（固体力学专业论文）磁性液体与缓凝材料的制备和力学性质实验研究.pdf

张建辉兰州大学博士学位论文 中文摘要 中文摘要 本文主要针对磁性液体和缓凝砂浆两种材料的力学性质开展了实验研究，其共 同特征为在液相介质中均匀加入一定比例的固相颗粒，来实现特殊工程用途的材料 性能。磁性液体是纳米尺度的磁性固体颗粒分散在液体介质中形成的稳定、均匀的 两相混合流体。它将液体的流动性和磁性材料的磁性统一在一种物质中，使之具备 了很多新的物理机理和特性，无论理论研究还是实际应用都有着重要的科学意义。 缓凝砂浆是由水、复合缓凝剂和分散粒子( 水泥、细砂) 组成的均匀相流体。此种 砂浆在5 4 0 c 密闭条件下，能根据工程要求调制其凝结时间。若将它包裹在预应力 钢筋上形成缓粘结预应力筋，既可简化施工工艺，缩短施工工期，又可防止锚具疲 劳和钢筋锈蚀，应用前景十分广阔。 本文首先针对获得理想磁性液体性质所需要的均匀颗粒制各、纳米颗粒尺寸分 布和流体动力学性质三个关键问题进行了研究；其次，针对在预应力混凝土用钢筋 上连续包裹缓凝砂浆这一工程应用的关键，开展了缓凝砂浆的材料流变特性，缓凝 砂浆在螺槽中的流动、变形和输送，以及缓凝砂浆具体包覆实验三方面的研究工作。 其主要创新性结果如下： 1 、采用磁性颗粒形成过程中直接分散的化学共沉淀法制备出了均匀的磁性颗粒，首 次利用多种分散剂制备了具有高分散的煤油基f e 3 0 4 磁性液体。用x 射线衍射、 透射电子显微和扫描电子显微对磁性颗粒进行了物相结构和形貌表征，静态磁场 下得到了很好的磁针现象： 2 、利用磁性液体的磁化曲线，基于b a y e s i a n 统计理论，首次在无任何分布假定的情 况下，得到了不同浓度下磁性颗粒尺寸的分布。发现颗粒分布很窄( 9 1 1 0 3 r i m ) ，且具有约9 ：7n i l 的平均直径。首次获得了不同浓度下分布的移动来自于样 品退磁场的影响。结果表明要得到颗粒尺寸的真实分布，必须考虑颗粒之间的偶 极相互作用修正； 3 、首次给出了窄分布、高分散的磁性液体的磁性颗粒体积分数、外加磁场和剪切速 率对煤油基f e 3 0 4 磁性液体的流体动力学性质的影响。发现磁性液体的浓度小于 4 0 4 ，外磁场小于等于2 0 0 0o e 时，磁性液体表现为牛顿流体，否则磁性液体 张建辉 兰州大擘博士学位论文 中丈摘要 表现为宾汉姆流体，并且在低剪切速率和强磁场作用下，磁性液体表现为粘弹性 体的行为； 4 、基于缓凝砂浆的流体动力学实验结果，首次提出r 宾汉姆体的缓凝砂浆在单螺杆 挤出机中的流动和输送理论，即：螺旋转数大于临界转数，缓凝砂浆在螺旋槽中 全部处于流动状态，经螺旋可连续输送和挤出包覆； 5 、首次实验研究了缓凝砂浆在螺槽中的流动、变形和输送，验证了缓凝砂浆可以采 用螺旋输送并较薄地包裹在预应力钢绞线上。首次成功实现了自动连续一次完成 在预应力钢绞线上包裹缓凝砂浆同时包覆塑料( 密封砂浆) ； 6 、自行研制了“径向流道直角反流式”联合包覆机头，使包裹了缓凝砂浆的钢绞线 通过其中不粘结堆积而又被再热覆一层塑料，经牵引和冷却定型，形成缓凝预应 力筋。 i i 一! ! 塞堡兰型查茎堡主茎苎丝兰 一兰垒生塑! 一 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，w ei n v e s t i g a t ee x p e r i m e n t a l l yt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft w ok i n d so f m a t e r i a l s ：f e r r o f l u i d sa n dp o s t p o n e d s e tm o r t a r ( p s m ) w h i c hc o m m o nc h a r a c t e r i s t i c sa r e w e l ld i s t r i b u t e ds o l i dp a r t i c l e si nac a r r i e rl i q u i dt om e e ts p e c i a ln e e d si ne n g i n e e r i n g f e r r o f l u i d sa r eam i c r o ，c o m p o s i t e ，a s s u m e dt ob eas t a b l ea n du n i f o r mt w o - p h a s em i x e d f l u i dw i t hn a n o s i z e dm a g n e t i cs o l i dp a r t i c l e sd i s p e r s i n gi nah o s tl i q u i d a si n t e g r a t i o no f t h ef l u i d i t yo fl i q u i da n dm a g n e t i s mo fm a g n e t i cm a t e r i a l si nas u b s t a n c e ，f e r r o f l u i d sh a v e m a n yn e wp h y s i c a lm e c h a n i s