不同溫度磁化水對水泥凈漿流變性能的影響

段懿航， 朱伶俐， 趙 宇， 王有凱， 金政浩

(1.河南理工大學土木工程學院， 焦作 454003； 2.河南理工大學深井瓦斯抽采與圍巖控制技術國家地方聯合工程實驗室， 焦作 454003； 3.河南理工大學材料科學與工程學院， 焦作 454003)

隨著建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，混凝土的施工要求和技術指標也不斷改革，在民建、公路橋梁、國家重要建設項目等諸多領域應用廣泛，所以提高混凝土的工作性和硬化強度，節(jié)約水泥用量一直是科研人員關注的問題。

新拌水泥漿體是一種高濃度的懸浮系統(tǒng)[1]，水灰比、溫度、顆粒直徑及摻入量、外加劑種類及加入量等都影響著其工作性能[2-6]。然而，不同物理性能的磁化水對水泥漿體流變性能的影響尚未見報道。

研究表明，磁場可以改變水的物理性質，經過磁場磁化處理后，水分子表面張力改變，活性提高[7-11]。水經過磁化后拌制的混凝土由于水泥水化更加充分，強度高于普通水拌制的混凝土[12-13]。磁化水對混凝土抗裂性能、穩(wěn)定性、抗壓性、耐久性都有所提高[14-18]。在自密實混凝土中使用磁化水可使減水劑用量減少30 %以上，并且提高了混凝土的工作性和硬化強度[19]。

一些學者研究了溫度對水泥漿體工作性能的影響，Petit等[20]研究表明塑性黏度隨溫度的變化呈現線性變化。水泥瀝青膏體屈服應力隨著溫度的升高而升高，黏度降低[21-22]。噴射混凝土的抗壓強度、混凝土與巖石的黏結強度隨養(yǎng)護溫度的提高呈增大趨勢，其耐久性均有所降低[23-25]。

通過對報道的文獻梳理發(fā)現，磁化水、溫度對水泥凈漿和混凝土的物理力學性能和流變性有著重要的影響，然而不同溫度的磁化水對水泥凈漿流變性的影響未見報道。因此，將針對不同溫度的磁化水對水泥凈漿流變性的影響開展研究，并對其影響機理進行初步探討，以期為磁化水水泥基注漿材料在不同溫度工程實踐方面的應用提供理論依據。

1 實驗設計

1.1 原材料及配合比

本實驗水泥為山東魯城水泥有限公司生產的P.I 42.5基準水泥；水為焦作市自來水；外加劑(J)：萘系高效減水劑；水灰比0.4；減水劑摻量0.6%。

1.2 磁化水制備

采用自主研制的MWD-1磁化水裝置，如圖1所示，由兩個相對設置的U形槽、釹鐵硼強磁鐵、升降螺母、水管等組成。將自來水通過水域加熱到需求溫度，然后以0.6 m/s的流速通過300 mT的磁場，制備磁化水[10-11]。使用南京桑力電子廠生產的DP-AW-Ⅱ表面張力實驗裝置，如圖2所示，利用最大泡壓法測定同一溫度下普通水和磁化水的表面張力，表征水的磁化程度。

圖1 MWD-1磁化水裝置截面示意圖Fig.1 Cross-sectional schematic diagram of MWD-1 magnetized water device

圖2 DP-AW-Ⅱ 表面張力測試儀Fig.2 DP-AW-Ⅱ surface tension tester

1.3 實驗測試及方法

采用奧地利Anton Paar公司生產的MCR 302型旋轉流變儀，如圖3所示，在設定的溫度條件下，測試漿體在不同剪切速率下的剪切應力值，得到流變曲線以及對應的流變參數。具體實驗方案如表1所示。

圖3 MCR 302型旋轉流變儀Fig.3 MCR 302 rotary rheometer

測試旋轉流變儀剪切速率由0增大到1 000 s-1，然后由1 000 s-1降為0過程中形成的觸變環(huán)面積。使用觸變環(huán)面積表征漿體觸變性。

表1 實驗方案

采用Colloidal Dynamics Zeta 電位分析儀對磁化水和普通水拌制的水泥漿體的Zeta電位值進行測試，使用磁化水和普通水分別拌制水泥漿體，然后稀釋一定濃度，測試不同水拌制的水泥凈漿的Zeta電位。

