不同温度磁化水对水泥净浆流变性能的影响

段懿航， 朱伶俐， 赵 宇， 王有凯， 金政浩

(1.河南理工大学土木工程学院， 焦作 454003； 2.河南理工大学深井瓦斯抽采与围岩控制技术国家地方联合工程实验室， 焦作 454003； 3.河南理工大学材料科学与工程学院， 焦作 454003)

随着建筑行业的迅猛发展，混凝土的施工要求和技术指标也不断改革，在民建、公路桥梁、国家重要建设项目等诸多领域应用广泛，所以提高混凝土的工作性和硬化强度，节约水泥用量一直是科研人员关注的问题。

新拌水泥浆体是一种高浓度的悬浮系统[1]，水灰比、温度、颗粒直径及掺入量、外加剂种类及加入量等都影响着其工作性能[2-6]。然而，不同物理性能的磁化水对水泥浆体流变性能的影响尚未见报道。

研究表明，磁场可以改变水的物理性质，经过磁场磁化处理后，水分子表面张力改变，活性提高[7-11]。水经过磁化后拌制的混凝土由于水泥水化更加充分，强度高于普通水拌制的混凝土[12-13]。磁化水对混凝土抗裂性能、稳定性、抗压性、耐久性都有所提高[14-18]。在自密实混凝土中使用磁化水可使减水剂用量减少30 %以上，并且提高了混凝土的工作性和硬化强度[19]。

一些学者研究了温度对水泥浆体工作性能的影响，Petit等[20]研究表明塑性黏度随温度的变化呈现线性变化。水泥沥青膏体屈服应力随着温度的升高而升高，黏度降低[21-22]。喷射混凝土的抗压强度、混凝土与岩石的黏结强度随养护温度的提高呈增大趋势，其耐久性均有所降低[23-25]。

通过对报道的文献梳理发现，磁化水、温度对水泥净浆和混凝土的物理力学性能和流变性有着重要的影响，然而不同温度的磁化水对水泥净浆流变性的影响未见报道。因此，将针对不同温度的磁化水对水泥净浆流变性的影响开展研究，并对其影响机理进行初步探讨，以期为磁化水水泥基注浆材料在不同温度工程实践方面的应用提供理论依据。

1 实验设计

1.1 原材料及配合比

本实验水泥为山东鲁城水泥有限公司生产的P.I 42.5基准水泥；水为焦作市自来水；外加剂(J)：萘系高效减水剂；水灰比0.4；减水剂掺量0.6%。

1.2 磁化水制备

采用自主研制的MWD-1磁化水装置，如图1所示，由两个相对设置的U形槽、钕铁硼强磁铁、升降螺母、水管等组成。将自来水通过水域加热到需求温度，然后以0.6 m/s的流速通过300 mT的磁场，制备磁化水[10-11]。使用南京桑力电子厂生产的DP-AW-Ⅱ表面张力实验装置，如图2所示，利用最大泡压法测定同一温度下普通水和磁化水的表面张力，表征水的磁化程度。

图1 MWD-1磁化水装置截面示意图Fig.1 Cross-sectional schematic diagram of MWD-1 magnetized water device

图2 DP-AW-Ⅱ 表面张力测试仪Fig.2 DP-AW-Ⅱ surface tension tester

1.3 实验测试及方法

采用奥地利Anton Paar公司生产的MCR 302型旋转流变仪，如图3所示，在设定的温度条件下，测试浆体在不同剪切速率下的剪切应力值，得到流变曲线以及对应的流变参数。具体实验方案如表1所示。

图3 MCR 302型旋转流变仪Fig.3 MCR 302 rotary rheometer

测试旋转流变仪剪切速率由0增大到1 000 s-1，然后由1 000 s-1降为0过程中形成的触变环面积。使用触变环面积表征浆体触变性。

表1 实验方案

采用Colloidal Dynamics Zeta 电位分析仪对磁化水和普通水拌制的水泥浆体的Zeta电位值进行测试，使用磁化水和普通水分别拌制水泥浆体，然后稀释一定浓度，测试不同水拌制的水泥净浆的Zeta电位。

