应用案例|低场核磁共振技术在资源再利用制备新型骨料混凝土物性研究中的应用

2023-02-17 16:10:35, 纽迈分析苏州纽迈分析仪器股份有限公司

# PART.01

什么是水泥骨料？

水泥骨料指制作砂浆或混凝土时，和水泥、水等混合在一起的砂、石等颗粒状材料，也叫作集料。在混凝土中起着骨架或填充作用的粒状松散材料。在混凝土中，一般砂石占混凝土总体积的四分之三。在建筑类水泥中骨料起着非常重要的作用，水泥经水搅拌时成稀糊状，若不添加骨料的话，将无法成型，导致无法使用。

水泥骨料分为细骨料和粗骨料两种。其中细骨料颗粒直径在0.16-5毫米左右，主要采用天然砂、若缺乏天然砂时，也可以采用人工砂；粗骨料颗粒直径大于5毫米，主要用碎石和卵石制作而成，强度比卵石混凝土高得多，但碎石由岩石轧碎而成。常用的粗骨料中含有浮石、陶粒、膨胀矿渣等人造多孔骨料。

细骨料

粗骨料

# PART.02

资源利用制备水泥新型骨料

矿山尾矿是采矿过程中不可避免的排放材料，全球范围内每年都会增加数以千万吨计的尾矿。如此大量的尾矿带来了沉重的环境和经济负担：占用土地、污染水源和维护处理，同时还隐藏着极大的安全隐患。在过去的几年里，各行业研究人员采取了一系列合理有效的方法来对尾矿进行资源的重新利用，比如制作水泥新型骨料、矿坑等回填材料以及各类胶合材料。

尾矿堆积

随着自然可以直接使用的传统骨料-多孔岩石的快速和大规模消耗，且另一方面基础设施对水泥需求的不断增加，这一系列的问题给建筑业的可持续发展带来了挑战。

其中石英尾矿储备量大、适于用作水泥新型轻质骨料的制备，得到了研发人员的喜爱，使用石英尾矿作为水泥新型骨料材料可能是解决这两个负面问题的最有效方法之一，它不仅可以解决石英尾矿的积累问题，还可以释放自然骨料资源短缺来带来的压力。

石英尾矿处理资源再利用

传统的多孔岩石骨料对水泥制品物性的影响，在过去的一段时间内已经得到了大量的研究和分析。而使用石英尾矿作为水泥的骨料，对水泥制品性能的影响还存在着诸多的不解需要进一步解析，比如泡沫剂对使用石英尾矿作为骨料的混凝土的强度、吸水性、抗冻性、孔隙度等物性的影响。低场核磁共振技术凭借着样品前处理简单、测试速度快、精度高的特点，可以精准表征成型混凝土的孔隙结构。

# PART.03

低场核磁技术在资源再利用制备

新型骨料水泥性能研究中的应用[1]

使用石英尾矿作为水泥的骨料制备混凝土，采用控制变量法改变混凝土的泡沫剂剂量和种类，用以观察不同剂量不同种类的泡沫剂对混凝土样品孔隙结构的影响，其泡沫剂配方如下表所示：

使用苏州纽迈的提供的低场核磁共振设备（型号：PQ001），其结果如下所示：

如上图所示，具有不同泡沫剂不同含量的试样的孔隙结构核磁表征。通过分析弛豫时间分布和弛豫时间之间的关系，可以计算出孔隙大小分布。

通过分析峰值位置、大小和T2峰值的数量，可以得到孔隙类型。此外，孔隙连接情况也可以通过T2谱之间的连续性进行分析。经分析有以下结论：

根据图a的核磁结果，显示出了三个峰：突出的峰值、次峰值和一个不明显的峰值。突出的峰值位于0.57毫秒和0.66毫秒之间，峰面积比14.18毫秒和16.30毫秒之间的子峰值高得多。且随着泡沫剂含量的增加，突出峰值的峰面积百分比从96.90%逐渐增加到97.75%。

根据图b的核磁结果，随着(NH4)2CO3从1wt%增加到3wt%，突出的峰值将移动到更大的T2，从0.38 ms增加到1.15 ms。意味着孔隙尺寸也会更大。

根据图c的核磁结果，试样Al-1只有两个峰位，突出峰的峰面积也在减少，这与孔隙连接有关。但是Al-2和Al-3试样的突出峰有一个很大的面积，意味着孔隙体积增多渗流空间变大。

Al-2和Al-3试样的次峰和不明显的峰值逐渐出现，表明孔隙连接性的改善同时提高了渗透率。而亚峰位置从464毫秒增加到533毫秒，与其他所有试样相比达到最大值，这意味着孔隙百分比（>100纳米）增加并达到最大值。

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案例来源文献：

[1]Wang S, Yu L, et al. Co-utilization of quarry tailings and fly ash for non-sintered ultra-lightweight aggregates (ULWAs) by autoclave technology[J]. Construction and Building Materials, 2022(Jun.6):346.