m sa n dc h a r a c t e r i s t i c s t h i sm a k e s i ti m p o r t a n ti ns c i e n t i f i c i n t e r e s te i t h e rt h e o r e t i c a ls t u d yo rp r a c t i c a lu s e p o s t p o n e d - s e tm o r t a r ( p s m ) i sa m a c r o c o m p o s i t ea n dc o n s i d e r e dt ob eah o m o g e n e o u sm u l t i p l e p h a s ef l u i dm i x e dw i t h w a t e r , c e m e n t ，s a n da n dp o s t p o n e d s e tc o m p l e x a c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t ， p s mc a nb em o d u l a t e ds o l i d i f i e dt i m eu n d e r5 - 4 0 ca i r t i g h t i fc o a t i n gal a yo fp s mo n p r e s t r e s s e dc o n c r e t es t r a n d t of o r mp o s t p o n e d s e tp r e s w 6 s s i n gt e n d o n ，i tc a nn o to n l y s i m p l i f yw o r k i n gp r o c e s s e sa n ds h o r t e nt h ep e r i o d o fw o r k i n gi ne n g i n e e r i n gb u ta l s o p r e v e n tt h ef a t i g u eo fa n c h o r e dt o o la n dr u s to fs t e e l t h e r e f o r e ，p s mh a s ab r i g h tf u t u r e i nt h ep r e s e n tp a p e r , f i r s t l y , b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so fr e a lf c r r o f l u i d w eh a v e i n v e s t i g a t e d t h et h r e ek e yp r o b l e m s ：u n i f o r mp a r t i c l e sp r e p a r a t i o n ，p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o na n dh y d r o d y n a m i cp r o p e r t i e s t h e n ，i nt h el i g h to fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n c o a t i n gp s m o np r e s t r e s s e dc o n c r e t es t r a n d ，w eh a v ec a r r i e do u tas e r i e so fs t u d i e sf o r p s m ：t h er h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，f l o wa n dd e f o r m a t i o na n dc o n v e y i n gi nas c r e w e x t r u d e ra n ds p e c i f i cc o a t i n ge x p e r i m e n t t h em a i n l yc r e a t i v er e s u l t s a r es h o w na s f o l l o w i n g ： 1 u n i f o r mm a g n e t i cp a r t i c l e sw e r ep r e p a r e db ym e a n so ft h ed i r e c t l yd i s p e r s i n g c h e m i c a lc o p r e c i p i t a t i o nt e c h n i q u ei nt h ep r o c e s so ff o r m i n gm a g n e t i cp a r t i c l e s f o r t h ef i r s tt i m e ，t h eh j i g hd i s p e r s i n gk e r o s e n eb a s e df e 3 0 4f e r r o f i u i d sw e r es y n t h e s i