低场核磁共振技术评价添加剂对水泥基材料孔隙结构的影响

水泥基材料通常是建筑中常用的材料，包括水泥、混凝土、砂浆等，它们的孔隙结构和使用性能直接影响到建筑物的安全和使用寿命。传统的材料检测方法通常是基于物理性能或化学成分进行分析，但这些方法存在着一些缺点，如需要样品准备、破坏性测试以及测试时间长等。

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高强度和高性能混凝土在早期容易开裂，因为在约束条件下有很大的热收缩和自动收缩现象。基于CaO的添加剂（CEA）和基于MgO的添加剂（MEA）被广泛采用来补偿这种收缩，但是很少有研究通过结合使用CaO或MgO来解决混凝土的孔隙结构问题。

该案例通过低场核磁共振技术研究了CEA和MEA含量、固化温度等因素对早期砂浆孔隙结构的影响。

实验结果表明：在整个测试阶段，CEA和MEA的组合使用对砂浆的孔隙结构有很大影响。加入CEA的样本的孔隙随着的增长而下降，但加入CEA和MEA的样本的孔隙首先下降，然后随着时间的增长而增加，且随着CEA和MEA含量的增加而增加；考虑到CEA和MEA的含量、固化温度等因素，提出了一个用于砂浆孔隙结构分析的新模型。与传统模型相比，该模型的预测值与测试数据有很好的一致性，可以为缓解工程应用中早期混凝土的收缩问题提供参考[1]。

图1 不同CEA和MEA含量的砂浆的PSD随时间的变化

图2 不同固化温度下砂浆的PSD随时间的变化

图3 不同影响因素的样本孔径大小分布

图4 具有不同TRI和SRA含量的水泥浆的PSD分布

耐久性是基于评价水泥基材料（CBMs）的关键属性之一，并受到CBMs中水迁移的显著影响。渗透率S和毛细血管系数k是评估CBMs水迁移行为的两个重要参数，与水泥基材料的微观结构密切相关。

在这项研究中，低场核磁共振（LF-NMR）被用来测量砂浆的孔径分布和孔隙率。基于低场核磁法和重力法，重新计算了S、K值。

结果显示，由孔隙大小分布决定的砂浆的等效孔隙半径r 随着水与粘结剂（w/b）比率和沙与粘结剂（s/b）比率的增加而增加，随着二氧化硅烟尘（SF）和超吸收聚合物（SAP）含量的减少而减少。S值随着w/b比和SF含量的增加而改善、随着S/b比的增加而减小，砂浆的k值趋势与S值趋势相似[4]。

图5 不同影响因素的砂浆PSD分布

大批量的粉煤灰通常被用作水泥的部分替代品，以提高混凝土的可操作性、耐久性和经济性。孔隙结构是影响混凝土性能的一个重要因素。

在这项研究中，利用低场核磁共振技术确定了水粘比（w/b）和粉煤灰含量对早期水泥浆孔隙结构的影响。

实验结果表明：孔径随着粉煤灰含量和w/b的增加而增加，随着水化时间的增长而减少。孔隙率随着w/b的增加而增加，随着水化时间的增长而减少[5]。

图6 不同粉煤灰含量的粉煤灰水泥浆的PSD分布

混入掺有抗腐蚀性离子的混凝土基质，以提高混凝土的耐久性。应用低场核磁实验方法来评估甲酸盐对孔隙表面和结构的影响。

核磁结果表明，含有疏水剂的水泥浆体的表面弛豫降低到参考样品的60%，表面弛豫与吸水之间存在良好的一致性。加入疏水剂后孔隙结构发生了变化，片状晶体的产生导致了孔隙结构和孔隙表面特性发生改变，提高水泥浆与疏水剂混合后孔隙的抗水能力。这些结果揭示了钙酸盐对水泥基材料疏水性的影响机制，并为改善疏水剂的应用特性提供了参考[6]。

图7 不同疏水剂含量的水泥基材料吸附法与核磁法的PSD分布

关于磁共振技术在水泥基材料中的应用，纽迈曾推出系列视频进行了全方位的解答，欢迎感兴趣的朋友点击观看。

[1]Zhao H, Li X, Chen X, et al. Microstructure evolution of cement mortar containing MgO-CaO blended expansive agent and temperature rising inhibitor under multiple curing temperatures[J].Construction and Building Materials, 2021, 278(3):122376.

[2]Zhao H, Ding J, Huang Y, et al. Experimental analysis on the relationship between pore structure and capillary water absorption characteristics of cement‐based materials[J].Structural Concrete, 2019, 20(1).

[3]Zhao H, Xiang Y, Zhang B, et al. Effects of temperature rising inhibitor and shrinkage reducing admixture on pore structure of early-age cement paste[J].Construction and Building Materials, 2021, 306:124896.

[4] A, Haitao Zhao, et al. Investigation on sorptivity and capillarity coefficient of mortar and their relationship based on microstructure - ScienceDirect[J].Construction and Building Materials, 265[2023-06-27].

[5]Zhao H, Qin X, Liu J, et al. Pore structure characterization of early-age cement pastes blended with high-volume fly ash[J]. Construction and Building Materials, 2018, 189(NOV.20):934-946.

[6]Zhang H, Zhao H, Mu S, et al. Surface relaxation and permeability of cement pastes with hydrophobic agent: Combining 1H NMR and BET[J].Construction and Building Materials, 2021, 311:125264.