磁化水搅拌水泥和混凝土后的物理力学性质

1　磁化水的理化性

1.1　磁化水的产生

       早在20 世纪70 年代, 国外研究机构通过试验的方法发现, 水和水系统是最难研究的对象。它们属于所谓的开放系统, 不仅与外部介质交换能量, 而且也交换物质。同时, 水系统又是杂乱的系统, 在水中, 特别是在天然水和技术水中, 总是存在着超细的固体颗粒和气泡。这是一种微观多相(胶质) 系统。各种物理作用——磁、声、电、热、除气等等, 可使水系统显著活化。

       水流通过磁场力切割磁力线, 水即被磁化, 被磁化的水称为磁化水。由此可见磁化水的生产十分简便。


 

1.2　普通水和磁化水物理、化学性质测试

       由于磁化水与普通水在视觉和感官上无任何差异, 为了探讨磁化水的作用机理, 对普能水与磁化水进行物理、化学性质对比测试, 结果见表1。

从表1 中可以看出磁化水与普通水在上述几个方面均有差异。

1.3　磁化机理的分析

1.3.1　通常我们把无序的、具有缺陷的、以同一方式填满空间的高应力氢键构架看作水的初始模型(水好像是巨大的三维分子)。

       实际上单个水分子的结构已极准确地确定了。水分子是由2 个氢原子和一个氧原子以共价键的形式组成的, 在水分子中有10 个电子(5 对) , 一对电子(内部的) 位于氧核附近, 其余的4 对电子(外部的) 中, 有两对位于氧核及其每一质子(2 个氢核) 之间, 为公用电子, 而另外两对电子为孤对电子, 指向四面体中与质子方向相反的顶端。正是这两对孤对电子对分子间氢键的产生起着巨大的作用。氧的电负性较氢大, 因此OH键的极性很强, 由于这种极性, 使水分子之间有一种电性吸引力而形成缔合水分子。距离因素起着重要的作用: 在感应区, 电场的减小与距辐射源距离的平方成正比, 面磁场的减小则与其立方成正比。

       氢键取决于离子力, 并由负电性原子所形成。氢键的基础是, 一个水分子中的氢与另一个水分子中的氧相互吸引, 也就是电子云向其他质子的位移, 同时也就把自己的质子推向相邻原子的电子云。键的强度随两个键原子负电性的增加而加强。静电组分和共价组分各自的贡献取决于原子间的距离。水中的长氢键(0.28nm ) 主要具有静电性质, 其价键的贡献只占百分之几。因此, 长氢键是较弱的键, 其能量为14. 2kJöm ol 或20. 9kJöm ol。氢键具有饱和特性——在足够近的条件下, 每一个键中必定有两个定向的分子参加。

       同相邻的分子建立成氢键之后, 这个氢键便很容易与其他氢键相结合。水是一个交错系统, 由于其中存在有氢键的链状构造。对水施加的任何作用, 都会接力式地传播到几千个原子距离之远。

       氢键的存在赋予水以独特而易变的结构。水具有许多明显的反常性质, 都是由于水结构的特点以及其中氢键的发达性造成的。固体水(冰) 溶化时不象绝大多数物质那样膨胀, 而是收缩。因此, 改变水系统的结构及其中杂质的存在形态, 就可以调整其物理化学性质。

       水流过强磁场后, 受磁场作用, 使水分子缔合体分解成单分子或较小的缔合水分子, 水分子之间的电性吸引力减小, 提高了水的活性; 另外, 水分子受磁场作用其键角、键长均有变化, 键长加长, 键角增大, 水分子之间的吸引力减小, 增加了水的活性。有专家论证了磁场可能改变水分子的价角减少2°以上。这导致分子偶极矩的增加和分子之间相互作用的变化以及其结构的增大。

1.3.2　水中总是含有溶解的和微观多相的杂质。

       即使是细心保存的极纯的水, 也会由于溶解看来是不可溶的容器壁而很快得到杂质。连蒸馏水都会被污染, 更不用说天然水了。

       水中的杂质分为三大类: 以离子形式存在于水中的电解质、呈分子形式的非电解质、悬浮的固体微粒和气泡。在现实的水中, 各种性质的超细颗粒的数量是很大的。例如, 一立方厘米的自来水中含有≈ 2×105 个颗粒, 蒸馏水中含有≈ 1×104 个颗粒, 尺寸为10- 6～ 10- 5cm。所有这些颗粒和气泡都带有电荷。

