【土木专栏】冻土与核磁共振

纽迈分析

2017.12.05

作者纽迈科技

TA的动态

思维导读

大家好，小K又㕛叒叕跟您见面啦！在上一期的推文中，小K主要参照同济大学佘安明老师的文献实例给大家介绍了基于LF-NMR技术的水泥浆体孔结构与比表面积的原位表征方面的试验应用与研究。本期推送内容中，小K将重点介绍应用低场核磁共振技术从微、细观角度分析冻融过程中冻土未冻水含量孔隙分布方面的内容，以下内容约1000字，阅读全文仅需3分钟。欢迎各位专家、同行及老师多多交流、指正。更多精彩，感谢您的关注。

季节冻土（Seasonal Frozen Ground），是指地表层冬季冻结、夏季全部融化的土（岩）层，包括季节冻结层和季节融化层[1]。我国季节性冻土地区分布较广[2]，季节冻土区总面积达513.7万平方公里，占国土总面积的53.5%，是世界上第三冻土大国，我国冻土分布及其类型如图1所示。

图1 中国冻土区划及类型图

低温下，冻土中并非所有的液态水都转变成固态水，这是由于毛细作用和颗粒表面能的作用，使得土体内部始终保存有一定量的液态水称之为未冻水，这部分未冻水对冻土中土颗粒、冰、气体组成了对温度十分敏感的多相复杂体系。在冻结过程中，随着温度的不断降低，冻土中未冻水含量减少，起到胶结颗粒作用的并含量不断增加，从而使得冻土的强度随温度降低而增大。在融化过程中，随着周围环境温度的升高，冻土中未冻水含量又逐渐变大，土颗粒间冰的胶结作用遭到破坏，结构的稳定性降低，相应的抗剪强度也下降。由此可见，冻土中未冻水和冰之间的相互转化是导致冻土物理力学性质不稳定的一个重要因素。

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冬季开裂的地面

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冻土裂缝

土体在冻结过程中，含水土层常伴随着冻胀的发生，而冻胀里的水分迁移正是在温度梯度作用下以未冻水或者薄膜水的形式发生运动，因此，冻土中未冻水含量的研究分析对于理论研究和工程实践都具有重要的意义。

目前常见的测试未冻水含量的的方法有：基于能量守恒原理的热量法、基于土壤的介电常数与体积含水率函数关系的时域反射仪（TDR）法、基于土壤对射线的吸收强度与其重度和水分含量的线性关系的计算机层析识别技术（CT）法、基于不同物理、化学状态的H核在射频场的干扰产生不同的弛豫时间（T2）的核磁共振（NMR）法等。关于NMR技术的诸多性能优点，小K已经在推送中做过多次描述，此处再来稍微回顾一下。NMR技术不仅具有直接性和无损性，而且还是一种快速、准确、无损的测试方法。此外，NMR方法在水分分布与迁移测定中受外界干扰小，不会扰动试样等优点。

下面小K结合文献[3]的实例内容，为大家介绍基于NMR技术在测试冻土中水分含量与孔隙水分布方面的应用，分析未冻水含量的冻融特性及其随土质类型，NaCl离子浓度的变化规律，结合横向弛豫时间分布曲线分析相变过程中的孔隙水分布等方面的内容。

试验方案01

试验材料与步骤

试验的所有土样均是用去离子蒸馏水（自制）配制初始含水率15%的土样，封装在密封袋中7 d 时间，使得土中水分迁移均匀，利用千斤顶压制所需干密度的环刀样，然后通过抽真空饱和法对试样进行饱和。为了排除铁磁物质对主磁场均匀性的影响，采用规格为20 mm×φ45mm（φ为直径）的聚四氟乙烯环刀替代常规的不锈钢环刀制样。试验的控制参数见表1，其中，为了研究不同土质对未冻水的影响，试验采用的砂土、粉土、黏土3 种土质配制饱和土样。为了研究NaCl 离子对未冻水的影响，由于采用的粉土的初始含盐量很小，故未进行洗盐处理，3 个土样的干密度控制在1.7 g/cm³，抽真空饱和，分别用蒸馏水，0.5、1.0 mol/L 浓度的NaCl 溶液浸泡饱和7 d 时间。