采用美国TA公司TAM Air 多通道微热测量仪测定磁化水和普通水搅拌的水泥浆体72 h水化放热过程。

2 实验结果及分析

2.1 不同温度下磁场对水表面张力的影响分析

水中存在一个具有能被磁化的结构单元，在外加磁场作用于水时就能变成一个小磁体或一个“分子电流元”,从而被磁化[8-9]。而水温不同时，水的磁化效果是不一样的，因此我们首先用表面张力仪测量不同温度下普通水与磁化水的表面张力。

图4为不同温度下普通水与磁化水表面张力对比图。可以看到：

图4 不同温度普通水与磁化水表面张力对比Fig.4 Comparison of surface tension between normal water and magnetized water at different temperatures

(1)随着温度的升高，普通水的表面张力一直在下降，而磁化水的表面张力先下降后回升。

(2)在各个温度内，磁化水的表面张力低于普通水，30 ℃时，磁化水表面张力降低最多，下降15.74%，50 ℃时，表面张力下降最少，降低1.33%。

(3)40 ℃、50 ℃两组中普通水的表面张力与磁化水的表面张力区分度没有低温时明显。从测量结果可知，磁场和温度对水的表面张力都有较大的影响。

随着温度的升高，水分子的热运动增大，水分子活性增大，分子间氢键和范德华力更容易被破坏；同一温度下，水经过磁场以后被磁化，水分子间的成键和团聚状态改变和极化增强，表面张力相对普通水减小[8]；随着温度升高到40 ℃以及50 ℃，温度对水分子的作用增强，同时温度的升高削弱了磁场对水分子的磁化作用，造成当温度升高时，磁化水的表面张力虽小于普通水，但下降幅度并不多。升高温度、水匀速经过磁场，两种方式均改变水分子之间的作用力，降低了水的表面张力。

2.2 不同温度磁化水对水泥浆体屈服应力、塑性黏度的影响分析

图5为剪切应力随剪切速率变化曲线，图6为表观黏度随剪切速变化曲线，因流变曲线条数较多，选取10、30、50 ℃ 3个温度梯度为代表。表2为不同温度下普通水与磁化水拌制的水泥净浆拟合曲线方程。图7为不同温度下水泥净浆屈服应力图，图8为不同温度下水泥净浆塑性黏度图。

图5 剪切应力随剪切速率增加的变化曲线Fig.5 Change curve of shear stress with shear rate

图6 表观黏度随剪切速率增加变化曲线Fig.6 Change curve of apparent viscosity with shear rate

图7 不同温度下水泥净浆屈服应力Fig.7 Yield stress of cement paste at different temperatures

图8 不同温度下水泥净浆塑性黏度Fig.8 Plastic viscosity of cement paste at different temperatures

表2 不同温度下普通水与磁化水处理的水泥净浆 测试及拟合结果

从图5和表2可知，随着温度的升高，普通水和磁化水所拌制的水泥净浆都符合宾汉姆模型，但R2基本为98%左右，因此，用Fey等[26]提出的改进的宾汉姆模型对数据进行了拟合，R2≥99%，因此水泥净浆的流变特性更符合改进的宾汉姆模型。随着温度的升高，实验水泥净浆都为剪切增稀浆体，表观黏度随着剪切速率的增大迅速下降。

由图7知，随着温度的升高，浆体的屈服应力逐渐增大，且磁化水处理的水泥浆体屈服应力大于普通水处理的水泥浆体；由图8知，塑性黏度逐渐降低，10、20、30 ℃磁化水处理的水泥浆体塑性黏度大于普通水处理的水泥浆体，40、50 ℃磁化水处理的水泥浆体塑性黏度小于普通水处理的水泥浆体。结合图5的流变曲线和图8可以看出，50 ℃高温组中磁化水处理的水泥浆体随剪切速率的增大，剪切增稀作用明显高于普通水处理的水泥浆体。

2.3 不同温度磁化水对水泥浆体触变性的影响分析

图9为30 ℃水泥净浆触变环实验结果，其他温度时触变环面积图类似；图10为不同温度水泥净浆触变环面积测试结果。浆体在高剪切速率下内部絮凝结构被破坏，当剪切速率下降，絮凝结构再次形成，形成速度越快，则触变环面积越大，浆体粘聚性越好。从图10可知，当其他条件恒定不变，随着温度的升高，水泥浆体触变环面积逐渐减小，10、20、30 ℃磁化水处理的实验组触变环面积大于普通水处理的对照组，40、50 ℃磁化水处理的实验组触变环面积小于普通水处理的对照组。触变环变化规律与塑性黏度变化规律具有一致性[27]。

