中水泥颗粒终凝以前所发生的物理化学变化。包括极早期水化产物的性质以及极早期水泥颗粒表面产物生长特性以及水化体系颗粒级配的演变规律。水泥的水化是一个非常复杂、多相的系统, 对其进行研究是很困难的, 其中就有学者主要侧重于对水体中孔溶液的一系列离子反应的研究, 来试着解释水泥极早期水化的过程和水化的机理。孔溶液是固态水泥颗粒和液态组分水相互反应过程中存在材料孔隙中的液态水分, 含有大量的离子, 如OH-、K+、Na+、Ca2+、SO42-、Al (OH) 4-等。水化孔溶液离子的浓度不单与固相间存在着平衡, 而且液相离子浓度的变化还会影响到固相物质的溶解速度、组成和结构[3], 还与水泥动力学中产物的晶粒成核和长大相关联。因此通过对水泥孔溶液的研究来反映水泥的水化历程[4,5]。

原子力显微镜 (AFM) 是使用一个一端固定而另一端装有针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌或其它表面性质[5]。当针尖和样品靠近时, 它们之间的作用力会引起微悬臂发生形变, 一束激光照射到微悬臂的背面, 微悬臂将激光束反射到光电检测器, 微悬臂的微小变化会引起激光束在光电检测器上的较大位移, 然后产生可测量的电压差, 通过测量检测器电压对应样品扫描位置的变化, 就可得到样品的表面形貌和其相对应的力、电、磁等物性信息[6,7,8]。相对于扫描电子显微镜 (SEM) , 原子力显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜只能提供二维图像, AFM提供真正的三维表面图。同时, AFM不需要对样品进行任何特殊处理, 如镀铜或碳, 这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。另外, 电子显微镜需要运行在高真空条件下, 原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。AFM在大分子结构、生物工程、细胞学以及蛋白质晶体的研究中获得广泛应用[9,10]。但是在水泥水化, 特别是早期水化方面所作的研究还较少。这也为AFM在水泥水化显微结构表征上的广泛研究应用提供了可能和挑战。

该论文的目的在于研究水泥基材料极早期水化过程 (24h之内) 的水化产物及其显微结构特征, 探讨早期水化过程及其产物对水泥基材料后期性质的影响规律。寻求极早期水化产物性质表征的可靠手段, 研究不同类型活性混合材料对水泥基材料极早期水化过程以及显微结构特征的作用规律, 力求揭示极早期水泥颗粒表面产物生长特性以及水化体系颗粒级配的演变规律。

1 实验

1.1 原材料

实验采用的硅酸盐水泥熟料为武汉凌云水泥有限公司生产, 石膏为湖北应城天然石膏, 粉煤灰为阳逻电厂生产的I级粉煤灰, 各原材料化学成分分析结果见表1。水为普通饮用自来水。水泥熟料经粉磨后, 过0.15mm方孔筛, 装入密封塑料桶中存放。试验中所用水泥为熟料加上3%石膏所制得, 其技术性质见表2。粉煤灰技术性质检验结果见表3。

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1.2 仪器

该论文实验所用AFM为美国维易科精密仪器有限公司生产的DINanoscope IV型扫描探针显微镜, 主要技术指标为:1) 样品尺寸:直径<15 mm, 厚度<5 mm;2) 横向分辨率<0.2 nm;3) 扫描范围: (x, y) 10μm/125μm, (z) 2.5μm/5μm。该实验采用上海手术机械十厂生产的800型离心沉淀器获取水化极早期浆体的孔溶液, 最高转速4 000r/min。美国PE公司生产的, 型号为Optima 4300DV的全谱直读感耦等离子体原子发射光谱仪, 主要技术指标为:波长范围165~782nm;分辨率<0.006nm;重复性优于1%。采用电子pH显示仪测定孔溶液的pH值, 仪器型号为inolab WTW series pH/Cond 720。

1.3 方法

测试自由水分含量采用105℃下烘干分析浆体失重的方法。称取水泥样品50.00g, 加入水17.50g (w/c=0.35) , 立即在室温25℃下拌和30s, 然后保持静置。从开始拌合起至预先确定龄期 (1min、0.5h、1h、12h、24h) 后, 称量10.0g水泥浆体, 放入温度设定为105℃的干燥箱中, 干燥24h, 置干燥器内冷却0.5h, 称量, 并重复干燥至恒量。干燥前后差值为水泥浆体的自由水分含水量。

水泥浆体自由水分含量计算公式为

每一配比测试2组试样, 测试结果取其平均值。

1) 称取水泥样品50.00g, 根据水灰比0.35加入水17.50g, 在室温25℃下拌和30s, 拌合后得到的浆体灌入PE试样瓶中并密封, 在25℃养护箱中养护, 得到5组水泥浆体样本。

2) 从拌合开始算起, 水化至1min、0.5h、1h、12h、24h后测试分析水泥浆体中的自由水分含量, 将10倍于自由水分含量的去离子水加入水泥浆体, 快速破碎、搅拌后放入离心机试管中, 将离心机档位调到“20”, 离心2min得到稀释后的水泥浆体孔溶液。将收集到的孔溶液通过漏斗过滤, 得到澄清的水泥浆体孔溶液。将此孔溶液放入玻璃试瓶中, 密封, 待分析。

3) 将所制得的溶液试样用ICP方法进行离子浓度测试, 得到Na+、K+、Ca2+等离子的浓度。

使用无水乙醇为分散溶液, 将粉煤灰倒入无水乙醇中, 选取上层的悬浮液, 将收集到的粉煤灰颗粒悬浮液放入磨口玻璃瓶中存放。滴1~2滴悬浮液在载玻片上, 待无水乙醇全部挥发后, 在载玻片上就可以得到分散较好的粉煤灰细颗粒。按照以上操作, 共制备3个相同的样品。选择以第三章中测试得到的Na+和K+碱金属离子浓度和作为参照来配制NaOH水溶液, 腐蚀分选得到的粉煤灰, 以模拟极早期水化孔溶液对粉煤灰的侵蚀作用。

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分别配制浓度为0.3mol/L、1.0mol/L的NaOH溶液。将制得的溶液分别滴加到制得的样品上, 留出一个样品作为空白样。则可以得到三个不同的样品, 分别标为S1 (空白样) 、S2 (滴加0.3mol/L NaOH溶液) 、S3 (滴加1.0mol/L NaOH溶液) 。

