磁化水?dāng)嚢杷嗪突炷梁蟮奈锢砹W(xué)性質(zhì)

1　磁化水的理化性

1.1　磁化水的產(chǎn)生

       早在20 世紀(jì)70 年代, 國(guó)外研究機(jī)構(gòu)通過(guò)試驗(yàn)的方法發(fā)現(xiàn), 水和水系統(tǒng)是最難研究的對(duì)象。它們屬于所謂的開(kāi)放系統(tǒng), 不僅與外部介質(zhì)交換能量, 而且也交換物質(zhì)。同時(shí), 水系統(tǒng)又是雜亂的系統(tǒng), 在水中, 特別是在天然水和技術(shù)水中, 總是存在著超細(xì)的固體顆粒和氣泡。這是一種微觀多相(膠質(zhì)) 系統(tǒng)。各種物理作用——磁、聲、電、熱、除氣等等, 可使水系統(tǒng)顯著活化。

       水流通過(guò)磁場(chǎng)力切割磁力線, 水即被磁化, 被磁化的水稱(chēng)為磁化水。由此可見(jiàn)磁化水的生產(chǎn)十分簡(jiǎn)便。


 

1.2　普通水和磁化水物理、化學(xué)性質(zhì)測(cè)試

       由于磁化水與普通水在視覺(jué)和感官上無(wú)任何差異, 為了探討磁化水的作用機(jī)理, 對(duì)普能水與磁化水進(jìn)行物理、化學(xué)性質(zhì)對(duì)比測(cè)試, 結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1 中可以看出磁化水與普通水在上述幾個(gè)方面均有差異。

1.3　磁化機(jī)理的分析

1.3.1　通常我們把無(wú)序的、具有缺陷的、以同一方式填滿(mǎn)空間的高應(yīng)力氫鍵構(gòu)架看作水的初始模型(水好像是巨大的三維分子)。

       實(shí)際上單個(gè)水分子的結(jié)構(gòu)已極準(zhǔn)確地確定了。水分子是由2 個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子以共價(jià)鍵的形式組成的, 在水分子中有10 個(gè)電子(5 對(duì)) , 一對(duì)電子(內(nèi)部的) 位于氧核附近, 其余的4 對(duì)電子(外部的) 中, 有兩對(duì)位于氧核及其每一質(zhì)子(2 個(gè)氫核) 之間, 為公用電子, 而另外兩對(duì)電子為孤對(duì)電子, 指向四面體中與質(zhì)子方向相反的頂端。正是這兩對(duì)孤對(duì)電子對(duì)分子間氫鍵的產(chǎn)生起著巨大的作用。氧的電負(fù)性較氫大, 因此OH鍵的極性很強(qiáng), 由于這種極性, 使水分子之間有一種電性吸引力而形成締合水分子。距離因素起著重要的作用: 在感應(yīng)區(qū), 電場(chǎng)的減小與距輻射源距離的平方成正比, 面磁場(chǎng)的減小則與其立方成正比。

       氫鍵取決于離子力, 并由負(fù)電性原子所形成。氫鍵的基礎(chǔ)是, 一個(gè)水分子中的氫與另一個(gè)水分子中的氧相互吸引, 也就是電子云向其他質(zhì)子的位移, 同時(shí)也就把自己的質(zhì)子推向相鄰原子的電子云。鍵的強(qiáng)度隨兩個(gè)鍵原子負(fù)電性的增加而加強(qiáng)。靜電組分和共價(jià)組分各自的貢獻(xiàn)取決于原子間的距離。水中的長(zhǎng)氫鍵(0.28nm ) 主要具有靜電性質(zhì), 其價(jià)鍵的貢獻(xiàn)只占百分之幾。因此, 長(zhǎng)氫鍵是較弱的鍵, 其能量為14. 2kJöm ol 或20. 9kJöm ol。氫鍵具有飽和特性——在足夠近的條件下, 每一個(gè)鍵中必定有兩個(gè)定向的分子參加。

