0 引言

　　 混凝土材料以其卓越的建筑性能在土木、水利水电等工程中被大规模使用, 在混凝土材料大规模应用的同时, 混凝土开裂仍是亟待解决的难题^[1]。混凝土一旦出现裂缝, 不仅破坏结构的完整性, 而且降低混凝土的耐久性, 影响其承载能力, 缩短结构使用寿命, 将造成巨大经济损失^[2]。当前, 在国内外试验研究中主要通过添加粉煤灰、矿物掺合料、纤维等方式来提高混凝土抗裂能力, 但在工程运用中存在成本较高、操作复杂等问题, 因此, 如何通过有效途径降低成本, 进而提高混凝土抗裂能力显得尤为重要^[3,4]。

　　 普通水以一定流速沿垂直磁力线的方向流经磁场, 即变为磁化水^[2]。变频磁化水是近几年迅速发展起来的在农业、工业、石油开采等领域得到广泛应用的一门新技术^[5]。该技术基于“变频共振”理论, 通过产生一种频率连续变化的电磁场作用于进水管上, 引起管道内的水分子产生共振, 瞬间将普通水变成高效磁化水, 相比传统的磁化设备和方式, 具有效率更高、应用范围更广、运行成本更低等优点。水被磁化后, 水分子团间氢键断裂, 水的活性提高, 与水泥水化反应更加深入, 从而影响混凝土的性能^[2,6]。目前, 用磁化水提高混凝土抗压强度、密实度、抗渗能力、抗冻融性能等均已被研究证实^[7,8,9], 但磁化水对混凝土抗裂性的影响鲜有报道, 本文旨在探索变频磁化水对混凝土抗裂性的影响, 研究变频磁化水与普通水性质的差异, 以期为提高混凝土抗裂能力提供一种低成本、操作简单的新途径。

　　 采用山东某公司生产的F型变频磁化水发生仪, 它能产生一种频率连续变化的电信号, 电信号被输出到缠绕在输水管道上的线圈上, 使管道内产生频率连续变化的电磁场, 当电磁场信号的频率与水的自然频率相同时, 产生共振, 水分子团间氢键断裂, 变成磁化水。磁化水处理示意图见图1。

　　 TST3826静态应变测试系统、BX120-3AA型应变片, 应变片电阻为120Ω, 灵敏度系数为 (2.08±1) %;DOS-307A型电导率仪, 精度为读数的±0.5%;HLD-LST-Ⅱ型液体表面张力系数测定仪, 灵敏度为30mV/g;PHS-25型pH计, 精度为±0.01pH。

　　 混凝土强度等级为C30, 水泥、砂、石子的配合比为1∶1.9∶3.4, 水灰比为0.52;水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥;细骨料采用中砂, 细度模数为2.7, 级配优;粗骨料选用5～20mm连续级配碎石;PVC水管, 直径16mm。

　　 磁感应强度和水流速度是影响水磁化效果两大因素^[2,6,9]。因试验所用的F型变频磁化水发生仪输出信号不可调, 只考虑水流速度v一个影响因素, 水流速度控制水在变频磁场中的磁化时间, 影响水的磁化效果。将预先缠绕线圈的PVC水管与自来水龙头相接, 连接磁化水发生仪, 通过阀门调节水流速度。为研究变频磁化水与普通水性质的差异, 设计了6组 (C₁～C₆) 水流速度, 通过PHS-25型pH计、DOS-307A型电导率仪、HLD-LST-Ⅱ型液体表面张力系数测定仪分别测定上述6组变频磁化水与普通水的pH值、电导率、表面张力, 进行比较分析。

　　 圆环约束试验法因其装置简单、操作容易、结果直观等优点, 在混凝土抗裂性能评价研究中被广泛应用。当混凝土环收缩变形受到圆环约束时, 在混凝土环内引起拉应力, 当拉应力大于混凝土抗拉强度时, 混凝土出现开裂。圆环约束试验装置示意图见图2, 在圆环内表面距其底面高50mm的圆周四等分点处各粘贴1片应变片, 采用TST3826静态应变测试系统, 选用定时采集方式, 即每1min采集一次, 记录圆环内侧环向应变, 直至混凝土表面出现贯通的裂缝时结束。通过对圆环内侧环向应变的实时跟踪, 可监测混凝土收缩随龄期的发展及开裂时刻^[10]。根据圆环内侧环向应变曲线, 分析评价混凝土的抗裂能力。