除了采用硅酸盐水泥浆体配制水灰比为0.35的水泥净浆外, 还采用粉煤灰部分等量取代水泥制备得到粉煤灰复合水泥, 所用来配制水泥净浆的水泥组分配比见表4。

2 结果及分析

2.1 水泥浆体含水率测定结果

硅酸盐水泥试样水化1min自由水分含量测试结果见表5。由表可知, 2组试样自由水含量测试结果较为接近, 表明测试方法可靠。

由于水泥在1h以内水化过程基本处于惰性期, 水化程度较低, 因此水化30min、1h的自由水分含量假定与1 min相同。采用相同方法测定水泥水化12h和24h的水泥浆体内部的自由水含水率。测试结果见图1。由表可以看出, 随着水化的逐渐进行, 水泥浆体的自由水含量越来越低, 化学结合水含量越来越高, 部分水分逐渐转化为水化产物。

2.2 孔溶液pH值测定结果

图2为各水泥基材料孔溶液pH值随时间变化规律。由图2可知, 各水泥浆体孔溶液pH值变化规律差异较大。无粉煤灰条件下, 水泥浆体孔溶液pH值呈现先下降, 后上升, 然后下降的趋势, 这主要与水化产物的形成和固化碱离子的能力有关。加入10%粉煤灰以后, 孔溶液pH值高于对比硅酸盐水泥浆体, 表明粉煤灰促进了水泥熟料中碱离子的释放。但是掺入20%粉煤灰以后, 由于粉煤灰的总碱含量低于水泥熟料, 因此早期pH值相当。后期由于粉煤灰的促进水化作用, pH值高于对比样。

2.3 孔溶液离子浓度随水化时间变化规律

PC、FA10、FA20试样孔溶液K+浓度随时间演变规律见图3。由图3可见, 在水泥与水拌合后, 硅酸盐水泥孔溶液的K+浓度1min之内迅速升高至220mmol/L;其后随着水泥水化的进行, 30min后期浓度进一步升高, 1h后K+浓度明显下降, 12h、24h后下降趋势更为明显。在水泥与水拌合后K+浓度的迅速升高主要是由于水泥熟料中的部分K+以硫酸盐的形式存在于熟料颗粒表面, 当熟料与水接触后这一部分K+迅速溶解于水中。30min后水泥表面硫酸盐的溶解和部分较细水泥颗粒的水解完全完成, 释放出更多的K+, 因此其浓度进一步升高。1h和24h后, 由于水泥熟料已经有一定的水化度, 形成了C-S-H凝胶, 因此部分K+被比表面积极大的C-S-H凝胶所吸附, 溶解于溶液中的K+数量有所减少, 因此其浓度产生一定下降。

当10%的水泥熟料被粉煤灰所取代后, 1min时孔溶液的K+浓度明显低于PC浆体。这主要是由于粉煤灰的K2O含量较硅酸盐水泥低 (表1) , 而且大部分K2O以玻璃体的形式存在于粉煤灰颗粒基体中, 而不是以硫酸盐的形式存在于颗粒表面。30min后10%掺量粉煤灰复合水泥的K+浓度水平已经与硅酸盐水泥离子浓度水平接近, 表明部分粉煤灰颗粒已经发生明显反应, 释放出部分K+。1h和12h时FA10试样的K+浓度较30min无明显变化, 这主要是一方面虽然水泥熟料和粉煤灰颗粒的水化继续进行, 释放出更多的碱金属离子, 另一方面形成了一些C-S-H凝胶, 吸附了一些K+, 因此总体上孔溶液K+浓度保持相对稳定。24h后, K+浓度显著减小, 这主要是由于此时水化产物C-S-H凝胶数量已经较多, 可以吸附大量的K+, 引起孔溶液K+浓度下降[13]。

当20%的水泥熟料被粉煤灰所取代后, 其孔溶液K+浓度演变规律与10%取代量水泥的变化规律相类似, 其总体浓度较PC和FA10试样要低, 这主要是因为粉煤灰取代量增加后, 水泥浆体中的水泥熟料量显著减少, 总碱含量减小。24h后, K+浓度水平与PC和FA10试样相同, 这极可能是由于粉煤灰的掺入可以一定程度上促进水泥熟料的水化, 释放出更多的K+。

图4为PC、FA10、FA20试样孔溶液Na+浓度随时间演变规律。与图3比较可见Na+的浓度相比K+明显要低, 这一方面是由于水泥熟料和粉煤灰中的Na2O含量较K2O含量明显要少, 另一方面是水泥熟料中以硫酸盐形式存在的K2O比例较Na2O要高。PC水泥浆体中Na+浓度的变化规律较K+浓度显著不同。当水泥与水拌合后也迅速有一个Na+浓度上升的过程。但是随着水化的进行, 前1hNa+的浓度基本保持稳定, 12h后其浓度明显上升, 24h后有一定的下降。总体而言, 12h和24h的浓度较早期明显要高, 这表明Na+浓度受水泥水化过程影响明显, 随着水化的进行释放的Na+量不断增加, 但是受到水化产物吸附的影响较小。掺入10%和20%的粉煤灰可以显著降低1min的Na+浓度, 但是后期其浓度与PC浆体相当, 甚至略高于PC浆体, 说明粉煤灰可以促进水泥熟料早期水化, 释放出更多的Na+, 而且这部分Na+受水化产物的影响较小[3]。

总体而言, 因为水化最开始的阶段孔溶液离子浓度主要是由碱性物溶解控制, 所以其变化呈现差异性。随着水化的进行, 孔溶液离子浓度的变化主要受到水化反应影响, 所以在水化开始一段时间以后离子浓度变化呈现出统一的变化趋势。

2.4 微观形貌分析

粉煤灰试样S1、S2、S3的表面形貌二维图和三维图分别见图5、图6和图7。图5所示是未受到碱性离子腐蚀的粉煤灰颗粒表面形貌。可以看出, 粉煤灰颗粒表面较为平滑, 表面高度基本一致, 存在微小起伏, 整个颗粒表面略呈球形。

图6所示是受到0.3mol/L NaOH溶液腐蚀表面的粉煤灰颗粒表面形貌。可以看出, 经NaOH溶液侵蚀后, 粉煤灰表面粗糙程度增加, 部分区域出现了凝胶状和层状水化产物。

