摘 要：研究了磁化水对掺缓凝剂水泥的凝结时间、胶砂强度、干燥收缩、水化热等性能的影响。结果表明：对掺缓凝剂的水泥，磁化水略微提高胶砂流动度和3d抗压强度，对28d抗压强度却无明显影响、同时还能降低水泥胶砂的干燥收缩；对掺多聚磷酸钠的水泥，磁化水能缩短水泥的初凝和终凝时间，同时促进水化，使水化放热峰提前，温峰降低并且宽化，提高1d、3d放热量；而对掺柠檬酸的水泥，磁化水能延长水泥的初凝和终凝时间，推迟水化放热峰的生成，水化温峰降低且宽化，水化1d放热量降低，3d放热量略有提高。
关键词 ：磁化水; 水泥基; 多聚磷酸钠; 柠檬酸
中图分类号：TQ172.12 O552.424 文献标识码：A 文章编号
混凝土生产中使用缓凝剂可以缓释水泥水化热，减少因水化热而产生的温度裂缝，使新拌混凝土较长时间保持塑性，方便浇注，提高施工效率，同时对混凝土后期各项性能不会造成不良影响，现已广泛应用于大跨度高架桥等预应力混凝土、大坝混凝土，滑模施工混凝土以及流化混凝土中。近年来，随着科学的发展，磁化水正逐渐应用于生活、建筑、军事、航空等众多的领域。使用磁化水拌和混凝土可以促进水泥水化，提高水泥混凝土强度、降低单位水泥用量正逐步被人们所认识，越来越多的混凝土搅拌站都采用磁化水来拌合混凝土。但是以往的研究主要侧重于缓凝剂与减水剂或材料体系的相容性、磁化水对水泥混凝土的性能影响等方面的研究[1-5]，而对磁化水与缓凝剂对水泥水化及浆体结构发展的影响研究的较少。
选用无机缓凝剂多聚磷酸钠和有机缓凝剂柠檬酸，采用磁化水拌合水泥，对砂浆强度、砂浆收缩率和水化热进行了试验研究,探讨磁化水与缓凝剂同时使用对水泥浆体结构形成及发展的影响。
1 实验
1.1试验原材料
本研究所采用的水泥是亚东水泥集团公司生产的P·O 42.5水泥，化学成分见表1；标准砂是厦门艾思欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂，符合GB/T17671规定；缓凝剂选用多聚磷酸钠和柠檬酸。磁化水为自来水经过磁化装置后所得，磁化装置采用永久磁铁，磁场强度为0.67T，磁化时水流量约166L/H。
1.2试验方法
胶砂强度试验参照GB/T17671-1999进行，标准稠度用水量、凝结时间测定依据GB/T1346-2001。
应用自行研制的自动高效水化热测定仪(实验方法按GB2022-80进行)，在线测定所需龄期内所放出的水化热(取W/C为0.35)[6]。
干燥收缩试验采用水泥胶砂试件，尺寸25mm×25mm×280mm，在温度20±2℃、RH≥50%的成型室里成型，成型后放入温度为20±1℃、RH≥90%的标准养护室中带模养护1d后拆模，然后在水中养护2d后取出测定试件长度作为初始读数,再将试件放入温度为20±3℃、RH为50±4%的干燥室中养护,分别测定4d,11d,18d,25d的长度,测长龄期从试件放入干燥室中养护时算起。
2 结果与分析
2.1 磁化水对掺缓凝剂水泥标准稠度用水量和凝结时间的影响
在使用缓凝剂时，采用磁化水和普通自来水拌和水泥，测得水泥标准稠度用水量和凝结时间，试验结果见表2。其中多聚磷酸钠和柠檬酸的掺量分别为0.15％和0.1％。
表2 缓凝剂与磁化水共同作用时对水泥标准稠用
从表2可以看出，磁化水与不同缓凝剂复合使用对水泥的标准稠度用水量的影响不大，而对凝结时间的影响却各不一样。
