車(chē) 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(lái)，深層煤炭及各種礦體的開(kāi)發(fā)，臨時(shí)混凝土建筑的建設(shè)，道路和軍用民用機(jī)場(chǎng)路面的修補(bǔ)等工程對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度必須滿(mǎn)足一定要求[1-2]，因此提高混凝土的早期強(qiáng)度是建設(shè)工程實(shí)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(shí)度，從而增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)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(guó)外已經(jīng)廣泛使用偏高嶺土來(lái)制備超高性能混凝土，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面已取得一定的進(jìn)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(duì)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(gè)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(qiáng)，更容易進(jìn)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(shí)間[8]。文獻(xiàn)[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(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，同時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)混凝土強(qiáng)度的有一定的影響。文獻(xiàn)[10]用磁化水代替普通水拌制混凝土來(lái)提升混凝土的力學(xué)性能，不同齡期磁化水混凝土強(qiáng)度提升幅度不同，磁化水對(duì)混凝土早期強(qiáng)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(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度和流經(jīng)磁化器的水流量?jī)蓚€(gè)變量，研究磁化水的不同磁化參數(shù)對(duì)偏高嶺土混凝土早期強(qiáng)度的影響，為該新型混凝土材料在工程實(shí)踐應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 磁化參數(shù)選擇

工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(chǎng)實(shí)踐操作和施工方便等因素，選擇磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度選擇。文獻(xiàn)[11]研究發(fā)現(xiàn)水在進(jìn)行磁化時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度控制在220～330mT之間最佳，而文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到810mT時(shí)，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(duì)偏高嶺土混凝土的作用效果，試驗(yàn)選取磁化器的磁場(chǎng)強(qiáng)度為220mT、285mT、330mT和810mT。磁化器選用北京大禹聯(lián)合環(huán)?？萍奸_(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為220mT、285mT、330mT和810mT的混凝土磁化水增強(qiáng)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(qiáng)器

2)流經(jīng)磁化器的水流量選擇。試驗(yàn)采用ZT-FE-4型號(hào)流量計(jì)，根據(jù)其工作量程范圍及普通自來(lái)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(jìn)行試驗(yàn)，儀器如圖2所示。

圖2 磁化水流量計(jì)

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

1) 試驗(yàn)原材料及配合比設(shè)計(jì)。水泥選用安徽淮南市八公山水泥廠產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；根據(jù)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JG J52-2006)選用粒徑5～20mm級(jí)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(yàn)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(xiàn)[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(dá)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(yàn)方法。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)規(guī)定，每組制作六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，試件尺寸為150mm×150mm×150mm，養(yǎng)護(hù)24h后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d后采取WAW-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 磁化水對(duì)偏高嶺土混凝土強(qiáng)度的影響

選取4種不同磁場(chǎng)強(qiáng)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(shí)制備素混凝土和偏高嶺土摻量為15%的偏高嶺土混凝土，強(qiáng)度增長(zhǎng)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(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 磁化水偏高嶺土混凝土7d強(qiáng)度試驗(yàn)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(chǎng)強(qiáng)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(lái)水?dāng)嚢杌炷粒?5%偏高嶺土摻量替代水泥時(shí)，混凝土7d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)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?，混凝土的抗壓?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均高于普通混凝土和偏高嶺土。當(dāng)磁化水磁化參數(shù)選擇磁場(chǎng)強(qiáng)度為330mT和流經(jīng)磁化器的水流量為13L/min時(shí)，磁化水偏高嶺土混凝土7d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值，其最大值分別為40.88MPa和2.64MPa，對(duì)比普通混凝土和偏高嶺土混凝土其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度分別為51.02%和38.01%，對(duì)比普通混凝土和偏高嶺土混凝土其劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度為46.67%和33.33%。

(a) 7d抗壓強(qiáng)度

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

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

總體看來(lái)，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(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律近似。220mT、285mT和330mT試驗(yàn)組其7d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨不同水流量的變化曲線(xiàn)其變化趨勢(shì)近似，與810mT試驗(yàn)組對(duì)比其強(qiáng)度變化趨勢(shì)有所區(qū)別。在水流量大于7L/min時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為810mT試驗(yàn)組7d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度低于磁場(chǎng)強(qiáng)度為285mT和330mT時(shí)試驗(yàn)組強(qiáng)度且高于磁場(chǎng)強(qiáng)度為220mT時(shí)試驗(yàn)組強(qiáng)度。其原因可能是當(dāng)水體流經(jīng)磁化器時(shí)[15]，水分子受磁化作用其氫鍵的斷裂和形成過(guò)程同時(shí)存在，磁化過(guò)程中二者出現(xiàn)的概率大小交替變化，磁化水活性的增強(qiáng)取決于氫鍵斷裂和形成的強(qiáng)弱程度以及磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)氫鍵斷裂形成的磁化程度，具有一定的隨機(jī)性，這可能是導(dǎo)致較高磁場(chǎng)下磁化水活性較低的原因，因此針對(duì)不同混凝土材料的配比及工程實(shí)踐應(yīng)選取適合的磁化水磁化參數(shù)。

2.2 磁化水增強(qiáng)偏高嶺土混凝土早期強(qiáng)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(qiáng)度的膠凝物質(zhì)數(shù)量。同時(shí)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(qiáng)度。

普通水流經(jīng)磁化器時(shí)[18-19]磁場(chǎng)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(guò)磁場(chǎng)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(tuán)或單個(gè)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(jìn)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(jìn)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(chǎng)強(qiáng)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(duì)混凝土強(qiáng)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(jìn)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(duì)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(shí)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(jìn)了水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行從而顯著提高混凝土早期抗壓強(qiáng)度和劈裂抗壓強(qiáng)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(qiáng)度。無(wú)論磁場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均得到提高。

(2)磁化水的合適磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為330mT和流經(jīng)磁化器的水流量為13L/min時(shí)，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(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高38.01%和33.33%，較普通混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高51.02%和46.67%。

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