z e d u s i n gm u l t i p l es u r f a c t a n t s b yx - r a yd i f f r a c t o m e t e gs c a n n i n ga n d t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p e ，t h es t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g yo ft h em a g n e t i cp a r t i c l e sw e r em o n i t o r e d i l l 张建珲兰州大学博士学位论文 英文摘要 t h ep h e n o m e n o no fm a g n e t i cn e e d l ew a s g e tw e l lu n d e r s t a t i cm a g n e t i cf i e l d 2 f o rt h ef i r s tt i m e ，m a g n e t i cp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n su n d e rd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s w e r eo b t a i n e di nn oa n yd i s t r i b u t i o ns u p p o s e dc a s e ，b a s e do nt h eb a y e s i a ns t a t i s t i c a l t h e o r ya n dt h em a g n e t i z a t i o nc u r v e so ff e r r o f l u i d s i ti sf o u n dt h a tt h ep a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o ni sn a r r o w , p a r t i c l e sh a sam e a nd i a m e t e ro fa b o u t1 0n m t h es h i f to ft h e d i s t r i b u t i o nu n d e rd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n si sd e r i v e df r o mt h ee f f e c to fs a m p l e d e m a g n e t i z i n gf i e l d 。t h er e s u l t ss h o w i tm u s tb ec o n s i d e r e dt h er e v i s eo fd i p o l e d i p o l e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep a r t i c l e si no r d e rt oo b t a i nr e a lp a r t i c l es i z e 3 f o rt h ef i r s tt i m e ，t h ee f f e c t so fc o n c e n t r a t i o n s ，a p p l i e dm a g n e t i cf i e l da n ds h e a rr a t e u p o nt h eh y d r o d y n a m i cp r o p e r t i e so fk e r o s e n eb a s e df e 3 0 4f e r r o f l u i dw e r ep r e s e n t t h er e s u l t ss h o wf e r r o f i u i d sb e h a v ea sn e w t o n i a nf l u i du n d e r4 0 4 c o n c e n t r a t i o n a n d2 0 0 0o ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l d ，o rf e r r o f l u i d se x h i b i ta sb i n g h a n lf l u i d m o r e o v e r , f e r r o f l u i d sd i s p l a yv i s c o e l e s t i cp r o p e r t i e su n d e rs t r o n ga p p l i e dm a g n e t i cf i e l da n da t l o ws h e a rr a t e s 4 b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fp s mh y d r o d y n a m i c s ，i tw a sa d v a n c e df i r s tt h e f l o wa n dc o n v e