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磁化水混凝土的研究现状及进展



文章编号 : 1009- 9441( 2007) 01- 0013- 04



磁化水混凝土的研究现状及进展
t t


王立久, 李慧芝

(大连理工大学 土木水利学院 , 辽宁 大连

116024)

要 : 归纳了

磁化水对混凝土性能的影响以及影响磁 化效

古代著名医学家李时珍的《 本草纲目》 就有民间采 用磁石治病的记载
[ 1]

果的各种因素 。 论述了目前磁 化效果的检验方法 , 即通 过水 系统的一些物理化 学变化 以及结 构上的 差别进 行检 验 。 讨 论了磁化水对混凝 土强度 的增强 机理 。 概述 了目 前磁化 水 研究的主要领域及其 发展前景 。 关键词 : 磁化水 ; 混凝土 ; 混凝土性能 ; 磁 化效果 ; 磁化机理 中图分类号 : TU 528. 1 文献标识码 : A

。随着科学技术的发展, 人们

对磁的认识不断得以提高, 人类几乎在生产、 生活的 各个领域都有对磁的利用。如今 , 磁化水已在医疗 保健、 农业、 化工、 矿山、 冶金等方面得到了广泛的应 用, 并取得了一定的成果 , 在建筑工程的应用研究也 正在进行。国内外许多研究人员和学者正在对用磁 化水拌制的混凝土 ) ) ) 磁化水混凝土进行更深一步 的探讨和试验。

引言
水在人类 生活的各个领域具有无可比拟的作 用。近年来 , 水系统 ) ) ) 天然水和技术用水的磁化 及磁处理, 被广泛地应用于改进多种工艺和生物过 程。关于磁的利用, 可以追溯到两千多年以前 , 我国 采用三维 20 节点六面体实体元 , 并假定桥体与 基岩接触面上 3个平动位移协调。桥体有限元离散 化分析模型如图 1 所示。

1 磁化水对混凝土性能的影响
前苏联、 东欧及我国的研究资料表明, 利用磁化

图 1 五梁桥桥体有限元模型

图 2 第一主应力

2 . 2 工况 根据桥梁实际使用状况, 分别考虑桥体在 3 种 工况下的力学性能: ( 1) 工况Ⅰ: 枯水期正常使用情况 ; ( 2) 工况Ⅱ: 受淹情况; ( 3) 工况Ⅲ: 水位涨落时。

3 五梁桥计算结果与分析
3 . 1 工况 Ⅰ : 枯水期正常使用情况下桥体的力学性能 应力云图及等值线图如图 2 、 图 3 所示。应力 峰值见表 3 , 桥体最大变形量见表 4 。 建材技术与应用 1 /2007
图 3 第三主应力

( 待续 ) # 13#

水拌制混凝土可提高其强度 20 % ~ 40 % , 但不同 的试验条件所得的试验结果有所差别。磁化水混凝 土的标准偏差和变异系数均低于普通水拌制的混凝 土。前苏联哈尔科夫公路交通学院的试验表明 , 磁 化水混凝土的抗压强度和抗剪强度提 高了 27 % 。 他们还试验了将水在磁化前先进行真空处理 , 其水 泥砂浆的强度 可提高 60 % , 无论是 早期强度还是 [ 1] 28 d 强度均是如此 。 前苏联 ? # ? # 希尔洛维曾进行了磁化水对水 泥混凝土密实度和抗冻性影响的研究。他认为磁化 水可以降低水灰比, 改变混凝土的结构, 减少混凝土 的收缩孔隙 , 能降低混凝土的透水性 , 大大提高了其 抗冻性 , 其抗冻融循环一般在 100 次以上, 其中用掺 亚硫酸废液的磁化水拌制的混凝土能承受 1 000 次 以上的冻融循环。试验表明 , 凡是用磁化水拌制的 混凝土 , 其抗冻性都有明显的提高, 掺入增塑剂等外 加剂时抗冻性的提高更为明显。 表 1 至表 4是参阅相关文献之后得出的一些对 比数据。
表 1 磁化水对水泥基 本性能的影响 [ 2]
水 样 安定性 合格 合格 凝结时间 / ( hB m in) 初凝 普通水 磁化水 5B 33 5B 23 终凝 6B 03 5B 56 标准稠度 /% 不静置 27. 0 26. 2 静置 1 h 27. 0 27. 1