       水中的杂质对水的结构从而也对其物理- 化学性质产生强烈的和各式各样的影响。天然水和蒸馏水除含有溶解物质之外, 还含有大量的微小气泡和超细的固体颗粒, 有氧化铁和含硅、钙的颗粒。在某些研究工作中表明, 正是这些颗粒对水系统的磁处理起了明显的作用。用巨大的磁铁矿颗粒进行的试验表明, 它们在磁场中确实是粘到了一起, 对水进行磁处理时发生铁磁性颗粒的磁化集聚, 从而使结晶过程加速。

       溶于水中的气体, 特别是氧, 及其从溶液中的逸出, 强烈地和多方面地影响水系统的磁化。水中总是含有超细气泡, 从水中将它们排出是极其困难的。超微观气泡, 它们带有相当数量的电荷, 而这些电荷又能与磁场相互作用。

       有的文献提到, 在地球磁场中水经过微弱的机械作用和搅拌之后, 其性质会发生某些暂时的变化。三次蒸馏水在机械搅拌情况下, 其比电导率和表面张力发生了周期性的变化。(水的电导率决定于离子的浓度和迁移率。即使是纯水也有一定的电导率, 水的电导率为3. 8LSöm , 而当水与空气中的二氧化碳接触时, 其电导率为80LSöm。) 如果水受钢屏蔽的保护, 则这种效应不会出现。也有研究发现在静水和动水中导电率会发生反常的变化。由此可以认为, 含有杂质(包括气体杂质) 的水, 对各种物理作用具有“记忆力”。水的磁化率强烈地依赖于杂质的类型和浓度。因此, 作为磁处理对象的溶液, 其磁化率的大小和特性既取决于杂质离子和分子的性质, 又取决于它们与水及其相互之间键合的特性。

       磁场同水系统的相互作用是复杂的、多边的、与水结构的变化及其水合能力等有关的过程。

2　磁化水对混凝土的影响

2.1　磁化设备
       永磁设备: 永磁水系统磁化设备具有一定的优点和缺点。优点是结构比较简单, 不需要导线, 能在有爆炸危险的地点应用。这种设备的主要缺点是对磁场强度不能进行操作调节。不过, 建造能够调节场强的设备原则上是可能的。

       电磁设备: 在这种类型的设备中, 电磁体可装在壳体里面或壳体外面(最好装在外面)。这种设备的电磁体是一根钢轴, 上面有六个环形沟槽, 槽中装有用直径为0. 37mm 的导线制成的线圈。使用直流电。用硒整流器整流后电压为100V , 电流0. 5A , 磁场强度达20kAöm。内壳中(连同电磁体) 充满变压器油。水以2m ös的速度渡过七个磁场。这种设备的生产率为25m3ö h。

       有人曾实验室内用国产的可调电磁感应磁化器, 将自来水与之相连通生产磁化水, 用于混凝土实验。效果同样明显, 但产量低。

2.2　磁化水混凝土

       实验的数据证实了在混凝土生产中, 水磁处理后的良好作用可能有很大稳定性。从胶体结构的形成是有益的这一假说出发, 总能得到良好的结果。

2.2.1　磁化水对混凝土强度与水泥用量的影响

       用磁化水调制混凝土可使其强度提高10～ 25% , 水泥消耗下降, 混凝土体的流动性增加。

       在试验室中和在工业条件下(钢筋混凝土构件厂) 进行了研究, 结果表明混凝土的强度提高了15～20% , 结果稳定性好。有研究人员发现, 强度甚至可以提高43% , 但是结果不稳定。有人用改变磁场强度的方法, 使混凝土的强度或则提高, 或则下降。如在工业条件下用磁化水调制矿中巷道充填用混凝土构件的试验,并将这一方法运用于工业中。混凝土的强度由3. 10 提高到3. 75M Pa (即提高20% ) , 可搬运性提高18%。这样可以允许用减少水灰比的方法使强度进一步增加。与此同时, 填充体的固化速度也加快了, 得到所需控制强度的时间减少了一半。这种方法每立方米的水泥填充量可以减少50kg。

       水的磁化(磁场与电场共用) 与增塑剂溶液(硫醇废液) 的磁化同时进行时可以得到最稳定的结果。这种综合活化作用可使经过28 天硬化的混凝土填充物的强度提高一倍。

       由于水泥中矿物的溶解和水合而形成过饱和溶液, 这些矿物自发地弥散至胶体大小的颗粒, 形成触变的凝聚结构, 最后还有晶体结构的发生、长大和强化。水的磁化对所有这些过程都要发生影响。由于磁化水活性增加, 它与水泥进行水化、水解作用时, 能使水分子比较容易地由水泥颗粒表面进入颗粒内部, 加强了水化水解作用, 并伴有新的矿物质产生, 增加了混凝土的致密性、均匀性, 从而提高了混凝土的强度。