y i n gt h e o r e t i c so fp s mw i t hb i n g h a mp l a s t i ci nas i n g l es c r e w - e x t r u d e r , i e ，w h e ns c r e wr e v o l u t i o n se x c e e dt h ec r i t i c a lr e v o l u t i o n s ，p s mi ns c r e wc h a n n e li s i nf u l l yf l o ws t a t e ，a n dc o n v e y e da n dc o a t e do np r e s t r e s s e ds 乜a n ds u c c e s s f u l l y 5 f o rt h ef i r s tt i m e ，f l o wa n dd e f o r m a t i o na n dc o n v e y i n go fp s mi nas c r e we x t r u d e w e r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t h er e s u l t sv e r i f yt h a tp s mc a nb ec o n v e y e db ys c r e w a n dc o a t e do up r e s t r e s s e ds t r a n d t h ea u t o m a t i ca n ds u c c e s s i v ec o a t i n gp s ma n d p l a s t i c ( s e a l i n gp s m ) o np r e s t r e s s e ds t r a n do n l yo n c ei sf i r s ta c h i e v e d 6 aj o i n tc o a t i n gd i ew i t hr a d i c a lc h a n n e lr e v e r s ef l o wc r o s sh e a dd i ew a so r i g i n a l l y c r e a t e d i tm a k e st h ep r e s t r e s s e ds t r a n do nw h i c hi sc o a t e dp s mn o tb es t u c ka n d b l o c k e do nt h es u r f a c eo fd i ew h e np a s s i n go v e rt h ed i e ，t h e nc o a t e dal a yo fh e a t e d p l a s t i ca n dc o o l e dt og e tp o s t p o n e d - s e tp r e s t r e s s i n gt e n d o n 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进 行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成 果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容 外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文 的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名日期：竺! ：! ! ：垫 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同 意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许 论文被查阅和借阅：本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学 位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 一：嶝一名：际一 张建辉兰州大学博士学位论文 第一章概述 第一章概述 l 。1 材料的复合 材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础，是人类进步的里程碑。材料 对于国民经济建设和国防建设起着重要的作甩。新材料是高新技术的基础和先导， 本身也能形成很大的高技术产业。所以信息、生物技术和新材料己成为2 l 世纪最重 要、最有发展潜力的领域。 材料的复合化是材料发展的必然趋势之一：古代就出现了原始型的复合材料， 如用草茎和泥土作建筑材料；砂石和水泥基体复合的混凝土也有很长历史。1 9 世纪 末复合材料开始进入工业化生产。2 0 世纪6 0 年代由于高技术的发展，对材料性能的 要求日益提高，单质材料很难满足性能的综合要求和高指标要求。复合材料因具有 可设计性的特点受到各发达国家的重视，因而发展很快，开发出许多性能优良的先 进复合材料( 成为航空、航天工业的首要关键材料) ，各种基础性研究也得到发展，使 复合物料与金属、陶瓷、高聚物等材料并列为重要材料。