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[摘 要]本文介绍了超声波活化水的活化机理及活化处理过程中的主要影响因素；以及用超声波活化水拌和水泥混凝土，理论分析其性能改善的可行性，并提出相关实验实施方案，为后续实验研究奠定基础。
[关键词]超声波活化水；影响因素；水泥混凝土
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）07-0093-02
引言
近年来，随着科学技术的日益发展，使得超声波技术的运用已广泛深入到社会生产生活的各个领域，主要有：超声清洗，超声雾化，超声乳化、分散、粉碎和萃取，超声探测、焊接、加工、搪锡、金属成型，超声疲劳试验，超声生物效应和治疗等[1]。目前，超声技术的研究则更加受学者青睐，根据超声技术原理及特点将超声技术更加广泛地应用于各行业领域。此外，建筑行业的一大重要产物—水泥混凝土技术已经发展到相当成熟的程度。利用活化水拌和水泥混凝土技术的研究和应用已经取得了相当丰硕的成果，尤其是磁化水，国内外对于利用磁化水拌制水泥混凝土技术的研究起步较早，且其在工程实际中的应用也已非常成熟。除磁化水外，目前国内外对于电场活化水拌和水泥混凝土技术的研究相对较少。另外，国内重庆大学学者对电液压脉冲活化水拌制水泥混凝土技术进行了深入研究。到目前为止，我国对于活化水拌和水泥混凝土技术的研究已经取得了较高成就，并逐渐运用到相关工程中。与此同时，将超声波技术运用于制备活化水并以此活化水拌和水泥混凝土这一课题逐渐引起广大学者的探究兴趣。本文从超声波空化机理出发，根据国内外相关文献总结，探究其影响因素，并使用超声波处理后的活化水拌和水泥混凝土研究其性能改善程度，对此实验提出相关实施方案，为后续实验实施奠定基础。
超声波技术作为一种新型水处理技术在混凝土工程中应用非常少尚未得到广泛研究，其发展前景十分广阔，并将逐渐走出实验室成为生活中更多产品的关键技术。
2空化效应
超聲波是由一系列疏密相间的纵波构成，其频率范围一般为20kHz～10MHz。（目前超声波设备普遍使用的频率主要有20kHz、25kHz、28kHz、33kHz、40kHz、60kHz、100kHz或更高尚未大量使用。）超声波通过液体介质向四周传播，其在液体中的波长远远大于分子的尺寸，当声音强度增大到一定值时，会对传播介质产生一定的影响，使介质的状态、组分、功能和结构等发生变化，这种现象称为超声效应[2]。超声波传播过程存在一个正负交变周期，而这一周期的存在作用于介质分子就表现为交替的压缩和拉伸作用，当声能足够高时液相分子间的吸引力被打破，形成空化泡[3]。超声波的空化效应则是指存在于液体中的微小空化泡在超声波作用下，经历超声的稀疏相和压缩相，体积生长、收缩、再生长、再收缩，多次周期性震荡，最终高速崩裂的动力学过程[4]。空化效应主要表现为三阶段：成核、膨胀、崩溃。
根据水的结构特性及“形成最多氢键原理”可知，通常情况下，水中分子间存在着大量的氢键。由于氢键的作用，水中的水分子并不是以单个分子形态存在的，而是多个水分子缔合在一起，以水分子团簇的结构形式存在。有关专家指出，如果这种团簇结构不经常受到撞击，这种团簇结构就会不断扩大、延伸，变成俗称的“死水”。水流经超声波反应器，受超声波周期振动机械剪切效应及空化效应作用，使水分子缔合体氢键断裂分解成单分子或较小的缔合水分子，提高了水的活性。由于拌和水活性增加，它与水泥进行水化、水解反应时，裂解后的单个或较小缔合水分子能够容易地由水泥颗粒表面进入到颗粒内部，从而促进了水化水解作用，并伴有新的矿物质产生，增加了混凝土的致密性、均匀性，提高了混凝土的强度。
3影响因素
3.1超声波系统因素
（1）超声波功率强度[2]
超声功率强度一般以单位辐照面积上的功率来衡量（W/cm2），有时也采用单位体积液体消耗的功率来表示（W/mL）。通常来说，在超声频率一定的情况下，超声波的空化效应随着声功率的增大而增强，从而活化反应速度加快。但是随着声强的增大，超声活化速率并不是无限增大过高会适得其反，当增加至极值时，随声强的增大，超声活化速率反而减小。原因可能为：当声强增大到一定值时，溶液与超声波的振动面处产生气泡屏蔽，称此现象为退耦现象，退耦现象会使超声波强度衰减，从而使能量的利用率降低。
（2）超声波频率[5]
大量试验结果表明，随着超声波的频率增加，液体介质中的空化气泡减少，相应的超声空化作用强度降低。当超声波频率很高时，膨胀和压缩循环的时间则非常短，由于膨胀循环的时间太短，以致不能等到微泡长到足够大引起液体介质的破裂、形成空化气泡，这些空化气泡溃陷所需要的时间比压缩半循环所需要的时间将要长得多。因此，当超声波的强度一定时，其频率越高，空化作用越小。一般来说，不同的被处理液体，都有一个最佳频率点，在这个频率点上，空化强度可达到最大值，相应的超声活化率也就最大。工业上应用的功率超声的频率一般均低于60kHz。