       同相鄰的分子建立成氫鍵之后, 這個(gè)氫鍵便很容易與其他氫鍵相結(jié)合。水是一個(gè)交錯(cuò)系統(tǒng), 由于其中存在有氫鍵的鏈狀構(gòu)造。對(duì)水施加的任何作用, 都會(huì)接力式地傳播到幾千個(gè)原子距離之遠(yuǎn)。

       氫鍵的存在賦予水以獨(dú)特而易變的結(jié)構(gòu)。水具有許多明顯的反常性質(zhì), 都是由于水結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及其中氫鍵的發(fā)達(dá)性造成的。固體水(冰) 溶化時(shí)不象絕大多數(shù)物質(zhì)那樣膨脹, 而是收縮。因此, 改變水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其中雜質(zhì)的存在形態(tài), 就可以調(diào)整其物理化學(xué)性質(zhì)。

       水流過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)后, 受磁場(chǎng)作用, 使水分子締合體分解成單分子或較小的締合水分子, 水分子之間的電性吸引力減小, 提高了水的活性; 另外, 水分子受磁場(chǎng)作用其鍵角、鍵長(zhǎng)均有變化, 鍵長(zhǎng)加長(zhǎng), 鍵角增大, 水分子之間的吸引力減小, 增加了水的活性。有專(zhuān)家論證了磁場(chǎng)可能改變水分子的價(jià)角減少2°以上。這導(dǎo)致分子偶極矩的增加和分子之間相互作用的變化以及其結(jié)構(gòu)的增大。

1.3.2　水中總是含有溶解的和微觀多相的雜質(zhì)。

       即使是細(xì)心保存的極純的水, 也會(huì)由于溶解看來(lái)是不可溶的容器壁而很快得到雜質(zhì)。連蒸餾水都會(huì)被污染, 更不用說(shuō)天然水了。

       水中的雜質(zhì)分為三大類(lèi): 以離子形式存在于水中的電解質(zhì)、呈分子形式的非電解質(zhì)、懸浮的固體微粒和氣泡。在現(xiàn)實(shí)的水中, 各種性質(zhì)的超細(xì)顆粒的數(shù)量是很大的。例如, 一立方厘米的自來(lái)水中含有≈ 2×105 個(gè)顆粒, 蒸餾水中含有≈ 1×104 個(gè)顆粒, 尺寸為10- 6～ 10- 5cm。所有這些顆粒和氣泡都帶有電荷。

       水中的雜質(zhì)對(duì)水的結(jié)構(gòu)從而也對(duì)其物理- 化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的和各式各樣的影響。天然水和蒸餾水除含有溶解物質(zhì)之外, 還含有大量的微小氣泡和超細(xì)的固體顆粒, 有氧化鐵和含硅、鈣的顆粒。在某些研究工作中表明, 正是這些顆粒對(duì)水系統(tǒng)的磁處理起了明顯的作用。用巨大的磁鐵礦顆粒進(jìn)行的試驗(yàn)表明, 它們?cè)诖艌?chǎng)中確實(shí)是粘到了一起, 對(duì)水進(jìn)行磁處理時(shí)發(fā)生鐵磁性顆粒的磁化集聚, 從而使結(jié)晶過(guò)程加速。

       溶于水中的氣體, 特別是氧, 及其從溶液中的逸出, 強(qiáng)烈地和多方面地影響水系統(tǒng)的磁化。水中總是含有超細(xì)氣泡, 從水中將它們排出是極其困難的。超微觀氣泡, 它們帶有相當(dāng)數(shù)量的電荷, 而這些電荷又能與磁場(chǎng)相互作用。

