磁化水对掺粉煤灰水泥浆流变性能的影响

金政浩，段懿航

(河南理工大学 a.材料科学与工程学院；b.土木工程学院，河南 焦作 454003)

0 引言

普通水以恒定的流速通过磁场，当预应力切割磁场线后，可转化为磁化水[1]。磁化水技术在多种领域被广泛应用。例如：磁化水可对工业锅炉进行除垢防垢处理，可使农作物增产增收，还可提升燃煤电厂烟气除尘效率等[2-3]。而在水泥材料领域中，表面张力小、黏度低、活性强的磁化水可优化混凝土材料早期工作性能[4-5]。丛瑗[6]和魏慧男[7]等人发现磁化水可提升混凝土早期强度和抗裂性能。Saeid Ghorbani[8]等人认为磁化水可优化混凝土的和易性，可使各组成材料之间的结合更为紧密[8]。而良好的和易性是获得质量均匀、长使用寿命混凝土材料的前提[9]。在拌制混凝土材料过程中，水与水泥发生反应，产生胶结作用包裹骨料，从而体现混凝土材料早期的和易性。当混凝土的流动性较差或填充性不足时，很可能会形成孔洞、蜂窝以及离析等严重缺陷，从而对混凝土的质量产生不利影响。若想获得高质量的混凝土结构，在浇筑时混凝土拌和物就应该具备良好的流变性能。而混凝土材料的流变性能主要由水泥浆所体现，直接影响混凝土材料的后期强度与耐久性[10]，因此可通过测试水泥浆体的流变性能来分析磁化水提升水泥材料早期工作性能的原因。

粉煤灰作为水泥材料常见的矿物掺和料，在优化混凝土和易性与流变性能方面有所成效[11]。M.K.Rahman[12]等人发现，掺入粉煤灰能显著提高自密实混凝土的絮凝率、塑性黏度和屈服应力。粉煤灰的引入还可降低混凝土早期干燥收缩，并优化材料的密实性与和易性。而抛开骨料因素，掺入的粉煤灰可填充水泥颗粒间隙，并改善浆体的颗粒级配，从而影响浆体的流变性能。马昆林[13]等人认为粉煤灰的“滚珠效应”有利于浆体颗粒间的相对滑动，在一定范围内随着粉煤灰掺量的增加，水泥浆的屈服应力和塑性黏度降低。何小兵[14]等人通过对比实验发现粉煤灰的粒径形态对水泥浆体的流变性能影响显著。因此，当向水泥浆体中掺入粉煤灰时，探究磁化水是否能更好地优化浆体流变性能也是十分有意义的。

研究磁化水对新拌掺粉煤灰水泥浆体流变性能的影响，可为磁化水对优化水泥材料早期工作性能方面提供一定依据。

1 实验

1.1 原材料

水泥：基准水泥，P.I 42.5 硅酸盐水泥。粉煤灰(Fly ash)：来自焦作市协力建材公司的二级低钙灰。将普通水(Tap water)以0.6 m/s的流速流经磁场强度为800 mT的永磁式磁化器，制备磁化水(Magnetized water)。水泥和粉煤灰的技术指标见表1，实验分组见表2。

表1 原材料的技术指标Tab.1 Technical indicators of materials

表2 实验分组Tab.2 Experimental grouping

1.2 测试方法

1.2.1 旋转式流变仪

利用奥地利Anton Paar公司MCR 302型旋转式流变仪测定新拌浆体在不同剪切速率下的剪切应力值，从而转化为屈服应力、塑性黏度等流变参数，并拟合相应的流变方程。测试中，保持胶凝材料总质量240 g不变，粉煤灰替代量分别为0%、10%、20%、30%，水灰比为0.4。

1.2.2 多通道微热测量仪

利用美国TA公司TAM Air多通道微热测量仪测试水泥净浆72 h的水化放热速率。测试中，基准水泥5 g，拌和水温为20℃，水灰比为0.4，放置于仪器通道中。

1.2.3 Zeta电位分析仪

利用Zeta电位分析仪测试新拌水泥浆体的平均Zeta电位值和pH值。测试中，保持胶凝材料总质量30 g不变，粉煤灰取代量分别为0%和20%，质量浓度为10%。

1.3 流变方程

新拌水泥浆体可近似地用Bingham模型来描述，其流变方程为式：

τ=τ0+η

(1)

式中：τ为剪切应力 (Pa) ，τ0为屈服应力(Pa)，η为塑性黏度(Pa·s)，γ为剪切速率(s-1)。

但Bingham模型并没有考虑到胶凝材料的触变性与和易性损失，且在实验过程中发现，当向体系中添加粉煤灰时，会使新拌浆体具有明显的剪切增稠现象，导致剪切应力与剪切速率之间呈非线性关系的体征，并不完全符合Bingham流体模型[15]，因此应用Dimitri Feys[16]等提出的改进Bingham模型进行拟合。改进Bingham模型流变方程为式：

τ=τ0+η+cγ2

(2)

式中：c为常数。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

表3为旋转式流变仪测得新拌水泥浆体的实验数据以及拟合的流变方程。由表3可以看出，各实验组拟合曲线符合改进Bingham模型，拟合优度R2最低值为99.77%，表明拟合程度良好，且新拌水泥浆体具有明显的剪切增稠现象，剪切应力与剪切速率之间呈非线性关系。