图7所示是受到1.0mol/L NaOH溶液腐蚀的粉煤灰颗粒表面形貌。可以看出, 经腐蚀的粉煤灰颗粒表面形貌发生明显改变, 大部分区域出现了纤维状和针须状的水化产物。颗粒表面沟壑明显增多, 表面被腐蚀的痕迹明显。

由图5、图6、图7也可以看出, 粉煤灰颗粒微观结构的改变程度与侵蚀溶液碱离子浓度密切相关。随着碱性溶液浓度的增大, 粉煤灰颗粒表面由球状较光滑逐渐变得粗糙, 并在表面产生突起。当碱性溶液浓度达到1.0mol/L时, 1h在粉煤灰颗粒表面有明显针须状水化产物生成。

实验采用了两种不同离子浓度的碱溶液来侵蚀粉煤灰颗粒;其中, 0.3mol/L NaOH溶液的离子浓度与实际粉煤灰复合水泥拌合后的离子浓度相近, 而1 mol/L NaOH的离子浓度明显较实际浆体高。0.3mol/L NaOH溶液可以明显影响粉煤灰颗粒的表面形貌, 起到激发作用, 而进一步提高碱离子浓度可以增强激发作用的效果。

3 结语

该论文通过对水泥水化中孔溶液离子浓度的研究, 尝试解释了水泥基材料极早期水化的过程和其水化机理。揭示了水泥浆体在极早期水化过程中孔溶液反应的过程和机理。此外, 也通过用碱性溶液腐蚀粉煤灰的方法来模拟水化过程中孔溶液碱度对水化反应和水化产物生成的影响, 初步揭示了极早期水泥颗粒表面产物生长特性以及水化体系颗粒级配的演变规律。

参考文献

纳米材料结构分析 第9篇

1 冷再生疲劳试验参数及试验结果

1.1 再生混合料用于制作乳化、泡沫沥青

的道路石油沥青应符合现行《公路沥青路面施工技术规范》 (JTG F40) 规定, 同时, 粗细集料质量应满足现行《公路沥青路面施工技术规范》 (JTG F40) 的要求。从经济性和路用性能两方面出发, 选取两种材料级配, 如表1所示。

泡沫沥青采用中海A770沥青进行发泡, 试验测得泡沫沥青的膨胀率为13倍, 半衰期为11s。

水泥作为再生结合料或者活性添加剂时, 水泥的初凝时间应在3h以上, 终凝时间应在6h以上。水泥强度等级可为32.5或42.4。

1.2 疲劳试验参数的选取

考虑到基层材料的实际温度影响范围, 选择15℃为制定设计参数的温度标准提供依据外, 材料的疲劳寿命受荷载波形的影响, 一般认为正弦波荷载比较接近实际路面所承受的荷载。因此本文采用正弦加载波形, 且完全处于压力一侧, 即称为半正矢波, 同时为加快试验速度相邻波形之间无间歇时间。对于实际路面而言, 加载时间和路面行车速度有直接关系。0.016s的加载时间对沥青混合料路面表面大致相当于60-65km/h的行车速度, 加载频率参考国外研究所选的l0Hz的加载频率是合适的。试验采用美国生产的MTS810材料试验系统。具体试验条件如下:

a.加载控制方式:采用应力控制;b.应力比:0.3, 0.5, 0.7;c.试件成型方式:用标准击实法型圆柱体试件 (泡沫沥青混合料双面击实75次, 乳化沥青混合料双面击实50次) ;d.试件尺寸:歇尔标准试件;e.试件个数:每个应力水平2-4;f.加载波形和频率:10Hz连续式半正弦荷载;g.试验温度;h.试验设备:MTS 810材料试验系统。

1.3 疲劳实验结果及分析

具体试验结果见表2。

本试验对沥青类再生混合料的研究表明, n值的变化范围为2.59-3.05。n值反映了再生混合料疲劳寿命对所施加应力的敏感程度, n值越大, 表明疲劳寿命对应力水平的敏感程度越大, 可知沥青类再生混合料疲劳寿命对应力的敏感程度要小于沥青混合料和半刚性材料。K值越大, 表明材料的抗疲劳性能越好, 沥青类再生混合料抗疲劳性能不及沥青混合料, 且其抗疲劳性能更类似半刚性材料。表1两种级配筛分试验结果

表2疲劳试验结果

2 基于再生材料的疲劳特性探讨再生路面的结构疲劳寿命

根据原二级道路目前的交通量以及结合当地经济发展的实际情况, 年增长率考虑为3%, 以设

计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时得到沥青路面设计年限累计当运轴次为1.75。初步拟定的路面结构为:铣刨20cm的沥青混凝土面层和基层, 露出低基层, 在其上铺筑20cm的冷再生柔性基层, 同时铺筑4m的ALl3沥青混凝土作为面层, 要求在面层和基层设置防水黏结层。

根据原路面代表弯沉为64.08 (0.01mm) 以及再生路面结构方案运用补强设计理论可知:全计算与原路面接触的补强层层底拉应力时, 此时原路面的当量回弹模量Et=408MPa;以计算其他对强层层底拉应力及弯沉值时, 此时原路面的当量回弹模量Et=245MPa, 泊松比统一取0.15。本次采用B1SAR计算软件对沥青路面结构组合厚度进行验证, 以沥青层及再生层层底拉应力作为控制指标。

在路面力学方面, 该法以层状弹性体系理论为基础, 但考虑了材料的非线性和动弹性特性, 研究过程中曾以非线性体系理论和黏弹性体系理论来进行分析、对比, 对理论在路面设计中的应用又做了大量验证工作。因此, 该方法在理论上是比较完善的。运用BISAR程序进行计算, 采用标准轴载计算参数, 如表3所示。

由于实验室与路面实际情况间的差异, 室内应力按制疲劳试验大都低估了材料的实际路用性能。为了使室内试验结果符合路面实际疲劳响应状态, 需要采用修正系数来将室内试验结果转换成实际路面疲劳情况。

2.1 间歇时间的影响

Brown S F认为, 由于室内疲劳试验的荷载脉冲问没有设置间歇时间, 将不利于沥青材料的疲劳恢复。与实际道路受荷情况相比, 无间歇时间可导致室内材料试验的疲劳寿命减少到五分之一。