       有的文獻(xiàn)提到, 在地球磁場(chǎng)中水經(jīng)過(guò)微弱的機(jī)械作用和攪拌之后, 其性質(zhì)會(huì)發(fā)生某些暫時(shí)的變化。三次蒸餾水在機(jī)械攪拌情況下, 其比電導(dǎo)率和表面張力發(fā)生了周期性的變化。(水的電導(dǎo)率決定于離子的濃度和遷移率。即使是純水也有一定的電導(dǎo)率, 水的電導(dǎo)率為3. 8LSöm , 而當(dāng)水與空氣中的二氧化碳接觸時(shí), 其電導(dǎo)率為80LSöm。) 如果水受鋼屏蔽的保護(hù), 則這種效應(yīng)不會(huì)出現(xiàn)。也有研究發(fā)現(xiàn)在靜水和動(dòng)水中導(dǎo)電率會(huì)發(fā)生反常的變化。由此可以認(rèn)為, 含有雜質(zhì)(包括氣體雜質(zhì)) 的水, 對(duì)各種物理作用具有“記憶力”。水的磁化率強(qiáng)烈地依賴(lài)于雜質(zhì)的類(lèi)型和濃度。因此, 作為磁處理對(duì)象的溶液, 其磁化率的大小和特性既取決于雜質(zhì)離子和分子的性質(zhì), 又取決于它們與水及其相互之間鍵合的特性。

       磁場(chǎng)同水系統(tǒng)的相互作用是復(fù)雜的、多邊的、與水結(jié)構(gòu)的變化及其水合能力等有關(guān)的過(guò)程。

2　磁化水對(duì)混凝土的影響

2.1　磁化設(shè)備
       永磁設(shè)備: 永磁水系統(tǒng)磁化設(shè)備具有一定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單, 不需要導(dǎo)線, 能在有爆炸危險(xiǎn)的地點(diǎn)應(yīng)用。這種設(shè)備的主要缺點(diǎn)是對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度不能進(jìn)行操作調(diào)節(jié)。不過(guò), 建造能夠調(diào)節(jié)場(chǎng)強(qiáng)的設(shè)備原則上是可能的。

       電磁設(shè)備: 在這種類(lèi)型的設(shè)備中, 電磁體可裝在殼體里面或殼體外面(最好裝在外面)。這種設(shè)備的電磁體是一根鋼軸, 上面有六個(gè)環(huán)形溝槽, 槽中裝有用直徑為0. 37mm 的導(dǎo)線制成的線圈。使用直流電。用硒整流器整流后電壓為100V , 電流0. 5A , 磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)20kAöm。內(nèi)殼中(連同電磁體) 充滿(mǎn)變壓器油。水以2m ös的速度渡過(guò)七個(gè)磁場(chǎng)。這種設(shè)備的生產(chǎn)率為25m3ö h。

       有人曾實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用國(guó)產(chǎn)的可調(diào)電磁感應(yīng)磁化器, 將自來(lái)水與之相連通生產(chǎn)磁化水, 用于混凝土實(shí)驗(yàn)。效果同樣明顯, 但產(chǎn)量低。

2.2　磁化水混凝土

       實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)證實(shí)了在混凝土生產(chǎn)中, 水磁處理后的良好作用可能有很大穩(wěn)定性。從膠體結(jié)構(gòu)的形成是有益的這一假說(shuō)出發(fā), 總能得到良好的結(jié)果。

