磁化水?dāng)嚢杷嗪突炷梁蟮奈锢砹W(xué)性質(zhì)

1　磁化水的理化性

1.1　磁化水的產(chǎn)生

       早在20 世紀(jì)70 年代, 國外研究機(jī)構(gòu)通過試驗的方法發(fā)現(xiàn), 水和水系統(tǒng)是最難研究的對象。它們屬于所謂的開放系統(tǒng), 不僅與外部介質(zhì)交換能量, 而且也交換物質(zhì)。同時, 水系統(tǒng)又是雜亂的系統(tǒng), 在水中, 特別是在天然水和技術(shù)水中, 總是存在著超細(xì)的固體顆粒和氣泡。這是一種微觀多相(膠質(zhì)) 系統(tǒng)。各種物理作用——磁、聲、電、熱、除氣等等, 可使水系統(tǒng)顯著活化。

       水流通過磁場力切割磁力線, 水即被磁化, 被磁化的水稱為磁化水。由此可見磁化水的生產(chǎn)十分簡便。


 

1.2　普通水和磁化水物理、化學(xué)性質(zhì)測試

       由于磁化水與普通水在視覺和感官上無任何差異, 為了探討磁化水的作用機(jī)理, 對普能水與磁化水進(jìn)行物理、化學(xué)性質(zhì)對比測試, 結(jié)果見表1。

從表1 中可以看出磁化水與普通水在上述幾個方面均有差異。

1.3　磁化機(jī)理的分析

1.3.1　通常我們把無序的、具有缺陷的、以同一方式填滿空間的高應(yīng)力氫鍵構(gòu)架看作水的初始模型(水好像是巨大的三維分子)。

       實際上單個水分子的結(jié)構(gòu)已極準(zhǔn)確地確定了。水分子是由2 個氫原子和一個氧原子以共價鍵的形式組成的, 在水分子中有10 個電子(5 對) , 一對電子(內(nèi)部的) 位于氧核附近, 其余的4 對電子(外部的) 中, 有兩對位于氧核及其每一質(zhì)子(2 個氫核) 之間, 為公用電子, 而另外兩對電子為孤對電子, 指向四面體中與質(zhì)子方向相反的頂端。正是這兩對孤對電子對分子間氫鍵的產(chǎn)生起著巨大的作用。氧的電負(fù)性較氫大, 因此OH鍵的極性很強(qiáng), 由于這種極性, 使水分子之間有一種電性吸引力而形成締合水分子。距離因素起著重要的作用: 在感應(yīng)區(qū), 電場的減小與距輻射源距離的平方成正比, 面磁場的減小則與其立方成正比。

       氫鍵取決于離子力, 并由負(fù)電性原子所形成。氫鍵的基礎(chǔ)是, 一個水分子中的氫與另一個水分子中的氧相互吸引, 也就是電子云向其他質(zhì)子的位移, 同時也就把自己的質(zhì)子推向相鄰原子的電子云。鍵的強(qiáng)度隨兩個鍵原子負(fù)電性的增加而加強(qiáng)。靜電組分和共價組分各自的貢獻(xiàn)取決于原子間的距離。水中的長氫鍵(0.28nm ) 主要具有靜電性質(zhì), 其價鍵的貢獻(xiàn)只占百分之幾。因此, 長氫鍵是較弱的鍵, 其能量為14. 2kJöm ol 或20. 9kJöm ol。氫鍵具有飽和特性——在足夠近的條件下, 每一個鍵中必定有兩個定向的分子參加。

       同相鄰的分子建立成氫鍵之后, 這個氫鍵便很容易與其他氫鍵相結(jié)合。水是一個交錯系統(tǒng), 由于其中存在有氫鍵的鏈狀構(gòu)造。對水施加的任何作用, 都會接力式地傳播到幾千個原子距離之遠(yuǎn)。

       氫鍵的存在賦予水以獨特而易變的結(jié)構(gòu)。水具有許多明顯的反常性質(zhì), 都是由于水結(jié)構(gòu)的特點以及其中氫鍵的發(fā)達(dá)性造成的。固體水(冰) 溶化時不象絕大多數(shù)物質(zhì)那樣膨脹, 而是收縮。因此, 改變水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其中雜質(zhì)的存在形態(tài), 就可以調(diào)整其物理化學(xué)性質(zhì)。