采用美國TA公司TAM Air 多通道微熱測量儀測定磁化水和普通水攪拌的水泥漿體72 h水化放熱過程。

2 實驗結果及分析

2.1 不同溫度下磁場對水表面張力的影響分析

水中存在一個具有能被磁化的結構單元，在外加磁場作用于水時就能變成一個小磁體或一個“分子電流元”,從而被磁化[8-9]。而水溫不同時，水的磁化效果是不一樣的，因此我們首先用表面張力儀測量不同溫度下普通水與磁化水的表面張力。

圖4為不同溫度下普通水與磁化水表面張力對比圖?？梢钥吹剑?/p>

圖4 不同溫度普通水與磁化水表面張力對比Fig.4 Comparison of surface tension between normal water and magnetized water at different temperatures

(1)隨著溫度的升高，普通水的表面張力一直在下降，而磁化水的表面張力先下降后回升。

(2)在各個溫度內，磁化水的表面張力低于普通水，30 ℃時，磁化水表面張力降低最多，下降15.74%，50 ℃時，表面張力下降最少，降低1.33%。

(3)40 ℃、50 ℃兩組中普通水的表面張力與磁化水的表面張力區(qū)分度沒有低溫時明顯。從測量結果可知，磁場和溫度對水的表面張力都有較大的影響。

隨著溫度的升高，水分子的熱運動增大，水分子活性增大，分子間氫鍵和范德華力更容易被破壞；同一溫度下，水經過磁場以后被磁化，水分子間的成鍵和團聚狀態(tài)改變和極化增強，表面張力相對普通水減小[8]；隨著溫度升高到40 ℃以及50 ℃，溫度對水分子的作用增強，同時溫度的升高削弱了磁場對水分子的磁化作用，造成當溫度升高時，磁化水的表面張力雖小于普通水，但下降幅度并不多。升高溫度、水勻速經過磁場，兩種方式均改變水分子之間的作用力，降低了水的表面張力。

2.2 不同溫度磁化水對水泥漿體屈服應力、塑性黏度的影響分析

圖5為剪切應力隨剪切速率變化曲線，圖6為表觀黏度隨剪切速變化曲線，因流變曲線條數較多，選取10、30、50 ℃ 3個溫度梯度為代表。表2為不同溫度下普通水與磁化水拌制的水泥凈漿擬合曲線方程。圖7為不同溫度下水泥凈漿屈服應力圖，圖8為不同溫度下水泥凈漿塑性黏度圖。

圖5 剪切應力隨剪切速率增加的變化曲線Fig.5 Change curve of shear stress with shear rate

圖6 表觀黏度隨剪切速率增加變化曲線Fig.6 Change curve of apparent viscosity with shear rate

圖7 不同溫度下水泥凈漿屈服應力Fig.7 Yield stress of cement paste at different temperatures

圖8 不同溫度下水泥凈漿塑性黏度Fig.8 Plastic viscosity of cement paste at different temperatures

表2 不同溫度下普通水與磁化水處理的水泥凈漿 測試及擬合結果

從圖5和表2可知，隨著溫度的升高，普通水和磁化水所拌制的水泥凈漿都符合賓漢姆模型，但R2基本為98%左右，因此，用Fey等[26]提出的改進的賓漢姆模型對數據進行了擬合，R2≥99%，因此水泥凈漿的流變特性更符合改進的賓漢姆模型。隨著溫度的升高，實驗水泥凈漿都為剪切增稀漿體，表觀黏度隨著剪切速率的增大迅速下降。

由圖7知，隨著溫度的升高，漿體的屈服應力逐漸增大，且磁化水處理的水泥漿體屈服應力大于普通水處理的水泥漿體；由圖8知，塑性黏度逐漸降低，10、20、30 ℃磁化水處理的水泥漿體塑性黏度大于普通水處理的水泥漿體，40、50 ℃磁化水處理的水泥漿體塑性黏度小于普通水處理的水泥漿體。結合圖5的流變曲線和圖8可以看出，50 ℃高溫組中磁化水處理的水泥漿體隨剪切速率的增大，剪切增稀作用明顯高于普通水處理的水泥漿體。

2.3 不同溫度磁化水對水泥漿體觸變性的影響分析

圖9為30 ℃水泥凈漿觸變環(huán)實驗結果，其他溫度時觸變環(huán)面積圖類似；圖10為不同溫度水泥凈漿觸變環(huán)面積測試結果。漿體在高剪切速率下內部絮凝結構被破壞，當剪切速率下降，絮凝結構再次形成，形成速度越快，則觸變環(huán)面積越大，漿體粘聚性越好。從圖10可知，當其他條件恒定不變，隨著溫度的升高，水泥漿體觸變環(huán)面積逐漸減小，10、20、30 ℃磁化水處理的實驗組觸變環(huán)面積大于普通水處理的對照組，40、50 ℃磁化水處理的實驗組觸變環(huán)面積小于普通水處理的對照組。觸變環(huán)變化規(guī)律與塑性黏度變化規(guī)律具有一致性[27]。