　　 由表1可知, 与普通水相比, 变频磁化水三项指标pH值、电导率、表面张力均发生改变。C₁～C₆组pH值较普通水均增大, 水流速度不同, pH值增大幅度不同;电导率较普通水均出现增大现象, 最大增幅为11.1%;表面张力较普通水均有不同程度的下降, C₃表面张力值最小。可见, 水流经变频磁场时, 在频率连续变化电磁场的作用下产生共振, 水中氢键数量减少, 引起pH值、电导率和表面张力等指标改变, 导致其物理性质发生变化^[11,12]。

　　 由图3可知, 变频磁化水的pH值、电导率、表面张力随水流速度变化呈非线性变化。经数据分析表明, 水流速度在区间20～50mL/s, 80～110mL/s内pH值呈增大状态, 水流速度为50mL/s时pH值达到最大;水流速度在区间50～80mL/s, 110～170mL/s内pH值呈减小状态。水流速度在区间20～110mL/s内电导率呈增大状态, 水流速度为110mL/s时电导率达到最大;水流速度在区间110～170mL/s内电导率呈减小状态。水流速度在区间20～80mL/s, 140～170mL/s内表面张力呈减小状态, 水流速度为80mL/s时表面张力达到最小;水流速度在区间80～140mL/s内水流速度呈增大状态。可见, pH值、电导率、表面张力随水流速度增大分别呈现先增后减再增再减、先增后减、先减后增再减的现象, 总体上, 随水流速度变化呈不规则波动, 具有多极值关系。

　　 根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》 (GB/T 50081—2002) 要求, 每组制作3个立方体试件, 试件尺寸为100mm×100mm×100mm, 标准条件下养护28d后进行抗压试验, 采用SYE-2000型压力试验机, 抗压试验加载速度0.5MPa/s。表2为抗压强度的试验结果。

　　 由表2可知, 变频磁化水混凝土抗压强度均比普通水混凝土高, 抗压强度增幅为4.33%～18.89%, 变频磁化水对提高混凝土抗压强度有明显作用。不同的水流速度对应的变频磁化水混凝土抗压强度存在差异, 其中M₂组抗压强度的提高最为显著, 达到18.89%。可见, 当水流速度v为80mL/s时, 变频磁化水对混凝土抗压强度的改善最明显。

　　 经对试验结果分析发现, 所有圆环内侧环向应变随时间发展的趋势大致相同, 以M₂组为例分析。从图4可以发现, 圆环内侧环向应变随时间的发展规律可以分为Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ共4个阶段:1) Ⅰ阶段为混凝土自生收缩快速发展阶段。混凝土拆除外模后0～4d, 试件处于养护初期, 此时混凝土内部仅有部分固相相互搭接形成骨架, 混凝土自身刚度较低, 水泥水化速率较快, 因此化学减缩很大程度上表现为自生收缩, 此阶段自生收缩呈快速增长特征^[13]。混凝土收缩导致圆环受压, 其内侧环向应变快速增长。2) Ⅱ阶段为混凝土收缩缓慢发展阶段。混凝土拆除外模后5～13d, 随着水化程度的提高, 混凝土自身刚度变大, 限制了化学减缩在混凝土收缩中的表现, 化学减缩仅有小部分表现为自生收缩, 此阶段混凝土收缩缓慢增长, 导致混凝土对圆环的压力缓慢增长, 故圆环内侧环向应变增长相对Ⅰ阶段较为缓慢。3) Ⅲ阶段为混凝土干燥收缩阶段。混凝土拆除外模后14～17d, 由于混凝土内部相对湿度大于环境湿度, 混凝土内部水分向周围环境扩散, 内部相对湿度降低导致毛细孔负压的形成, 产生毛细张力, 进而导致混凝土收缩进一步快速发展, 因此圆环内侧环向应变迅速增长。4) Ⅳ阶段为混凝土开裂阶段。混凝土拆除外模后18～20d, 由于圆环对混凝土收缩产生约束, 致使混凝土内部产生拉应力, 当拉应力大于混凝土的抗拉强度时, 其内部出现微裂缝, 圆环内侧环向应变降低, 微裂缝进一步发展出现贯通裂缝时, 圆环内侧环向应变突然跳跃。可见, 由圆环内侧环向应变曲线可以确定混凝土的开裂时刻。

