46、绿色建筑材料与航空航天复合材料的研究进展

躺平摸鱼王

于 2025-09-23 16:02:45 发布

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分类专栏：智能制造与材料创新文章标签：绿色建筑材料棕榈油燃料灰轻骨料混凝土

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绿色建筑材料与航空航天复合材料的研究进展

棕榈油燃料灰对绿色轻骨料混凝土抗碳化性能的影响

在建筑领域，混凝土碳化是导致钢筋混凝土结构耐久性下降的主要原因之一。当大气中的二氧化碳侵入混凝土孔隙液中，与新鲜混凝土表面发生反应，随着时间推移，碳化会逐渐深入混凝土内部，引发钢筋锈蚀，进而导致混凝土膨胀和开裂。为降低混凝土碳化风险，众多研究聚焦于在混凝土生产中使用火山灰材料。

同时，棕榈油产业每年会产生大量废弃物，如棕榈油燃料灰（POFA）和棕榈油熟料（POC）。这些废弃物不仅处理困难，还会对环境造成污染。因此，将这些废弃物转化为更环保的建筑材料成为研究热点。本研究着重探讨了POFA作为部分水泥替代品，对棕榈油熟料轻骨料混凝土（POC LWAC）抗碳化性能的影响。

材料与方法
- 材料：本研究使用的混凝土由六种主要成分组成，包括棕榈油熟料（POC）、棕榈油燃料灰（POFA）、普通硅酸盐水泥（OPC）、细骨料、水和减水剂。POC和POFA均取自彭亨州附近的棕榈油厂。POC需先清洗去除杂质，再用颚式破碎机破碎成较小尺寸；POFA则需通过300µm筛网筛分，以获得较小颗粒的灰烬并防止杂质进入混凝土。细骨料选用通过1.18mm筛网的河砂，以帮助混凝土更加密实。整个研究过程中，混合和养护均使用自来水，并使用符合相关标准的A型减水剂。
- 配合比 ：研究采用了五种配合比，分别为M0、M1、M2、M3和M4。在M1 - M4配合比中，分别用10%、20%、30%和40%的POFA替代水泥；M0配合比则完全使用普通硅酸盐水泥。具体配合比如下表所示：
  | 材料 | kg/m³ | M0 | M1 | M2 | M3 | M4 |
  | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
  | 普通硅酸盐水泥 | | 480 | 432 | 384 | 336 | 288 |
  | 棕榈油燃料灰 | | 0 | 48 | 96 | 144 | 192 |
  | 砂 | | 750 | 750 | 750 | 750 | 750 |
  | 棕榈油熟料 | | 565 | 565 | 565 | 565 | 565 |
  | 水 | | 216 | 216 | 216 | 216 | 216 |
  | 减水剂 | | 4.8 | 4.8 | 4.8 | 4.8 | 4.8 |
- 测试方法
  - 碳化测试 ：为检测POC LWAC对二氧化碳侵入的抵抗能力，进行了碳化测试。该测试与钢筋锈蚀密切相关，通过测量碳化深度（mm）来确定碳化速率。研究制作了90个尺寸为100×100×500mm³的混凝土棱柱体，分别采用水养护和空气养护两种方式，在7天、28天和60天龄期时进行碳化测试。水养护是将试件浸泡在水箱中直至测试龄期；空气养护则是将试件放置在实验室外直至测试龄期。测试时，使用酚酞指示剂溶液确定混凝土表面的碳化深度。将白色结晶状的酚酞溶解在酒精中制成1%的溶液，喷洒在劈开、清洁并刷净的混凝土表面。碳化区域喷洒指示剂后呈无色，表明混凝土已与酸接触，发生了碳化；非碳化区域则呈粉红色，表明存在碱性物质。
  - 孔隙率测试 ：为检测混凝土中的孔隙情况，进行了孔隙率测试。制备了30个尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土立方体，在28天水养护后，将混凝土放入烘箱中干燥24小时（Mo）。取出试件后，在干燥器中冷却至20 - 25°C，测量其质量（Md）。然后将试件用自来水覆盖，在水浴中煮沸5小时，冷却24小时后，用毛巾擦干表面水分，测量其质量（Ma）。根据相关公式计算孔隙率：
    [Porosity (\%) = \frac{M_d - M_o}{M_d - M_a} \times 100]
结果与讨论
- 碳化结果 ：研究记录了不同POFA含量（0%、10%、20%、30%和40%）的POC LWAC在水养护和空气养护两种条件下，7 - 60天龄期的碳化深度。结果显示，养护初期7天内未检测到碳化现象。在空气养护条件下，M3和M4配合比的混凝土在28天龄期开始出现碳化，碳化深度约为0.3 - 1.0mm，并随暴露时间增加而加深。水养护有助于POC LWAC获得更好的抗碳化性能，因为充足的水分能促进混凝土的完全水化过程。使用火山灰材料是降低碳化的有效方法之一，火山灰反应产生的硅酸钙水合物（C - S - H）凝胶可以填充混凝土内部的细孔，减少二氧化碳的侵入。研究发现，在POC LWAC中使用10%的POFA能显著降低碳化深度，有效提高混凝土的抗碳化性能；而40%的POFA替代水泥时，在空气养护条件下碳化深度反而增加。
- 孔隙率结果 ：从孔隙率测试结果可以看出，使用10%的POFA替代水泥时，混凝土的孔隙率最低。POFA的填充效应可以细化和改善混凝土的孔隙结构。然而，当POFA替代水泥的比例超过10%时，孔隙率会显著增加。过多的POFA会增加混凝土的需水量，导致混凝土压实度降低，从而产生更多的毛细孔隙。较大的毛细孔隙会对混凝土的耐久性产生不利影响，因此，较低的孔隙率（如使用10% POFA时）有助于提高POC LWAC的抗碳化性能；而较高的孔隙率（如使用40% POFA时）则会导致较高的碳化速率。