2.2 裂缝传播速率的影响

表3标准轴载计算参数

不同应力比及温度下, 劈裂疲劳试件断裂时加载次数与试件出现裂缝时加载次数的比值有较大变化。参照已有的沥青混合料研究结果, 这里取规范参考值40。

2.3 轮载横向分布的影响

于设分车道单向行驶的50 cm宽的轨迹, 荷载横向分布频率最高为57%, 此处取轮载横向分布系数为0.5。

2.4 不利季节天数的影响

环境温度的变化通常会对沥青混合料的特性有极大影响。在不同温度下, 沥青混合料劲度模量、抗拉强度及疲劳特性等均有很大变化。根据Miner法则、各地月平均气温资料及其对应温度下的疲劳关系, 得到不同月份温度下路面结构的疲劳破坏, 进而推出疲劳损坏当量温度, 在设计中考虑这个最不利的温度以达到路面结构安全耐久。根据哈尔滨建筑工业大学的研究成果, 推荐的当量温度为15℃, 不利季节天数在中国一般按60天计。

3 结论

沥青类再生混合料具有良好的抗疲劳特性, 对于柔性基层优化路面结构, 能够避免半刚性基层结构存在的问题。因此, 可以对沥青类冷再生混合料疲劳特性进行研究, 从而提供基于再生材料疲劳特性的再生路面结构设计方法。从本文的计算结果分析可知, 再生材料的疲劳寿命能够满足要求。因此, 本文旨在提出基于再生材料疲劳特性路面结构的设计思路, 从而大力提倡再生维修技术在我国的广泛应用。

参考文献

纳米材料结构分析 第10篇

1.复合材料结构失效分析

随着复合材料应用的不断发展,其结构的变形分析和强度预测能力与水平也在逐渐提高。目前复合材料强度分析方法通常包括两种:经典层合板理论及其有限元数值。第一种分析方法的有较多的限制条件,无法扩展至更加广泛的应力分析中,因此,有限元法逐渐成为现阶段分析复合材料结构过程中所运用的主要方式。

弹脆性是纤维增强复合材料结构失效的主要表现特征,且如果出现结构损伤,依然可以继续承载。按照这些特征,为预测其损伤扩展极其极限强度,Chang等和Tan等较早地引入了渐进损伤分析方法,分析损伤扩展及其极限强度,并且获得了分析结果,这个结果与试验数据较吻合,这种分析方法被普遍应用于损伤分析及其强度预测领域中,计算结果较为理想。这种分析方法可分割为:应力求解、失效分析及其材料属性退化三大环节。

2.胶层失效分析

2.1基于材料强度的分析方法

目前能够明确的是运用点应力准则、平均应力准则及其损伤区模型可以获得较为精确的分析预测结果,然而对预先确定的特征距离及其临界损伤区面积的依赖性很大,确定分析预测结果通常需运用试验模式。然而,对于运用不同材料及其几何形式的连接类型上试验结果应用其中较为困难。实质上,特征长度等与连接几何没有关系,更不存在较为特定的物理意义。除此之外,在数值分析过程中,由于应力奇异值,基于材料强度的分析方法呈现出显著的网格相关性。所以,这种方法对于损伤形成分析较为适合,对于复合材料胶接修理的渐进损伤分析不太适合。

2.2基于断裂力学的分析方法

按照外力的不同,可以将裂纹扩展划分为以下三种基本模式:张开型(Ⅰ型)、滑开型(Ⅱ)型及其撕开型(Ⅲ型)(如图1所示)。三种基本裂纹扩展模式中由剪切应力导致的为Ⅱ型及其Ⅲ型,这两种裂纹扩展模式统称为剪切型裂纹模式。

在失效准则方面,大多数研究者选择临界应变能释放率而非应力强度因子失效准则,是因为:1)应变能释放率具有显著的物理意义。2)确定应力强度因子数值较为困难。除此之外,能量准则的应用对于第Ⅲ种裂纹扩展模型的判断方面更加适合。在均匀各向同性材料中裂纹扩展倾向于Ⅰ型,垂直于最大主应力的方向,与初始裂纹无关。然而,受胶接体的限制,裂纹扩展方向一般情况下会造成混合型式(Ⅰ+Ⅱ)或(Ⅰ+Ⅲ)裂纹扩展,这时,(1)式描述的能量准则较多地被采用。

2.3粘聚区模型

实质上,粘聚区模型(Cohesive Zone Model-CZM)是一个唯像模型,粘聚层,也被称之为粘聚律,其本构关系一般选择界面力与相邻界面发生位移过程中二者之间的关系来表示,粘聚层连续介质损伤力学进行的一种描述。粘聚区本构模型一般运用界面强度(也就是最大粘聚力)描述的失效判据来对界面损伤的萌生进行预测,粘聚区模型统一描述了界面失效的萌生及其扩展,对于传统的基于强度分析方法及其断裂力学方法自身存在的缺陷给予了弥补与克服。然而,粘聚区模型须对粘聚区进行预先定义,这种模型通常用于对纤维增强复合材料层合板的分层失效现象进行分析的领域中。

2.4连续损伤力学模型

连续介质损伤力学(Continuum Damage Mechanism.CDM)模型中凭借实体单元内的材料属性退化来防止运用较为特殊的界面单元,无须对损伤发生的危险区域进行预先确定。所以,当无法预先得知损伤发生及其扩展路径的时候,连续介质损伤连续模型能够很理想地化解与弥补粘聚区模型存在的弊端与不足。实质上,胶层的厚度会对胶粘连接的力学特性产生一定程度的影响,当需要对胶粘剂的厚度进行考虑时,则需在分析胶粘连接过程中选择连续介质损伤力学模型。除此之外,如果裂纹扩展在靠近一个界面发生的情况下会导致非对称扩展现象产生,这种情况会导致局部混合模式载荷,而粘聚区模型中对胶层厚度不加以考虑,对这种失效现象不能正确反映,因此,在这种状况下,胶层应当选择胶实体单元进行模拟。对胶层损伤的渐进扩展运用实体单元的损伤起始及其扩展来进行模拟。

3.贴补修理分析

贴补修理的试验研究通常将重心置于单搭接试件、双接试件、搭接贴补修理试件等,较少涉及三维贴补修理构型的试件。所以,这种理论分析对象也适用于上述领域的补片贴补修理构型。

