磁化水攪拌水泥和混凝土后的物理力學性質

1　磁化水的理化性

1.1　磁化水的產(chǎn)生

       早在20 世紀70 年代, 國外研究機構通過試驗的方法發(fā)現(xiàn), 水和水系統(tǒng)是最難研究的對象。它們屬于所謂的開放系統(tǒng), 不僅與外部介質交換能量, 而且也交換物質。同時, 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水中, 總是存在著超細的固體顆粒和氣泡。這是一種微觀多相(膠質) 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。

       水流通過磁場力切割磁力線, 水即被磁化, 被磁化的水稱為磁化水。由此可見磁化水的生產(chǎn)十分簡便。


 

1.2　普通水和磁化水物理、化學性質測試

       由于磁化水與普通水在視覺和感官上無任何差異, 為了探討磁化水的作用機理, 對普能水與磁化水進行物理、化學性質對比測試, 結果見表1。

從表1 中可以看出磁化水與普通水在上述幾個方面均有差異。

1.3　磁化機理的分析

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

       實際上單個水分子的結構已極準確地確定了。水分子是由2 個氫原子和一個氧原子以共價鍵的形式組成的, 在水分子中有10 個電子(5 對) , 一對電子(內(nèi)部的) 位于氧核附近, 其余的4 對電子(外部的) 中, 有兩對位于氧核及其每一質子(2 個氫核) 之間, 為公用電子, 而另外兩對電子為孤對電子, 指向四面體中與質子方向相反的頂端。正是這兩對孤對電子對分子間氫鍵的產(chǎn)生起著巨大的作用。氧的電負性較氫大, 因此OH鍵的極性很強, 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: 在感應區(qū), 電場的減小與距輻射源距離的平方成正比, 面磁場的減小則與其立方成正比。

       氫鍵取決于離子力, 并由負電性原子所形成。氫鍵的基礎是, 一個水分子中的氫與另一個水分子中的氧相互吸引, 也就是電子云向其他質子的位移, 同時也就把自己的質子推向相鄰原子的電子云。鍵的強度隨兩個鍵原子負電性的增加而加強。靜電組分和共價組分各自的貢獻取決于原子間的距離。水中的長氫鍵(0.28nm ) 主要具有靜電性質, 其價鍵的貢獻只占百分之幾。因此, 長氫鍵是較弱的鍵, 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, 每一個鍵中必定有兩個定向的分子參加。

       同相鄰的分子建立成氫鍵之后, 這個氫鍵便很容易與其他氫鍵相結合。水是一個交錯系統(tǒng), 由于其中存在有氫鍵的鏈狀構造。對水施加的任何作用, 都會接力式地傳播到幾千個原子距離之遠。

       氫鍵的存在賦予水以獨特而易變的結構。水具有許多明顯的反常性質, 都是由于水結構的特點以及其中氫鍵的發(fā)達性造成的。固體水(冰) 溶化時不象絕大多數(shù)物質那樣膨脹, 而是收縮。因此, 改變水系統(tǒng)的結構及其中雜質的存在形態(tài), 就可以調整其物理化學性質。

       水流過強磁場后, 受磁場作用, 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, 水分子受磁場作用其鍵角、鍵長均有變化, 鍵長加長, 鍵角增大, 水分子之間的吸引力減小, 增加了水的活性。有專家論證了磁場可能改變水分子的價角減少2°以上。這導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構的增大。

1.3.2　水中總是含有溶解的和微觀多相的雜質。

       即使是細心保存的極純的水, 也會由于溶解看來是不可溶的容器壁而很快得到雜質。連蒸餾水都會被污染, 更不用說天然水了。

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

       水中的雜質對水的結構從而也對其物理- 化學性質產(chǎn)生強烈的和各式各樣的影響。天然水和蒸餾水除含有溶解物質之外, 還含有大量的微小氣泡和超細的固體顆粒, 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行的試驗表明, 它們在磁場中確實是粘到了一起, 對水進行磁處理時發(fā)生鐵磁性顆粒的磁化集聚, 從而使結晶過程加速。

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

       有的文獻提到, 在地球磁場中水經(jīng)過微弱的機械作用和攪拌之后, 其性質會發(fā)生某些暫時的變化。三次蒸餾水在機械攪拌情況下, 其比電導率和表面張力發(fā)生了周期性的變化。(水的電導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率, 水的電導率為3. 8LSöm , 而當水與空氣中的二氧化碳接觸時, 其電導率為80LSöm。) 如果水受鋼屏蔽的保護, 則這種效應不會出現(xiàn)。也有研究發(fā)現(xiàn)在靜水和動水中導電率會發(fā)生反常的變化。由此可以認為, 含有雜質(包括氣體雜質) 的水, 對各種物理作用具有“記憶力”。水的磁化率強烈地依賴于雜質的類型和濃度。因此, 作為磁處理對象的溶液, 其磁化率的大小和特性既取決于雜質離子和分子的性質, 又取決于它們與水及其相互之間鍵合的特性。

       磁場同水系統(tǒng)的相互作用是復雜的、多邊的、與水結構的變化及其水合能力等有關的過程。

2　磁化水對混凝土的影響

2.1　磁化設備
       永磁設備: 永磁水系統(tǒng)磁化設備具有一定的優(yōu)點和缺點。優(yōu)點是結構比較簡單, 不需要導線, 能在有爆炸危險的地點應用。這種設備的主要缺點是對磁場強度不能進行操作調節(jié)。不過, 建造能夠調節(jié)場強的設備原則上是可能的。

