混凝土外加剂磁处理效果研究.pdf

2 0 1 1年 第 7 期 (总 第 2 6 1 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM DCLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 7 O 1 8 混凝土外加剂磁处理效果研究 宋宏伟 。赵善宇 ( 1 大连民族学 院 土木 系，辽 宁 大连 1 1 6 6 0 0 ；2 大连理工大学 土木水利学院 ，辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要： 主要研究了外加剂溶液磁化后对混凝土物理力学性能和水化程度的影响。 外加剂选用萘系高效减水剂 S W一 4 和早强剂 C F ， 将 它们制成溶液通过一定磁场强度( 0 8 T ) 的水磁化器， 测试参数包括外加剂掺量和养护时间。 研究表明： 所用的外加剂经过磁化后 ， 溶液的 电导率和表面张力有了某些的变化， 且外加剂磁化后在一定程度上提高混凝土的抗压强度， 加快了混凝土的凝结硬化 ， 提高了拌合物的流 动性 ， 水化程度有很大的提高。 关键词 ： 磁化 ；外加剂 ；力学性能 ；流动性 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 2 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 5 3 0 3 Re s ea r c h on e f f e c t of magn e t i c f i e l d t r e a t e d c onc r e t e a dm i x t ur e s SONG Ho n g - we i ， Z HA0 S ha n - yu ( 1 C i v i l E n g i n e e ri n gDe p a r t me n t ， D a l i a n Na t i o n a l i t i e s Un i v e r s i t y， Da l i a n1 1 6 6 0 0， Ch i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l a n d Hy d r a u l i c E n g i n e e ri n g ， Da l i a n Un i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y ， Da l i a n 1 1 6 0 2 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th i s r e s e a r c h i n v e s t i g a t e s t h e me c h an i c a l p r o p e r t y o f t h e c o n c r e t e wh i c h wc r c mi x e d wi th c h e mi c a l a d mi x t u r e s a n d t r e a t e d b y m a g n e t i c fie l d T wo c h e mi c a l a dm i x t u r e s we r e u s e d i n t h i s r e s e a r c h： s u p e r p l a s i t i c i z e r S W - 4 a n d e arl y s t r e n g t h a d mi x t u r e s CF M a gn e t i c tre a t e d a d mi x t u r e s we r e o b t a i n e d b y p a s s i n g l i q u o r s t h o ug h t a c o n c r e t e ma gn e t i c fie l d g e n e r a t i n g ma c h i n e T e s t va ria b l e s i n c l u d e d a d mi x tur e do s a g e and c u r in g a g e R e s u l t s s h o w t h a t l i q u o r S c o n d u c t i v i ty a n d s u rf a c e t e n s i o n h a v