起初,主要运用线弹性理论构建了两种分析模型,即单搭接试件和双搭接试件的。后来在这个前提之下,发展出了分析模型,将胶层材料变为可靠性更强的弹塑性材料,且在这种分析模型的基础上构建了预测单搭接强度计算程序。

有限元分析模型的研究经历了早期的二维至后来的三维有限元分析模型。Sun等较早地在Mindlin板理论的贴补胶接修理的基础上构建了二维有限元模型,在这个前提下发展了被命名为三层模型(Three Layer Model)的二维有限元模型,母板、胶层和补片都选择板单元,模拟胶层过程中运用弹性连续体,而非剪切弹簧元。这种模型不仅能够对单侧补片修导致成的弯曲进行模拟,而且能够对修补结构中的热残余应力加以考虑。

4.挖补修理分析

现阶段在理论和试验方面,关于复合材料挖补修理的重心主要集中在补斜面形或阶梯形单搭接试件和搭接挖补修理试件,对于三维补片挖补修理构型关注不足。除此之外,复合材料蜂窝夹层结构的面板同样也是选择这种修理方式。

这种修理方式在研究对象方面与贴补修理具有相似性,通常可以划分为搭接及其补片挖补修理试件。其研究方式的重心通常主要集中在试验及其理论分析,理论分析主要两种具体分析方法:解析法及其有限元数值分析,相对而言,前者的研究较少,通常在斜面形搭接试件的分析领域有所运用。

近年来,计算机计算能力的提高,有限元法随着计算机计算能力的快速提升而成为获得应力场,同时通过科学实的失效准则实现了对修理结构失效工具的科学预测。最早由Werren和Hart-Smith构建了关于斜面形及其阶梯形单搭接试件的强度分析模型,通过胶层的弹性理论实现了胶粘连接强度的有效预测。Baker等也提出了一种计算方法,这种方法用来计算在一个简单的斜面连接中的材料强度及其剪应力。Ahn在Hart-Smith构建的方法的前提下将这种模型进行了扩展,胶层被Ahn处理为较为理想的具有弹塑性的材料,除此之外Chu和Ahn在该分析模型的基础上创建了一套计算程序,该程序用来预测斜面搭接强度。Robson等运用通过较为经典的层板理论对斜接式补片修理结构的强度进行了分析。Adkins和Pipes共同建立了斜面挖补修理接头在拉伸载荷的作用之下的二维有限元分析模型,并对斜坡角、损伤长度及其额外补片对修理强度分别及其共同施加的影响。Harman和Wang等对挖补修理的优化设计方案进行了探讨,并共同建立了其二维有限元模型。Odi和Friend提出了通过二维平面应力模式来使得复合材料胶接体的层合板性质保值不变,而且运用复合材料接头在拉伸载荷作用生成的试验数据对模型的有效性进行了验证。Kristin等通过二维层合板对各种胶接面构型对于修理强度产生的影响。Campilho等对斜面胶粘搭接矩形板试件的有限元模型进行了构建。Baker等对复合材料飞机蜂窝夹层结构的碳纤维增强复合材料面板在弯曲载荷作用下的斜接式修理进行了研究,研究包含了各种湿热环境下的失效应及其区域,这些湿热环境包括室温及其高温,干态及其湿态。Found和Friend对在拉伸载荷作用下碳纤维增强复合材料斜接式修理的失效进行了研究。

综上所述,因为二维有限元模型目前仅可以模拟0度和90度方向铺层的复合材料,不能模拟补片挖补修理构型,所以,需要构建三维有限元模型对补片挖补修理开展模拟分析。通过构建三维有限元分析模型各主要斜搭接参数的影响展开详细分析。通过三维有限元对斜接式挖补修理,得出优化的斜坡角约是7度,然而这种模型的网格划分太过笼统与粗糙。因此在接下来的时间内,须重点对这种模型的网格划分进行细化。

参考文献

[1]韩坤华.复合材料胶接修理的湿-热-力耦合瞬时响应分析方法[D].上海交通大学,2013.

[2]梁艳勤.民机复合材料结构修理容限与修理后适航符合性验证研究[D].上海交通大学,2011.

[3]程起有.曲面复合材料胶接修理的力学分析与参数优化[D].西北工业大学,2015.

[4]冯康军.飞机复合材料结构损伤容限评定及适航审定技术研究[D].南京航空航天大学,2012.

[5]苗学周.基于渐进损伤理论的复合材料贴片修朴结构参数分析[D].郑州大学,2015.

多孔材料多目标结构优化设计 第11篇

【关键词】多孔材料；多功能；优化设计

0.引言

随着工业装备和航空航天的迅猛发展，对高性能材料的设计提出了更高的要求，如：轻量化、高刚度、高散热、抗冲击性和多功能化应用等。多孔金属材料因其优良的性能和广泛的应用前景，近年来成为研究的焦点。

多孔金属材料性能与孔结构直接相关，孔隙率与多功能性能相关。改变孔隙率和孔的结构将影响材料的综合性能。因此，可根据不同需求对其结构多学科优化设计。本文将结合多孔材料的性能表征，对轻质多孔材料进行多功能化优化设计。

1.多孔材料多功能特性

多孔金属材料具有独特的多功能特性，包括：

（1）多孔材料的密度远远小于实体材料的密度。不同多孔材料孔结构不同，一般孔隙率都较高。

（2）抗冲击性 多孔金属在承受压应力时产生塑性变形，大量的冲击量被转变为塑性能，以热量形式耗散。

（3）高刚性 蜂窝多孔材料有很好的力学性能，同时其性能有较强方向性。

（4）高散热性多 孔金属是优良的传热介质，可以作为飞行器和超高速列车的散热装置。此外，在高孔隙中流过冷却剂，可达到冷却和承载的目的，在航天结构领域有广泛应用。

（5）吸声效果 与传统材料相比， 多孔泡沫结构吸声效果良好。

综上所述， 多孔材料具有高刚度、高强度、轻量化和高散热性等明显优势。多孔金属既是优良的结构材料，也是性能优异的功能材料，在交通、海洋采油、航空航天、医疗等领域中有着重要意义。多孔材料不仅性能优良，也降低能源消耗和减少环境污染。