当使用多聚磷酸钠作为缓凝剂时，与普通自来水相比，用磁化水拌合水泥，初凝、终凝时间分别缩短了95min、110min。Na5P3O10与浆体溶液中的Ca2＋反应生成不溶性的磷酸钙[7]，覆盖在熟料相表面，从而阻止了正常的水化进程。但在磁化水中，磷酸钙的溶解度增大[8]，致使磷酸钙层变薄，对水泥水化的阻碍作用减弱，所以使用多聚磷酸钠作为缓凝剂，相比用普通自来水拌合水泥，采用磁化水能缩短水泥凝结时间。
而当使用柠檬酸作为缓凝剂时，用磁化水拌合水泥，初凝、终凝时间却分别延长了85min、75min。这主要是由于柠檬酸络合浆体中的Ca2＋，并以一定浓度存在浆体溶液中，延迟CH和C-S-H的生成[9]。磁化水的活性比自来水高，络合物在磁化水中的溶解度提高[8]，络合了更多的Ca2＋，柠檬酸的缓凝效果更加明显，导致水泥的凝结时间延长。
2.2磁化水对掺减水剂水泥胶砂强度的影响
缓凝剂与磁化水共同作用时对水泥胶砂流动度和胶砂强度的影响见表3。
从表3的数据可以看出，磁化水拌制水泥浆体，浆体的流动性会比普通水略有提高，但是效果不明显。浆体流动性略微提高的原因主要是磁化水对团聚的水泥颗粒具有分散作用，释放出一部分包裹的拌合水，增加拌合物的流动性[10-11]。
当多聚磷酸钠和柠檬酸作为缓凝剂时，使用磁化水后，水泥3d抗压强度由19.3 MPa、11.0 MPa分别提高了1.0 MPa、5.4 MPa；考虑到误差因素,可以说磁化水对水泥28d抗压强度几乎不产生影响。主要原因是磁化水经过磁化后，产生具有较高活性的水分子，促进水化，但是这种效应随着时间而降低，安燕、刘云等的研究[12]表明，磁化水的活性具有松弛性，松弛时间约为15天左右。也就是说，大约15天以后磁化水的性能与普通水性能已基本相同。这样通过磁化产生的活性较高的水分子在早期水化反应中已消耗殆尽，随着水泥颗粒表面凝胶层增厚和变密，磁化水分子和普通水分子一样都难以渗透至内部发生水化反应，致使磁化水试件与普通水试件后期强度几乎无差别。
2.3磁化水对掺缓凝剂水泥胶砂干缩的影响
采用多聚磷酸钠和柠檬酸作为缓凝剂时，不同水样对水泥干缩的影响见图1。
从图1可以看出使用磁化水拌合水泥，能明显降低水泥的干燥收缩，采用多聚磷酸钠、柠檬酸作为缓凝剂，磁化水使水泥胶砂3d干缩率分别由1.9×10－4、2.91×10－4下降至1.50×10－4、2.32×10－4，降幅分别达到了21.1％和20.3％；水泥胶砂28d干缩率分别由4.7×10－4、5.87×10－4下降至3.9×10－4、5.28×10－4，降幅分别达到了17.0％和10.1％。
干燥收缩产生的主要原因是砂浆中毛细管作用力，这种作用力对毛细管管壁产生压力，因此，在毛细管水蒸发过程中，砂浆处于不断增强的压缩状态中，导致外观体积的缩小。毛细管作用力可表达为[13-14]:
式中 As为毛细管张力的作用面积(m2)；
γ为毛细孔隙溶液表面张力(N/m)；
γs为毛细孔隙水弯液面的曲率半径(m)
从式(1)中可以看出，毛细管作用力的大小与毛细孔隙溶液表面张力成正比，当使用磁化水来拌制水泥浆体时，磁化水比普通自来水的表面张力小[15-16]，当其它参数保持不变的情况下，磁化水能减小浆体中的毛细管作用力，从而降低水泥浆体的收缩应变。
2.4磁化水对掺减水剂水泥水化热的影响
磁化水对掺缓凝剂水泥水化热性能的影响见表4和图2。