圖9 30 ℃觸變環(huán)對比Fig.9 Comparison of thixotropic rings at 30 ℃

圖10 不同溫度下水泥凈漿觸變性測試結果Fig.10 Test results of thixotropy of cement paste at different temperatures

在低溫和常溫時，磁化水攪拌實驗組增大了觸變環(huán)面積，說明磁化水作用下，拌合物絮凝狀態(tài)在高剪切速率下被破壞后，隨著剪切速率降低，其恢復速度加快，漿體黏聚性增大，高溫時，磁化水處理的實驗組觸變性差于普通水處理的對照組，這可能是在高溫和磁場共同作用下，水分子與水泥顆粒電荷狀態(tài)發(fā)生改變，導致了磁化后的削弱作用。

2.4 磁化水與普通水拌制水泥漿體的Zeta電位分析

在常溫下，采用Colloidal Dynamics Zeta 電位分析儀對磁化水和普通水攪拌的水泥漿體進行測試，測量結果顯示磁化水拌制的水泥漿體的Zeta電位是+3.0 mV,新拌漿體溫度14.2 ℃；普通水拌合的水泥漿體的Zeta電位是+3.2 mV,新拌漿體溫度13 ℃。從結果可以看出磁化水拌制的水泥漿體，Zeta電位低于普通水拌制的水泥漿體，溫度大于普通水拌制的水泥漿體。

Zeta電位的大小反映了漿體分散系的穩(wěn)定性，分散粒子越小，Zeta電位絕對值越高，體系越穩(wěn)定。反之，Zeta電位絕對值越低，越傾向于凝結或凝聚，即吸引力超過了排斥力，分散被破壞而發(fā)生凝結或凝聚。從測量結果可以看出，磁化組的Zeta電位(+3.0 mV)低于普通組(+3.2 mV)的Zeta電位，說明水經過磁場磁化處理后，大分子團被打散成更多的水分子或小水分子團，水分子的增多使得水泥顆粒被更均勻的分散，使得初期水化更加充分。磁化組漿體溫度14.3 ℃大于普通組的13 ℃證明了這一點。

2.5 磁化水與普通水拌制水泥漿體的水化放熱分析

圖11所示測量結果顯示，相對于普通水拌制的水泥漿體，磁化水拌制的水泥漿體水化放熱更加迅速，放熱峰值更大。90 s時單位時間水化放熱達到峰值，此時磁化水拌制的水泥漿體水化放熱量較普通水拌制水泥漿體高7.14%，300 s時兩者水化熱曲線出現交點，此后磁化水拌制的水泥漿體水化放熱曲線低于普通水拌制的水泥漿體。

圖11 磁化水與普通水拌制水泥漿體水化熱測試結果Fig.11 Test results of hydration heat of cement paste mixed with magnetized water and normal water

水化熱的差異說明磁化水更好地與水泥顆粒進行了結合，促進了前期水泥水化。拌制階段快速的水化放熱將有利于降低澆筑養(yǎng)護階段的放熱量，這一差異將深刻地影響著水泥漿體的流變特性和后期硬化性能。

3 結論

(1)用磁化水拌制的水泥凈漿屬于賓漢姆流體。利用改進的賓漢姆模型能更準確擬合漿體流變特性。

(2)磁場改變了水的物理化學性質，磁化水表面張力低于普通水。相較于普通水，30 ℃時表面張力下降最多，降低15.74 %。

(3)隨著漿體溫度的升高，漿體屈服應力增大，塑性黏度減小。屈服應力和塑性黏度在10、20、30 ℃速率變化較快，40、50 ℃趨于平穩(wěn)。

(4)用磁化水拌制的水泥漿體屈服應力大于普通水拌制的水泥漿體，10、20、30 ℃時用磁化水拌制的水泥漿體塑性黏度大于普通水拌制的水泥漿體，40、50 ℃時結果相反，30 ℃時塑性黏度增大最多，增大21.63%。水泥漿體觸變性變化規(guī)律與塑性黏度保持一致。

(5)磁化處理促進了水泥漿體的初期水化速率和水化效率。拌制階段快速的水化放熱將有利于消除澆筑養(yǎng)護階段裂縫的產生。明確了不同溫度磁化水拌制的水泥漿體的流變特性，為不同溫度地區(qū)的磁化水水泥基材料的應用提供理論依據。