磁化水混凝土技术的研究及应用
2007-04-20 00:00
随着混凝土外加剂技术和搀合科技术水平的不断提高，混凝土预拌技术得以迅速推广，不论是预拌混凝土生产数量，还是混凝土质量都获得了很大提高。以北京地区为例，截止2004年底，注册的预拌混凝土厂（站）共约200多家，实际年生产量已突破3700万立方米；同时，C40以上强度等级的可泵送混凝土，已经在建筑工程中大量推广应用。可以说，过去十几年，是预拌混凝土企业发展较快和相对比较容易的时期。分析过去混凝土生产企业的经营发展环境，当时的条件是，原材资源充分，市场丰盈，产品的技术质量要求起点低。
但是现在，混凝土企业所处的环境与以前截然不同。产品价格连续走低，经营成本持续上扬，产品质量要求不断提高，同行业竞争异常激烈。任何一个预拌混凝土企业都面对来自成本、产品质量和市场份额的压力。在这样的条件下，企业如何生存并求得进一步发展？
为此，北京城建亚东混凝土有限责任公司以技术创新为突破口，不断加大对技术创新的投入，要求技术创新必须坚持以降低材料消耗和提高混凝土产品性能作为出发点和最终目标，以寻求和创建新的效益增长点。近几年，城建亚东公司在开发和推广磨细矿粉、聚羧酸外加剂等新技术的同时，对磁化水混凝土技术展开研究，并于2004年7月8日，从德国引进专用水磁化处理设备，安装在城建亚东公司原有的混凝土生产系统中，实现全部用磁化水拌制混凝土。
经过一年的实际生产应用，城建亚东公司改用磁化水生产工艺后，混凝土的产品性能有了进一步提高，同时土的水泥和外加剂用量显著降低，取得了很好的技术经济效果，有关情况总结如下：
1 为什么要开发磁化水混凝土技术
从我国混凝土材料技术的发展进程看，可以划分三个阶段：上世纪80年代以前，混凝土质量的关注点主要是抗压强度，采取的主要技术途径，是提高水泥质量和保证水泥用量：上实际90年代以来，混凝土质量关注点主要是流动性和进一步提高混凝土强度，采取的主要技术途径是高效减水剂技术和掺和料技术；21世纪以后，进入了高性能混凝土和环保型混凝土时代。现在乃至今后的建筑工程，尤其是重点工程中，超长、超厚、超薄等各种异型、大型混凝土结构越来越多，混凝土不仅要求高工作性、高强度，还要具有高耐久性和好的外观质量。
通过掺合料技术和新型高性能外加剂技术，可以进一步提高混凝土的性能。但是单靠外加剂和掺合料技术的改进使混凝土性能提高存在一定限度，而且提高外加剂品质（例如聚羧酸系列外加剂）和不断增加外加剂用量，会导致混凝土生产成本增加。众所周知，混凝土的组成主要包括水泥、水、砂、石和外加剂、掺合料等，每种组分对混凝土质量都有重要影响。为了进一步提高混凝土质量，配置高性能和环保型混凝土，现在是关注砂石和水这两种材料、深化开发其对混凝土贡献的时候了。提高混凝土砂石质量，例如优化级配，改进粒形，减少含泥量等，可以提高混凝土质量，但是目前要受到砂石资源紧张和成本制约，而磁化水技术投资小，工艺简单。因此，从改进水的品种质量入手，开发利用磁化水技术，是配置高性能混凝土，降低混凝土生产成本的一条新的途径。
2 磁化水混凝土原理及国内外研究应用情况
所谓磁化水混凝土，就是用磁化、水代替普通水拌制的混凝土。普通水以一定的流速，通过由专用电磁设备产生的磁场，电磁场中的磁力使水的部分物理、化学性质发生变化，水分子活性增强，促进了混凝土中水泥和中的物化反应速度，有利于提高水泥混凝土拌合物、易性和硬化后混凝土的早期强度，从而达到提高混凝土质量和降低水泥、外加剂用量的目的。
磁化水技术作为一种有效的水处理技术，在医疗、农业、环保等行业得到了较广泛应用。自上世纪60年代，原苏联最早开始磁化水混凝土技术的研究。到上世纪70年代，磁化水大量应用与混凝土生产工艺中，并且出现了不少有关用于混凝土生产的磁化设备专利。最近几年，随着磁化设备性能的改进，磁化水混凝土在西方发达国家得到了大量应用。像德国、西班牙等国家的许多预拌混凝土厂，都使用磁化水拌制高性能混凝土，外加剂节约用量可达20%。