       電磁設備: 在這種類型的設備中, 電磁體可裝在殼體里面或殼體外面(最好裝在外面)。這種設備的電磁體是一根鋼軸, 上面有六個環(huán)形溝槽, 槽中裝有用直徑為0. 37mm 的導線制成的線圈。使用直流電。用硒整流器整流后電壓為100V , 電流0. 5A , 磁場強度達20kAöm。內(nèi)殼中(連同電磁體) 充滿變壓器油。水以2m ös的速度渡過七個磁場。這種設備的生產(chǎn)率為25m3ö h。

       有人曾實驗室內(nèi)用國產(chǎn)的可調電磁感應磁化器, 將自來水與之相連通生產(chǎn)磁化水, 用于混凝土實驗。效果同樣明顯, 但產(chǎn)量低。

2.2　磁化水混凝土

       實驗的數(shù)據(jù)證實了在混凝土生產(chǎn)中, 水磁處理后的良好作用可能有很大穩(wěn)定性。從膠體結構的形成是有益的這一假說出發(fā), 總能得到良好的結果。

2.2.1　磁化水對混凝土強度與水泥用量的影響

       用磁化水調制混凝土可使其強度提高10～ 25% , 水泥消耗下降, 混凝土體的流動性增加。

       在試驗室中和在工業(yè)條件下(鋼筋混凝土構件廠) 進行了研究, 結果表明混凝土的強度提高了15～20% , 結果穩(wěn)定性好。有研究人員發(fā)現(xiàn), 強度甚至可以提高43% , 但是結果不穩(wěn)定。有人用改變磁場強度的方法, 使混凝土的強度或則提高, 或則下降。如在工業(yè)條件下用磁化水調制礦中巷道充填用混凝土構件的試驗,并將這一方法運用于工業(yè)中?；炷恋膹姸扔?. 10 提高到3. 75M Pa (即提高20% ) , 可搬運性提高18%。這樣可以允許用減少水灰比的方法使強度進一步增加。與此同時, 填充體的固化速度也加快了, 得到所需控制強度的時間減少了一半。這種方法每立方米的水泥填充量可以減少50kg。

       水的磁化(磁場與電場共用) 與增塑劑溶液(硫醇廢液) 的磁化同時進行時可以得到最穩(wěn)定的結果。這種綜合活化作用可使經(jīng)過28 天硬化的混凝土填充物的強度提高一倍。

       由于水泥中礦物的溶解和水合而形成過飽和溶液, 這些礦物自發(fā)地彌散至膠體大小的顆粒, 形成觸變的凝聚結構, 最后還有晶體結構的發(fā)生、長大和強化。水的磁化對所有這些過程都要發(fā)生影響。由于磁化水活性增加, 它與水泥進行水化、水解作用時, 能使水分子比較容易地由水泥顆粒表面進入顆粒內(nèi)部, 加強了水化水解作用, 并伴有新的礦物質產(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度。

       通過對磁化水混凝土的微觀結構變化進行觀察分析, 它比普通混凝土有幾方面得到改善: 結構致密、均勻, 孔隙少而小; 石子與砂漿結合緊密, 砂料與砂漿界面模糊; 斷面較平整、均勻。顯然這些對結構的改善, 無疑會提高混凝土的強度。

       使用同種集料、相同配合比的材料, 進行交叉對比強度試驗, 結果如(表2)。


 

       通過試驗得出: 磁場強度和水流量的變化都會對混凝土的強度產(chǎn)生影響, 當磁場強度為270M T, 水流量在1500L/H 時, 混凝土強度最高, 較普通水拌制的混凝土強度提高24. 91%。
對磁化水對水泥用量的影響研究, 下表3 列出了工業(yè)應用結果。

 
混凝土用水泥量實驗, 做C25 和C30 兩種強度等級各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、水用量相應調整。磁化水的磁場強度270M T、水流量1500LöH。水泥用量各4 組對比實驗結果如圖示(圖1)。

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

       多方面的實踐所得結果是: 混凝土的強度顯著提高了(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。

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

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

2.2.2　磁化水對混凝土的其他性質的影響

       在工業(yè)條件下的試驗結果表明, 磁化水混凝土的透氣率下降了。調和水的磁化使工程用混凝土的水灰比得以減少, 改善了結構(收縮孔隙和毛細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)。當有增塑劑和吸水添加物存在時, 同樣可以觀察到上述效應。這些結果可以在生產(chǎn)條件下再現(xiàn)。

       用磁化水調配時, 混凝土的耐冷凍性都有明顯的提高。減少耗水量時得到的結果更好; 當有增塑劑和吸水添加物存在時, 同樣可以觀察到上述效應。這些結果可以在生產(chǎn)條件下再現(xiàn)。與混凝土增塑作用有關的一些試驗。增塑作用取決于水泥膠結劑的性質。因為磁處理首先要對膠結劑的性質產(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。國外七十年代進行的試驗檢查確定, 使用磁化水會導致陶瓷混凝土振動粘度的降低。在流動的混合物中這一效應未得到肯定。

3　經(jīng)濟性

       使用磁化水調制混凝土所得到的實際的和潛在的總經(jīng)濟效益, 一時還難以計算。大體上可以認為, 使用磁處理可節(jié)省水泥10% , 提高混凝土強度至少15%。而且這還沒有算上其他效益: 構件質量的提高、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。安裝設備的開支只要幾個月甚至幾個星期就能賺回。在許多情況下只要花費一個錢就能帶來幾百個錢的利潤。

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