3.2 溶液体系因素
液体的性质如溶液粘度、表面张力、pH值以及溶解质都会影响溶液的超声空化效果。本实验旨在研究采用超声活化水拌和水泥混凝土性能的改善，实验过程中所采用的拌和水为生活自来水，因此实验过程中不考虑液体性质对超声空化的影响，认定所使用拌和水在处理前其本身性质粘度、表面张力、pH值及溶解质等均保持一致。
温度对超声空化的强度和动力学过程具有非常重要的影响，从而造成超声反应的速率和程度的变化[6]。声化学中反应效率一般随温度的升高呈指数下降，因此，低温下（小于20℃）较为有利于超声活化实验，一般都在室温下进行。
3.3超声波反应器的结构
反应器中的核心部件为超声波发声器和换能器，超声波发声器通过换能器将电能转换为声能。对反应器结构进行优化设计其目的是在恒定输出功率条件下尽可能提高混响场强度，增强空化效果。反应器结构可以是间歇式或连续式的，其中间歇式包括槽式、探头式等类型反应器，连续式包括平行板近场式、管道式等类型反应器[7]。超声波换能器可以以相同频率或不同频率的组合放置于反应器内部或外部。有关学者通过实验对声化学产率与超声波源的位置和频率的关系进行了初步研究，结果表明，双频超声比单频超声的空化效果好，平行放置比垂直效果好[8]。 4试验方案
本实验分两阶段完成，第一阶段为超声波活化水的制备与测试分析，第二阶段为超声波活化水拌和水泥混凝土及其性能测试。
4.1超声波水处理
根据超声波空化效应的影响因素，本实验中只针对超声波系统因素及温度进行实验研究。根据相关超声波水处理文献初步确定超声波发生器功率为0-1.5kW，频率为20kHz-100kHz。具体实验过程为：
1、使用超声波水处理机处理10L生活用自来水，设定超声波同一频率恒定温度下，调节超声波发生器功率，测量处理后水的某一活化指标（电导率）随处理时间的变化值。
2、处理等量生活用自来水，恒定温度下保持超声波发生器功率不变，改变超声波频率，测量处理后水的某一活化指标（电导率）随处理时间的变化值。
3、处理等量生活用自来水，选定超声波发生器某一功率和某一频率不变的情况下，改变液体温度，测量处理后水的某一活化指标（电导率）随处理时间的变化值。
4、采用控制变量法，分别在不同温度、不同功率、不同频率下使用超声波处理拌和水，通过测量处理后活化水电导率，pH值及表面张力等某一指标随处理时间的变化值，与未处理前的自来水相比较反应其活化程度，由得到的数据绘制相应变化曲线，分析得到最佳频率、最优功率及最适温度。
4.2活化水拌和混凝土
实验第二阶段为活化水拌和水泥混凝土，并研究其相比普通自來水拌和性能改善程度，以及在振动搅拌和普通搅拌下使用不同拌和水对混凝土性能指标的影响。超声波发生器采用最佳频率及最优功率，在上述最适温度恒温下制备活化水，使用制得的超声活化水拌和水泥混凝土，在搅拌工艺不改变的前提下改变搅拌方式，测量混凝土基本性能指标随凝结龄期的变化值。
测量混凝土抗压强度、坍落度等性能指标及观察分析电镜扫描孔结构，对比四组实验结果，得出超声波活化水拌和水泥混凝土强度、和易性及密实性的改善程度。
基于上述提出的实验方案，尚在进一步研究之中。
5 展望及应用前景
综上所述，影响超声波水处理的主要参数频率、功率、温度等之间存在最佳参数值，不同地域的水参数有所不同，因此，通过实验得出本次实验中与所使用自来水相匹配的超声波参数最佳值。在水处理中各种物理能场（光场、电场、磁场等）都会被作为能量源，有关学者研究表明能场协同作用下的水处理的效果远大于单一能场作用，因此将超声波和其它物理能场相耦合用于水处理必将成为未来研究的一项重要技术。此外，由超声波频率特性知不同频率作用下产生的声化效应不同，当高低频率同时空化可以获得比单一频率更令人满意的效果[9]。作为水处理的另一重要技术，研究两种及两种以上不同频率的协同声化效应，拓宽声化应用范围。
事实上，有关超声波水处理已经有大量文献都有所报道，均为污水废水及饮用水的净化处理，将超声波处理后的活化水直接用于水泥混凝土搅拌的研究至今仍是一个空白领域，在知网、维普中文期刊上并未检索出超声波拌和水泥混凝土方面内容文献。超声波水处理技术是一种绿色环保型的处理技术，具有处理条件温和、处理效率高及对环境不会造成二次污染等优点。作为一种新型超声活化水处理技术，目前仍处于基础研究阶段，要是该技术运用于新拌水泥混凝土中实现工程化和产业化还需进行大量工作。
参考文献
[1]林仲茂.20世纪功率超声在国内外的发展[J].声学技术，2000，19（2）：101-105.