       水流過強(qiáng)磁場后, 受磁場作用, 使水分子締合體分解成單分子或較小的締合水分子, 水分子之間的電性吸引力減小, 提高了水的活性; 另外, 水分子受磁場作用其鍵角、鍵長均有變化, 鍵長加長, 鍵角增大, 水分子之間的吸引力減小, 增加了水的活性。有專家論證了磁場可能改變水分子的價角減少2°以上。這導(dǎo)致分子偶極矩的增加和分子之間相互作用的變化以及其結(jié)構(gòu)的增大。

1.3.2　水中總是含有溶解的和微觀多相的雜質(zhì)。

       即使是細(xì)心保存的極純的水, 也會由于溶解看來是不可溶的容器壁而很快得到雜質(zhì)。連蒸餾水都會被污染, 更不用說天然水了。

       水中的雜質(zhì)分為三大類: 以離子形式存在于水中的電解質(zhì)、呈分子形式的非電解質(zhì)、懸浮的固體微粒和氣泡。在現(xiàn)實的水中, 各種性質(zhì)的超細(xì)顆粒的數(shù)量是很大的。例如, 一立方厘米的自來水中含有≈ 2×105 個顆粒, 蒸餾水中含有≈ 1×104 個顆粒, 尺寸為10- 6～ 10- 5cm。所有這些顆粒和氣泡都帶有電荷。

       水中的雜質(zhì)對水的結(jié)構(gòu)從而也對其物理- 化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的和各式各樣的影響。天然水和蒸餾水除含有溶解物質(zhì)之外, 還含有大量的微小氣泡和超細(xì)的固體顆粒, 有氧化鐵和含硅、鈣的顆粒。在某些研究工作中表明, 正是這些顆粒對水系統(tǒng)的磁處理起了明顯的作用。用巨大的磁鐵礦顆粒進(jìn)行的試驗表明, 它們在磁場中確實是粘到了一起, 對水進(jìn)行磁處理時發(fā)生鐵磁性顆粒的磁化集聚, 從而使結(jié)晶過程加速。

       溶于水中的氣體, 特別是氧, 及其從溶液中的逸出, 強(qiáng)烈地和多方面地影響水系統(tǒng)的磁化。水中總是含有超細(xì)氣泡, 從水中將它們排出是極其困難的。超微觀氣泡, 它們帶有相當(dāng)數(shù)量的電荷, 而這些電荷又能與磁場相互作用。

       有的文獻(xiàn)提到, 在地球磁場中水經(jīng)過微弱的機(jī)械作用和攪拌之后, 其性質(zhì)會發(fā)生某些暫時的變化。三次蒸餾水在機(jī)械攪拌情況下, 其比電導(dǎo)率和表面張力發(fā)生了周期性的變化。(水的電導(dǎo)率決定于離子的濃度和遷移率。即使是純水也有一定的電導(dǎo)率, 水的電導(dǎo)率為3. 8LSöm , 而當(dāng)水與空氣中的二氧化碳接觸時, 其電導(dǎo)率為80LSöm。) 如果水受鋼屏蔽的保護(hù), 則這種效應(yīng)不會出現(xiàn)。也有研究發(fā)現(xiàn)在靜水和動水中導(dǎo)電率會發(fā)生反常的變化。由此可以認(rèn)為, 含有雜質(zhì)(包括氣體雜質(zhì)) 的水, 對各種物理作用具有“記憶力”。水的磁化率強(qiáng)烈地依賴于雜質(zhì)的類型和濃度。因此, 作為磁處理對象的溶液, 其磁化率的大小和特性既取決于雜質(zhì)離子和分子的性質(zhì), 又取決于它們與水及其相互之間鍵合的特性。

       磁場同水系統(tǒng)的相互作用是復(fù)雜的、多邊的、與水結(jié)構(gòu)的變化及其水合能力等有關(guān)的過程。

2　磁化水對混凝土的影響

2.1　磁化設(shè)備
       永磁設(shè)備: 永磁水系統(tǒng)磁化設(shè)備具有一定的優(yōu)點和缺點。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較簡單, 不需要導(dǎo)線, 能在有爆炸危險的地點應(yīng)用。這種設(shè)備的主要缺點是對磁場強(qiáng)度不能進(jìn)行操作調(diào)節(jié)。不過, 建造能夠調(diào)節(jié)場強(qiáng)的設(shè)備原則上是可能的。