下面是材料准备和测试流程的mermaid流程图：

graph LR
    A[材料准备] --> B[POC清洗破碎]
    A --> C[POFA筛分]
    A --> D[准备其他材料]
    B --> E[配合比设计]
    C --> E
    D --> E
    E --> F[制作试件]
    F --> G[养护]
    G --> H{养护方式}
    H --> I[水养护]
    H --> J[空气养护]
    I --> K[碳化测试]
    J --> K
    I --> L[孔隙率测试]
    J --> L

综上所述，适量的棕榈油燃料灰在适当的养护条件下，可作为部分水泥替代品用于生产POC LWAC，提高混凝土的抗碳化耐久性。这不仅有助于减少水泥用量，还能为环境保护做出贡献。充足的水分供应有助于混凝土的完全水化，使混凝土更加密实，从而提高其抗碳化能力。

一维纳米结构增强碳/碳复合材料在航空航天结构中的应用

航空航天工业对材料的性能要求极高，需要材料具备高强度、轻质、良好的热稳定性和抗环境降解能力。碳复合材料凭借其高比强度、优异的热稳定性和抗环境腐蚀性能，成为航空航天结构的理想材料。近年来，随着技术的不断进步，一维纳米结构增强的碳/碳复合材料应运而生，为航空航天结构的性能提升带来了新的机遇。

