【土木专栏】基于LF-NMR技术的水泥浆体孔结构与表面积的原位表征试验研究

思维导读

大家好，小K又和您见面啦！上期推文中，小K为大家介绍了基于低场核磁共振技术的水泥基材料弛豫特征和状态演变。本期推送内容中，小K将重点给大家介绍下基于LF-NMR技术的水泥浆体孔结构与比表面积的原位表征试验方面的内容。欢迎各位专家、同行多多交流、指正。更多精彩，感谢您的关注。

小K曾在最初的几期推送中，给大家总结介绍过目前多孔介质微观、细观结构常用的检测手段及其各自的适用条件与利弊，其中重点分析对比了压汞法、气体吸附法和低场核磁共振技术的各自基本原理及其优劣性能。压汞法和气体吸附法这两种方法也是目前多孔介质材料的研究和检验中常用的方法，而且已有相关的规范作为技术支撑和理论参考，但上述方法均会对试样的微观孔结构造成一定程度的破坏，且不能对同一试样进行连续的监测，所以难以得到孔结构随时间、空间孔结构连续变化的特征。

近年来，随着低场核磁共振技术（以下简称，LF-NMR）的快速发展，LF-NMR的技术应用由早期的医学、地球物理、石油钻井勘探领域逐渐向建筑材料方面的应用扩展，而且类似报道也越来越多。下面小K就结合同济大学佘安明老师的文献为大家讲解下LF-NMR技术在水泥浆体孔结构与表面积的原位表征方面的相关试验研究进展。

试验方案设计

众所周知，水泥基材料是具有复杂孔结构的多孔材料，其孔隙尺度跨越了纳米（nm）、微米（μm）、毫米（mm）3个不同层次的数量级。因此研究孔隙结构和孔径分布对材料的物化特性和耐久性具有重要的工程价值和社会意义。

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试验原材料

水泥采用安徽芜湖产海螺P.II52.5硅酸盐水泥，比表面376m2/kg，细度0.08mm筛余1.6%，平均粒径18.57μm，烧失量2.02%，其化学组成见表1。

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试验样品制备

试验分为两部分。其中一部分用于跟踪监测早期水化过程中孔结构比表面积的动态发展，将水泥粉末和水按照水灰比0.35搅拌均匀，随后放入玻璃样品管开始核磁共振特性实验。

另一部分是用于研究硬化水泥浆体在不同龄期时空分布的变化特征。将水泥和水按水灰比0.3、0.4和0.5混合均匀，迅速将浆体注入圆柱形小模具中，并立即密封防止水分蒸发。在（20±1）℃条件下养护到规定的龄期：7d、28d、60d、90d。在达到规定养护龄期前一天将试样取出，放入真空泵真空饱和24h后取出，保持试样表面饱和面干的状态下进行弛豫试验。

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试验测试过程

采用纽迈公司生产的PQ001型低场核磁共振仪对样品进行弛豫试验。测试前调整好仪器系统参数，然后将装有试样的玻璃样品管插入仪器探头线圈内开始测试。具体参数可详细参考文献设置。

试验结果分析与讨论

水化早期孔比表面积的动态增长

上图为水灰比为0.35的水泥净浆在密闭条件下浆体比表面积随水化时间的动态发展趋势图。从水泥化学的观点来看，水泥水化的凝胶产物具有巨大的比表面积，所以浆体比表面的增长是水泥水化反应的必然结果。分析可知，通过检测孔隙水弛豫时间的发展变化，能够检测浆体比表面积的发展。同时，LF-NMR是非破损、非侵入的技术，使得对浆体在早期阶段的连续检测成为可能，无需终止水化，这是传统测试方法所不能达到的。

硬化浆体孔分布随龄期的变化

下图分别为不同水灰比下水泥浆试样在不同养护龄期下的T2分布图谱。分析可知，水泥试验样品的T2分布介于0.01~10ms范围内，跨越了3个数量级，显示了样品中的水分布在尺度范围极宽的孔隙内。从分布的形态来看，各试样在不同龄期的T2分布呈1个主峰和1~2个次峰。

分析上图数据，可以明显看出，主峰的峰高和峰面积均远大于次峰，占据绝对优势地位。主峰的存在表明试样中的水主要分布在一个尺寸连续的孔隙范围内，对不同水灰比试样而言，这些孔的最小尺寸相同，但孔分布的跨度则受制于水灰比的差异。水灰比越大，孔分布跨度越大，大孔对应的信号强度越强。T2的分布能够更全面地反映水泥浆体试样孔隙分布的特征。

最可几T2随龄期的变化分布图

可以看出，随着龄期的变化，各水泥浆试样的最可几T2均随之下降。在7d至28d下降较快，之后则较平缓，且水灰比越大，早期下降愈为显著。至90d后，试样之间的差值则越来越小。

试验结论

（1）可以通过LF-NMR技术对水泥浆体比表面积的动态变化进行跟踪监测测试，可以弥补传统测试方法的不足。

（2）不同龄期和不同水灰比试样的T2分布图均呈现1个主峰和1~2个次峰。水灰比越大主峰跨度越大，龄期增长主峰的跨度则相应变窄。主峰的最可几T2随龄期的增长而下降，且7d~28d时下降的幅度最大。

以上为本期推送的全部内容，主要结合文献试验实例给大家讲解了基于低场核磁共振技术的水泥浆体孔结构与比表面积的原位表征试验研究，内容欠妥和不当之处，还请各位专家同行及老师多多批评指正。同时小K也非常欢迎能与各位朋友交流，您的鼓励和是小K继续努力前行的动力源泉，小K会尽全力给大家继续分享更多丰富有趣、有料有内涵的知识，更多精彩，感谢您的关注。

参考文献：

[1] 佘安明,姚武. 基于低场核磁共振技术的水泥浆体孔结构与比表面积的原位表征[J]. 武汉理工大学学报,2013,35(10):11-15.

纽迈专注于“低场核磁共振”技术及应用推广、具备强大的研发能力、完备的生产、服务和成熟的运营管理体系。公司自主开发多款核磁共振分析仪器并已获得多项国家奖项和资质认证，产品广泛应用于农业食品、能源勘探、高分子材料、纺织工业、生命科学等行业领域，获得业界一致认可。  

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