       電磁設(shè)備: 在這種類型的設(shè)備中, 電磁體可裝在殼體里面或殼體外面(最好裝在外面)。這種設(shè)備的電磁體是一根鋼軸, 上面有六個環(huán)形溝槽, 槽中裝有用直徑為0. 37mm 的導(dǎo)線制成的線圈。使用直流電。用硒整流器整流后電壓為100V , 電流0. 5A , 磁場強(qiáng)度達(dá)20kAöm。內(nèi)殼中(連同電磁體) 充滿變壓器油。水以2m ös的速度渡過七個磁場。這種設(shè)備的生產(chǎn)率為25m3ö h。

       有人曾實驗室內(nèi)用國產(chǎn)的可調(diào)電磁感應(yīng)磁化器, 將自來水與之相連通生產(chǎn)磁化水, 用于混凝土實驗。效果同樣明顯, 但產(chǎn)量低。

2.2　磁化水混凝土

       實驗的數(shù)據(jù)證實了在混凝土生產(chǎn)中, 水磁處理后的良好作用可能有很大穩(wěn)定性。從膠體結(jié)構(gòu)的形成是有益的這一假說出發(fā), 總能得到良好的結(jié)果。

2.2.1　磁化水對混凝土強(qiáng)度與水泥用量的影響

       用磁化水調(diào)制混凝土可使其強(qiáng)度提高10～ 25% , 水泥消耗下降, 混凝土體的流動性增加。

       在試驗室中和在工業(yè)條件下(鋼筋混凝土構(gòu)件廠) 進(jìn)行了研究, 結(jié)果表明混凝土的強(qiáng)度提高了15～20% , 結(jié)果穩(wěn)定性好。有研究人員發(fā)現(xiàn), 強(qiáng)度甚至可以提高43% , 但是結(jié)果不穩(wěn)定。有人用改變磁場強(qiáng)度的方法, 使混凝土的強(qiáng)度或則提高, 或則下降。如在工業(yè)條件下用磁化水調(diào)制礦中巷道充填用混凝土構(gòu)件的試驗,并將這一方法運用于工業(yè)中?；炷恋膹?qiáng)度由3. 10 提高到3. 75M Pa (即提高20% ) , 可搬運性提高18%。這樣可以允許用減少水灰比的方法使強(qiáng)度進(jìn)一步增加。與此同時, 填充體的固化速度也加快了, 得到所需控制強(qiáng)度的時間減少了一半。這種方法每立方米的水泥填充量可以減少50kg。

       水的磁化(磁場與電場共用) 與增塑劑溶液(硫醇廢液) 的磁化同時進(jìn)行時可以得到最穩(wěn)定的結(jié)果。這種綜合活化作用可使經(jīng)過28 天硬化的混凝土填充物的強(qiáng)度提高一倍。

       由于水泥中礦物的溶解和水合而形成過飽和溶液, 這些礦物自發(fā)地彌散至膠體大小的顆粒, 形成觸變的凝聚結(jié)構(gòu), 最后還有晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)生、長大和強(qiáng)化。水的磁化對所有這些過程都要發(fā)生影響。由于磁化水活性增加, 它與水泥進(jìn)行水化、水解作用時, 能使水分子比較容易地由水泥顆粒表面進(jìn)入顆粒內(nèi)部, 加強(qiáng)了水化水解作用, 并伴有新的礦物質(zhì)產(chǎn)生, 增加了混凝土的致密性、均勻性, 從而提高了混凝土的強(qiáng)度。

       通過對磁化水混凝土的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行觀察分析, 它比普通混凝土有幾方面得到改善: 結(jié)構(gòu)致密、均勻, 孔隙少而小; 石子與砂漿結(jié)合緊密, 砂料與砂漿界面模糊; 斷面較平整、均勻。顯然這些對結(jié)構(gòu)的改善, 無疑會提高混凝土的強(qiáng)度。

       使用同種集料、相同配合比的材料, 進(jìn)行交叉對比強(qiáng)度試驗, 結(jié)果如(表2)。


 

       通過試驗得出: 磁場強(qiáng)度和水流量的變化都會對混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生影響, 當(dāng)磁場強(qiáng)度為270M T, 水流量在1500L/H 時, 混凝土強(qiáng)度最高, 較普通水拌制的混凝土強(qiáng)度提高24. 91%。
對磁化水對水泥用量的影響研究, 下表3 列出了工業(yè)應(yīng)用結(jié)果。