2.2.1　磁化水對(duì)混凝土強(qiáng)度與水泥用量的影響

       用磁化水調(diào)制混凝土可使其強(qiáng)度提高10～ 25% , 水泥消耗下降, 混凝土體的流動(dòng)性增加。

       在試驗(yàn)室中和在工業(yè)條件下(鋼筋混凝土構(gòu)件廠) 進(jìn)行了研究, 結(jié)果表明混凝土的強(qiáng)度提高了15～20% , 結(jié)果穩(wěn)定性好。有研究人員發(fā)現(xiàn), 強(qiáng)度甚至可以提高43% , 但是結(jié)果不穩(wěn)定。有人用改變磁場(chǎng)強(qiáng)度的方法, 使混凝土的強(qiáng)度或則提高, 或則下降。如在工業(yè)條件下用磁化水調(diào)制礦中巷道充填用混凝土構(gòu)件的試驗(yàn),并將這一方法運(yùn)用于工業(yè)中。混凝土的強(qiáng)度由3. 10 提高到3. 75M Pa (即提高20% ) , 可搬運(yùn)性提高18%。這樣可以允許用減少水灰比的方法使強(qiáng)度進(jìn)一步增加。與此同時(shí), 填充體的固化速度也加快了, 得到所需控制強(qiáng)度的時(shí)間減少了一半。這種方法每立方米的水泥填充量可以減少50kg。

       水的磁化(磁場(chǎng)與電場(chǎng)共用) 與增塑劑溶液(硫醇廢液) 的磁化同時(shí)進(jìn)行時(shí)可以得到最穩(wěn)定的結(jié)果。這種綜合活化作用可使經(jīng)過(guò)28 天硬化的混凝土填充物的強(qiáng)度提高一倍。

       由于水泥中礦物的溶解和水合而形成過(guò)飽和溶液, 這些礦物自發(fā)地彌散至膠體大小的顆粒, 形成觸變的凝聚結(jié)構(gòu), 最后還有晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)生、長(zhǎng)大和強(qiáng)化。水的磁化對(duì)所有這些過(guò)程都要發(fā)生影響。由于磁化水活性增加, 它與水泥進(jìn)行水化、水解作用時(shí), 能使水分子比較容易地由水泥顆粒表面進(jìn)入顆粒內(nèi)部, 加強(qiáng)了水化水解作用, 并伴有新的礦物質(zhì)產(chǎn)生, 增加了混凝土的致密性、均勻性, 從而提高了混凝土的強(qiáng)度。

       通過(guò)對(duì)磁化水混凝土的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行觀察分析, 它比普通混凝土有幾方面得到改善: 結(jié)構(gòu)致密、均勻, 孔隙少而小; 石子與砂漿結(jié)合緊密, 砂料與砂漿界面模糊; 斷面較平整、均勻。顯然這些對(duì)結(jié)構(gòu)的改善, 無(wú)疑會(huì)提高混凝土的強(qiáng)度。

       使用同種集料、相同配合比的材料, 進(jìn)行交叉對(duì)比強(qiáng)度試驗(yàn), 結(jié)果如(表2)。


 

       通過(guò)試驗(yàn)得出: 磁場(chǎng)強(qiáng)度和水流量的變化都會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生影響, 當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為270M T, 水流量在1500L/H 時(shí), 混凝土強(qiáng)度最高, 較普通水拌制的混凝土強(qiáng)度提高24. 91%。
對(duì)磁化水對(duì)水泥用量的影響研究, 下表3 列出了工業(yè)應(yīng)用結(jié)果。

 
混凝土用水泥量實(shí)驗(yàn), 做C25 和C30 兩種強(qiáng)度等級(jí)各4 組。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, 水泥分別減少5%、7%、9%、11% , 砂、石、水用量相應(yīng)調(diào)整。磁化水的磁場(chǎng)強(qiáng)度270M T、水流量1500LöH。水泥用量各4 組對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖示(圖1)。

可以看出, 當(dāng)采用磁化水拌制混凝土節(jié)約水泥5%～ 9% 時(shí)混凝土與普通混凝土相比較其抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高, 但當(dāng)節(jié)約水泥11% 以上時(shí)其強(qiáng)度開(kāi)始下降。

       多方面的實(shí)踐所得結(jié)果是: 混凝土的強(qiáng)度顯著提高了(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。