e s o me s p e c i a l c h a n g e s a ft e r t r e a t e d b y ma gne t i c fi e l d ， and u s i n g ma g n e t i c tr e a t e d a d mi x tu r e s c o u l d i mp r o v e t h e c o mp r e s s i v e s tr e n g t h o f the c o n c r e t e ， r e d u c e the s e t t i n g t i me s an d i mp r o v e it s fl u i d i ty an d ma gn e t i z a t i o n i mp r o v e d c e m e n t h y d r a t e d e g r e e s K e y wo r d s ： ma g n e t i z a t i o n ； a dm i x tur e ； me c h a n i c a l p r o p e r t y ； fl u i d i ty 0 引言 1 磁场对 水 系统影响的可能机 制 一 定流速的水溶液通过一定强度的磁场， 弱能量作用在介 稳定系统中， 会使系统的性质发生变化。 2 0 世纪 6 0年代， 前苏 联的许多科学家如 Wu l a c h o u f u s k i 、 A l n a n i n a 、 B M 克拉辛等人开 始研究用磁化水来拌和砂浆和混凝土【 l _ ， 并取得了良好的效 果。 目前的混凝土磁处理方面， 已经有人研究将粉煤灰和矿渣做 成浆液通过磁场进行磁处理刚， 也有人研究磁化水和化学外加 剂一起使用的效果 ， 但还没人研究将化学外加剂溶液磁化后 拌和混凝土的效果。 这个问题是非常重要的， 因在水中加入化学外加剂就相当 于加入各种极性分子和离子， 磁场对它们的作用可能要 比单纯 作用于水分子的效果大。 B M 克拉辛在其著作中曾指出 11 ： 不含 解离产物和溶解气体的水一般是不存在的， 水的磁化率强烈地 依赖于这些离子和分子的浓度。 纯净的水是反磁性物质 ，因而 磁场对它的作用效果可能很弱， 但水中许多杂质具有顺磁性， 甚 至铁磁性， 两者效果的叠加， 结果可能超过反磁性 ， 从而加强磁 场对水溶液的磁化效果。 基于上述思想， 从化学外加剂磁化为切 人点， 研究其对混凝土性能的影响。 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ 0 1 2 3 基金项目：国家自然科学基金( 5 0 9 0 8 0 3 5 ) 先讨论一下离子和水分子的作用关系。 水溶液中的离子对 水分子结构的影响与其水合作用有关 ， 一种是近程水合 ， 离子 与最靠近的水分子互相作用 ； 另一种是远程水合， 就是使较远 的水分子极化。 外加剂加入水中， 形成水溶液。 当溶液在磁场中 移动时， 阳 、 阴离子和极性的水分子在劳伦兹力作用下有发生 相反的回旋移动的趋势。 F = K g H s i n a ( 1 ) 式中： F 劳伦兹力； q 离子电荷； 离子移动速度； 日磁场强度 ； 磁场方向和离子的运动方向之间的夹角； K比例系数。 式中 包含光速， 故劳伦兹力很小， 但劳伦兹力所引出的一 系列的效应： 霍尔效应 ， 加尔特曼效应等， 在有弱点流的电解液 通过磁场时， 都被证实在水溶液的流过磁场时是的确存在的 。 因此可以得出， 离子进入磁场特别是高梯度的磁场时， 在最初 其运动的巨大加速 ， 可能起到很大的作用， 可能使得远程水合 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 离子发生瞬时的减少【 l I 5 】 ， 继而促进反离子的相互作用， Br 贝霍 夫等人通过一系列的试验和假设， 得出垂直磁力线方向的液流 截面上离子浓度分布的特性， 此方程指出了当溶液流经磁场时 离子浓度将发生波动。 ，一 日 H h 兰 -一 s h H C=7 1 0 - O v 一 f 2 ) a K H s h H a 式 中 ： C 离子浓度 ； 溶液黏度； 溶液电导率； b 磁场感应 ； 常数 ； 电解质的平均速度； 日 加尔特曼数， H = ( o r 1 ) 6 ； z 磁场方向坐标； n 通道的半宽度。 由式( 2 ) 可知 ， 磁场中的离子浓度和磁场强度 b ， 流速 成正 比， 当溶液流经磁场， 离子的浓度必然要发生波动。 边缘的非均匀磁场区， 磁场对离子浓度波动的影响更加大。 