2.多孔材料的性能表征

2.1 多孔金属材料静力学性能

在恒定载荷下，对轻质多孔金属材料的静力学性能研究。当这些构件比较复杂时，一般采用数值方法来研究其破坏变形；当宏观结构较为单一简单时，本构理论也较简单，且计算效率高，往往是数值方法中的主要方法。

本章使用ANSYS有限元程序进行有限元分析，由于结构较为复杂，模型使用三维四面体单元。材料杨氏模量为70GPa，屈服应力为150MPa，泊松比为0.3。

建立多孔金属材料有限元模型，有限元分析表明，该材料弹性模量和压缩强度均明显提高，材料弹性模量随孔径比的增加而增大，压缩屈服应力随孔径比的增加先增大后减小。对压缩变形机理进行讨论，变形主要为斜杆的弯曲变形，同时，小杆的弯曲变形机制使表现出不同的塑性流动特性。

研究表明，随着孔径比的增大，材料表现出不同的流动行为。材料塑性变形主要集中在斜杆上，孔洞的四个顶点处几乎没有变形，因此，斜杆的弯曲是泡沫金属压缩时的主要变形机制。提高孔径比，弯曲刚度显著提高，且塑性应变集中在压缩方向的小杆上。当小杆截面积逐渐增大时，结构应力也逐渐提高，直至斜杆发生屈服。

2.2 多孔金属材料动力学性能

在实际应用中，多孔金属可承受动态荷载而产生大范围变形，本文通过选择基体材料、孔隙结构来控制动态变形特征，可使多孔金属成为理想的吸能材料。多孔金属在高变形下的动态性能和破坏机理研究对于其的广泛应用具有重要意义。此外，载荷作用下力学行为的研究也是结构材料的重要前提之一，尤其对抗冲击材料在军事和防恐领域中的应用具有重要意义。

多孔材料在冲击下的变形模型一般采用动量守恒和能量守恒得出动态激励下的变形。多孔金属材料的吸能机理研究已成为当前多孔材料研究的热门方向。金属多孔材料抗冲击分析是建立在静态模型基础上的，未考虑应变效应的影响，很难准确得出整个材料的动态性能。如何进行冲击荷载下的强度和破坏研究，建立相关的本构关系及破坏判据，需要进一步深入研究。

2.3 多孔金属材料热力学性能

孔隙传热是多孔金属多功能特性中最受广泛关注的领域。材料的高热传导系数和对流换热使得多孔金属具有优良的换热性能。

传热性能研究一般集中于常温导热和单相对流传热。根据多孔金属结构的流体动力特性，确定了不同雷诺数作用下的动量方程，得出了惯性力表达式；根据空气冷却对流换热特性，测定了对流传热随微结构参数的变化规律，建立单相对流传热模型；测定真空状态下导热系数随温度的变化规律，进而确定了高温下的热传递规律。随着相对密度的提高，多孔结构的导热系数会随之增大，且导热系数与相对密度基本成线性关系。

3.多目标结构优化设计

传统材料的设计通过调整单一材料设计参数使之能够满足工程实际需求。在大多数情况下，材料的设计无法达到最优化。由于上述局限，力学工作者虽然以材料为研究对象，但只发挥其辅助作用。随着以多孔材料和复合材料的发展，材料的可设计性已有了较大提高，可根据工程需求利用优化技术设计出最优越的材料。

多目标优化问题的主要思路是目标加权求解。对多个目标中，评价各目标权重系数 ，将多目标归一化。从而将多目标优化问题转化为单目标优化问题。

在航空航天领域，许多结构件需要同时满足强度、隔热和轻质的要求。从第3节力学性能研究中我们知道，随着密度的增大，材料屈服强度提高，多孔金属板的隔热性能降低，且孔径比越大，多金属板的隔热性能越好。针对单一目标优化进行的参数选取与其他目标优化的参数选取是相互矛盾的，需要进行多目标优化设计，以选取同时满足强度、隔热和轻质要求的材料参数。

金属板构件参数多目标优化设计中，首先采用最小二乘法对屈服应力和隔热参数进行多项式拟合， 以此表达式作为构件的目标函数，通过建立包含强度、隔热和轻质多目标函数的优化设计模型，采用权重法将多目标优化问题转化为单目标优化问题进行求解。

4.结论与展望

通过建立了多目标优化设计数学模型，求解目标最优的金属孔径比、相对密度。结果表明多孔金属板的综合性能显著优于传统金属板。

多孔金属材料应用前景十分广阔，但目前很多研究还只限于对宏观性能参数的研究，对细观结构研究还较少。

【参考文献】

[1]寇东鹏.细观结构对多孔金属材料力学性能的影响及多目标优化设计[D].中国科学技术大学，2008：55-58.

纳米材料结构分析 第12篇

从混凝土结构出现裂损的原因来看, 除了物理、力学方面的作用 (如荷载作用、温度作用、碰撞作用) 引起的混凝土裂损外, 还有钢筋腐蚀胀裂、混凝土碱骨料反应裂缝、混凝土碳化收缩裂缝等化学反应裂缝引起的裂损。[1]最近二十年内对混凝土结构的实际调查发现, 混凝土结构因化学裂损而引起的损坏或失效更加严重, 应该引起关注。

建筑结构中使用的混凝土、钢材、砖石等, 在试用期间常常受到腐蚀性介质的腐蚀。如果建筑物在建造时对结构材料未采取防腐措施, 或虽采取了防腐措施, 但工程质量不佳、维护使用不当, 使防腐措施失效, 则腐蚀性介质就可能损坏建筑结构, 甚至使其破坏, 失去使用价值。

在工业建构筑物中, 在海岸工程中, 在盐渍土与矿化水地区的建构筑物中, 建筑结构直接与气态、液态等外部腐蚀性介质接触, 或者被产品和生产中排放的腐蚀性物质所污染, 造成建筑结构的损伤或破坏。[2]

在冶金、化工、造纸、食品及其他工业部门中, 有20%~70%的建筑物常常受到各种腐蚀性介质的作用, 引起结构材料的腐蚀。据一些国外专家的估计, 由于混凝土和钢筋混凝土的腐蚀造成的经济损失约占国民收入的1.25%。这些经济损失中包括了修复或重建建筑物的工程造价及修复或重建期间生产所造成的经济损失。