       應(yīng)當(dāng)指出, 被磁化的可以是脫氣的水。拌和用水在磁化前進(jìn)行真空處理, 以除去二氧化碳, 提高溶液被碳酸鹽飽和的程度, 改善細(xì)晶發(fā)生的條件。自來(lái)水的除氣可在真空箱中在7kPa 左右的壓力下進(jìn)行。磁場(chǎng)強(qiáng)度約為80kAöm 。有試驗(yàn)結(jié)果表明, 普通水磁化后的極限剪切應(yīng)力和壓碎強(qiáng)度均有提高: 未經(jīng)脫氣時(shí)提高了27% , 脫氣時(shí)提高了60%。只用提高溫度或真空處理來(lái)使水脫氣, 得不到這種效應(yīng)。

       國(guó)內(nèi)有貴州工學(xué)院的劉先生在1982 年文章中說(shuō): 最佳效果是增強(qiáng)33%。最近有家生產(chǎn)的磁水器在實(shí)際工程中效果是節(jié)約水泥15% 時(shí), 混凝土強(qiáng)度仍比對(duì)照組高30%。
 

2.2.2　磁化水對(duì)混凝土的其他性質(zhì)的影響

       在工業(yè)條件下的試驗(yàn)結(jié)果表明, 磁化水混凝土的透氣率下降了。調(diào)和水的磁化使工程用混凝土的水灰比得以減少, 改善了結(jié)構(gòu)(收縮孔隙和毛細(xì)管孔隙的體積減小了) , 這樣就減小了混凝土的透水性。所有這些因素使混凝土的耐冷凍性大大提高(冷凍- 融化周期數(shù)增加了100 次)。當(dāng)有增塑劑和吸水添加物存在時(shí), 同樣可以觀察到上述效應(yīng)。這些結(jié)果可以在生產(chǎn)條件下再現(xiàn)。

       用磁化水調(diào)配時(shí), 混凝土的耐冷凍性都有明顯的提高。減少耗水量時(shí)得到的結(jié)果更好; 當(dāng)有增塑劑和吸水添加物存在時(shí), 同樣可以觀察到上述效應(yīng)。這些結(jié)果可以在生產(chǎn)條件下再現(xiàn)。與混凝土增塑作用有關(guān)的一些試驗(yàn)。增塑作用取決于水泥膠結(jié)劑的性質(zhì)。因?yàn)榇盘幚硎紫纫獙?duì)膠結(jié)劑的性質(zhì)產(chǎn)生影響, 所以混凝土的增塑程度也就必定要首先發(fā)生變化。國(guó)外七十年代進(jìn)行的試驗(yàn)檢查確定, 使用磁化水會(huì)導(dǎo)致陶瓷混凝土振動(dòng)粘度的降低。在流動(dòng)的混合物中這一效應(yīng)未得到肯定。

3　經(jīng)濟(jì)性

       使用磁化水調(diào)制混凝土所得到的實(shí)際的和潛在的總經(jīng)濟(jì)效益, 一時(shí)還難以計(jì)算。大體上可以認(rèn)為, 使用磁處理可節(jié)省水泥10% , 提高混凝土強(qiáng)度至少15%。而且這還沒(méi)有算上其他效益: 構(gòu)件質(zhì)量的提高、使用壽命的提高、有可能使用不太緊缺的粘合劑、有利于泵送混凝土的使用和商品混凝土的推廣等。安裝設(shè)備的開(kāi)支只要幾個(gè)月甚至幾個(gè)星期就能賺回。在許多情況下只要花費(fèi)一個(gè)錢(qián)就能帶來(lái)幾百個(gè)錢(qián)的利潤(rùn)。

       總之, 磁化水在土木工程建設(shè)中的應(yīng)用前景十分明朗。本文籍對(duì)磁化水在混凝土制作中的作用之實(shí)驗(yàn)分析, 竭力鼓吹它的奇妙之處, 以期見(jiàn)到業(yè)界同行們的關(guān)注和信心。同時(shí), 這種方法要想被廣泛接受, 廉價(jià)、耐用、方便的磁化設(shè)備就是工程設(shè)備廠家們的努力方向了。