有人预言，2 l 世纪将是进 入复合材料的时代n 1 。 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的材料通过复合工艺组合而 成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不 具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新 的优越性能，与一般材料的简单混合有本质区别眈3 。 复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体：而另一相是以独立的形态 分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料 的性能显著增强口1 。 复合材料应具有以下三个特点：( 1 ) 由两种或两种以上不同性能的材料组元通过 宏观或微观方式制备形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。f 2 1 各组元 不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材 料组元所不具备的优异特殊性能。( 3 ) 具有可设计性口“ 。 张建辉兰州大学博士学位论文 第一幸概迹 1 2 磁性液体材料的研究进展 磁性液体亦称磁性流体、磁流体或铁磁流体，是一种新型的功能复合材料。它 由磁性颗粒、稳定剂( 表面活性剂) 和载液三部分组成。具有固体的磁性和液体的 流动性，在磁场作用下显示出优于其它磁性材料的优良性能，因此被广泛应用于密 封、扬声器、润滑、医药、航空航天等方面。 1 9 6 5 年，美国宇航局( n a s a ) 的s p a p e l l 巧1 用粉碎法第一次制出了一种稳定 的磁性液体，并将它应用于宇宙空间用的宇航服可动部位的密封和火箭用固体燃料 在失重情况下从燃料罐往发动机内的输送。他首先采用油酸为表面活性剂，把它包 覆在超细的四氧化三铁f e 0 4 微颗粒上( 直径约为o 0 l 微米) ，并高度弥散于煤油( 基 液) 中，从而形成一种稳定的胶体体系。在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表丽活 性剂所包裹的液体一起运动，因此，好像整个液体具有磁性，于是取名为磁性液体哺1 。 磁性液体作为一种新型的功能材料自6 0 年代中期问世以来，很多国家对其基础 研究做了大量工作，并在实际应用方面取得了令人瞩目的进展。目前应用已深入到 电子、化工、能源、冶金、仪表、环保、医疗卫生等方面，收效十分显著。 ” 磁性液体的种类很多，按磁性颗粒的种类来分，一般可分为4 类： ( 1 ) 铁氧体磁性液体：纳米级的铁氧体磁性液体( f e 3 0 4 、y f e 2 0 3 ) 通过表面 活性剂分散在载液中形成的胶体体系。铁氧体系列磁性液体的制备方法很多，概括 起来有如下几种：电化学反应法；研磨法卯：共沉积法涮；羰基化合物分解法。一 般常用的为研磨法和共沉积法。和研磨法相比，化学共沉积法具有高效、成本低及 磁性颗粒分布窄等优点。 ( 2 ) 金属磁性液体：纳米级的金属磁性颗粒( f e 、c o 、n i 或f e - n i 、f e c o - n i 等合金) 通过界面活性剂分散在载液中形成的胶体体系。自从1 9 6 6 年j t h o m a s 通 过热解c o ( c o ) 4 制取金属磁性液体以来四3 ，采用分解有机金属化合物制取磁性液体 己成为制取金属磁性液体的一个最基本的工艺。人们利用这一技术先后制取金属f e 、 n i 及合金n i f e 和f e c o 磁性液体【1 0 1 。在真空或惰性气氛下的蒸发冷凝技术作为一个 传统制备超细金属颗粒的方法，它也是制取金属或合金磁性液体的一个最基本的技 术。 ( 3 ) 氮化铁磁性液体：纳米级的氮化铁磁性颗粒( e - f e 3 n 、3 - f e 4 n 及f e 8 n ) 通 张建辉兰州大学博士学位论支 第一章概述 过界面活性剂分散在载液中形成的胶体体系。金属间化合物例如氮化铁f e x n ( x = 3 ， 4 豫性液体的制取，主要有两种方法：等离子法和气相一液相反应法。 ( 4 ) 复合磁性液体：普通磁性液体和非磁性小颗粒( o 1 1 0 m ) 复合形成的一 种新型磁性液体。 磁性液体是由基载液体和粒状的磁性固体组成的一种分散体系。基载液体即分 散介质是水、煤油和机械油等。作为分散相的固体磁性颗粒通常是铁磁性物质，如 铁、钴、镍和它们的磁性氧化物如f e 3 0 4 等。为保持固相颗粒的弥散状态，还需加入 分散剂。目前使用较多的分散剂是油酸一类的物质。 在磁性液体中，固体分散相的粒度是很小的，其颗粒直径不大于1 0 0a 。在这种 尺度下的颗粒，决定了它们的磁性是单畴的，即每个粒子只有一个磁畴大小。由于 粒子的尺寸如此之小，它们在基载液中往往具有b r o w n 运动，使得磁性液体的磁性 性能受到影响。虽然粒子本身是铁磁性物质，但整个磁性液体呈现出的磁性性能却 远低于铁磁体，通常其磁化率在2 3 之间，所以这一尺度下多数纳米磁性颗粒是一 种超顺磁材料。 