摘　要:歸納了磁化水對(duì)混凝土性能的影響以及影響磁化效果的各種因素。論述了目前磁化效果的檢驗(yàn)方法,即通過水系統(tǒng)的一些物理化學(xué)變化以及結(jié)構(gòu)上的差別進(jìn)行檢驗(yàn)。討論了磁化水對(duì)混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)機(jī)理。概述了目前磁化水研究的主要領(lǐng)域及其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞:磁化水;混凝土;混凝土性能;磁化效果;磁化機(jī)理

中圖分類號(hào): TU 528. 1　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

　　水在人類生活的各個(gè)領(lǐng)域具有無可比擬的作用。近年來,水系統(tǒng)———天然水和技術(shù)用水的磁化及磁處理,被廣泛地應(yīng)用于改進(jìn)多種工藝和生物過程。關(guān)于磁的利用,可以追溯到兩千多年以前,我國古代著名醫(yī)學(xué)家李時(shí)珍的《本草綱目》就有民間采用磁石治病的記載[ 1 ] 。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)磁的認(rèn)識(shí)不斷得以提高,人類幾乎在生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域都有對(duì)磁的利用。如今,磁化水已在醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)、化工、礦山、冶金等方面得到了廣泛的應(yīng)用,并取得了一定的成果,在建筑工程的應(yīng)用研究也正在進(jìn)行。國內(nèi)外許多研究人員和學(xué)者正在對(duì)用磁化水拌制的混凝土———磁化水混凝土進(jìn)行更深一步的探討和試驗(yàn)。

　　前蘇聯(lián)、東歐及我國的研究資料表明,利用磁化水拌制混凝土可提高其強(qiáng)度20 % ～40 %,但不同的試驗(yàn)條件所得的試驗(yàn)結(jié)果有所差別。磁化水混凝土的標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)均低于普通水拌制的混凝土。前蘇聯(lián)哈爾科夫公路交通學(xué)院的試驗(yàn)表明,磁化水混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度提高了27 %。他們還試驗(yàn)了將水在磁化前先進(jìn)行真空處理,其水泥砂漿的強(qiáng)度可提高60 % ,無論是早期強(qiáng)度還是28 d強(qiáng)度均是如此[ 1 ] 。

　　蘇聯(lián)Ю·и·希爾洛維曾進(jìn)行了磁化水對(duì)水泥混凝土密實(shí)度和抗凍性影響的研究。他認(rèn)為磁化水可以降低水灰比,改變混凝土的結(jié)構(gòu),減少混凝土的收縮孔隙,能降低混凝土的透水性,大大提高了其抗凍性,其抗凍融循環(huán)一般在100次以上,其中用摻亞硫酸廢液的磁化水拌制的混凝土能承受1 000次以上的凍融循環(huán)。試驗(yàn)表明,凡是用磁化水拌制的混凝土,其抗凍性都有明顯的提高,摻入增塑劑等外加劑時(shí)抗凍性的提高更為明顯。表1至表4是參閱相關(guān)文獻(xiàn)之后得出的一些對(duì)比數(shù)據(jù)。

表1　磁化水對(duì)水泥基本性能的影響[ 2 ]

表2　不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下磁化水對(duì)砂漿流動(dòng)度的影響[ 3 ]

表3　相對(duì)抗壓強(qiáng)度

表4　混凝土滲透性試驗(yàn)結(jié)果[ 3 ]

　　在研究磁化水混凝土的過程中,大多數(shù)的研究人員發(fā)現(xiàn)在磁化過程中存在著最佳參數(shù),即磁場(chǎng)強(qiáng)度和水流速度會(huì)影響磁化效果,在這里我們是以混凝土的各種性能指標(biāo)來衡量磁化效果。由于試驗(yàn)條件和設(shè)備的不同,研究者得出的最佳參數(shù)也不盡相同。表5是一些研究人員在研究磁化水的試驗(yàn)中所采用的磁場(chǎng)強(qiáng)度和水流速度。

表5　磁場(chǎng)強(qiáng)度、水流速度與混凝土強(qiáng)度增長率

　　對(duì)自來水進(jìn)行循環(huán)磁化,可以增加水流在磁場(chǎng)中的滯留時(shí)間,也就增加了磁化的時(shí)間,增加磁場(chǎng)的長度同樣也可以達(dá)到這種效果。從1977年起,日本針對(duì)磁化水進(jìn)行了長達(dá)8年的試驗(yàn)研究,通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,證明若水的磁化時(shí)間過長,對(duì)砂漿強(qiáng)度反而沒有增進(jìn)作用。所以,有一個(gè)最佳磁場(chǎng)長度的問題。