 
混凝土用水泥量實驗, 做C25 和C30 兩種強(qiáng)度等級各4 組。普通水混凝土配合比是:
C25 水泥: 砂: 碎石: 水= 1: 2. 02: 3. 67: 0. 55;
C30 水泥: 砂: 碎石: 水= 1: 1. 49: 3. 49: 0. 48。
磁化水混凝土配合比中, 水泥分別減少5%、7%、9%、11% , 砂、石、水用量相應(yīng)調(diào)整。磁化水的磁場強(qiáng)度270M T、水流量1500LöH。水泥用量各4 組對比實驗結(jié)果如圖示(圖1)。

可以看出, 當(dāng)采用磁化水拌制混凝土節(jié)約水泥5%～ 9% 時混凝土與普通混凝土相比較其抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高, 但當(dāng)節(jié)約水泥11% 以上時其強(qiáng)度開始下降。

       多方面的實踐所得結(jié)果是: 混凝土的強(qiáng)度顯著提高了(提高14～ 17% ) , 水泥的消耗降低了9～ 12% , 混凝土混合物的塑性提高了, 固化速度加快了。

       應(yīng)當(dāng)指出, 被磁化的可以是脫氣的水。拌和用水在磁化前進(jìn)行真空處理, 以除去二氧化碳, 提高溶液被碳酸鹽飽和的程度, 改善細(xì)晶發(fā)生的條件。自來水的除氣可在真空箱中在7kPa 左右的壓力下進(jìn)行。磁場強(qiáng)度約為80kAöm 。有試驗結(jié)果表明, 普通水磁化后的極限剪切應(yīng)力和壓碎強(qiáng)度均有提高: 未經(jīng)脫氣時提高了27% , 脫氣時提高了60%。只用提高溫度或真空處理來使水脫氣, 得不到這種效應(yīng)。

       國內(nèi)有貴州工學(xué)院的劉先生在1982 年文章中說: 最佳效果是增強(qiáng)33%。最近有家生產(chǎn)的磁水器在實際工程中效果是節(jié)約水泥15% 時, 混凝土強(qiáng)度仍比對照組高30%。
 

2.2.2　磁化水對混凝土的其他性質(zhì)的影響

       在工業(yè)條件下的試驗結(jié)果表明, 磁化水混凝土的透氣率下降了。調(diào)和水的磁化使工程用混凝土的水灰比得以減少, 改善了結(jié)構(gòu)(收縮孔隙和毛細(xì)管孔隙的體積減小了) , 這樣就減小了混凝土的透水性。所有這些因素使混凝土的耐冷凍性大大提高(冷凍- 融化周期數(shù)增加了100 次)。當(dāng)有增塑劑和吸水添加物存在時, 同樣可以觀察到上述效應(yīng)。這些結(jié)果可以在生產(chǎn)條件下再現(xiàn)。

       用磁化水調(diào)配時, 混凝土的耐冷凍性都有明顯的提高。減少耗水量時得到的結(jié)果更好; 當(dāng)有增塑劑和吸水添加物存在時, 同樣可以觀察到上述效應(yīng)。這些結(jié)果可以在生產(chǎn)條件下再現(xiàn)。與混凝土增塑作用有關(guān)的一些試驗。增塑作用取決于水泥膠結(jié)劑的性質(zhì)。因為磁處理首先要對膠結(jié)劑的性質(zhì)產(chǎn)生影響, 所以混凝土的增塑程度也就必定要首先發(fā)生變化。國外七十年代進(jìn)行的試驗檢查確定, 使用磁化水會導(dǎo)致陶瓷混凝土振動粘度的降低。在流動的混合物中這一效應(yīng)未得到肯定。

3　經(jīng)濟(jì)性

       使用磁化水調(diào)制混凝土所得到的實際的和潛在的總經(jīng)濟(jì)效益, 一時還難以計算。大體上可以認(rèn)為, 使用磁處理可節(jié)省水泥10% , 提高混凝土強(qiáng)度至少15%。而且這還沒有算上其他效益: 構(gòu)件質(zhì)量的提高、使用壽命的提高、有可能使用不太緊缺的粘合劑、有利于泵送混凝土的使用和商品混凝土的推廣等。安裝設(shè)備的開支只要幾個月甚至幾個星期就能賺回。在許多情況下只要花費一個錢就能帶來幾百個錢的利潤。

       總之, 磁化水在土木工程建設(shè)中的應(yīng)用前景十分明朗。本文籍對磁化水在混凝土制作中的作用之實驗分析, 竭力鼓吹它的奇妙之處, 以期見到業(yè)界同行們的關(guān)注和信心。同時, 這種方法要想被廣泛接受, 廉價、耐用、方便的磁化設(shè)備就是工程設(shè)備廠家們的努力方向了。