自上世纪80年代，国内开始引进磁化水混凝土技术，当时取得了一定的试验研究成果，也研制了一些用于磁化水处理的专用设备。但因为种种原因，磁化水混凝土一直没有成功的投入实际生产。到目前为止，磁化水混凝土的实际应用在我国尚属空白。因此，加快国内磁化水混凝土技术的研究开发和推广应用，对于促进预拌和预制混凝土产业的发展具有重要战略意义。
3 磁化水混凝土生产工艺
如前所述，磁化水混凝土就是用磁化水代替普通水拌制混凝土。除了在配水系统增加一套磁化设备外，其他与普通混凝土生产工艺完全相同。但为了保证磁化水活性，需要满足两个基本条件：
（1）磁力强度必须达到要求。因此，必须选择和安装符合要求的磁化设备：
（2）水流经磁场必须保持一定的时间。因此，须根据混凝土实际生产用水量设计磁场通道的长度或磁化器的配置数量。如果生产用水量多，应增加磁化器的通道长度或数量。
试验结果表明，磁化水的活性在一定期间内（一般7天）能基本保持稳定，但随着时间延长，磁化水的活性逐渐丧失，所以，如果水磁化后长期不用，使用前应重新进行磁化。
城建亚东公司经大量调研，优选当前国外最先进的水磁化处理设备，即德国 Condis公司生产的 CST300B 环保型优化水处理系统。
Condis磁化水处理设备，在混凝土行业实现了降低消耗和提高产品质量的目标，因此近几年，在欧洲一些国家混凝土厂获得了大量推广应用。Condis磁化水处理设备包括一个外设的电子控制器和至少一个共振器。由共振器产生高频脉冲电磁能量，普通水通过共振器后得到磁化。可以根据混凝土厂的实际生产能力，配备多个共振器同时工作，而且只需一台控制器即可满足要求。
Condis磁化水处理设备具有以下优点：
（1）Condis的共振磁化器和电子控制器尺寸小，占地面积小，不需要很大安装空间，因此布置和安装非常方便。磁化器采用普通电源，每个共振器功率在25W-100W之间，功率消耗小。
（2）Condis磁化器经过集成处理，不易损坏，对使用工况环境要求不高，可用于高温高湿环境条件，在调试运行之后无须专门维修保养。
（3）Condis设备本身及其所产生的磁场符合国家有关安全和环保要求，不会对周围环境和人身造成危害。
城建亚东公司根据两台2.5立方搅拌机组日产4800方的生产能力所需水量，订购并安装了15个Condis共振器，保证混凝土搅拌机满负荷生产时磁化水量能满足要求，根据水箱原有结构和布置特点，15个共振器分两组并排安装在蓄水箱的上部，其中5个共振器串联组成一组直接与蓄水箱的进水口连接，使水进蓄水箱前首先进行第一道磁化；另一组10个共振器串联后与水箱内的循环水泵连接，使水进行第二道磁化，并由此保证生产方量小时，水的磁化效果不受影响。
磁化系统的安装用了两天时间，安装调试过程非常顺利。城建亚东公司安装磁化设备后，经过大量的试配试验，于2004年8月15日正式生产磁化水混凝土。
到目前为止，经历了常温和冬季施工，设备一直正常运转，磁化系统没有发生任何设备事故和维修费用问题。冬施期内，蓄水箱采用蒸汽加热，蓄水箱周围的高温高湿环境没有对磁化设施造成任何损害。
4 磁化水混凝土产品性能
为了验证磁化水混凝土的技术效果，城建亚东公司试验室利用现有的普通混凝土生产所用的原材料和配合比，进行了普通混凝土和磁化水混凝土对比试验，分析磁化水对混凝土各项性能的影响，并研究了磁化水对不同外加剂效果的适应性。主要试验结论如下：
（1）使用磁化水拌制混凝土，在原材料和配合比相同条件下，3天、7天和28天龄期混凝土抗压强度约提高了5-15%。
（2）磁化水混凝土和易性改善，较好解决了萘系高效外加剂配置大流动性混凝土时，混凝土拌合物容易出现泌浆、板结的质量问题。
（3）磁化水混凝土密实度增强，混凝土产品的毛细通道和碳化现象显著减少，抗渗和抗冻性能提高。
（4）磁化水混凝土收缩变形性能与普通水拌制的混凝土差别不大。
（5）水泥品种变化对磁化水混凝土性能影响不大；外加剂品种变化对磁化水混凝土的效果有一定影响。同样条件下，使用普通减水剂时，用磁化水拌制混凝土对混凝土的改性作用不大；相比，使用高效减水剂（最好是聚羧酸系）时，用磁化水拌制混凝土则对混凝土性能有比较显著的改性作用。