[2]刘旭.超声波协同Fenton法处理染料废水的试验研究[D].陕西：西安建筑科技大学，2009.
[3]蒋昊琳，刘立新，杨明全，王顺武.超声波在水处理中的应用与研究现状[J].化工进展，2017，36（1）：464-468.
[4]张婵，郑爽英.超声空化效应及其应用[J].水资源与水工程学报，2009，20（1）：136-138.
[5]何镍鹏.超声技术在废水处理中的应用[J].化学工程与装备，2008（9）：146-149.
[6]朱洪涛.超声波技术在废水处理中的应用[J].工业安全与环保，2007，33（12）：13-15.
[7]刘春阳，刘柳.超声波技术在废水处理中的应用研究[J].污染防治技术，2009，22（6）：62-66.
[8]沈壮志，尚志远.超声换能器位置对碘化钾溶液碘释放影响的研究[J].声学技术，1999，18（1）：35-38.
[9]符卫春，孙晓清，冯中营，沈其动.超声在水处理中的研究现状[J].榆林学院学报，2007，17（2）：43-44.
[关键词]超声波活化水；影响因素；水泥混凝土
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）07-0093-02
引言
近年来，随着科学技术的日益发展，使得超声波技术的运用已广泛深入到社会生产生活的各个领域，主要有：超声清洗，超声雾化，超声乳化、分散、粉碎和萃取，超声探测、焊接、加工、搪锡、金属成型，超声疲劳试验，超声生物效应和治疗等[1]。目前，超声技术的研究则更加受学者青睐，根据超声技术原理及特点将超声技术更加广泛地应用于各行业领域。此外，建筑行业的一大重要产物—水泥混凝土技术已经发展到相当成熟的程度。利用活化水拌和水泥混凝土技术的研究和应用已经取得了相当丰硕的成果，尤其是磁化水，国内外对于利用磁化水拌制水泥混凝土技术的研究起步较早，且其在工程实际中的应用也已非常成熟。除磁化水外，目前国内外对于电场活化水拌和水泥混凝土技术的研究相对较少。另外，国内重庆大学学者对电液压脉冲活化水拌制水泥混凝土技术进行了深入研究。到目前为止，我国对于活化水拌和水泥混凝土技术的研究已经取得了较高成就，并逐渐运用到相关工程中。与此同时，将超声波技术运用于制备活化水并以此活化水拌和水泥混凝土这一课题逐渐引起广大学者的探究兴趣。本文从超声波空化机理出发，根据国内外相关文献总结，探究其影响因素，并使用超声波处理后的活化水拌和水泥混凝土研究其性能改善程度，对此实验提出相关实施方案，为后续实验实施奠定基础。
超声波技术作为一种新型水处理技术在混凝土工程中应用非常少尚未得到广泛研究，其发展前景十分广阔，并将逐渐走出实验室成为生活中更多产品的关键技术。
2空化效应
超聲波是由一系列疏密相间的纵波构成，其频率范围一般为20kHz～10MHz。（目前超声波设备普遍使用的频率主要有20kHz、25kHz、28kHz、33kHz、40kHz、60kHz、100kHz或更高尚未大量使用。）超声波通过液体介质向四周传播，其在液体中的波长远远大于分子的尺寸，当声音强度增大到一定值时，会对传播介质产生一定的影响，使介质的状态、组分、功能和结构等发生变化，这种现象称为超声效应[2]。超声波传播过程存在一个正负交变周期，而这一周期的存在作用于介质分子就表现为交替的压缩和拉伸作用，当声能足够高时液相分子间的吸引力被打破，形成空化泡[3]。超声波的空化效应则是指存在于液体中的微小空化泡在超声波作用下，经历超声的稀疏相和压缩相，体积生长、收缩、再生长、再收缩，多次周期性震荡，最终高速崩裂的动力学过程[4]。空化效应主要表现为三阶段：成核、膨胀、崩溃。