人员发现在磁化过程中存在着最佳参数 , 即磁场强 度和水流速度会影响磁化效果, 在这里我们是以混 凝土的各种性能指标来衡量磁化效果。由于试验条 件和设备的不同, 研究者得出的最佳参数也不尽相 同。表 5 是一些研究人员在研究磁化水的试验中所 采用的磁场强度和水流速度。
表 5 磁场强 度 、 水流速度与混凝土强度增长率
单 位 研究人员 杜跃武 吴忠等 赵善宇 安文汉 张维华 最佳磁场 强度 /mT 270 280 810 220 800 500 m 3 /h 800 m 3 /h 800 1 200 800 1 350 L / h 9 ~ 11 L /m in 水流速度 1 500 L / h 1 344 L / h 0 . 73 m / s 0 . 7m / s 混凝土强度 增长率 /% 14 ~ 20 16 ~ 18 11 ~ 15 14. 85 8 ~ 23 16( 3 d) 1. 4、 4. 2 ( 28 d) 10 ~ 23 10 ~ 20

濮阳市地方 道路管理处 焦作工学院 土木工程系 大连理工大学 铁道部第十二 工程局 百利昌建筑 制品有限公司

东北林业大学 史云龙等 国立云林科技 大学土木工程系 国立中央大学

苏南 李钊

对自来水进行循环磁化, 可以增加水流在磁场 中的滞留时间 , 也就增加了磁化的时间 , 增加磁场的 长度同样也可以达到这种效果。从 1977 年起 , 日本 针对磁化水进行了长达 8 年的试验研究 , 通过对试 验结果的数理统计分析 , 证明若水的磁化时间过长, 对砂浆强度反而没有增进作用。所以 , 有一个最佳 磁场长度的问题。 国内外的很多学者对磁化水的物理性质进行过 反复的对比试验, 发现磁场磁力水的渗透压、 吸光度 和 pH 值等均有不同程度的变化 , 而且一般来讲水 溶液的变化比纯水要大。也有试验证明 , 蒸馏水经 磁化后拌制的混凝土强度几乎没有提高。所以, 磁 化水的水质也是影响磁化效果的一个因素。 还有文献指出, 试验之前必须使水在静止状态 下严格静置同样的时间 , 经冷凝 3 d 后的水最易受 磁场的作用。

表 2 不同磁场强度下磁化水 对砂浆流动度的影响 [ 3]
磁场强度 /T 砂 浆 扩展直径 / cm 百分比 /% 0 18 100 0. 2 0. 4 0 . 6 0 . 8 1 . 2 1 . 35

18. 5 18. 8 18 . 9 19 . 2 19 . 0 19 . 6 103 105 105 107 106 109

流动度

表 3 相对抗压强度
磁场强度 / mT 龄 期 3 d 7 d 28 d 250 99 107 104 450 101 106 108 650 103 123 107 810 110 116 122

表 4 混凝土渗透性试验结果 [ 3]
养护 28 d 样 品 电量 /C 1 949 1 796 1 637 C l- 扩散系数 C l- 渗 电量 /C ( @ 10- 9 ) 透性 12. 164 11. 412 10. 632 低 低 低 1 324 1 043 1 374 养护 60 d C l- 扩散系数 C l- 渗 透性 ( @ 10- 9 ) 9 . 091 7 . 710 9 . 339 低 低 低

空白样 磁化水样 减少水泥 用量 10 %

3 磁化水的检验方法
磁化水与普通水在视觉和感 官上无任何的差 异, 因而采用什么手段才能较好地测试出水磁化的 效果是一个比较困难的问题。经过多年来的研究, 在磁化水性能研究方面出现了许多测试方法。例如 对于单相水系 统 ( 微观多 相 ) , 可以对 水的光 学性 R esearch & A pp lication of Bu ild ingM aterials

