关于水工结构工程专业国家自然科学基金研究热点的认识

在国家自然科学基金委的资助下,中国的水利科学与海洋工程学科得到了长足发展.为进一步明确学科发展方向,正确指引水利学者的研究导向,基于国家自然科学基金委员会主办的"2014水工结构与水力装备战略研究暨青年学者学术交流会"及水利学科有关申请书的申请材料和专家评议意见,分析了水科学研究中水工结构工程学科近期的研究进展情况,初步明确了"库坝工程全寿命周期性能演变机理"为"十三五"期间水工结构学科重大研究项目,在"生态水工学"和"水利工程的信息化、数字化、智能化"为优先支持的跨学科交叉研究领域,提出了学科亟待攻关的前沿热点科学问题.该研究有利于科研工作者进一步凝炼关键科学问题,促进水利科学基础研究的发展.     

矿物法--环境污染治理的第四类方法

总结介绍了近10年开展环境矿物材料研究所取得的较为系统的研究成果。新提出环境矿物材料基本性能,包括矿物表面效应、孔道效应、结构效应、离子交换效应、结晶效应、溶解效应、水合效应、氧化还原效应、半导体效应、纳米效应及矿物生物交互效应等。展示环境矿物材料开发应用方面的崭新成就,包括利用天然铁的硫化物矿物强还原性,发明一步法还原Cr(Ⅵ)与沉淀Cr(Ⅲ)废水处理新工艺;利用天然锰的氧化物矿物强氧化性,发明处理高浓度与强污染的印染和酚类废水新方法;利用天然钛的氧化物矿物日光催化性,发明光催化降解卤代有机污染物新方法;利用天然蛭石高温脱水膨胀热效应,发明能大幅度提高型煤固硫率与除尘新方法;利用天然钙基蒙脱石低成本制备出同时防止水体与无机和有机污染物渗漏的自愈性强的填埋场衬层建造用新型防渗材料,发明生活垃圾尤其是危险废物填埋场衬层建造新工艺;发现凝灰岩与花岗岩中长石类矿物发育有良好的孔道结构,核素进入可发生固定化作用,成为有效阻滞核素迁移的天然屏障;利用天然纳米管状纤蛇纹石成功制备二氧化硅纳米管,接枝有机物可由亲水性变为疏水性;利用黄钾铁矾的胶体特征作为多金属矿山废石堆隔离防渗层,防止金属硫化物矿物氧化分解与矿山酸性废水污染等。着重指出今后环境矿物?     

环境矿物材料基本性能：无机界矿物天然自净化功能

重点阐述环境矿物材料基本性能，包括矿物表面吸附、孔道过滤、结构调整、离子交换、化学活性、物理效应、纳米效应及与生物交互作用等，旨在发掘、凝炼并新提出物理方法和化学方法之后与有机界生物同效的无机界矿物天然自净化功能的基础理论与应用方法，以发展和完善无机矿物与有机生物所共同构筑的自然界中存在的天然自净化系统，并就目前笔者在黄铁矿、锰钾矿、金红石、蛭石、蒙脱石、苋铁铁钒等天然矿物方面已经完成和正在开展的一系列环境矿物材料研究工作进行了举例说明。     

晶体及矿物颗粒大小对岩土材料力学性质的影响

岩石常见较大的晶体或者矿物颗粒,混凝土中是骨料,通过团簇模拟大颗粒的力学行为、团簇可以破裂。根据设计的相同数量、相同位置、不同半径的大颗粒数值单轴压缩试验,在虚拟试验条件下,考察了颗粒大小对材料力学响应的影响。通过分析颗粒材料的破裂形态、裂纹扩展过程、应力-应变曲线和破裂能量演化规律发现：大颗粒具有明显的增强特性,有阻止裂纹扩展的作用,破裂多绕大颗粒发展;增强幅度随颗粒半径的增加呈单增趋势,半径较小时,增强效果不明显。     

超导SIS混频器空间应用发射锁定机构热胀特性测量研究

高灵敏度太赫兹探测模块(High Sensitivity Terahertz Detection Module, HSTDM)是中国空间巡天望远镜---巡天光学设施的后端模块之一, 其核心探测器采用可工作于10K温区的氮化铌超导SIS (Superconductor Insulator Superconductor)混频器. 超导SIS混频前端的锁定机构在力学和热学方面需相应的特殊设计, 以应对发射阶段的力学振动以及工作运行阶段的隔热要求. 为了确认在80K温区锁定机构与混频器前端有效分离, 针对超导SIS混频前端发射锁定机构所用特氟龙材料热胀特性, 开展基于低温LVDT (Linear Variable Differential Transformer)测量和标记划痕法测量以及两种测量方法交叉验证. LVDT实验测量结果表明特氟龙材料收缩率随温度变化与理论模型基本一致, 在80K测得材料收缩率为1.86%. 据此分析, 超导SIS混频前端锁定机构在\lk 80K温度下可与10K冷级的超导SIS混频前端实现有效分离.     