根据水的结构特性及“形成最多氢键原理”可知，通常情况下，水中分子间存在着大量的氢键。由于氢键的作用，水中的水分子并不是以单个分子形态存在的，而是多个水分子缔合在一起，以水分子团簇的结构形式存在。有关专家指出，如果这种团簇结构不经常受到撞击，这种团簇结构就会不断扩大、延伸，变成俗称的“死水”。水流经超声波反应器，受超声波周期振动机械剪切效应及空化效应作用，使水分子缔合体氢键断裂分解成单分子或较小的缔合水分子，提高了水的活性。由于拌和水活性增加，它与水泥进行水化、水解反应时，裂解后的单个或较小缔合水分子能够容易地由水泥颗粒表面进入到颗粒内部，从而促进了水化水解作用，并伴有新的矿物质产生，增加了混凝土的致密性、均匀性，提高了混凝土的强度。
3影响因素
3.1超声波系统因素
（1）超声波功率强度[2]
超声功率强度一般以单位辐照面积上的功率来衡量（W/cm2），有时也采用单位体积液体消耗的功率来表示（W/mL）。通常来说，在超声频率一定的情况下，超声波的空化效应随着声功率的增大而增强，从而活化反应速度加快。但是随着声强的增大，超声活化速率并不是无限增大过高会适得其反，当增加至极值时，随声强的增大，超声活化速率反而减小。原因可能为：当声强增大到一定值时，溶液与超声波的振动面处产生气泡屏蔽，称此现象为退耦现象，退耦现象会使超声波强度衰减，从而使能量的利用率降低。
（2）超声波频率[5]
大量试验结果表明，随着超声波的频率增加，液体介质中的空化气泡减少，相应的超声空化作用强度降低。当超声波频率很高时，膨胀和压缩循环的时间则非常短，由于膨胀循环的时间太短，以致不能等到微泡长到足够大引起液体介质的破裂、形成空化气泡，这些空化气泡溃陷所需要的时间比压缩半循环所需要的时间将要长得多。因此，当超声波的强度一定时，其频率越高，空化作用越小。一般来说，不同的被处理液体，都有一个最佳频率点，在这个频率点上，空化强度可达到最大值，相应的超声活化率也就最大。工业上应用的功率超声的频率一般均低于60kHz。
3.2 溶液体系因素
液体的性质如溶液粘度、表面张力、pH值以及溶解质都会影响溶液的超声空化效果。本实验旨在研究采用超声活化水拌和水泥混凝土性能的改善，实验过程中所采用的拌和水为生活自来水，因此实验过程中不考虑液体性质对超声空化的影响，认定所使用拌和水在处理前其本身性质粘度、表面张力、pH值及溶解质等均保持一致。
温度对超声空化的强度和动力学过程具有非常重要的影响，从而造成超声反应的速率和程度的变化[6]。声化学中反应效率一般随温度的升高呈指数下降，因此，低温下（小于20℃）较为有利于超声活化实验，一般都在室温下进行。
3.3超声波反应器的结构
反应器中的核心部件为超声波发声器和换能器，超声波发声器通过换能器将电能转换为声能。对反应器结构进行优化设计其目的是在恒定输出功率条件下尽可能提高混响场强度，增强空化效果。反应器结构可以是间歇式或连续式的，其中间歇式包括槽式、探头式等类型反应器，连续式包括平行板近场式、管道式等类型反应器[7]。超声波换能器可以以相同频率或不同频率的组合放置于反应器内部或外部。有关学者通过实验对声化学产率与超声波源的位置和频率的关系进行了初步研究，结果表明，双频超声比单频超声的空化效果好，平行放置比垂直效果好[8]。 4试验方案
本实验分两阶段完成，第一阶段为超声波活化水的制备与测试分析，第二阶段为超声波活化水拌和水泥混凝土及其性能测试。
4.1超声波水处理
根据超声波空化效应的影响因素，本实验中只针对超声波系统因素及温度进行实验研究。根据相关超声波水处理文献初步确定超声波发生器功率为0-1.5kW，频率为20kHz-100kHz。具体实验过程为：
1、使用超声波水处理机处理10L生活用自来水，设定超声波同一频率恒定温度下，调节超声波发生器功率，测量处理后水的某一活化指标（电导率）随处理时间的变化值。