航空航天用碳复合材料概述
- 材料特性 ：航空航天领域广泛使用的碳/碳复合材料，通常是由聚合物基体浸渍碳纤维构成。这种复合材料具有高刚性、耐高温和轻质的特点，能够满足航空航天结构在极端温度和恶劣环境条件下的使用要求。碳纤维和树脂的协同作用，使得碳/碳复合材料具有良好的力学性能和热稳定性，能够承受航空航天飞行过程中的各种应力和热载荷。
- 应用优势 ：碳/碳复合材料的独特性能使其在航空航天领域具有广泛的应用前景。其高比强度和轻质特性有助于减轻航空航天结构的重量，提高飞行器的燃油效率和有效载荷能力；良好的热稳定性和抗环境腐蚀性能则能够保证航空航天结构在极端环境下的可靠性和耐久性。此外，碳/碳复合材料还具有良好的可设计性，可以根据不同的应用需求进行定制化设计和制造。
一维纳米结构的作用
- 性能提升机制 ：在碳/碳复合材料的碳基体中引入一维纳米结构，可以显著改善航空航天结构的热性能和力学性能。这些纳米结构能够增强碳复合材料的固有性能，提高其效率和耐久性。例如，一维纳米结构可以填充碳基体中的孔隙，减少裂纹的扩展，从而提高复合材料的强度和韧性；同时，纳米结构还可以改善复合材料的热传导性能，提高其热稳定性。
- 研究进展 ：近年来，研究人员在一维纳米结构增强碳/碳复合材料方面取得了一系列重要进展。通过不断优化纳米结构的种类、含量和分布，研究人员成功地提高了碳/碳复合材料的力学性能和热性能。这些进展为航空航天结构的设计和制造提供了更多的选择，使得航空航天结构能够具备更高的比强度和更好的热稳定性。
面临的挑战与解决方案
- 挑战分析 ：尽管一维纳米结构增强碳/碳复合材料在航空航天领域具有巨大的应用潜力，但目前仍然面临着一些挑战。其中，纳米添加剂的均匀分散和与基体材料的相互作用是关键问题之一。不均匀的纳米添加剂分散会导致复合材料性能的不均匀性，降低其整体性能；而纳米添加剂与基体材料之间的相互作用不明确，也会影响复合材料的性能和稳定性。此外，碳复合材料的生产成本较高，也是限制其广泛应用的重要因素之一。
- 解决方案 ：为了解决这些挑战，研究人员需要进一步探索创新的制造技术。例如，利用自动化和高精度的制造工具，可以实现纳米添加剂的均匀分散和精确控制，提高复合材料的质量和性能。同时，通过优化生产工艺和降低原材料成本，可以降低碳复合材料的生产成本，提高其市场竞争力。

下面是一维纳米结构增强碳/碳复合材料制备和应用的mermaid流程图：

graph LR
    A[碳/碳复合材料基体准备] --> B[一维纳米结构引入]
    B --> C[纳米添加剂分散]
    C --> D[复合材料制备]
    D --> E[性能测试]
    E --> F{性能是否达标}
    F -->|是| G[航空航天结构应用]
    F -->|否| B

未来展望
未来，随着研究的不断深入和技术的不断进步，一维纳米结构增强碳/碳复合材料有望在航空航天领域得到更广泛的应用。研究人员将继续探索新型纳米结构和复合材料体系，进一步提高碳/碳复合材料的性能和质量。同时，创新的制造技术和工艺也将不断涌现，降低碳复合材料的生产成本，推动其在航空航天领域的大规模应用。此外，随着环保意识的不断提高，碳复合材料的回收和再利用也将成为未来研究的重要方向。

研究方向	具体内容
材料性能提升	探索新型一维纳米结构，优化纳米结构与碳基体的相互作用，提高复合材料的力学性能和热性能
制造技术创新	开发自动化、高精度的制造工艺，实现纳米添加剂的均匀分散和精确控制
成本降低	优化生产工艺，降低原材料成本，提高碳复合材料的市场竞争力
环保回收	研究碳复合材料的回收和再利用技术，实现资源的可持续利用

综上所述，一维纳米结构增强碳/碳复合材料为航空航天结构的性能提升提供了新的途径。尽管目前面临着一些挑战，但随着研究的不断深入和技术的不断进步，这些问题有望得到解决。未来，碳/碳复合材料将在航空航天领域发挥更加重要的作用，推动航空航天技术的不断发展。