超磁致伸缩声波震源的时频特征与实测研究

宽频带、大功率、短余振声波震源是高分辨率探测大尺度复杂结构体的关键技术,为了解决探测距离与其分辨率的矛盾问题,采用超磁致伸缩材料制作的声波发射器作为震源,研制了一种新的声波探测仪器。该震源中心频率为5 kHz,激励电压300~600 V,具有辐射声功率大、余振短（3.5个周期）、频带宽（1~3 kHz）的特性;其最大的优点是每次激发的声波信号一致性好,可以采用单点多次激发,通过多次叠加的数据处理技术提高信噪比,较好地解决了声波探测距离与分辨率的矛盾,并成功地应用于煤矿采场顶煤厚度探测。现场探测结果表明：大功率声波探测系统能够有效提取4~7 m煤岩交界面的反射波信号,借助于小波多分辨分析信号处理方法,有效地提高了采场顶煤厚度探测的精度及其可靠性,为顶煤厚度精确探测提供了一条有效途径。     

纳米矿物与纳米矿物资源

为促进对纳米矿物及纳米矿物资源的认识、深入研究及开发应用,阐述了矿物纳米颗粒、纳米矿物狭义和广义概念、纳米矿物形貌分类和主要类型,并从晶体结构和晶体化学理论讨论纳米矿物形成和稳定的本质,即纳米矿物和矿物纳米颗粒形成分别受内因和外因控制.阐明了纳米矿物学研究内容及其在关键带研究的重要性,提出了纳米矿物资源的概念、属性及其开发利用的方向.      

冻融循环对不同孔隙率页岩相似材料影响的试验研究

基于地质力学模型试验的相似理论,针对寒区岩体工程,分别制作了5种不同孔隙率的页岩相似材料,进行冻融循环试验,探究不同孔隙率的页岩相似材料在冻融前后,其主要物理力学参数的变化规律。试验研究表明：在冻融循环后,页岩相似材料的单轴抗压强度、三轴抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角有不同程度的减小,孔隙率、泊松比有不同程度的增大。页岩相似材料的物理力学参数受冻融循环的影响随孔隙率的增大先增大后减小,孔隙率处于9.4%~13.6%时,受冻融循环影响最大;孔隙率处于5.8%~9.4%时,受冻融循环的影响随孔隙率的增大有增大的趋势;孔隙率处于13.9%~19.1%时,受冻融循环的影响随孔隙率的增大有减小的趋势。研究结果可以为西部寒区的岩土工程建设和减灾提供相关的科学依据。     

水基钻井液防塌封堵材料封堵特性实验研究

提高钻井液封堵能力是有效解决硬脆性页岩、煤层等复杂地层井壁失稳的主要技术手段。本文以在一定温度、压力条件下30 min的滤失量为评价标准,对几种封堵材料的封堵特性进行了实验研究。结果表明：除超细碳酸钙外,其他材料随着加量的增加,封堵效果越来越好;乳化沥青、乳化石蜡和油溶性酚醛树脂随着温度的升高,封堵效果变差,而聚乙二醇和聚酯先变差然后又有一定程度的恢复;聚酯和超细碳酸钙能够快速封堵微裂缝;几种封堵剂均对钻井液的流变性能有较明显的影响。对各封堵材料的封堵机理分析表明：不同的封堵材料具有不同的封堵特性,分别适应不同的温度、压力条件。只有根据井下实际情况,有针对性地选择与之相适应的封堵材料,才能有效提高水基钻井液的封堵能力。     

电解法处理船舶压载水的杀菌性能及机理研究

船舶压载水携带的微生物对目的海域的污染问题亟待解决。采用电解法,以渤海湾的海水为处理对象,以炭纤维材料为阴极,分别以碳棒、碳板和炭纤维为阳极,首先考察了施电2.00 V下3种阳极炭材料对应的杀菌效果,进而重点考查了碳板为阳极材料时施加不同槽压下的杀菌性能,并对其杀菌机理进行初步分析。结果表明,3种阳极材料对应的杀菌效果先后顺序为碳棒碳板炭纤维,各自的杀菌效果均较为明显,施电18 min时碳板对应的灭活率可达100%;以碳板为阳极时,施加槽压越高杀菌效果越显著,本研究范围内以1.81 V为佳,施电18 min时灭活率在99%以上;不同槽压下体系中氯离子浓度和p H都随时间整体呈减小趋势,一定程度上可用于解释杀菌作用过程。研究结果可为电解法处理船舶压载水提供参考和借鉴。