　　 图5为4组混凝土圆环内侧环向应变曲线, 由图5可见, W₁组普通水混凝土开裂时间为14.69d, 主裂缝出现时间为14.99d;M₁组变频磁化水混凝土开裂时间为17.27d, 主裂缝出现时间为17.46d;M₂组变频磁化水混凝土开裂时间为18.88d, 主裂缝出现时间为19.15d;M₃组变频磁化水混凝土开裂时间为15.86d, 主裂缝出现时间为16.12d。变频磁化水混凝土开裂时间、主裂缝出现时间均晚于普通水混凝土, 因此, 变频磁化水能提高混凝土抗裂能力, 当水流速度为80mL/s时, 混凝土抗裂能力的提高幅度最大, 相比普通水混凝土, 变频磁化水混凝土晚4.19d开裂。另外, 水流速度v对混凝土抗裂性有影响, 从开裂时间可以看出, 变频磁化水混凝土抗裂能力大小为M₂>M₁>M₃, 即混凝土抗裂性在水流速度v为80mL/s时最大, 水流速度v为50mL/s时次之, 水流速度v为120mL/s最小。当水流速度为120mL/s时, 混凝土抗裂能力相对普通水混凝土提升幅度很小。可见, 磁化过程中水流速度并不是越大越好, 存在最佳水流速度, 混凝土抗裂能力在80mL/s水流速度下提升幅度最大, 混凝土开裂时间提升幅度为28.5%, 主裂缝出现时间提升幅度为27.75%。

　　 此外, 混凝土开始出现裂缝前, 各组圆环内侧环向应变不同, W₁组为472.1με, M₁组为702.9με, M₂组为950.8με, M₃组为511.6με, 其中M₂组圆环内侧环向应变最大, W₁组圆环内侧环向应变最小。可见, 混凝土出现裂缝前其圆环内侧环向应变存在明显差异, 变频磁化水混凝土相比普通水混凝土, 其圆环内侧环向应变均有增加, M₂组增幅最大, 可达101.4%。圆环内侧环向应变不同, 说明混凝土对圆环产生的约束压力不同, 圆环内侧环向应变越大, 混凝土对圆环产生的约束压力越大。因此, 与普通水混凝土相比, 变频磁化水混凝土在较大的圆环约束力下才出现开裂现象, 说明变频磁化水混凝土在圆环约束下的抗拉强度大于普通水混凝土, 混凝土抗裂能力增加。其原因是水流经变频磁场时, 在频率变化的电磁场作用下, 水分子产生共振, 水分子间的氢键发生畸变、断裂, 水分子平均间距变大, 表面张力降低, 活性明显增大, 渗透能力增强, 与水泥水化反应更加充分, 水化产物数量增加, 水泥石孔隙率降低, 水化物间胶结能力增大, 从而使混凝土密实度加大, 抗拉强度得到提高, 混凝土开裂时相应的圆环约束力增大, 致使圆环内侧环向应变增加^[2,6]。表1中变频磁化水与普通水表面张力测试结果说明了这一点, 变频磁化水表面张力均小于普通水, 其中C₃组表面张力为71.62mN/m, 相比普通水, 降幅达3.45%, 混凝土在此条件下 (即M₂组变频磁化水混凝土) 抗拉强度提升最为明显, 其圆环内侧环向应变最大。图6为W₁组、M₂组试样在扫描电子显微镜下分别放大500倍的观测图片, 从图中可以看出, 与普通水混凝土相比, 变频磁化水混凝土表面更加平整、颗粒更均匀, 孔隙与裂缝数量较少, 内部结构更加致密, 这正是变频磁化水混凝抗裂性能提高的原因。

　　 (1) 由W₁, M₁, M₂, M₃共4组混凝土的圆环约束试验结果可知, 与普通水混凝土相比, 变频磁化水混凝土开裂时间延迟1.17～4.19d, 主裂缝出现时间延迟1.13～4.16d, 因此变频磁化水可以提高混凝土的抗裂性能。

　　 (2) 与普通水相比, 变频磁化水物理性质发生变化, 其pH值、电导率、表面张力均有改变, 且在磁化过程中随水流速度的改变呈不规则波动。

　　 (3) 变频磁化水混凝土抗压强度均高于普通水混凝土, 其中M₂组变频磁化水混凝土28d抗压强度增幅为18.89%, 其抗压强度提高幅度最明显。

　　 (4) 水流经变频磁场时, 存在最佳水流速度, 最佳水流速度下混凝土抗裂性能最优越。此次试验中, 最佳水流速度为80mL/s。

　　 (5) 在混凝土圆环约束试验的早期, 变频磁化水混凝土开裂前圆环内侧环向应变均大于普通混凝土, 原因在于变频磁化水混凝土密实度增加, 抗拉强度提高, 混凝土开裂时相应的圆环约束力增大, 致使圆环内侧环向应变增大。

　　 (6) 变频磁化水装置运行费用低, 操作简单, 不需添加任何化学物质, 不产生污染, 具有良好的应用前景。