2 影响磁化效果的因素
在研究磁化水混凝土的过程中 , 大多数的研究 # 14#

能、 法拉第磁光效应、 离子水合作用、 红外吸收光谱、 磁化率、 电导率、 介电常数、 黏度和化学性能进行测 量 ; 对于多相系统 , 可以从溶液的表面张力、 吸附、 溶 解、 结晶、 聚合、 润湿、 凝聚和电化学效应等方面的测 量来反映磁化程度。通常的测试指标有分子的表面 张力、 电导率、 C l 离子浓度、 碱度和硬 度等。水经 过磁化之后, 这几个方 面的性能通常 会发生改变。 表 6 和表 7 是归纳文献 [ 1- 5]得出的对比数据。
表 6 普通水与磁化 水的表面张力
水 样 表面张力 / ( N /m ) 19. 1 18. 2 19. 3 18. 1
1)

4 磁化水混凝土强度增强的机理研究
很多研究者通过水产物的 SEM 分析, 通过对硬 化水泥微观形貌的比较, 来分析水系统的磁处理对 其结构的影响。大多数的研究结果表明 , 磁化水混 凝土的微观结构更为致密。这可能是由于磁化水的 分散性较普通水要好 , 使得矿物水化时自发地弥散 至胶体大小的颗粒 , 因而水化产物的晶粒比较细小, 水化程度更完全。 大连理工大学赵善宇、 濮阳地方道路管理处杜 跃武、 湖南大学朱元保等
[ 2]

-

表面张力均值 / ( N /m ) 19 . 3 18 . 3 19 . 2 18 . 2

普通水 磁化水

采用 X 射线物 相分析,

对磁化前后的自来水拌制的水泥水化 3 d 、 28 d 的 水化产物进行了 XRD 分析。结果表明, 磁化处理能 够促进水泥石中各种矿物的水化 , 有利于水泥石结 构的形成。 M ezeiM 等采用 MC 方法计算了水的热力学参数 对温度的依赖关系; T anaka H 等采用 MD 方法对水的 径向分布函数、 势能、 比热和扩散系数等热力学参数 进行了研究; K ise le v M 等通过 MD 方法 , 定量计算 了外加电场情况下 C l 离子对水的结构的影响。 石油大学卢贵武等在 1997 年曾采用 M C 方法 来模拟磁场对水系统内能的影响 , 采用 F ortran 编程 计算 ; 大 连 理 工 大 学 周 继 扬 等 在 2003 年 同 样 采用 MC 方法对水系统的磁处理进行了研究, 采用 V isua l C + + 6 . 0 进行编程计算。他们采用的方法都 是由 M eze iM 等的方法演变过来的, 所采用的思想、 建立的模型和模拟的方法都是类似的。 一些研究人员还对分子团簇进行了分析。伦敦 南岸大学 ( London south bank un iversity)对水中氢键 的结合率和水分子团簇尺寸进行了相关的研究, 得 出二者之间的一定关系。 总结对磁化水提高混凝土强 度机理的试验研 究, 目前已有的理论是: 由于水分子为极性分子, 在 普通水中 , 水分子相互吸引形成大的分子团 , 未被大 分子团吸引的单分子水分散于大的分子团之间。与 大的分子团相比, 单分子水的物理化学活性很强 , 但 由于普通水中的单分子水很少, 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颗粒 表面进行。而水泥表面的一层胶体膜将阻碍水泥颗 粒的进一步水化, 这样就会影响到混凝土强度的提 高。当水经过磁化时, 在磁场力的作用下, 大的分子 团破裂变成单个水分子, 这些单个水分子重新整齐 排列 , 增加了水分子之间的电性吸引力。由于单分子 水的物理化学活性和渗透力很强, 可渗入到水泥颗粒 # 15#
-

1) 磁场强度 270 mT, 水速 1 550 L / h 。

表 7 磁化处理后水的表面张力 、pH 值 、 电导率 、 硬度 [ 3- 4]
- 3 电导率 磁场 表面张力 @ 10 p H值 硬 / ( N /m ) / ( L s / cm ) 强度 度 /T 自来水 去离子水 自来水 去离子水 自来水 去离子水