　　國內(nèi)外的很多學(xué)者對(duì)磁化水的物理性質(zhì)進(jìn)行過反復(fù)的對(duì)比試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)磁力水的滲透壓、吸光度和pH值等均有不同程度的變化,而且一般來講水溶液的變化比純水要大。也有試驗(yàn)證明,蒸餾水經(jīng)磁化后拌制的混凝土強(qiáng)度幾乎沒有提高。所以,磁化水的水質(zhì)也是影響磁化效果的一個(gè)因素。還有文獻(xiàn)指出,試驗(yàn)之前必須使水在靜止?fàn)顟B(tài)下嚴(yán)格靜置同樣的時(shí)間,經(jīng)冷凝3 d后的水最易受磁場(chǎng)的作用。

　　磁化水與普通水在視覺和感官上無任何的差異,因而采用什么手段才能較好地測(cè)試出水磁化的效果是一個(gè)比較困難的問題。經(jīng)過多年來的研究,在磁化水性能研究方面出現(xiàn)了許多測(cè)試方法。例如對(duì)于單相水系統(tǒng)(微觀多相) ,可以對(duì)水的光學(xué)性能、法拉第磁光效應(yīng)、離子水合作用、紅外吸收光譜、磁化率、電導(dǎo)率、介電常數(shù)、黏度和化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量;對(duì)于多相系統(tǒng),可以從溶液的表面張力、吸附、溶解、結(jié)晶、聚合、潤濕、凝聚和電化學(xué)效應(yīng)等方面的測(cè)量來反映磁化程度。通常的測(cè)試指標(biāo)有分子的表面張力、電導(dǎo)率、Cl- 離子濃度、堿度和硬度等。水經(jīng)過磁化之后,這幾個(gè)方面的性能通常會(huì)發(fā)生改變。表6和表7是歸納文獻(xiàn)[ 1 - 5 ]得出的對(duì)比數(shù)據(jù)。

表6　普通水與磁化水的表面張力1)

表7　磁化處理后水的表面張力、pH值、電導(dǎo)率、硬度[ 3 - 4 ]

　　　貴州工業(yè)大學(xué)安燕等曾就磁場(chǎng)對(duì)水的pH值、表面張力的影響以及磁化水的表面張力隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,水經(jīng)磁化后的pH值上升約2. 6 %。磁化后水的表面張力明顯下降,下降值與磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān),同時(shí)與放置時(shí)間也有關(guān),即有弛豫性。弛豫時(shí)間在15 d以上。表面化活性劑磁化水溶液的表面張力下降幅度更大,弛豫時(shí)間更長。

　　方江華等[ 6 ]采用高精度傅立葉變換紅外線分光光度法來測(cè)定磁化水的磁化率。通過研究水分子在中紅外區(qū)的3個(gè)振動(dòng)吸收帶Y1、Y2、Y3在不同的磁化條件下的變化,發(fā)現(xiàn)磁化水與普通水分子的O—H基伸縮振動(dòng)帶Y1與彎曲振動(dòng)帶Y3的積分面積比值S1OS3有較明顯的差別。這個(gè)比值偏離正常值的大小,可以作為水磁化程度的定量檢驗(yàn)參數(shù)。

　　很多研究者通過水產(chǎn)物的SEM分析,通過對(duì)硬化水泥微觀形貌的比較,來分析水系統(tǒng)的磁處理對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響。大多數(shù)的研究結(jié)果表明,磁化水混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更為致密。這可能是由于磁化水的分散性較普通水要好,使得礦物水化時(shí)自發(fā)地彌散至膠體大小的顆粒,因而水化產(chǎn)物的晶粒比較細(xì)小,水化程度更完全。

　　大連理工大學(xué)趙善宇、濮陽地方道路管理處杜躍武、湖南大學(xué)朱元保等[ 2 ]采用X射線物相分析,對(duì)磁化前后的自來水拌制的水泥水化3 d、28 d的水化產(chǎn)物進(jìn)行了XRD分析。結(jié)果表明,磁化處理能夠促進(jìn)水泥石中各種礦物的水化,有利于水泥石結(jié)構(gòu)的形成。

　　MezeiM等采用MC方法計(jì)算了水的熱力學(xué)參數(shù)對(duì)溫度的依賴關(guān)系; Tanaka H等采用MD方法對(duì)水的徑向分布函數(shù)、勢(shì)能、比熱和擴(kuò)散系數(shù)等熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了研究; KiselevM等通過MD 方法,定量計(jì)算了外加電場(chǎng)情況下Cl- 離子對(duì)水的結(jié)構(gòu)的影響。石油大學(xué)盧貴武等在1997年曾采用MC方法來模擬磁場(chǎng)對(duì)水系統(tǒng)內(nèi)能的影響,采用Fortran編程計(jì)算; 大連理工大學(xué)周繼揚(yáng)等在2003 年同樣采用MC方法對(duì)水系統(tǒng)的磁處理進(jìn)行了研究,采用Visual C + + 6. 0進(jìn)行編程計(jì)算。他們采用的方法都是由MezeiM等的方法演變過來的,所采用的思想、建立的模型和模擬的方法都是類似的。