鉴于混凝土及钢筋混凝土建筑结构的广泛性及重要性, 本文将着重讨论这类结构。腐蚀性介质对建筑结构的损伤实质上就是对构成结构的材料的损伤, 所以我们集中讨论腐蚀性介质对水泥石及钢筋的腐蚀问题。

1 腐蚀分类及材料损伤机理

世界上有许多建筑构物已存在了几百年依然健在, 而许多建筑物却仅仅使用几年后就遭到破坏, 这样的事例不胜枚举。例如:

某一人造纤维厂的钢筋混凝土结构的酸泵房, 在使用四年后就遭破坏[3];

某一大型石油化工联合企业, 其用于安装设备的露天框架结构, 投入使用几年就遭到破坏;

某海上建造的钢筋混凝土护堤, 在使用4~5年后, 因遭受海水作用而损坏;

一些桥墩混凝土因遭受含1.8~2.3g/L硫酸盐离子和0.3~0.5g/L镁离子的水浸蚀, 很快就破坏;

在一座横跨盐渍土地带的桥梁附近, 因盐水周而复始地浸蚀铁路路堤护坡混凝土护板, 干、湿循环, 结果使盐类在混凝土孔隙内结晶, 造成护板的破坏;

兰州某化肥厂硝酸铵 (氮肥) 造粒塔周围的基座顶层混凝土, 因硝酸铵颗粒吸收空气中水分潮解, 渗入混凝土孔隙中, 干燥后又结晶, 将混凝土胀坏;

某一输水管道铺设在由矿化水所饱和的土壤中, 矿化水中含有硫酸根离子5~10g/L, 氧化物2~6g/L, 镁0.2~0.4g/L。输水管由混凝土制成, 因矿化水渗入管子的混凝土, 使用不久, 管子即遭受严重破坏;

某出租汽车停车场, 在使用10~12年时, 因受到氯化物的腐蚀, 其肋型楼板中的φ20钢筋的点腐蚀深度达2.4mm, 其极限强度比未受腐蚀部分的平均值低14.8%。

由此可见, 环境介质与建构筑物材料之间的关系十分复杂。为研究方便起见, 作者在前苏联学者B.M.莫斯科文将混凝土及钢筋的腐蚀分为三种基本类型的基础上, 略作修改, 补充细分为六种基本类型。

第一类:流动有压软水溶出性侵蚀。

水泥在水化过程中产生大量Ca (OH) 2。密实性较差、渗透性较大的混凝土, 在一定压力的流动软水作用下, Ca (OH) 2会不断溶出并流失。这一方面使水泥石变得孔隙增多, 变得酥松;另一方面使水泥石的碱度降低。而水泥水化物如水化硅酸钙、水化铝酸钙等只有在一定的碱度环境中才能稳定存在。所以, Ca (OH) 2的不断溶出又导致其他水化物的分解熔融, 最终使水泥石被破坏。

随着Ca (OH) 2的不断流失, 混凝土的抗压强度不断下降。当以Ca O计的Ca (OH) 2溶出量为25%时, 抗压强度将下降35.8%, 溶出量更大, 抗拉强度下降更大, 最大达66.4%。

雨水、雪水、蒸馏水、工厂冷凝水及含重碳酸盐甚少的河水与湖水都属于软水。在流动及压力水作用下的软水才会引起水溶性侵蚀, 这种腐蚀在多种建构筑物中都能看到。

在水与混凝土中水泥石接触后的干燥部位, 如水渗透进混凝土或沿混凝土表面流动后并随之干燥, 溶解在水中的Ca (OH) 2与空气中的CO2作用碳化后生成Ca CO3沉积下来, 在混凝土表面生成白色沉淀物, 引起腐蚀, 这种现象是颇为常见的。

美国有一座堤坝建于1900年, 被水强烈渗透。1939年修复该堤时, 发现混凝土外部厚12~75mm的外壳尚好, 内部混凝土却已受到严重破坏, 破坏层厚度达1.5m。看起来, 水泥石几乎已全部被水淘空。因为施工时模板附近的混凝土捣得比较密实, 而且表层混凝土受到碳化作用, 减小了Ca (OH) 2的溶蚀, 所以保存了较好的一层外壳。内部却遭到破坏, 这种隐蔽的破坏尤应注意。

如果由于温度变化造成裂缝或施工缝开裂、接缝质量低劣、沉降缝和温度缝有缺陷等原因造成了水在缝中的渗流, 就容易产生水溶性侵蚀。

第二类:溶解性化学腐蚀。

溶解性化学腐蚀是指水泥石组成成分和酸或碱溶液发生化学反应引起的腐蚀。此种化学反应所生成的反应产物或是由于扩散原因易于溶解, 或是被渗流水从水泥石结构中冲刷出, 或是以非结晶体形式聚集, 这种非结晶体无胶黏性, 不会影响腐蚀破坏过程的进一步发展。换句话说, 溶解于水中的酸类或盐类与水泥石中的Ca (OH) 2起置换反应[4], 生成易溶盐或无胶结性能的物质, 使水泥石结构被破坏, 混凝土结构也就毁了。

最常见的这类腐蚀性酸性介质是碳酸、盐酸、硫酸、硝酸等无机酸及醋酸、甲酸、乳酸等有机酸。当环境水的p H值小于6.5时就会对混凝土造成酸腐蚀。最常见的碱性腐蚀介质是镁盐、苛性碱等。当碱的水溶液浓度大于15%, 温度高于50℃时, 熔融状的碱会对混凝土造成碱腐蚀。要注意的是, 苛性碱Na OH、KOH与水泥石中的组成成分发生化学反应后, 在一种条件下可生成胶黏性差、易于溶解的产物, 发生溶解性化学腐蚀;在另一种条件下, 则可产生结晶性的膨胀破坏, 属下面要讲的第三类腐蚀。

兰州化学工业公司所属的兰州化肥厂及兰州橡胶厂是苏联援建的两个项目, 于1955年开工, 分别于1958年及1960年先后建成投产。投产后没几年, 对各有侵蚀性介质的工业建筑物进行了调查, 发现建筑物的围护结构如墙壁、屋盖等遭受腐蚀的程度一般都较严重。这是因为围护结构处于许多不利因素作用下的缘故。建筑物内生产装置的腐蚀物质可以不同的状态排出:气态、液态、雾状、固体粉尘。液态的腐蚀性物就有工厂所泼洒出的酸、碱、盐溶液及含酸、碱、盐的污水, 它们落在建筑结构上后, 对不同材料就会造成不同程度的腐蚀。