从表4和图2可以看出，当使用多聚磷酸钠做缓凝剂，采用磁化水拌合水泥，水化第二放热峰提前，最高温峰降低且温峰变宽，同时水泥水化1d和3d放热量Q(1d)、Q(3d)增大。可见，磁化水具有弱化多聚磷酸钠缓凝效果的能力。而当使用柠檬酸做缓凝剂，采用磁化水拌合水泥，水化第二放热峰延迟，最高温峰降低，水化1d的放热峰Q(1d)略有降低，至3d后，缓凝剂对水泥水化历程的影响已经很小，而磁化水促进水泥水化，比较使用自来水，Q(3d)增大，这说明磁化水能促进柠檬酸发挥其缓凝效果。
3 结论
(1)磁化水能缩短掺多聚磷酸钠水泥的初凝和终凝时间，分别缩短95min和110min；延长掺柠檬酸水泥的初凝和终凝时间，分别延长85min和65min。
(2)磁化水能略微提高水泥砂浆的流动性，提高幅度不明显；能够提高掺多聚磷酸钠、柠檬酸水泥的早期强度，3d强度分别提高1.0M Pa、5.4M Pa，但是对水泥28d强度无明显影响。
(3)磁化水能降低掺多聚磷酸钠、柠檬酸水泥的干燥收缩，水泥胶砂3d干缩率分别下降了21.1％和20.3％；水泥胶砂28d干缩率分别下降17.0％和10.1％。
(4)磁化水拌合掺多聚磷酸钠水泥，使水化第二放热峰提前，最高温峰降低且温峰变宽，同时水泥放热量Q(1d)、Q(3d)增大；而用磁化水拌合掺柠檬酸水泥，使水化第二放热峰延迟，最高温峰降低，水化放热峰Q(1d)略有降低，Q(3d)增大。
参考文献：
1李红侠,李建奎,李春梅.水泥、萘系高效减水剂和缓凝剂三元体系相容性研究.建筑技术,2007,38(1):43.
2吴建国,王培铭.蔗糖对硅酸盐水泥调凝机理的研究.硅酸盐学报,1998,26(4):164.
3熊瑞生,姚庆钊.磁化水对水泥活性影响的实验研究.哈尔滨工业大学学报,2005,38(2):307.
4何廷树,申富强,王福川,等.复合使用高效减水剂与缓凝剂对水泥水化历程的影响.硅酸盐学报,2007,35(6),796.
5张维华,吴振杰.磁化水技术在混凝土中的应用.建筑技术开发,2001(6):55.
6马保国,张莉,董荣珍,等.锌盐对水泥水化历程的影响.建筑材料学报.2004,7(4):81.
7熊大玉,王小虹编著.混凝土外加剂.北京:化学工业出版社,2002.127.
[8]朱元保,颜流水,曹祉祥,等.磁化水物理化学性能.湖南大学学报(自然科学版),1999,26(1):21-26.
[9]天津化工研究院等编.无机盐工业手册.北京：化学工业出版社,1979,806-814.
[10] Su Nan, Wu Chea-Fang. Effect of magnetic field treated water on mortar and concrete containing fly ash. Cement and Concrete Composites, 2003, 25(7):681-688.
[11]赵善宇.磁化水混凝土性能研究.大连:大连理工大学，2005:32-33.
[12]安燕,刘云,闫海科.磁化水及其溶液表面性质的研究.贵州工业大学学报,1998,(4):103-106.
[13]钱春香,耿飞,李丽.减缩剂的作用及其机理.功能材料,2006,37(2):287-291.
[14]韩建国,杨富民.混凝土减缩剂的作用机理及其应用效果.混凝土,2001,4:25-29.
[15]赵善宇.磁化水混凝土性能研究.大连:大连理工大学,2005:28-29.
[16]张岩.磁化处理对铸造无机材料(水、水玻璃)性能的影响.大连:大连理工大学,2003:16-25.