从2003年第三季度，城建亚东公司先后完成向首都机场、国家大剧院、北京地铁和国家体育场等重点工程的混凝土供应任务。据统计，改用磁化水混凝土生产工艺后，因坍落度不合适返回的车次大大减少，混凝土均质性显著提高，试件强度离散程度明显降低。例如，北京地铁5#线高架桥工程，甲方要求高架桥的墩柱和箱梁拆模后外观具有清水效果。在安装磁化水系统前，因为施工和水泥品种等多方面的原因，混凝土墩柱拆模后，经常出现色差、气泡和水纹等质量通病，外观质量不能很好的满足甲方要求。自8月份城建亚东公司改用磁化水拌制混凝土后，色差和水纹现象即得到了很好解决，混凝土外观质量较好的达到了甲方对外观的质量要求，得到工程甲方和施工单位的好评。
5 磁化水混凝土生产经济分析
自2004年8月15日，城建亚东公司全部正式改用磁化水生产预拌混凝土，到目前为止，生产C10到C60各种等级的混凝土，共约16万立方米。一方面，如前所述，混凝土产品质量普遍提高；另一方面，在保证混凝土强度质量不降低条件下，混凝土材料成本得到显著降低。根据城建亚东公司的试验对比情况，磁化水混凝土的水泥用量比普通水拌制混凝土节约3%，减水剂用量则减少了5-15%。以普通C30混凝土为例进行计算，平均每方混凝土节约原材成本约4.5元。而且，随着混凝土强度等级提高，节省的外加剂（尤其是高效外加剂）用量也随之增加。因此，用磁化水配置C40以上强度等级的混凝土，例如C60混凝土高强度高性能混凝土，成本节约更加明显。城建亚东公司对采用磁化水混凝土技术后，混凝土生产的直接材料成本进行了初步统计，到目前为止，共完成磁化水混凝土生产约16万方，与前期完成同样方量的混凝土生产任务，实际原材料消耗减少约150万元。而且，这还不包括因为磁化水混凝土施工性能、产品质量稳定性提高、结构外观质量改善、返回车损失降低、以及生产效率和顾客满意率提高等所带来的巨大间接效益和综合效益。
总之，根据城建亚东公司已有的研究成果和实际应用经验，磁化水混凝土作为一项新技术，能够进一步提高混凝土的性能质量，用于配置各种性能混凝土；同时，可以实现节约材料和显著降低混凝土生产成本的目的。因此，我门认为，进一步深化磁化水混凝土技术的研究和推广应用，对节约资源、促进环保、提高质量、降低成本、实现混凝土企业可持续发展具有重要意义
（中国混凝土与水泥制品网 转载请注明出处）
但是现在，混凝土企业所处的环境与以前截然不同。产品价格连续走低，经营成本持续上扬，产品质量要求不断提高，同行业竞争异常激烈。任何一个预拌混凝土企业都面对来自成本、产品质量和市场份额的压力。在这样的条件下，企业如何生存并求得进一步发展？
为此，北京城建亚东混凝土有限责任公司以技术创新为突破口，不断加大对技术创新的投入，要求技术创新必须坚持以降低材料消耗和提高混凝土产品性能作为出发点和最终目标，以寻求和创建新的效益增长点。近几年，城建亚东公司在开发和推广磨细矿粉、聚羧酸外加剂等新技术的同时，对磁化水混凝土技术展开研究，并于2004年7月8日，从德国引进专用水磁化处理设备，安装在城建亚东公司原有的混凝土生产系统中，实现全部用磁化水拌制混凝土。
经过一年的实际生产应用，城建亚东公司改用磁化水生产工艺后，混凝土的产品性能有了进一步提高，同时土的水泥和外加剂用量显著降低，取得了很好的技术经济效果，有关情况总结如下：
1 为什么要开发磁化水混凝土技术
从我国混凝土材料技术的发展进程看，可以划分三个阶段：上世纪80年代以前，混凝土质量的关注点主要是抗压强度，采取的主要技术途径，是提高水泥质量和保证水泥用量：上实际90年代以来，混凝土质量关注点主要是流动性和进一步提高混凝土强度，采取的主要技术途径是高效减水剂技术和掺和料技术；21世纪以后，进入了高性能混凝土和环保型混凝土时代。现在乃至今后的建筑工程，尤其是重点工程中，超长、超厚、超薄等各种异型、大型混凝土结构越来越多，混凝土不仅要求高工作性、高强度，还要具有高耐久性和好的外观质量。