0 0 . 1 0 . 3 0 . 5 0 . 7 0 . 9 1 . 0 3 . 0 5 . 0 7 . 0 9 . 0

71 .7 70 .5 65 .8 64 .8 72 .5 69 .6 68 .3 71 .8 69 .0 67 .6 72 .2

70. 0 66. 0 72. 5 67. 9 71. 5 71. 0 69. 3 72. 0 68. 7 65. 2 70. 3

7. 26 7. 24 7. 19 7. 14 7. 09 7. 06 6. 90 6. 87 6. 79 6. 74 6. 60

8. 58 8. 62 8. 61 8. 60 8. 59 8. 55 8. 57 8. 58 8. 55 8. 55 8. 53

172 171 175 169 165 165 160 164 170 165 165

2 . 90 2 . 60 2 . 80 2 . 60 2 . 77 2 . 85 2 . 88 2 . 55 2 . 60 2 . 58 2 . 60

45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45

贵州工业大学安燕等曾就磁场对水的 pH 值、 表面张力的影响以及磁化水的表面张力随时间的变 化规律进行了试验研究。结果表明, 水经磁化后的 p H 值上升约 2 . 6 % 。磁化后水的表面张力明显下 降, 下降值与磁感应强度有关, 同时与放置时间也有 关, 即有弛豫性。弛豫时间在 15 d 以上。表面化活 性剂磁化水溶液的表面张力下降幅度更大, 弛豫时间 更长。 方江华等
[ 6]

采用 高精度傅立叶 变换红外线分

光光度法来测定磁化水的磁化率。通过研究水分子 在中红外区的 3个振动吸收带 Y1 、 Y2 、 Y3 在不同的 磁化条件 下的变 化, 发现磁 化水 与普 通水分 子的 O ) H 基伸缩振动带 Y1与弯曲振动带 Y3 的积分面 积比值 S1OS3 有较明显的差别。这个比值偏离正 常值的大小 , 可以作为水磁化程度的定量检验参数。 建材技术与应用 1 /2007

内部 , 使水泥充分水化, 从而提高了混凝土的强度。

学 , 2005. [ 4] 朱元保 , 颜流 水 , 曹祉 祥 , 等 . 磁 化 水 的物 理 化 学 性能 [ J]. 湖南大学学报 , 1999, 26( 1): 21- 25. [ 5] 熊瑞生 , 姚庆钊 . 磁 化水对水 泥标准 稠度用 水量 影响的 试验研究 [ J]. 混凝土 , 2002, 24( 9): 42- 44. [ 6] 方江华 , 张景钰 , 姜玉松 . 磁化 水混凝土应用中几个技术 问题的 研 究 [ J]. 安 徽 理 工 大 学学 报 ( 自 然 科 学 版 ), 2004 , 24( 2) : 18- 22. [ 7] 张维华 , 吴振杰 . 磁化水技 术在混 凝土中 的应用 [ J]. 建 筑技术开发 , 2001, 28( 6): 55- 56.

5 研究现状与前景展望
自 20世纪 50 年代发现了磁化水以后 , 经过几 十年来的发展, 磁化水已经从实验室进入了人们的 实际生活中 , 用磁化水制备混凝土在前苏联的很多 建设部门已经推广应用, 并取得了巨大的经济效益。 目前, 国内外对于磁化水混凝土的研究, 主要集 中在以下几个方面: ( 1) 对于磁化水混凝土本身性能的研究。一是 合理的磁化参数的研究, 如磁场强度、 磁化强度、 水 流速度、 磁化时间、 水被磁化后放置的时间以及不同 拌合物对磁化水混凝土的影响等; 二是磁化水混凝 土不同的物理力学特性的研究 , 如抗压、 抗拉、 抗折、 密实度、 pH 值、 表面张力等。 ( 2) 对磁化设备的研究。我国从 20 世纪 80 年 代开始就致力于研制磁场强度可变化的电磁式磁水 器 , 也有厂家和人员进行永磁式磁水器的研究。 ( 3) 对水的磁化效果的研 究, 即用什么方法和 哪些指标来判断水被磁化的程度。到目前为止 , 尚 未找到合理的判断磁化效果的指标, 只是单纯地通 过测量水的碱性、 电导率、 表面张力等这些水质本身 的变化来进行判别, 缺少一定的理论依据 , 而且有的 经过试验得出的结论是相反的。 磁化水混 凝土技术属于一种新型的混凝土技 术 , 其应用于混凝土领域已有几十年的历史
[ 7]