       通过对磁化水混凝土的微观结构变化进行观察分析, 它比普通混凝土有几方面得到改善: 结构致密、均匀, 孔隙少而小; 石子与砂浆结合紧密, 砂料与砂浆界面模糊; 断面较平整、均匀。显然这些对结构的改善, 无疑会提高混凝土的强度。

       使用同种集料、相同配合比的材料, 进行交叉对比强度试验, 结果如(表2)。


 

       通过试验得出: 磁场强度和水流量的变化都会对混凝土的强度产生影响, 当磁场强度为270M T, 水流量在1500L/H 时, 混凝土强度最高, 较普通水拌制的混凝土强度提高24. 91%。
对磁化水对水泥用量的影响研究, 下表3 列出了工业应用结果。

 
混凝土用水泥量实验, 做C25 和C30 两种强度等级各4 组。普通水混凝土配合比是:
C25 水泥: 砂: 碎石: 水= 1: 2. 02: 3. 67: 0. 55;
C30 水泥: 砂: 碎石: 水= 1: 1. 49: 3. 49: 0. 48。
磁化水混凝土配合比中, 水泥分别减少5%、7%、9%、11% , 砂、石、水用量相应调整。磁化水的磁场强度270M T、水流量1500LöH。水泥用量各4 组对比实验结果如图示(图1)。

可以看出, 当采用磁化水拌制混凝土节约水泥5%～ 9% 时混凝土与普通混凝土相比较其抗压强度均有不同程度的提高, 但当节约水泥11% 以上时其强度开始下降。

       多方面的实践所得结果是: 混凝土的强度显著提高了(提高14～ 17% ) , 水泥的消耗降低了9～ 12% , 混凝土混合物的塑性提高了, 固化速度加快了。

       应当指出, 被磁化的可以是脱气的水。拌和用水在磁化前进行真空处理, 以除去二氧化碳, 提高溶液被碳酸盐饱和的程度, 改善细晶发生的条件。自来水的除气可在真空箱中在7kPa 左右的压力下进行。磁场强度约为80kAöm 。有试验结果表明, 普通水磁化后的极限剪切应力和压碎强度均有提高: 未经脱气时提高了27% , 脱气时提高了60%。只用提高温度或真空处理来使水脱气, 得不到这种效应。

       国内有贵州工学院的刘先生在1982 年文章中说: 最佳效果是增强33%。最近有家生产的磁水器在实际工程中效果是节约水泥15% 时, 混凝土强度仍比对照组高30%。
 

2.2.2　磁化水对混凝土的其他性质的影响

       在工业条件下的试验结果表明, 磁化水混凝土的透气率下降了。调和水的磁化使工程用混凝土的水灰比得以减少, 改善了结构(收缩孔隙和毛细管孔隙的体积减小了) , 这样就减小了混凝土的透水性。所有这些因素使混凝土的耐冷冻性大大提高(冷冻- 融化周期数增加了100 次)。当有增塑剂和吸水添加物存在时, 同样可以观察到上述效应。这些结果可以在生产条件下再现。

       用磁化水调配时, 混凝土的耐冷冻性都有明显的提高。减少耗水量时得到的结果更好; 当有增塑剂和吸水添加物存在时, 同样可以观察到上述效应。这些结果可以在生产条件下再现。与混凝土增塑作用有关的一些试验。增塑作用取决于水泥胶结剂的性质。因为磁处理首先要对胶结剂的性质产生影响, 所以混凝土的增塑程度也就必定要首先发生变化。国外七十年代进行的试验检查确定, 使用磁化水会导致陶瓷混凝土振动粘度的降低。在流动的混合物中这一效应未得到肯定。

3　经济性

       使用磁化水调制混凝土所得到的实际的和潜在的总经济效益, 一时还难以计算。大体上可以认为, 使用磁处理可节省水泥10% , 提高混凝土强度至少15%。而且这还没有算上其他效益: 构件质量的提高、使用寿命的提高、有可能使用不太紧缺的粘合剂、有利于泵送混凝土的使用和商品混凝土的推广等。安装设备的开支只要几个月甚至几个星期就能赚回。在许多情况下只要花费一个钱就能带来几百个钱的利润。

       总之, 磁化水在土木工程建设中的应用前景十分明朗。本文籍对磁化水在混凝土制作中的作用之实验分析, 竭力鼓吹它的奇妙之处, 以期见到业界同行们的关注和信心。同时, 这种方法要想被广泛接受, 廉价、耐用、方便的磁化设备就是工程设备厂家们的努力方向了。