通过掺合料技术和新型高性能外加剂技术，可以进一步提高混凝土的性能。但是单靠外加剂和掺合料技术的改进使混凝土性能提高存在一定限度，而且提高外加剂品质（例如聚羧酸系列外加剂）和不断增加外加剂用量，会导致混凝土生产成本增加。众所周知，混凝土的组成主要包括水泥、水、砂、石和外加剂、掺合料等，每种组分对混凝土质量都有重要影响。为了进一步提高混凝土质量，配置高性能和环保型混凝土，现在是关注砂石和水这两种材料、深化开发其对混凝土贡献的时候了。提高混凝土砂石质量，例如优化级配，改进粒形，减少含泥量等，可以提高混凝土质量，但是目前要受到砂石资源紧张和成本制约，而磁化水技术投资小，工艺简单。因此，从改进水的品种质量入手，开发利用磁化水技术，是配置高性能混凝土，降低混凝土生产成本的一条新的途径。
2 磁化水混凝土原理及国内外研究应用情况
所谓磁化水混凝土，就是用磁化、水代替普通水拌制的混凝土。普通水以一定的流速，通过由专用电磁设备产生的磁场，电磁场中的磁力使水的部分物理、化学性质发生变化，水分子活性增强，促进了混凝土中水泥和中的物化反应速度，有利于提高水泥混凝土拌合物、易性和硬化后混凝土的早期强度，从而达到提高混凝土质量和降低水泥、外加剂用量的目的。
磁化水技术作为一种有效的水处理技术，在医疗、农业、环保等行业得到了较广泛应用。自上世纪60年代，原苏联最早开始磁化水混凝土技术的研究。到上世纪70年代，磁化水大量应用与混凝土生产工艺中，并且出现了不少有关用于混凝土生产的磁化设备专利。最近几年，随着磁化设备性能的改进，磁化水混凝土在西方发达国家得到了大量应用。像德国、西班牙等国家的许多预拌混凝土厂，都使用磁化水拌制高性能混凝土，外加剂节约用量可达20%。
自上世纪80年代，国内开始引进磁化水混凝土技术，当时取得了一定的试验研究成果，也研制了一些用于磁化水处理的专用设备。但因为种种原因，磁化水混凝土一直没有成功的投入实际生产。到目前为止，磁化水混凝土的实际应用在我国尚属空白。因此，加快国内磁化水混凝土技术的研究开发和推广应用，对于促进预拌和预制混凝土产业的发展具有重要战略意义。
3 磁化水混凝土生产工艺
如前所述，磁化水混凝土就是用磁化水代替普通水拌制混凝土。除了在配水系统增加一套磁化设备外，其他与普通混凝土生产工艺完全相同。但为了保证磁化水活性，需要满足两个基本条件：
（1）磁力强度必须达到要求。因此，必须选择和安装符合要求的磁化设备：
（2）水流经磁场必须保持一定的时间。因此，须根据混凝土实际生产用水量设计磁场通道的长度或磁化器的配置数量。如果生产用水量多，应增加磁化器的通道长度或数量。
试验结果表明，磁化水的活性在一定期间内（一般7天）能基本保持稳定，但随着时间延长，磁化水的活性逐渐丧失，所以，如果水磁化后长期不用，使用前应重新进行磁化。
城建亚东公司经大量调研，优选当前国外最先进的水磁化处理设备，即德国 Condis公司生产的 CST300B 环保型优化水处理系统。
Condis磁化水处理设备，在混凝土行业实现了降低消耗和提高产品质量的目标，因此近几年，在欧洲一些国家混凝土厂获得了大量推广应用。Condis磁化水处理设备包括一个外设的电子控制器和至少一个共振器。由共振器产生高频脉冲电磁能量，普通水通过共振器后得到磁化。可以根据混凝土厂的实际生产能力，配备多个共振器同时工作，而且只需一台控制器即可满足要求。
Condis磁化水处理设备具有以下优点：
（1）Condis的共振磁化器和电子控制器尺寸小，占地面积小，不需要很大安装空间，因此布置和安装非常方便。磁化器采用普通电源，每个共振器功率在25W-100W之间，功率消耗小。
（2）Condis磁化器经过集成处理，不易损坏，对使用工况环境要求不高，可用于高温高湿环境条件，在调试运行之后无须专门维修保养。
（3）Condis设备本身及其所产生的磁场符合国家有关安全和环保要求，不会对周围环境和人身造成危害。
城建亚东公司根据两台2.5立方搅拌机组日产4800方的生产能力所需水量，订购并安装了15个Condis共振器，保证混凝土搅拌机满负荷生产时磁化水量能满足要求，根据水箱原有结构和布置特点，15个共振器分两组并排安装在蓄水箱的上部，其中5个共振器串联组成一组直接与蓄水箱的进水口连接，使水进蓄水箱前首先进行第一道磁化；另一组10个共振器串联后与水箱内的循环水泵连接，使水进行第二道磁化，并由此保证生产方量小时，水的磁化效果不受影响。
