磁化水增強偏高嶺土混凝土早期強度試驗與分析

車 哲，馬芹永

(1.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

近年來，深層煤炭及各種礦體的開發(fā)，臨時混凝土建筑的建設(shè)，道路和軍用民用機場路面的修補等工程對混凝土的早期強度必須滿足一定要求[1-2]，因此提高混凝土的早期強度是建設(shè)工程實踐中特殊工況條件下的必然選擇。

偏高嶺土具有優(yōu)秀的火山灰活性，混凝土中摻入偏高嶺土等量替代水泥可以節(jié)約水泥，加速水泥的水化，提高混凝土的密實度，從而增強混凝土的強度和抗?jié)B性能，提高混凝土耐久性[3]，偏高嶺土的摻入能夠顯著改善混凝土的力學(xué)性能，是一種極具應(yīng)用前景的高活性火山灰質(zhì)礦物摻合料[4]，國外已經(jīng)廣泛使用偏高嶺土來制備超高性能混凝土，在技術(shù)和經(jīng)濟方面已取得一定的進展[5]。

水作為混凝土組分之一，其物理性質(zhì)及配入的多少對混凝土的物理特性、力學(xué)特性等有一定的影響[6-7]。普通水流經(jīng)磁化器磁化后，其水分子結(jié)構(gòu)的改變使得水分子表面張力和分子間的引力變小，導(dǎo)致更為活躍的單個游離水分子數(shù)目增加，單分子水的物理化學(xué)活性和滲透力很強，更容易進入水泥顆粒內(nèi)部，加速水泥的水化反應(yīng)，縮短水泥的反應(yīng)時間[8]。文獻[9]研究發(fā)現(xiàn)用磁化水拌制混凝土可顯著增加混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度，同時磁場強度對混凝土強度的有一定的影響。文獻[10]用磁化水代替普通水拌制混凝土來提升混凝土的力學(xué)性能，不同齡期磁化水混凝土強度提升幅度不同，磁化水對混凝土早期強度的提升尤為顯著。

基于磁化水能夠加速混凝土中水泥的水化反應(yīng)和提高混凝土早期強度，本文將磁化水技術(shù)應(yīng)用于摻入偏高嶺土的混凝土中，用磁化水代替普通水拌制混凝土的方式，磁化水磁化參數(shù)選擇磁場強度和流經(jīng)磁化器的水流量兩個變量，研究磁化水的不同磁化參數(shù)對偏高嶺土混凝土早期強度的影響，為該新型混凝土材料在工程實踐應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 磁化參數(shù)選擇

工程現(xiàn)場實踐中，普通水流經(jīng)磁化器后得到磁化水，制取后直接用于攪拌混凝土，因此，考慮現(xiàn)場實踐操作和施工方便等因素，選擇磁場強度和流經(jīng)磁化器的水流量作為磁化水的磁化參數(shù)。

1)磁場強度選擇。文獻[11]研究發(fā)現(xiàn)水在進行磁化時，磁場強度控制在220～330mT之間最佳，而文獻[12]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場強度達到810mT時，磁化水的磁化性能提升較為明顯。為在較大范圍內(nèi)研究磁化水對偏高嶺土混凝土的作用效果，試驗選取磁化器的磁場強度為220mT、285mT、330mT和810mT。磁化器選用北京大禹聯(lián)合環(huán)保科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的磁場強度為220mT、285mT、330mT和810mT的混凝土磁化水增強器。磁化器口徑均為15mm，儀器如圖1所示。

圖1 混凝土磁化水增強器

2)流經(jīng)磁化器的水流量選擇。試驗采用ZT-FE-4型號流量計，根據(jù)其工作量程范圍及普通自來水合理流量[13]，選取4L/min、7L/min、10L/min、13L/min和16L/min五種不同流經(jīng)磁化器的水流量進行試驗，儀器如圖2所示。

圖2 磁化水流量計

1.2 試驗配合比設(shè)計與試驗方法

1) 試驗原材料及配合比設(shè)計。水泥選用安徽淮南市八公山水泥廠產(chǎn)的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；根據(jù)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JG J52-2006)選用粒徑5～20mm級配碎石、淮河中砂；偏高嶺土選用河南焦作市煜坤礦業(yè)有限公司產(chǎn)的細(xì)度為1 250目、活性指數(shù)≥110的高活性偏高嶺土，其主要化學(xué)成分為：SiO2，55.06%；Al2O3，42.12%；Fe2O3，0.76%。

