磁化水增强偏高岭土混凝土早期强度试验与分析

车 哲，马芹永

(1.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

近年来，深层煤炭及各种矿体的开发，临时混凝土建筑的建设，道路和军用民用机场路面的修补等工程对混凝土的早期强度必须满足一定要求[1-2]，因此提高混凝土的早期强度是建设工程实践中特殊工况条件下的必然选择。

偏高岭土具有优秀的火山灰活性，混凝土中掺入偏高岭土等量替代水泥可以节约水泥，加速水泥的水化，提高混凝土的密实度，从而增强混凝土的强度和抗渗性能，提高混凝土耐久性[3]，偏高岭土的掺入能够显著改善混凝土的力学性能，是一种极具应用前景的高活性火山灰质矿物掺合料[4]，国外已经广泛使用偏高岭土来制备超高性能混凝土，在技术和经济方面已取得一定的进展[5]。

水作为混凝土组分之一，其物理性质及配入的多少对混凝土的物理特性、力学特性等有一定的影响[6-7]。普通水流经磁化器磁化后，其水分子结构的改变使得水分子表面张力和分子间的引力变小，导致更为活跃的单个游离水分子数目增加，单分子水的物理化学活性和渗透力很强，更容易进入水泥颗粒内部，加速水泥的水化反应，缩短水泥的反应时间[8]。文献[9]研究发现用磁化水拌制混凝土可显著增加混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，同时磁场强度对混凝土强度的有一定的影响。文献[10]用磁化水代替普通水拌制混凝土来提升混凝土的力学性能，不同龄期磁化水混凝土强度提升幅度不同，磁化水对混凝土早期强度的提升尤为显著。

基于磁化水能够加速混凝土中水泥的水化反应和提高混凝土早期强度，本文将磁化水技术应用于掺入偏高岭土的混凝土中，用磁化水代替普通水拌制混凝土的方式，磁化水磁化参数选择磁场强度和流经磁化器的水流量两个变量，研究磁化水的不同磁化参数对偏高岭土混凝土早期强度的影响，为该新型混凝土材料在工程实践应用提供参考依据。

1 试验设计

1.1 磁化参数选择

工程现场实践中，普通水流经磁化器后得到磁化水，制取后直接用于搅拌混凝土，因此，考虑现场实践操作和施工方便等因素，选择磁场强度和流经磁化器的水流量作为磁化水的磁化参数。

1)磁场强度选择。文献[11]研究发现水在进行磁化时，磁场强度控制在220～330mT之间最佳，而文献[12]研究发现当磁场强度达到810mT时，磁化水的磁化性能提升较为明显。为在较大范围内研究磁化水对偏高岭土混凝土的作用效果，试验选取磁化器的磁场强度为220mT、285mT、330mT和810mT。磁化器选用北京大禹联合环保科技开发有限公司生产的磁场强度为220mT、285mT、330mT和810mT的混凝土磁化水增强器。磁化器口径均为15mm，仪器如图1所示。

图1 混凝土磁化水增强器

2)流经磁化器的水流量选择。试验采用ZT-FE-4型号流量计，根据其工作量程范围及普通自来水合理流量[13]，选取4L/min、7L/min、10L/min、13L/min和16L/min五种不同流经磁化器的水流量进行试验，仪器如图2所示。

图2 磁化水流量计

1.2 试验配合比设计与试验方法

1) 试验原材料及配合比设计。水泥选用安徽淮南市八公山水泥厂产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；根据《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JG J52-2006)选用粒径5～20mm级配碎石、淮河中砂；偏高岭土选用河南焦作市煜坤矿业有限公司产的细度为1 250目、活性指数≥110的高活性偏高岭土，其主要化学成分为：SiO2，55.06%；Al2O3，42.12%；Fe2O3，0.76%。

试验中混凝土的配合比为胶凝材料(水泥+偏高岭土)∶水∶砂∶石子=1∶0.48∶1.79∶2.19；水胶比为0.48，砂率为45%。文献[14]以15%掺量的偏高岭土等量替代水泥制备混凝土时，偏高岭土混凝土力学性能达到最佳，因此，本文将偏高岭土等量替代水泥的掺量控制在15%。

2) 试验方法。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)规定，每组制作六个标准立方体试块，试件尺寸为150mm×150mm×150mm，养护24h后拆模，标准养护7d后采取WAW-2000型压力试验机对混凝土标准立方体试块分别进行抗压强度和劈裂抗拉强度试验。

2 试验结果与讨论

2.1 磁化水对偏高岭土混凝土强度的影响

选取4种不同磁场强度磁化器和5种不同水流量流经磁化器后的磁化水分别拌制偏高岭土混凝土，同时制备素混凝土和偏高岭土掺量为15%的偏高岭土混凝土，强度增长率分别以素混凝土和偏高岭土混凝土为基准，其7d抗压强度和劈裂抗拉强度试验结果如表1所示。

表1 磁化水偏高岭土混凝土7d强度试验结果

注：C代表普通混凝土；MK-15代表偏高岭土掺量为15%的偏高岭土混凝土；M与MK的组合表示磁化水偏高岭土混凝土，以M-a-1-MK-15为例：a、b、c、和d代表磁场强度为220mT、285mT、330mT和810mT；1、2、3、4和5代表磁化水流量为4L/min、7L/min、10L/min、13L/min和16L/min；15代表偏高岭土掺量为15%。