通常磁性粒子数量可达到每毫升磁流体中约含固体粒子1 0 ”颗1 ，这样固体磁 性颗粒与液体基载体之间具有巨大的接触面积，进而利用磁场就可以控制磁性液体 内的磁性粒子，以达到控制整个磁性液体的目的。 铁磁性的颗粒悬浮于基载液中，保持磁性固体颗粒在磁性液体中的均匀分散性， 是磁性液体胶体稳定性的最重要的课题之一。从微观层面上看，保持颗粒分散性的 驱动力来源于颗粒的热运动，但是，在外磁场、重力场、磁性颗粒之间相互作用磁 场以及v a nd e rw a a l s 力都是力图造成颗粒集聚或沉淀、偏析的因素。磁性液体中的 磁性固体颗粒一旦丧失分散性，磁性液体的磁学性能也就不复存在，即不能通过磁 性颗粒来控制磁性液体。要保持颗粒的分散性，目前主要采取在颗粒表面包覆分散 剂等技术途径。图1 1 是一个悬浮在基载液体中的磁性颗粒的示意图睢羽，其吸附于 颗粒表面的为分散剂分子。我们知道，分散剂实际上就是些表面活性剂，在化学组 成上为大分予链。这些链状的大分子均具有一个极性的吸附头部。依靠极性头部而 吸附在固体颗粒的表面( 原子级的结合) 。大分子链的尾部，其长度大约与固体颗粒 直径具有相同的数量级。这些大分子的尾部像一端铰接的杆一样可以在空间中自由 地摆动，摆动能量来源仍然是分子的热运动。对于固体颗粒来讲，这些长链分子的 张建辉兰州走学博士学位论t 第一章概述 空间摆动就相当于弹簧缓冲器的作用c 1 3 o 当两个固体颗粒接近时，这些“弹簧”将 受到压缩而吸收能量，如同缓冲器那样，它们产生的弹簧反力将阻止两个固体颗粒 的接触。若分散剂是有效的，则它们能够长期的保持磁性液体中的磁性颗粒处于弥 散状态，即磁性液体能稳定地保持为胶体。 图1 1 磁性液体中被包覆的磁性颗粒示意图 当磁性液体处在磁场作用时，固相颗粒的磁矩就沿外磁场方向整齐排列，颗粒 中的各磁矩的矢量和不为零，显示出磁性丽被磁化，同时颗粒在磁场作用下也可以 发生运动。与此同时，由于其液体的流动性，在外磁场作用下磁性液体的粘度会发 生改变，以至于其流体动力学性质也会发生变化( 改变其流变特性) 。而当去掉外界 磁场时磁性流体( 粘度) 又回到原来的状态，这种改变的响应时间很短。在静磁场 作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变 为各向异性的介质。当光波、声波在其中传布时( 如同在各向异性的晶体中传布一 样) ，会产生光的法拉第旋转、双折射效应、二向色性以及超声波传布速度与衰减的 各向异性，此外，磁性液体在静磁场作用下，介电性质亦会呈现各向异性。这些有别 于通常液体的奇异性质，为若干新颖的磁控器件的发展奠定了基础。 稳定的磁性液体首次产生在二十世纪六十年代，此后，磁性液体很快在化学( 磁 液制备) 、物理( 相关的基本描述和特性上) 以及工程领域得到研究和开发。目前， 在工程领域已得到了许多应用，尤其磁性液体作为密封材料已在航天工程中得到应 用。这里，仅就旋转轴密封和扬声器的冷却应用做一简要介绍哺1 1 ”。 4 张建辉兰州大学博士学位论文 第一章概连 通常静态的密封常采用橡胶、塑料或金属所组成的“0 ”形环作为密封元件。旋 转条件下的动态密封一直是较难解决的问题，尽管人们设计了威尔逊密封法等，但 无法在高速、真空条件下进行动态密封。利用磁性液体可以被磁控的特性，人们利 用环状永磁体在旋转轴密封部位产生一环状的磁场分布，从而可将磁性液体约束在 磁场之中而形成磁性液体的“0 ”形环，且没有磨损，还可以承受一定的压差，做到 长寿命的动态密封，其结构原理如图l 2 左图所示c 1 3 。 图1 2 磁性液体两种重要的技术应用示意图：左图是旋转轴的密封，右图是扬声器的冷却 通常扬声器中音圈的散热是靠空气传热来实现的，而对一定的音圈只能承受一定 的功率，过大的功率会烧坏音圈。如在音圈与磁铁间隙处滴入磁性液体，由于液体 的导热系数比空气高5 6 倍，从而使得相同条件下功率可增加一倍。磁性液体的添 加对频响曲线的低频部分影响较大，根据扬声器的结构，选用合理粘滞性的磁性液 体，可使扬声器具有较佳的频响曲线。结构示意如图1 2 右图所示 1 3 o 6 0 年代初磁性液体问世以来，引起了世界各国有关人们的重视与兴趣。1 9 7 7 年 在意大利召开了第一次国际会议，之后每隔三年召开一次，每年发表有关磁性液体 的论文及专利超过2 0 0 篇，并呈快速上升趋势。美国、日本、英国、苏联等国均有 磁性液体专业工厂生产。目前，国外除研制铁氧体型磁性液体外，还积极研制金属 型的磁性液体，其中磁性颗粒为铁口e ) ，镍( n i ) ，钴( c o ) 等金属、合金及其氮化物， 其饱和磁化强度比铁氧体型约高3 倍以上。国内，从7 0 年代以来，南京大学、绵阳 西南应用磁学研究所、东北工学院、哈尔滨化工所、北京理工大学、上海金属材料 张建辉兰州大学博士学位论文 第一章概述 厂等单位相继开展了这一领域的研制工作，并有产品可提供市场。如南京大学目前 已试制成水基、烃基二酯基、聚醚基等多种类型的磁性液体。但国内还未广泛地 了解此类新型磁性材料的特性。也未开拓该材料在众多领域的应用，与国外相比， 我们的差距是相当大的哺7 3 。尽管如此，磁性液体作为一种新型功能材料，由于它 的许多理化特性和应用尚有待研究和开发，因此加强磁性液体的基础理论研究，尤 其是应用研究，以及研制廉价高性能稳定的磁性液体，例如金属及金属间化合物磁 性液体，仍是当前磁性液体的研究与开发的重点。 