正是这种离子浓度的波动， 导致离子缔合状态的强烈变化， 影响 到离子的水合程度 ， 进而影响到水分子之间的氢键 ， 最终使得 水分子活化 。 2 磁化设备及材料 试验采用 Mw I 型永磁磁化器， 其所用的磁体为钕铁硼永 磁铁( N d F e B ma g n e t ) ， 表面磁力约为 0 6 6 7 T e s l a ， 以下简写为 T 或 mT 。 试 验采用小野 田 P O4 2 5 R级水 泥 、 I S O标准砂 、细度 模数 2 9河砂、 5 2 5连续级配碎石 、 饮用 自来水、 无机早强剂甲 酸钙简称 C F 、 萘系高效减水剂 S W一 4 。 3 试验结果与分析 凝结时间等按照 G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 普通混凝土拌合物性 能试验方法标准 进行。 混凝土力学性能按照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标准 进行， 配制 C 4 0混凝土 ， 配 合比 C ： S ： G：W= 4 5 6 ： 5 6 3 ： l 1 4 3 ： 2 0 5 ， 水灰比0 4 5 。 试验考察磁场强 度 8 1 0 mT 、 流速 O 7 3 m s 条件下 ， 磁化前后外加剂溶液性能变 化及外加剂掺量和龄期对混凝土强度的影n l t9 。 选择磁化参数时， 参阅相关文献， 并经过试验2 5 0 、 4 5 0 、 8 1 0 mT ， 流速 O 3 9 、 O 5 9、 0 7 3 、 1 O l m s ， 确定最佳场强为 8 1 0 mT， 流速 0 7 3 m s ， 磁场有效长度设计为 5 8 0 m i l l 。 ( 1 ) 磁化对外加剂水溶液表面张力和电导率的影响。 表面张 力在 K R US S K1 2表面张力仪上进行测试 ， 样品掺量按照推荐的 2倍浓度进行测定， 测试温度( 2 0 1 ) ； 电导率在DDS 1 1 A型电 导率仪上进行测试， 电极采用 D J S 1 铂黑电极3 J o l 。 表 l 表明外加剂磁处理后溶液表面张力有了一定的降低， 这与相关文献有很好的一致性 1 。 磁处理对水泥混凝土性能的 影响， 并不是降低了水的表面张力， 而是磁处理会导致液一 气界 面对表面活性物质的吸附能力发生了明显的变化 ， 增加外加剂 水溶液的溶解性， 会极大的改善传统外加剂对拌和物的分散能 力 ， 提高外加剂的性能。 由表 1 数据还可以看出， 加入的无机外 加剂 ， 磁化后电导率增加明显， 加入有机表面活性物质对电导 率的影响不明显， 甚至会降低。 试验结果证明磁化对于水性质的 5 4 表 1 磁 化对外加剂溶液表面张 力和 电导率的影响表 影响， 本质上还是影响其中的离子及其水合状态， 进而影响水 分子的结构和聚集状态。 ( 2 ) 磁化处理对水泥凝结时间的影响。 由表 2可看出， 不论 掺量， 磁化处理外加剂都可以使得水泥的凝结时间得到缩短。 表 2外加剂的磁化对水泥凝结 时间的影响 ( 3 ) 磁化处理对混凝土拌合物性能的影响。 从表 3可看出， C F无机外加剂溶液磁化后拌制混凝土的坍落度有所增加 ， 但 是对于有机表面活性剂 S W 4 ， 磁处理后拌和混凝土的坍落度有 下降趋势； 二者拌制的混凝土实测密度都有增大趋势。 表 3 外加剂磁 化对 混凝土拌合物性能的影响 从表 3还可看出， 单纯对自来水进行磁化后， 初 、 终凝时间 可提前 1 5 2 5 mi n ， 而对比外加剂磁化前后， 混凝土凝结时间变 化明显 ， 尤其是两种早强剂， 初凝时间可以提前 3 0 5 0mi n ， 终 凝时间可以提前约 1 h ， 这对于有早强快凝要求的混凝土结构应 用前景应该是十分光明的， 而磁化处理的成本很低 ， 不会大幅 度增加外加剂的价格。 ( 4 ) 磁化 处理对混凝 土强度影 响的影 响。 图 1 、 2是 掺加不 同外加剂对 W C为 0 4 5 混凝土抗压强度的影响， 外加剂的掺量 取最佳掺量( C F为 0 2 5 ， S W一 4为 0 7 5 ) ， 结果表明， 不论养 护龄期长短， 掺加磁处理外加剂的混凝土比空白样和未经磁化 处理的外加剂的抗压强度都有相当的提高。 图3 是添加 C F 溶液磁化与否水泥石水化 2 8 d 的X l m 图谱， 对比图3 ( a ) 、 ( b ) ， 添加磁化处理 C F后， 水泥水化产物大量生成， 峰强有明显的变化， 尤其是 C a ( OH) ： 和 C S H凝胶体的特征峰 强度和数量有很大的提高， 钙矾石和A F m峰值也大量出现； 图 4 是添加 S W一 4磁化与否水泥石水化 2 8 d的 X R D， 高效减水剂 S W- 4磁化处理后 C a ( OH) 特征峰强度有所下降， C S H、 A F t 等 水化产物大量生成， 磁化处理后未水化的C ： S特征峰已经很弱。