采用普通自来水搅拌混凝土，15%偏高岭土掺量替代水泥时，混凝土7d抗压强度和劈裂抗拉强度分别为29.62MPa和1.98MPa，较普通混凝土分别提高9.44%和10.03%。采用磁化水搅拌混凝土后，混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度均高于普通混凝土和偏高岭土。当磁化水磁化参数选择磁场强度为330mT和流经磁化器的水流量为13L/min时，磁化水偏高岭土混凝土7d抗压强度和劈裂抗拉强度均达到最大值，其最大值分别为40.88MPa和2.64MPa，对比普通混凝土和偏高岭土混凝土其抗压强度增长幅度分别为51.02%和38.01%，对比普通混凝土和偏高岭土混凝土其劈裂抗拉强度增长幅度为46.67%和33.33%。

(a) 7d抗压强度

(b) 7d劈裂抗拉强度图3 磁化水对偏高岭土混凝土7d强度影响关系曲线

根据表1中试验数据绘制磁化水不同磁场强度和流经磁化器的不同水流量对偏高岭土混凝土7d抗压强度和劈裂抗拉强度的影响关系曲线，如图3所示。对试验混凝土7d抗压强度和劈裂抗拉强度数据分析得，试验组在磁场强度为220mT时，采用不同流经磁化器的水流量其混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度均低于285mT和330mT试验组混凝土；磁场强度为810mT的试验组其7d抗压强度在水流量在7L/min、10L/min和16L/min时低于285mT和330mT的试验组混凝土抗压强度；磁场强度为810mT的试验组其7d劈裂抗压强度在水流量在7 ～16L/min时均低于285mT和330mT的试验组混凝土劈裂抗拉强度；285mT和330mT试验组不同水流量条件下其抗压强度和劈裂抗拉强度相近，在流经磁化器的水流量为13～16L/min时，其抗压强度和劈裂抗拉强度提升显著。

总体看来，相同水流量流经同一磁化器的磁化水搅拌的磁化水偏高岭土混凝土其7d早期抗压强度和劈裂抗拉强度变化规律近似。220mT、285mT和330mT试验组其7d抗压强度和劈裂抗拉强度随不同水流量的变化曲线其变化趋势近似，与810mT试验组对比其强度变化趋势有所区别。在水流量大于7L/min时，磁场强度为810mT试验组7d抗压强度和劈裂抗拉强度低于磁场强度为285mT和330mT时试验组强度且高于磁场强度为220mT时试验组强度。其原因可能是当水体流经磁化器时[15]，水分子受磁化作用其氢键的断裂和形成过程同时存在，磁化过程中二者出现的概率大小交替变化，磁化水活性的增强取决于氢键断裂和形成的强弱程度以及磁场强度对氢键断裂形成的磁化程度，具有一定的随机性，这可能是导致较高磁场下磁化水活性较低的原因，因此针对不同混凝土材料的配比及工程实践应选取适合的磁化水磁化参数。

2.2 磁化水增强偏高岭土混凝土早期强度的结果分析

偏高岭土[16-17]主要成分Al2O3和SiO2的含量在90%以上，相比其他掺合料，偏高岭土中Al2O3的含量较高，可发挥出较高的火山灰活性。Al2O3和SiO2能够与水泥的水化产物Ca(OH)2反应生成水化铝酸钙和水化硅酸钙等胶凝物质，偏高岭土的掺入引起的火山灰效应消耗了水泥水化生成的Ca(OH)2，增加了能够产生强度的胶凝物质数量。同时偏高岭土的微集料效应可以有效提高混凝土的致密性，能有效改善混凝土的微观结构，提高混凝土强度。

普通水流经磁化器时[18-19]磁场改变了水分子的部分结构和水中杂质形态，从而使经过磁场后的水的物理化学性质也发生了一些改变，水分子氢键被打断，变成小的小分子团或单个水分子，磁化水更容易同微小颗粒结合，使得水分子能更深地进入到水泥和偏高岭土粒子内部，与水泥和偏高岭土充分反应，提高水泥和偏高岭土的活性，加速水泥水化，促进水化铝酸钙和水化硅酸钙等胶凝物质的生成。采用不同磁场强度和不同水流量流经磁化器制取的磁化水的活性不同，对混凝土强度的提升也有所不同，根据混凝土组成成分的不同选取适合的磁化水的磁化参数。

综上可知，偏高岭土较水泥粒径低一个数量级，偏高岭土的加入在很大程度上优化了混凝土内部孔隙结构，不仅改善了水泥浆体的孔隙率，而且进一步优化了混凝土的孔径分布，使混凝土结构更加致密。偏高岭土对结构的优化主要体现在微集料效应填充孔隙和火山灰效应生成更加密实的胶凝物质两方面。而磁化水替代普通水搅拌混凝土提高了水泥和偏高岭土的活性，磁化水的水分子活性更好地发挥了偏高岭土的填充效应和提高了偏高岭土火山灰活性，促进了水泥水化反应的进行从而显著提高混凝土早期抗压强度和劈裂抗压强度。

3 结论

(1)磁化水代替普通水搅拌混凝土可提高混凝土早龄期强度。无论磁场强度或水流量选取如何，使用磁化水替代普通水搅拌偏高岭土混凝土时，其混凝土7d抗压强度和劈裂抗拉强度均得到提高。

(2)磁化水的合适磁场强度和流经磁化器的合适水流量为285～330mT和13～16L/min，当磁场磁场强度为330mT和流经磁化器的水流量为13L/min时，磁化水偏高岭土混凝土较掺量为15%的偏高岭土混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度分别提高38.01%和33.33%，较普通混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度分别提高51.02%和46.67%。

(3)磁化器选择较高磁场强度810mT作为对照组时混凝土抗压和劈裂抗拉强度在流经磁化器的水流量7～10L/min和16L/min时均低于磁场强度为285～330mT时的抗压和劈裂抗拉强度，针对混凝土材料的组分不同和工程实践应选取适合的磁化水磁化参数。