磁性液体是一种具有超顺磁特性的固一液相分散体系，它不仅具有固体磁性材 料的强磁性，而且又具有液体的流动性。这使得磁性液体广泛应用于密封、润滑、 浮选和喷墨打印等诸多工程领域【l4 】。磁性液体的广泛应用引起了科研工作者对其流 体动力学性质的研究兴趣。磁性液体的研究是一门涉及物理、化学、力学、流变学 等学科的边缘交叉学科。人们已经对不同载液和不同磁性颗粒组成的磁性液体在无 磁场和磁场作用下的粘度和流变性质进行了研究1 5 - 18 1 ，磁性液体中大颗粒和团聚对 磁粘效应的影响也有人进行了实验研究【l9 】。众所周知，磁性液体的磁性和流体动力 学性质很容易受到磁性颗粒的尺寸分布及其分散性的影响 2 0 1 。然而，确定颗粒尺寸 分布并获得单分散的系统是一件十分困难的事情，具有窄颗粒尺寸分布的磁性液体 在磁场作用下的流体动力学性质至今还没有进行过系统地研究。因此，理解和研究 具有均匀颗粒尺寸的磁性液体的流体动力学性质才是重要的和有意义的。 1 3 缓凝砂浆材料的研究进展 缓凝砂浆是应用于预应力混凝土中的一种新型复合材料，它由水泥、砂、水和 复合缓凝剂按一定配比搅拌而成。实验和工程实践表明，此种砂浆在5 4 0 密闭环 境中，可在2 0 4 0 天之内不凝结硬化，具有一定的塑性，而后才逐渐硬化，并最终 可达到3 0m p a 以上的抗压强度。砂浆的缓凝时间可根据工程具体要求进行选择。缓 凝砂浆包裹在预应力混凝土用钢筋( 钢丝、钢绞线或粗钢筋) 上形成缓凝预应力筋。 它同时具有无粘结筋和有粘结筋的特点，缓凝预应力筋的前期如同无粘结筋一样， 钢筋与缓凝砂浆之间没有粘结作用，在混凝土构件达到强度后由预应力筋来实现张 拉锚固，后期随着缓凝砂浆逐渐硬化，并最终形成有粘结筋，以达到预应力钢筋与 结构实现共同受力变形的目的 2 1 - 2 3j 。 6 坚堕堑兰型查兰堡主兰竺笙圭 一! = 兰垫兰 混凝土是由胶结材( 无机的、有机的或无机有机复合的) 、颗粒状集料以及必要 时加入化学外加剂和矿物掺合料组分合理组分的混合料经硬化后形成具有堆积结构 的复合材料。目前应用最广的仍然是由无机胶结材制成的混凝土。 和其他任何一种材料一样，混凝土材料的产生和发展都是由社会生产实践的需 要决定的，同时，它的发展反过来又影响和促进了社会的生产。随着土木建筑事业 的迅速发展。要求混凝土具有不同的性质，以满足各种工程结构物和构筑物不同功 能的需要。而混凝土材料的新成就，又促进了土木建筑工程的不断革新。 混凝土材料在历史上可以追溯到很古老的年代。不过最初使用的胶结材是粘土、 自膏、气硬性石灰，继后又采用火山灰、火山灰+ 气硬性石灰、水硬性石灰等。 1 8 4 2 年阿斯普丁( j a s 硼i n ) 发明波特兰水泥后，制作混凝土的胶结材才产生 了质的变化。此后，水泥与混凝土的生产技术迅速发展，随之混凝土的用量也急剧 增长，使用范围日益扩大。目前，它已成为世界上用量最多的人造材料，这主要在 于混凝土具有原料丰富、造价低廉、制作简单、造型方便、坚固耐久、维修费低、 耐火耐震等优越性。但混凝土同时又存在抗拉、抗折强度低，脆性系数大，容易裂 缝，自重大等缺点。这然缺点又在一定程度上限制了混凝土的使用范围。 1 8 5 0 年法国人朗波特( l a m b o t ) 用加钢筋网的方法制造了一条小水泥船。此后， 就用钢筋来增强混凝土，以弥补混凝土抗拉强度及抗折强度低的缺点。这种集中配 筋的钢筋与混凝土的复合，大大地促进了混凝土应用于各类工程结构上。 对混凝土配筋虽然使混凝土可用于受弯和受拉构件，但并未解决混凝土容易开 裂的问题。用张拉钢筋对混凝土预先施以压应力的方法可以保证混凝土构件在荷载 作用下既能抗拉又不致形成裂纹，特别是应用高强材料时，预应力方法最为有效。 1 9 2 8 年法国弗列什涅( e f r e y s s i n e t ) 提出了混凝土收缩和徐变理论，采用了高强钢 丝和发明了预应力锚具，为预应力技术在混凝土工程上的应用奠定了基础瞳”。 混凝土的抗压性能好，但抗拉性能很差。为使构件受拉时混凝土处于受压或低 拉应力状态，可在其内部埋入高强度钢筋，然后对钢筋施加预拉伸应力，使混凝土 承受较高的预压应力。这样就可充分同时发挥混凝土抗压强度较高和钢筋抗拉强度 较高的优势，在维持构件较高承载力的前题下，提高构件抗裂性，减小裂宽，这就 是预应力混凝土技术。 预应力混凝土结构的出现，是混凝土技术的一次飞跃。它是通过外部条件对混 张建辉兰州大学博士学位论文第一章概逑 凝士改性。由于预应力技术在大跨建筑、高层建筑以及在抗震、防裂、抗内压等方 面的卓越效果，从而大大地扩展了混凝土的应用范围。副 根据预应力钢筋张拉时间的先后，习惯上把预加应力方法分为先张法和后张法。 先张法即通过张拉底座先拉紧钢筋，然后浇筑混凝土，待混凝土达到强度要求后， 切断钢筋，靠钢筋自身的回缩来给混凝土构件施加预应力；后张法即先浇筑混凝土， 待混凝土达到强度要求后，靠成型的混凝土自身，作为施力系统，达到使混凝土受 到预应力的目的。后张法根据施工工艺的不同又分为无粘结和有粘结两种预应力体 系 2 5 - 2 7 。无粘结是在钢筋上涂上油脂外裹塑料，预应力筋与混凝士之间无粘结；有 粘结是在混凝土构件中预留孔道，穿入钢筋张拉后，孔道内灌注水泥浆，预应力筋 和混凝土粘结在一起。