Presen t R esearch and D evelopm en t of the Concrete w ith M agnetized W ater
WANG L i- jiu , L I H u i- zhi ( C ivil Eng ineering & W ater Conservatiion Schoo,l Da lian University o f Sc ience and T echno lo gy, Dalian , L iaoning , 116024 , Ch in a) A bstract : The effects the m aghetized w ater has on the perform ance o f concrete and th e d ifferent factors that affect the m agn itization are expla in ed in the paper . H ere is a d iscussio n about th e m ethod o f testing the effects from m agn itiza io n , that is , testing by som e physical and chem ica l changes in the w ater system and d ifferences in structure . T he m echnism is told here by wh ich the strength of concrete is i m roved by m agnetized w ater . T he m a in fields and the prom ising possibility for the m agne tized w ater research is show ed as w el.l K ey words : m agnetized w ater ; concrete ; perfo r m ance o f concrete ; effect of m agnet izat io n ; m echanism of m agnet izat io n
作者简介 : 王立久 ( 1945- ) 男 , 吉林 长春人 , 教 授 、 博 士生导 师 , 1969 年 7 月毕业于 大连理 工大 学 ( 原大 连工学 院 ) 并留 校任教 , 1982 年研究 生毕 业于 大连 理工 大学 获工 学硕 士学 位 , 现任大连理工大 学土木 水力学院 建筑材 料研 究所主 任 , 大连理工大学振动与强度测试中 心试验室 ( 国 家实验 室 ) 主 任 , 系辽宁省政协委 员 、 辽 宁省复 合材料 学会常 务副 理事长 兼秘书长 、 《 建材技 术与 应用 》 杂 志编 委 。 在 国内 外科 技期 刊发表学术论 文近百篇 , 多篇被 CA、 EI 、 SC I 、 CSCI等 收录和 国内外学者引用 , 获专利 10 余项 。主要研究方向 : N ano - X 材 料研究 , 新型建筑材料全同粒子分 子动力学设计理论及生态 环境材料研究 , 混 凝土 耐久 性理 论及 寿命 预测 数 学模 型研 究 , 功能建筑新材料 和新技 术研究 , 模网 混凝土 结构 理论研 究 , 耐化学腐蚀混凝土理 论及技术研究 。 收稿日期 : 2006- 06- 29 ( 编辑 盛晋生 )

。虽

然从 20 世纪 60年代至今前苏联、 日本、 美国和我国 的许多科技人员对其进行了大量的研究, 但长期以 来一直未被列入主流的研究领域, 没有进行过系统 地研究 , 导致其在技术上很不成熟, 在理论上也不够 统一。加之近年来世界各国在此方面的研究越来越 少 , 使得该项技术已处于一种停滞的状态。但是, 从 整体的研究来看 , 其经济效益是良好的, 而且生产磁 化水的设备投资在较 短的时间内就可 以收回。所 以 , 用磁化水拌制水泥和混凝土这项技术具有广阔 的发展前景 , 可以与目前研究的一些混凝土新技术 相结合 , 以使其发挥更大的作用。 参考文献:
[ 1] 罗漫 , 陆柱 . 磁化水的研究 现状及发展 [ J]. 水处理技术 , 1999, 25( 6): 339- 343. [ 2] 周麒雯 , 李光伟 . 磁化水 对水泥 砂浆性 能影响 的试验 研 究 [ J] . 水电站设计 , 2005, 21( 2): 75- 77 . [ 3] 赵善宇 . 磁化水混凝土性能研究 [ D ]. 大连 : 大连理 工大

# 16#

R esearch & A pp lication of Bu ild ingM aterials


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