例如, 兰州化肥厂的稀硝酸车间, 在投产两年后, 于1960年接受检查, 车间的钢筋混凝土屋面板已经遭受腐蚀。生产装置排出的氧化氮气体与车间空气中的水分结合后, 由于车间温度低及屋面的隔热性能差, 在屋面板内表面形成氧化氮气体的冷凝液腐蚀了混凝土。

第三类:膨胀性化学腐蚀。

当水泥石与含硫酸或硫酸盐的水接触时, 可以产生体积增大许多倍的结晶体, 将混凝土胀坏, 产生膨胀性化学腐蚀;水泥的水化物遇到氢氧化钠溶液浸透又在空气中干燥时, 氢氧化钠被空气中的CO2碳化, 生成具有膨胀性的碳酸钠结晶, 可胀裂水泥石。[5]

第二类及第三类腐蚀有代表性的化学反应式, 在作为大学本科土木建筑工程必修课的“建筑材料”或“工程材料”教材中都有较详细的表达, 这里不再赘述。

在第一类和第二类腐蚀中, 水泥石的破坏与水泥石的组成成分和水泥石组成成分与腐蚀性介质的反应产物的溶解性有关。而第三类腐蚀的初始阶段, 由于结晶盐在混凝土孔隙中逐渐积聚而使混凝土更加密实。如果这个过程发展缓慢, 则混凝土的空隙及孔洞会慢慢地被生成的结晶物所填充, 似乎混凝土变得更密实, 会让人产生一种错觉:混凝土的强度还会提高, 更能使人迷惑。所以, 第三类腐蚀的初始形式有时很难察觉, 只有当持续发展下去, 最后使混凝土开裂、破坏, 人们才易发现。

在实际工程中, 常常是第二种或第三种腐蚀情况会同时出现, 但各种形式的破坏程度和性状并不相同。重要的是弄清哪一种类型的腐蚀起主导作用。

第四类:盐类潮解、渗透、干燥、结晶膨胀的物理破坏作用。有些盐类如硝酸铵、氯化钠 (食盐) 等, 很容易吸收空气中的水分或周围的水分而溶解, 溶解后渗入混凝土、砖等材料的孔隙中, 干燥后盐会再结晶, 膨胀压力可把材料胀裂, 使材料酥松。

第五类:钢材的电化学腐蚀。

钢筋混凝土中的钢筋及钢结构的钢构件的化学腐蚀, 是由于金属表面形成了原电池而产生的腐蚀。两种不同的金属置于电解质溶液中, 由于电极电位不同, 电子从易于失去电子的低电位金属流向难于失去电子的高电位金属, 这样产生电流的装置叫做原电池。钢材属铁碳合金, 其中还含有很多其他杂质元素, 就合金而言, 包括铁素体、渗碳体、珠光体等, 这些不同的元素或组织的电极电位不同, 电位低的失去电子, 电位高的得到电子, 此种化学反应的进行, 就使金属产生腐蚀。阴极或负电位值小的部分得到保护, 阳极或负电位值大的部分受到腐蚀。[6]

当钢材处于潮湿空气中时, 钢材表面会吸附一层薄水膜。当水中溶有SO3、CO2、灰尘等时, 即成为电解质溶液, 这样就在钢材表面形成无数微小原电池。如铁素体和渗碳体在电解质溶液中变成原电池的两极, 铁素体活泼, 易于失去电子, 成为阳极;渗碳体成为阴极。在阳极区, 铁被氧化成铁离子进入水膜。因为水中溶有来自空气中的氧, 故在阴极区氧被还原成为OH-离子。两者结合, 形成不溶于水的Fe (OH) 2, 并进一步氧化成疏松易剥落的红棕色铁锈Fe (OH) 3。

电化学腐蚀是最重要的钢材腐蚀形式。钢材表面污染、粗糙、凹凸不平、应力分布不均, 元素或金属组织之间的电极电位差别较大, 以及温度和湿度变化均会加速电化学腐蚀。

第六类:钢材的化学腐蚀。

钢材的化学腐蚀是由于大气中的氧或工业废气中的硫酸气体、碳酸气体等与钢材表面作用引起的。化学腐蚀多发生在干燥空气中, 可直接形成锈蚀产物, 如疏松的氧化铁等, 并无电流产生。氧化铁的体积大于母金属, 所以, 当钢筋混凝土构件中的钢筋生锈后, 体积增大很多, 在混凝土中产生内应力。此内应力大到可将钢筋混凝土顶裂, 然后, 钢筋与混凝土分离, 钢筋与混凝土之间黏结破坏[7], 对钢筋混凝土来说, 这是致命的破坏。

钢筋混凝土构件因钢筋锈蚀而开裂, 破坏的四个阶段, 如图一所示。

钢筋混凝土中的钢筋由于受到水泥水化后所产生Ca (OH) 2碱性薄膜的保护及保护层的保护, 理应不受到化学腐蚀。但是由于混凝土碳化深入钢筋表面, 由于混凝土质量低劣, 由于环境恶劣或由于构件受力裂缝达到钢筋表面[8], 钢筋受腐蚀在许多情况下仍是不可避免的。

实验表明, 应力钢筋在电化学反应方面比无应力钢筋更活跃, 所以腐蚀也就更强烈。

摘要：本文对建筑结构腐蚀破坏进行了分类, 探讨了材料的损伤机理, 特别对钢材的腐蚀机理进行了分析。

关键词：结构腐蚀,破损,机理

参考文献

[1]李昌木, 孙淑林.联碱生产中厂房建筑的腐蚀与防护[J].纯碱工业, 1983.

[2]郭院成.化工环境下的结构腐蚀控制策略初探[J]河南科学, 1999 (, 03) .

[3]郭志恭.环境介质对建筑结构的作用及其评价[J].兰化科技, 1990.

[4]陈峰.化工行业建筑结构的腐蚀与防护[J].河南化工, 2000.

[5]刘继成.长期利用钢筋混凝土结构自身保护方法的探讨[J].中州建筑, 1994.

[6]蔡毅.钢结构腐蚀损伤检测方法研究综述[J].河南水利与南水北调, 2010 (, 09) .

[7]贾勇.钢结构腐蚀机理及影响因素初探[J].科技之友, 2009 (, 05) .