磁化系统的安装用了两天时间，安装调试过程非常顺利。城建亚东公司安装磁化设备后，经过大量的试配试验，于2004年8月15日正式生产磁化水混凝土。
到目前为止，经历了常温和冬季施工，设备一直正常运转，磁化系统没有发生任何设备事故和维修费用问题。冬施期内，蓄水箱采用蒸汽加热，蓄水箱周围的高温高湿环境没有对磁化设施造成任何损害。
4 磁化水混凝土产品性能
为了验证磁化水混凝土的技术效果，城建亚东公司试验室利用现有的普通混凝土生产所用的原材料和配合比，进行了普通混凝土和磁化水混凝土对比试验，分析磁化水对混凝土各项性能的影响，并研究了磁化水对不同外加剂效果的适应性。主要试验结论如下：
（1）使用磁化水拌制混凝土，在原材料和配合比相同条件下，3天、7天和28天龄期混凝土抗压强度约提高了5-15%。
（2）磁化水混凝土和易性改善，较好解决了萘系高效外加剂配置大流动性混凝土时，混凝土拌合物容易出现泌浆、板结的质量问题。
（3）磁化水混凝土密实度增强，混凝土产品的毛细通道和碳化现象显著减少，抗渗和抗冻性能提高。
（4）磁化水混凝土收缩变形性能与普通水拌制的混凝土差别不大。
（5）水泥品种变化对磁化水混凝土性能影响不大；外加剂品种变化对磁化水混凝土的效果有一定影响。同样条件下，使用普通减水剂时，用磁化水拌制混凝土对混凝土的改性作用不大；相比，使用高效减水剂（最好是聚羧酸系）时，用磁化水拌制混凝土则对混凝土性能有比较显著的改性作用。
从2003年第三季度，城建亚东公司先后完成向首都机场、国家大剧院、北京地铁和国家体育场等重点工程的混凝土供应任务。据统计，改用磁化水混凝土生产工艺后，因坍落度不合适返回的车次大大减少，混凝土均质性显著提高，试件强度离散程度明显降低。例如，北京地铁5#线高架桥工程，甲方要求高架桥的墩柱和箱梁拆模后外观具有清水效果。在安装磁化水系统前，因为施工和水泥品种等多方面的原因，混凝土墩柱拆模后，经常出现色差、气泡和水纹等质量通病，外观质量不能很好的满足甲方要求。自8月份城建亚东公司改用磁化水拌制混凝土后，色差和水纹现象即得到了很好解决，混凝土外观质量较好的达到了甲方对外观的质量要求，得到工程甲方和施工单位的好评。
5 磁化水混凝土生产经济分析
自2004年8月15日，城建亚东公司全部正式改用磁化水生产预拌混凝土，到目前为止，生产C10到C60各种等级的混凝土，共约16万立方米。一方面，如前所述，混凝土产品质量普遍提高；另一方面，在保证混凝土强度质量不降低条件下，混凝土材料成本得到显著降低。根据城建亚东公司的试验对比情况，磁化水混凝土的水泥用量比普通水拌制混凝土节约3%，减水剂用量则减少了5-15%。以普通C30混凝土为例进行计算，平均每方混凝土节约原材成本约4.5元。而且，随着混凝土强度等级提高，节省的外加剂（尤其是高效外加剂）用量也随之增加。因此，用磁化水配置C40以上强度等级的混凝土，例如C60混凝土高强度高性能混凝土，成本节约更加明显。城建亚东公司对采用磁化水混凝土技术后，混凝土生产的直接材料成本进行了初步统计，到目前为止，共完成磁化水混凝土生产约16万方，与前期完成同样方量的混凝土生产任务，实际原材料消耗减少约150万元。而且，这还不包括因为磁化水混凝土施工性能、产品质量稳定性提高、结构外观质量改善、返回车损失降低、以及生产效率和顾客满意率提高等所带来的巨大间接效益和综合效益。
总之，根据城建亚东公司已有的研究成果和实际应用经验，磁化水混凝土作为一项新技术，能够进一步提高混凝土的性能质量，用于配置各种性能混凝土；同时，可以实现节约材料和显著降低混凝土生产成本的目的。因此，我门认为，进一步深化磁化水混凝土技术的研究和推广应用，对节约资源、促进环保、提高质量、降低成本、实现混凝土企业可持续发展具有重要意义
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