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 O 5 0 40 黑 30 蛙 2 0 1 0 3 7 28 龄期 ， d 圈 1 CF磁化前后对混凝土强度的影响 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 ( a 1 添 I C F 的2 8 d 水泥石XR D 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 f b ) 添加 磁化c F 的2 8 d 水泥石XR D 图 3早强剂 CF磁化影晌水泥石的 X RD 4结 论 通过考察磁化对离子远程水合作用的影响， 分析水溶液中 离子磁化机理的合理陛， 并以其为理论基础进行外加剂磁化研究， 得出如下结论 ： ( 1 ) 表面活性物质磁化后 ， 水溶液的表面张力明显降低 ， 原 因是磁化导致液一 气界面对表面活性物质的吸附能力发生了明 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 ( a ) 添) J i s w一 4 的2 8 d 水泥 石XR D 10 2U U 4U U 6 0 ， U 80 U ( b ) 添加磁化S W一 4 的2 8 d 水泥石X R D 图 4 高效减水剂 s w一 4磁化影响水泥石的 X RD 显 变化 。 ( 2 ) 加入的无机外加剂磁化后电导率有所增加 ， 当流速达 到 0 5 9 、 0 7 3 m s 时， 电导率达到最大， 但加入有机表面活性物 质对电导率的影响不明显， 甚至会降低。 ( 3 ) 掺加磁化处理外加剂的混凝土比空白样和未经磁化处理 的外加剂的抗压强度都有相当的提高， 混凝土流动性也有所提高。 ( 4 ) 对比掺加磁化和未磁化的外加剂的混凝土， 凝结时间 变化明显 ， 尤其对于两种早强剂， 初凝时间可以提前 3 0 5 0mi n ， 终凝时间可以提前 1 h左右。 ( 5 ) 无机外加剂 C F磁化处理后， C a ( O H) 和C S H凝胶体 的特征峰强度和数量有很大的提高， 钙矾石和AF m峰值也大量 出现， 高效减水剂 S W一 4磁化处理后 C a ( O H) ： 特征峰强度有所 下降， 对比C S H、 AF t 等水化产物大量生成。 参考文献 ： 1 B M 克拉辛 水系统的磁处理 M 】 壬鲁， 译 E 京 ： 宇航出版社， 1 9 8 2 ： 1 3 7 1 3 8， 1 0 5 6 2 S U N a n ， WU C h e a - f a n g E f f e c t o f ma g n e t i c fi e l d t r e a t e d w a t e r o n m o r - t a r a n d c o n c r e t e c o n t a i n i n g fl y a s h J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 2 0 0 3 ) ： 6 8 1 6 8 8 3 】S U N a n ， WU Y e o n g h w a ， MA RC h u n g y o E f f e c t o f ma gne t i c w a t e r o n e n g i n e e r i n g p r o pe r t i e s o f c o n c r e t e c o n t a i n i n g g r a n u l a t e d b l a s t - f u ma c e s l a g J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 2 0 0 0 ) ： 5 9 9 6 0 5 f 4 傅献彩， 沈文霞， 等物理化学【 M 】 - 京： 高等教育出版社， 2 0 0 1 ： 5 2 2 5 杨乔宇 探讨哈耳电压与水磁化变数之关系及其对水泥砂浆抗压强 度之影响【 M 台湾： 国立中央大学， 2 0 0 4 【 6 】董学佼磁化水拌制混凝土研究 M 】 大连： 大连理工大学， 2 0 0 1 下转第 5 8页 5 5 如 加 m 5 o B d 氍 坦 如 如 如 0 _ 如 如 吣 如 0 伽 枷 姗 姗 瑚 瑚 如 0 湖 伽 枷 姗 瑚 瑚 如 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 8极差分析表 耐久性的优方案为： A 2 B 3 C 2 ， 即D5 方案。 