試驗中混凝土的配合比為膠凝材料(水泥+偏高嶺土)∶水∶砂∶石子=1∶0.48∶1.79∶2.19；水膠比為0.48，砂率為45%。文獻[14]以15%摻量的偏高嶺土等量替代水泥制備混凝土?xí)r，偏高嶺土混凝土力學(xué)性能達到最佳，因此，本文將偏高嶺土等量替代水泥的摻量控制在15%。

2) 試驗方法。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)規(guī)定，每組制作六個標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，試件尺寸為150mm×150mm×150mm，養(yǎng)護24h后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護7d后采取WAW-2000型壓力試驗機對混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊分別進行抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 磁化水對偏高嶺土混凝土強度的影響

選取4種不同磁場強度磁化器和5種不同水流量流經(jīng)磁化器后的磁化水分別拌制偏高嶺土混凝土，同時制備素混凝土和偏高嶺土摻量為15%的偏高嶺土混凝土，強度增長率分別以素混凝土和偏高嶺土混凝土為基準(zhǔn)，其7d抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗結(jié)果如表1所示。

表1 磁化水偏高嶺土混凝土7d強度試驗結(jié)果

注：C代表普通混凝土；MK-15代表偏高嶺土摻量為15%的偏高嶺土混凝土；M與MK的組合表示磁化水偏高嶺土混凝土，以M-a-1-MK-15為例：a、b、c、和d代表磁場強度為220mT、285mT、330mT和810mT；1、2、3、4和5代表磁化水流量為4L/min、7L/min、10L/min、13L/min和16L/min；15代表偏高嶺土摻量為15%。

采用普通自來水?dāng)嚢杌炷粒?5%偏高嶺土摻量替代水泥時，混凝土7d抗壓強度和劈裂抗拉強度分別為29.62MPa和1.98MPa，較普通混凝土分別提高9.44%和10.03%。采用磁化水?dāng)嚢杌炷梁螅炷恋目箟簭姸群团芽估瓘姸染哂谄胀ɑ炷梁推邘X土。當(dāng)磁化水磁化參數(shù)選擇磁場強度為330mT和流經(jīng)磁化器的水流量為13L/min時，磁化水偏高嶺土混凝土7d抗壓強度和劈裂抗拉強度均達到最大值，其最大值分別為40.88MPa和2.64MPa，對比普通混凝土和偏高嶺土混凝土其抗壓強度增長幅度分別為51.02%和38.01%，對比普通混凝土和偏高嶺土混凝土其劈裂抗拉強度增長幅度為46.67%和33.33%。

(a) 7d抗壓強度

(b) 7d劈裂抗拉強度圖3 磁化水對偏高嶺土混凝土7d強度影響關(guān)系曲線

根據(jù)表1中試驗數(shù)據(jù)繪制磁化水不同磁場強度和流經(jīng)磁化器的不同水流量對偏高嶺土混凝土7d抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響關(guān)系曲線，如圖3所示。對試驗混凝土7d抗壓強度和劈裂抗拉強度數(shù)據(jù)分析得，試驗組在磁場強度為220mT時，采用不同流經(jīng)磁化器的水流量其混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度均低于285mT和330mT試驗組混凝土；磁場強度為810mT的試驗組其7d抗壓強度在水流量在7L/min、10L/min和16L/min時低于285mT和330mT的試驗組混凝土抗壓強度；磁場強度為810mT的試驗組其7d劈裂抗壓強度在水流量在7 ～16L/min時均低于285mT和330mT的試驗組混凝土劈裂抗拉強度；285mT和330mT試驗組不同水流量條件下其抗壓強度和劈裂抗拉強度相近，在流經(jīng)磁化器的水流量為13～16L/min時，其抗壓強度和劈裂抗拉強度提升顯著。