　　一些研究人員還對(duì)分子團(tuán)簇進(jìn)行了分析。倫敦南岸大學(xué)(London south bank university)對(duì)水中氫鍵的結(jié)合率和水分子團(tuán)簇尺寸進(jìn)行了相關(guān)的研究,得出二者之間的一定關(guān)系。

　　總結(jié)對(duì)磁化水提高混凝土強(qiáng)度機(jī)理的試驗(yàn)研究,目前已有的理論是:由于水分子為極性分子,在普通水中,水分子相互吸引形成大的分子團(tuán),未被大分子團(tuán)吸引的單分子水分散于大的分子團(tuán)之間。與大的分子團(tuán)相比,單分子水的物理化學(xué)活性很強(qiáng),但由于普通水中的單分子水很少,因而水的活性不高,不能使水泥充分水化,水泥的水化只能在水泥顆粒表面進(jìn)行。而水泥表面的一層膠體膜將阻礙水泥顆粒的進(jìn)一步水化,這樣就會(huì)影響到混凝土強(qiáng)度的提高。當(dāng)水經(jīng)過磁化時(shí),在磁場(chǎng)力的作用下,大的分子團(tuán)破裂變成單個(gè)水分子,這些單個(gè)水分子重新整齊排列,增加了水分子之間的電性吸引力。由于單分子水的物理化學(xué)活性和滲透力很強(qiáng),可滲入到水泥顆粒內(nèi)部,使水泥充分水化,從而提高了混凝土的強(qiáng)度。

5　研究現(xiàn)狀與前景展望

　　自20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)了磁化水以后,經(jīng)過幾十年來的發(fā)展,磁化水已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了人們的實(shí)際生活中,用磁化水制備混凝土在前蘇聯(lián)的很多建設(shè)部門已經(jīng)推廣應(yīng)用,并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前,國內(nèi)外對(duì)于磁化水混凝土的研究,主要集中在以下幾個(gè)方面:

　　(1)對(duì)于磁化水混凝土本身性能的研究。一是合理的磁化參數(shù)的研究,如磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度、水流速度、磁化時(shí)間、水被磁化后放置的時(shí)間以及不同拌合物對(duì)磁化水混凝土的影響等;二是磁化水混凝土不同的物理力學(xué)特性的研究,如抗壓、抗拉、抗折、密實(shí)度、pH值、表面張力等。

　　(2)對(duì)磁化設(shè)備的研究。我國從20世紀(jì)80年代開始就致力于研制磁場(chǎng)強(qiáng)度可變化的電磁式磁水　器,也有廠家和人員進(jìn)行永磁式磁水器的研究。

　　(3)對(duì)水的磁化效果的研究,即用什么方法和哪些指標(biāo)來判斷水被磁化的程度。到目前為止,尚未找到合理的判斷磁化效果的指標(biāo),只是單純地通過測(cè)量水的堿性、電導(dǎo)率、表面張力等這些水質(zhì)本身的變化來進(jìn)行判別,缺少一定的理論依據(jù),而且有的經(jīng)過試驗(yàn)得出的結(jié)論是相反的。

　　磁化水混凝土技術(shù)屬于一種新型的混凝土技術(shù),其應(yīng)用于混凝土領(lǐng)域已有幾十年的歷史[ 7 ] 。雖然從20世紀(jì)60年代至今前蘇聯(lián)、日本、美國和我國的許多科技人員對(duì)其進(jìn)行了大量的研究,但長期以來一直未被列入主流的研究領(lǐng)域,沒有進(jìn)行過系統(tǒng)地研究,導(dǎo)致其在技術(shù)上很不成熟,在理論上也不夠統(tǒng)一。加之近年來世界各國在此方面的研究越來越少,使得該項(xiàng)技術(shù)已處于一種停滯的狀態(tài)。但是,從整體的研究來看,其經(jīng)濟(jì)效益是良好的,而且生產(chǎn)磁化水的設(shè)備投資在較短的時(shí)間內(nèi)就可以收回。所以,用磁化水拌制水泥和混凝土這項(xiàng)技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景,可以與目前研究的一些混凝土新技術(shù)相結(jié)合,以使其發(fā)揮更大的作用。

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WANG Li - jiu,L I Hui - zhi( Civil Engineering & Water Conservatiion School,Dalian University of Science and Technology, Dalian,Liaoning, 116024, China)Abstract: The effects the maghetized water has on theperformance of concrete and the different factors thataffect the magnitization are exp lained in the paper.Here is a discussion about the method of testing theeffects from magnitizaion, that is, testing by somephysical and chemical changes in the water system anddifferences in structure. The mechnism is told here bywhich the strength of concrete is imroved bymagnetizedwater. The main fields and the p romising possibility forthe magnetized water research is showed aswell.

Key words:magnetized water; concrete; performance ofconcrete; effect of magnetization; mechanism ofmagnetization