可见钢筋张拉施工方法的不同，先张法要求强大的张拉台座 和预制场地，以致使先张法在某些场合难以实现，而后张法无粘结，预应力筋和混 凝土受力时两者之间可以产生相对滑移，易造成钢筋和锚具的疲劳，以及受拉区混 凝裂缝数量少、裂缝宽度大、预应力筋结构强度利用率低等；有粘结尽管克服了 无粘结在工作中表现出的问题和缺点，但施工要求的预留孔道，压孔灌浆等复杂的 过程，造成施工干扰大，以及成孔后在灌浆前和灌浆中易形成月牙槽，降低灌浆材 料与预应力筋的粘结及预应力筋锈蚀等问题。若把后张法中无粘结和有粘结预应力 体系相结合，形成缓粘结体系，即不预留孔道，不须压孔灌浆，旌工时与无粘结体 系一样，钢筋直接埋入混凝土，而在施工完成后，靠包裹于预应力钢筋上的缓凝砂 浆随时间的延长而逐渐凝结硬化，达到与有粘结预应力体系相同的效果。这种既简 化了施工工艺，同时缓凝砂浆硬化后又对钢筋产生握裹作用，解决了无粘结预应力 筋和锚具的疲劳，使得预应力技术的应用领域更为广阔，市场潜力更大，所带来的 社会和经济效益更为显著 2 1 - 2 3 。图1 3 是缓凝预应力混凝土构件示意图。 缓凝砂浆及其在预应力混凝土体系中的应用，经国内外检索和有关文献查寻， 未发现与课题研究内容相同的文献报道。国内外有人研究具有自膨胀组分的自粘结 浆料”引和环氧树脂型潜伏固化期粘合剂应用于预应力钢筋混凝土构件 2 9 - 3 11 。 缓凝砂浆形成的缓凝预应力筋工艺从开发到应用、发展至今，在预应力混凝土 结构中得以广泛的应用。其中：上海市成都路桥梁工程2 0 m 空心板梁，采用缓凝预 应力筋工艺后，梁体可单片施工、不需张拉台座，极大地降低张拉、制梁费用。广 西黎钦地方铁路重点工程一飞龙郁江特大桥，该桥主跨采用6 2 + 2 x1 0 0 + 6 2m 预应力 8 张建辉兰州大学博士学位论文 第一章概述 图1 3 缓凝预应力混凝土构件示意图 混凝土连续结构，为三向预应力筋，其中横向预应力筋采用缓凝预应力筋，设计计 算较为简单，简化了旌工工艺，减少施工设备，缩短工期，降低造价，确保了工程 质量和进度。甘肃兰州桥梁工程一银滩黄河大桥，主桥采用2 1 3 3m 独塔，双面密 索斜拉桥结构，为三向预应力筋，由于主梁垂直腹板及斜腹板构造尺寸较小，普通 钢筋布置较密，为此主梁内竖向预应力筋采用缓凝预应力筋，以避免因构造要求而 过多削减主梁截面，同时又消除因压浆质量不稳定而造成的主梁内部隐患，简化了 旌工工艺，减少施工设备，降低造价，加快了施工进度旺卜强3 2 。 缓凝砂浆及其形成的缓凝预应力筋工艺研究开发与应用，符合国家产业技术发 展方向，具有广阔工程推广应用前景。缓凝砂浆应用于预应力混凝土技术中形成缓 凝预应力工艺体系，除具有无粘结筋和有粘结筋的优点外，又具有在预应力筋密集 布置的狭窄空间部位施工简捷等优势，简化了施工工艺、减少施工机具、节约材料、 降低劳动强度、提高工效、降低工程造价，它使预应力混凝土技术使用更方便、更 广泛，为预应力混凝土技术的发展增添了新的篇章。随着高强度预应力钢筋应用的 普及和推广，必将为该体系开拓广阔的市场r 3 3 1 。 缓凝预应力筋在实际工程应用中，缓凝砂浆是靠人手持塑料带将其缠绕裹实在 9 张建辉兰州大学博士学位论文 第一章概进 预应力钢筋上，效率低、劳动强度大、责任心强，不能满足施工要求和用量。研制 种在预应力钢筋上包裹缓凝砂浆的发备装置自动连续生产缓凝预应力筋制品，便 是缓凝预应力工艺体系得以工程推广普及应用的势在必行的关键环节。 1 4 本文主要研究内容 从前面两节的评述，我们可以看出：磁性液体是纳米尺度的磁性固体颗粒分散 在液体介质中形成的稳定、均匀的两相混合流体。它将液体的流动性和磁性材料的 磁性统一在一种物质中，使之具备了很多新的物理机理和特性，无论理论研究还是 实际应用都有着重要的科学意义。缓凝砂浆是由水、复合缓凝剂和分散粒子( 水泥、 细砂) 组成的均匀相流体。此种砂浆在5 4 0 密闭条件下，能根据工程要求调制其 凝结时间。若将它包裹在预应力钢筋上形成缓粘结预应力筋，既可简化施工工艺， 缩短施工工期，又可防止锚具疲劳和钢筋锈蚀，应用前景十分广阔。 本文首先针对获得理想磁性液体性质所需要的均匀颗粒制各、纳米颗粒尺寸分 布和流体动力学性质三个关键问题进行了研究；其次，针对在预应力混凝土用钢筋 上连续包裹缓凝砂浆这一工穆应用的关键，开展了缨簿黑嘴的材料酒挛特性，绣凝 砂浆在螺槽中的流动、变形和输送，以及缓凝砂浆具体包覆实验三方面的研究工作。 本文的研究内容共分为八章： 第一章：概要叙述了磁性液体和缓凝砂浆的发展概略、一般物理性质和应用。 第二章：流体特性及基本方程，即流体特性和流体力学基本方程。 第三章：介绍了实验中使用的主要仪器及其测试方法和原理。 第四章：煤油基f e 3 0 4 磁性液体的制备与表征。制各了高分散的、均匀磁性颗粒 的磁性液体，对磁性颗粒的结构、形貌和静态磁性进行了表征，并得 到了颗粒尺寸的真实分布。 第五章：f e 3 0 4 磁性液体的流体动力学性质。研究了磁性颗粒的体积分数、外加 磁场和剪切速率对磁性液体的流体动力学性质的影响。 第六章：缓凝砂浆包覆理论。提出了缓凝砂浆在螺旋槽中的流动、变形和输送 理论。 第七章：介绍了缓凝砂浆材料流变性质、包覆试验及包覆理论的实验验证。 第八章：总结了主要研究结论。 第八章：总结了主簧研究结论。 鲞垄堡 兰型苎堂堡主兰竺丝圭 苎二主垫查 【1 【2 】 【3 4 】 5 】 【6 】 7 】 8 】 9 】 1 0 】 1 】 2 】 3 】 1 4 】 【1 5 】 1 6 1