總體看來，相同水流量流經(jīng)同一磁化器的磁化水?dāng)嚢璧拇呕邘X土混凝土其7d早期抗壓強度和劈裂抗拉強度變化規(guī)律近似。220mT、285mT和330mT試驗組其7d抗壓強度和劈裂抗拉強度隨不同水流量的變化曲線其變化趨勢近似，與810mT試驗組對比其強度變化趨勢有所區(qū)別。在水流量大于7L/min時，磁場強度為810mT試驗組7d抗壓強度和劈裂抗拉強度低于磁場強度為285mT和330mT時試驗組強度且高于磁場強度為220mT時試驗組強度。其原因可能是當(dāng)水體流經(jīng)磁化器時[15]，水分子受磁化作用其氫鍵的斷裂和形成過程同時存在，磁化過程中二者出現(xiàn)的概率大小交替變化，磁化水活性的增強取決于氫鍵斷裂和形成的強弱程度以及磁場強度對氫鍵斷裂形成的磁化程度，具有一定的隨機性，這可能是導(dǎo)致較高磁場下磁化水活性較低的原因，因此針對不同混凝土材料的配比及工程實踐應(yīng)選取適合的磁化水磁化參數(shù)。

2.2 磁化水增強偏高嶺土混凝土早期強度的結(jié)果分析

偏高嶺土[16-17]主要成分Al2O3和SiO2的含量在90%以上，相比其他摻合料，偏高嶺土中Al2O3的含量較高，可發(fā)揮出較高的火山灰活性。Al2O3和SiO2能夠與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣等膠凝物質(zhì)，偏高嶺土的摻入引起的火山灰效應(yīng)消耗了水泥水化生成的Ca(OH)2，增加了能夠產(chǎn)生強度的膠凝物質(zhì)數(shù)量。同時偏高嶺土的微集料效應(yīng)可以有效提高混凝土的致密性，能有效改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，提高混凝土強度。

普通水流經(jīng)磁化器時[18-19]磁場改變了水分子的部分結(jié)構(gòu)和水中雜質(zhì)形態(tài)，從而使經(jīng)過磁場后的水的物理化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生了一些改變，水分子氫鍵被打斷，變成小的小分子團或單個水分子，磁化水更容易同微小顆粒結(jié)合，使得水分子能更深地進入到水泥和偏高嶺土粒子內(nèi)部，與水泥和偏高嶺土充分反應(yīng)，提高水泥和偏高嶺土的活性，加速水泥水化，促進水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣等膠凝物質(zhì)的生成。采用不同磁場強度和不同水流量流經(jīng)磁化器制取的磁化水的活性不同，對混凝土強度的提升也有所不同，根據(jù)混凝土組成成分的不同選取適合的磁化水的磁化參數(shù)。

綜上可知，偏高嶺土較水泥粒徑低一個數(shù)量級，偏高嶺土的加入在很大程度上優(yōu)化了混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，不僅改善了水泥漿體的孔隙率，而且進一步優(yōu)化了混凝土的孔徑分布，使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密。偏高嶺土對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要體現(xiàn)在微集料效應(yīng)填充孔隙和火山灰效應(yīng)生成更加密實的膠凝物質(zhì)兩方面。而磁化水替代普通水?dāng)嚢杌炷撂岣吡怂嗪推邘X土的活性，磁化水的水分子活性更好地發(fā)揮了偏高嶺土的填充效應(yīng)和提高了偏高嶺土火山灰活性，促進了水泥水化反應(yīng)的進行從而顯著提高混凝土早期抗壓強度和劈裂抗壓強度。

3 結(jié)論

(1)磁化水代替普通水?dāng)嚢杌炷量商岣呋炷猎琮g期強度。無論磁場強度或水流量選取如何，使用磁化水替代普通水?dāng)嚢杵邘X土混凝土?xí)r，其混凝土7d抗壓強度和劈裂抗拉強度均得到提高。

(2)磁化水的合適磁場強度和流經(jīng)磁化器的合適水流量為285～330mT和13～16L/min，當(dāng)磁場磁場強度為330mT和流經(jīng)磁化器的水流量為13L/min時，磁化水偏高嶺土混凝土較摻量為15%的偏高嶺土混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度分別提高38.01%和33.33%，較普通混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度分別提高51.02%和46.67%。

(3)磁化器選擇較高磁場強度810mT作為對照組時混凝土抗壓和劈裂抗拉強度在流經(jīng)磁化器的水流量7～10L/min和16L/min時均低于磁場強度為285～330mT時的抗壓和劈裂抗拉強度，針對混凝土材料的組分不同和工程實踐應(yīng)選取適合的磁化水磁化參數(shù)。