表3 流变拟合结果Tab.3 Rheological fitting results

图1、2为新拌水泥浆体的屈服应力和塑性黏度等流变参数。相同粉煤灰掺量下，磁化水可使新拌水泥浆体的屈服应力和塑性黏度均增大10%，且随着体系中粉煤灰掺量的增多，新拌水泥浆体的屈服应力和塑性黏度均增大。

图1 屈服应力值Fig.1 The yield stress value

图2 塑性黏度值Fig.2 The plastic viscosity value

图3为不同水化时间的浆液水化放热速率曲线，其中a、b组分别采用自来水和磁化水拌和的水泥净浆。磁化水主要影响水泥水化早期阶段，相同条件下可增大水泥水化速率，提升放热量。

图3 水化放热速率曲线Fig.3 Hydration exothermic rate curve

图4为新拌水泥浆体的Zeta电位实验数据，发现磁化水和粉煤灰均会使水泥浆体的平均Zeta电位值和pH值降低。

图4 Zeta电位值与pHFig.4 Zeta potential and pH

2.2 讨论

一方面，当自来水以恒定的流速流经永磁式磁化器时，由于强磁场的存在，会使水中的部分氢键断裂，从而分割为单一水分子或小型团簇。由于水的表面张力大小取决于水体中氢键的数量，因此将水磁化后，水的表面张力变小，自来水被磁化为小分子团水，活性得到提升。另一方面，与自来水相比，磁化水可使水泥颗粒之间接触角变小，润湿效果更加明显，可增大水化速率，加速水泥颗粒的水化进程，会产生更多的水化产物，从而使浆体的屈服应力、塑性黏度等流变参数发生变化。

图3中第一个放热峰为诱导前期。初遇水时，极短时间内水泥水解作用释放大量的热，此时采用磁化水拌和的b组放热速率大于a组。相比于a，采用磁化水拌和的b组的诱导前期放热峰较大。此外，在诱导前期，Ca2+、OH-等离子进入溶液，其浓度迅速增大。由于诱导前期的持续时间较短，水化十几分钟后进入反应非常缓慢的诱导期。这几个小时内，水泥浆体可保持塑性，Ca2+、OH-等离子浓度持续缓慢上升。图3 P区域中，相同条件下b组的水化放热速率小于a组，并根据图4中1、2组的pH数据，可认为磁化水会抑制诱导期阶段OH-浓度的增长。第二个放热峰为加速期末段，主要是由于C3S(硅酸三钙)等熟料矿物水化产生C-S-H(水化硅酸钙凝胶)和CH(氢氧化钙)并释放热量。但是，水泥中C3S等含量有限，且水化产物CH结晶，C-S-H凝胶充填孔隙，造成体系孔隙率降低，此时水化速率逐渐受扩散速率控制，则会在进入减速期前达到第二个放热峰。上述现象说明：水泥初遇水时，由于磁化水活性较强，更有利于诱导水泥颗粒水化，增大水化反应速率，释放更多的热量。而水化早期外，a、b两组水化放热速率几乎无差异。

Zeta电位可以表征胶体分散系稳定性，其绝对值越大，体系越稳定，分子或分散粒子越小，相反，其绝对值越小，越倾向于凝结或凝聚作用。根据图4的数据，磁化水可以使浆液的平均Zeta电位值降低，导致颗粒间吸引力大于排斥力，进而发生凝结或凝聚作用，从而也可印证磁化水可提升水泥早期水化放热速率。相同条件下，相比于采用水拌和，能产生较多的水化产物，从而使新拌水泥浆体的流变性能发生变化。

随着粉煤灰掺量增加，水泥浆中粉体体积增大，使水泥颗粒的单位用水量更少，水泥浆中粉体体积提升更明显。粉煤灰中细小的玻璃微珠填充浆体缝隙，粒径较大的颗粒则起骨架支撑作用，从而使浆体稳定性更好，浆体内部阻碍其流动的黏滞力逐渐变强，浆体的屈服应力逐渐增大。另外，由于水泥颗粒比表面积小于所用的粉煤灰，浆体中粉煤灰的含量增多，导致需要包裹细颗粒的浆体量增加，一定程度上可减少水泥颗粒的单位用水量，导致浆体中水泥颗粒表面厚度降低，塑性黏度增加。

综上所述，磁化水主要影响水泥水化诱导前期和诱导期阶段，进而提升新拌水泥浆体屈服应力、塑性黏度等流变参数。

3 结论

本实验主要测试水泥浆体屈服应力、塑性黏度、水化放热速率、平均Zeta电位和pH值等参数，研究了磁化水对新拌掺粉煤灰水泥浆体流变性能的影响，得出以下结论：新拌掺粉煤灰水泥浆体更符合改进Bingham模型，属于剪切增稠浆体。磁化水可使新拌水泥浆体的屈服应力和塑性黏度增大10%。磁化水会提高水泥早期水化放热速率，并使水泥浆体平均Zeta电位值和pH值降低。磁化水主要影响水泥水化诱导前期和诱导期阶段。