2 3 3 硫酸盐侵蚀后抗压强度损失值与冻融后弹性模量损失值 硫酸盐侵蚀后抗压强度损失值与冻融后弹性模量损失值 变化关系见图 2 ， 二者存在显著的线性关系， 可以用式( 1 ) 描述： y = 0 4 2 9 l x + O 2 8 2 5 ( 1 ) 式中： ， 冻融后弹性模量损失值， MP a ； 硫酸盐侵蚀后抗压强度损失值， G P a ； R 回归系数。 这样， 就可以通过煤矸石混凝土冻融后弹性模量损失值预 测硫酸盐侵蚀后抗压强度损失值， 或者已知硫酸盐侵蚀后抗压 强度损失值 ， 估算煤矸石混凝土冻融后弹性模量损失值。 这对预 测、 控制和改善煤矸石混凝土的性能具有实际意义。 图2 系 3结 论 ( 1 ) 利用经硫酸盐侵蚀后抗压强度损失值 、 2 8 d的渗透系 数及其冻融后弹性模量损失值 3个指标通过正交试验来考核 煤矸石混凝土的耐久性， 试验分析表明， 粉煤灰的影响因素要 上接第 5 5页 【 7 】 丁大钧 现代混凝土结构学【 M 】 E 京 ： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 0 【 8 】HO R NE R A I n ： ma r i n e c h e mi s t r y M Ne w Yo r k ： Wi l e y I n t e r s c i e n c e 。 1 9 6 2： 5 6 8 9 】王立久 ， 李振荣 建筑材料学 M _ E 京 ： 中国水利水电出版社， 2 0 0 0 ： 4 0 - 4 3 58 大于矿渣的影响因素。 ( 2 ) 通过极差分析法与通过功效系数法得出煤矸石混凝土 的耐久性的优方案是相同， 即煤矸石混凝土的耐久性优方案是 煤矸石替代碎石量 3 0 、 粉煤灰替代水泥量 2 0 、 矿渣替代水 泥量 1 5 。 ( 3 ) 硫酸盐侵蚀后抗压强度损失值与冻融后弹性模量损失 值变化关系存在着显著的线性关系， 相关系数为 0 9 9 3 6 ， 这对 预测、 控制和改善煤矸石混凝土的性能具有实际意义。 参 考文献 ： 1 】毛艳丽， 罗世田， 鲁志鹏平顶山市煤矸石的资源化利用培 净煤技 术 ， 2 0 0 7 ， 1 3 ( 4 ) ： 7 5 2 宋旭艳 ， 宫晨琛， 李东旭 煤矸石活化过程中结构特性和力学性能的 研究 J 硅酸盐学报， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 3 ) ： 3 5 8 3 6 3 【 3 】 盂云芳， 眭克仁， 买文智复合矿物掺和料对混凝土的增强效应 建 筑材料学报， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 6 ) ： 7 2 4 4 】 周梅 ， 朱涵， 汪振 双钢纤维增强自燃煤矸石轻集料混凝土试验研 究 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 8 ， 1 1 ( 6 ) ： 7 1 6 5 王吉晶， 公明明 ， 高孟华， 等 高温煅烧和机械球磨对煤矸石反应活 性的影D i J 1 华东理工大学学报， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 6 ) ： 7 6 5 6 】 李云雁， 胡传荣 试验设计与数据处理 M 北京： 化学工业出版社， 2 0 1 0 ( 9 )： 1 3 4 作者简介 联系地址 联系电话 郭金敏( 1 9 7 0 一 ) ， 女， 副教授， 硕士生导师 ， 主要从事绿色建 筑材料的研究。 河南省平顶山市河南城建学院交通工程系办公室( 4 6 7 0 4 4 ) 1 3 46 1 1 1 7 53 8 1 0 高向阳确 娇畦 凝土的试验分析叨 徐州： 彭城职业大学学报， 2 0 0 2 作者简介： ( 1 9 7 8 - ) ， 男， 博士， 讲师， 研究方向：材料学， 结构工程。 联系地址： 大连开发区辽河西路 1 8 号 大连民族学院土木系( 1 1 6 6 0 0 ) 联 系电话 ： 1 3 5 9 1 7 3 9 8 1 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m