图9 30 ℃触变环对比Fig.9 Comparison of thixotropic rings at 30 ℃

图10 不同温度下水泥净浆触变性测试结果Fig.10 Test results of thixotropy of cement paste at different temperatures

在低温和常温时，磁化水搅拌实验组增大了触变环面积，说明磁化水作用下，拌合物絮凝状态在高剪切速率下被破坏后，随着剪切速率降低，其恢复速度加快，浆体黏聚性增大，高温时，磁化水处理的实验组触变性差于普通水处理的对照组，这可能是在高温和磁场共同作用下，水分子与水泥颗粒电荷状态发生改变，导致了磁化后的削弱作用。

2.4 磁化水与普通水拌制水泥浆体的Zeta电位分析

在常温下，采用Colloidal Dynamics Zeta 电位分析仪对磁化水和普通水搅拌的水泥浆体进行测试，测量结果显示磁化水拌制的水泥浆体的Zeta电位是+3.0 mV,新拌浆体温度14.2 ℃；普通水拌合的水泥浆体的Zeta电位是+3.2 mV,新拌浆体温度13 ℃。从结果可以看出磁化水拌制的水泥浆体，Zeta电位低于普通水拌制的水泥浆体，温度大于普通水拌制的水泥浆体。

Zeta电位的大小反映了浆体分散系的稳定性，分散粒子越小，Zeta电位绝对值越高，体系越稳定。反之，Zeta电位绝对值越低，越倾向于凝结或凝聚，即吸引力超过了排斥力，分散被破坏而发生凝结或凝聚。从测量结果可以看出，磁化组的Zeta电位(+3.0 mV)低于普通组(+3.2 mV)的Zeta电位，说明水经过磁场磁化处理后，大分子团被打散成更多的水分子或小水分子团，水分子的增多使得水泥颗粒被更均匀的分散，使得初期水化更加充分。磁化组浆体温度14.3 ℃大于普通组的13 ℃证明了这一点。

2.5 磁化水与普通水拌制水泥浆体的水化放热分析

图11所示测量结果显示，相对于普通水拌制的水泥浆体，磁化水拌制的水泥浆体水化放热更加迅速，放热峰值更大。90 s时单位时间水化放热达到峰值，此时磁化水拌制的水泥浆体水化放热量较普通水拌制水泥浆体高7.14%，300 s时两者水化热曲线出现交点，此后磁化水拌制的水泥浆体水化放热曲线低于普通水拌制的水泥浆体。

图11 磁化水与普通水拌制水泥浆体水化热测试结果Fig.11 Test results of hydration heat of cement paste mixed with magnetized water and normal water

水化热的差异说明磁化水更好地与水泥颗粒进行了结合，促进了前期水泥水化。拌制阶段快速的水化放热将有利于降低浇筑养护阶段的放热量，这一差异将深刻地影响着水泥浆体的流变特性和后期硬化性能。

3 结论

(1)用磁化水拌制的水泥净浆属于宾汉姆流体。利用改进的宾汉姆模型能更准确拟合浆体流变特性。

(2)磁场改变了水的物理化学性质，磁化水表面张力低于普通水。相较于普通水，30 ℃时表面张力下降最多，降低15.74 %。

(3)随着浆体温度的升高，浆体屈服应力增大，塑性黏度减小。屈服应力和塑性黏度在10、20、30 ℃速率变化较快，40、50 ℃趋于平稳。

(4)用磁化水拌制的水泥浆体屈服应力大于普通水拌制的水泥浆体，10、20、30 ℃时用磁化水拌制的水泥浆体塑性黏度大于普通水拌制的水泥浆体，40、50 ℃时结果相反，30 ℃时塑性黏度增大最多，增大21.63%。水泥浆体触变性变化规律与塑性黏度保持一致。

(5)磁化处理促进了水泥浆体的初期水化速率和水化效率。拌制阶段快速的水化放热将有利于消除浇筑养护阶段裂缝的产生。明确了不同温度磁化水拌制的水泥浆体的流变特性，为不同温度地区的磁化水水泥基材料的应用提供理论依据。