2、处理等量生活用自来水，恒定温度下保持超声波发生器功率不变，改变超声波频率，测量处理后水的某一活化指标（电导率）随处理时间的变化值。
3、处理等量生活用自来水，选定超声波发生器某一功率和某一频率不变的情况下，改变液体温度，测量处理后水的某一活化指标（电导率）随处理时间的变化值。
4、采用控制变量法，分别在不同温度、不同功率、不同频率下使用超声波处理拌和水，通过测量处理后活化水电导率，pH值及表面张力等某一指标随处理时间的变化值，与未处理前的自来水相比较反应其活化程度，由得到的数据绘制相应变化曲线，分析得到最佳频率、最优功率及最适温度。
4.2活化水拌和混凝土
实验第二阶段为活化水拌和水泥混凝土，并研究其相比普通自來水拌和性能改善程度，以及在振动搅拌和普通搅拌下使用不同拌和水对混凝土性能指标的影响。超声波发生器采用最佳频率及最优功率，在上述最适温度恒温下制备活化水，使用制得的超声活化水拌和水泥混凝土，在搅拌工艺不改变的前提下改变搅拌方式，测量混凝土基本性能指标随凝结龄期的变化值。
测量混凝土抗压强度、坍落度等性能指标及观察分析电镜扫描孔结构，对比四组实验结果，得出超声波活化水拌和水泥混凝土强度、和易性及密实性的改善程度。
基于上述提出的实验方案，尚在进一步研究之中。
5 展望及应用前景
综上所述，影响超声波水处理的主要参数频率、功率、温度等之间存在最佳参数值，不同地域的水参数有所不同，因此，通过实验得出本次实验中与所使用自来水相匹配的超声波参数最佳值。在水处理中各种物理能场（光场、电场、磁场等）都会被作为能量源，有关学者研究表明能场协同作用下的水处理的效果远大于单一能场作用，因此将超声波和其它物理能场相耦合用于水处理必将成为未来研究的一项重要技术。此外，由超声波频率特性知不同频率作用下产生的声化效应不同，当高低频率同时空化可以获得比单一频率更令人满意的效果[9]。作为水处理的另一重要技术，研究两种及两种以上不同频率的协同声化效应，拓宽声化应用范围。
事实上，有关超声波水处理已经有大量文献都有所报道，均为污水废水及饮用水的净化处理，将超声波处理后的活化水直接用于水泥混凝土搅拌的研究至今仍是一个空白领域，在知网、维普中文期刊上并未检索出超声波拌和水泥混凝土方面内容文献。超声波水处理技术是一种绿色环保型的处理技术，具有处理条件温和、处理效率高及对环境不会造成二次污染等优点。作为一种新型超声活化水处理技术，目前仍处于基础研究阶段，要是该技术运用于新拌水泥混凝土中实现工程化和产业化还需进行大量工作。
参考文献
[1]林仲茂.20世纪功率超声在国内外的发展[J].声学技术，2000，19（2）：101-105.
[2]刘旭.超声波协同Fenton法处理染料废水的试验研究[D].陕西：西安建筑科技大学，2009.
[3]蒋昊琳，刘立新，杨明全，王顺武.超声波在水处理中的应用与研究现状[J].化工进展，2017，36（1）：464-468.
[4]张婵，郑爽英.超声空化效应及其应用[J].水资源与水工程学报，2009，20（1）：136-138.
[5]何镍鹏.超声技术在废水处理中的应用[J].化学工程与装备，2008（9）：146-149.
[6]朱洪涛.超声波技术在废水处理中的应用[J].工业安全与环保，2007，33（12）：13-15.
[7]刘春阳，刘柳.超声波技术在废水处理中的应用研究[J].污染防治技术，2009，22（6）：62-66.
[8]沈壮志，尚志远.超声换能器位置对碘化钾溶液碘释放影响的研究[J].声学技术，1999，18（1）：35-38.
[9]符卫春，孙晓清，冯中营，沈其动.超声在水处理中的研究现状[J].榆林学院学报，2007，17（2）：43-44.