直播回放|河海大学赵海涛：基于核磁一维频率编码技术水泥基材料水分传输

其实早在近10年前低场核磁共振技术因无损、快速、在线等优点应用在水泥领域的研究。经过近10年的发展和应用，目前低场核磁共振技术在水泥、混凝土领域的研究应用主要集中在以下几个方面：

表征信号来源：T1弛豫加权平均值或者T2弛豫初始值

之前提到，低场核磁共振技术在水泥中最早用于表征水泥的水化过程。关于这部分的文献有很多很多。篇幅所限这里列出一些文献，大家感兴趣的可以下载。关注公众号，后台回复【水泥文献】即可下载以下文献。

我们从以上众多文献中总结出这样的规律：低场核磁共振技术对于水泥浆体内部不同自由程度的水分有着较高的敏感性，以水分为“探针”可分析水分在浆体内部的弛豫信息，表征水泥浆体水化进程中的微观结构。

图4.当前混凝土领域的研究背景介绍

图5.水泥浆体不同水化时间T2弛豫图

具体而言，水泥浆体在早期水化过程，横向弛豫时间谱有多种不同的弛豫峰，包括凝胶孔隙峰，主峰，过渡区峰以及表层水弛豫峰。而随着时间推移，主峰逐步向左，凝胶孔隙峰与主峰合并，文献中主流的做法是主要以主峰的弛豫时间分析水泥水化程度。

之前的研究中一般分析主峰的位置、信号强度定性评估水泥的水化过程。而同济大学孙振平教授团队于2021年2月发表在《Cement and Concrete Research》上的一篇文章给我们提供了另一个思路：半定量的方法计算水泥的水化程度。具体研究过程可以查看这篇：

水泥水化程度表征新方法-低场核磁共振技术

低场核磁共振技术在多孔介质领域最广泛的应用之一是表征孔隙结构（孔径分布、孔隙度等），在水泥基材料领域可以表征细观微孔结构，我们找一篇赵老师团队2019年发表在《Structural Concrete》上的文章来分析。

T2弛豫如何表征孔隙半径?微观结构的孔径d与T2信号量的关系如公式所示：

d为孔径，nm；T2为水分子在孔隙表面的横向弛豫时间，ms；C为转换系数，为48nm/ms。进一步研究，建立孔隙等效半径rm与孔径d之间的关系。

在具体的试验中，我们改变混凝土试样配合比，即变化水灰比、水泥、水、沙子、石子等含量，来分析不同配比对试样微观孔隙结构的影响。

图6.不同影响因素下水泥基材料的孔径分布

图中主要有两个波峰，第一个波峰为凝胶孔，峰值对应的孔径是最几孔径；第二个波峰为毛细孔。随着水灰比的增加，最几孔径向右移动。随着灰砂比的增加，最几孔径向左移动。随着养护龄期的增加，最几孔径向左侧移动。随着粉煤灰掺量的增加，最几孔径逐渐向右移动。

除了分析试样配比对孔隙的影响之外，还可以从孔隙度的角度分析。本文还分析了毛细吸水系数与孔隙率或孔的等效半径平方根关系的拟合曲线结果，相关系数R2大于0.93。

基于拟合结果，建立了水泥基材料的毛细吸水系数Sm与孔隙率和孔的等效半径rm之间的关系模型，并对模型进行修正。修正后修正系数k分别与水灰比、灰砂比或养护龄期之间满足线性关系，与粉煤灰掺量呈非线性关系。

具体的分析结果请点击这篇文章查看。

水泥基材料微观结构与毛细吸水特性关系的分析(2019)

信号来源：样品不同层面位置的信号量

一维频率编码技术(在核磁序列中叫做SE-SPI）研究水泥基水分传输也是赵老师本次云课堂的主题。

关于一维频率编码技术的原理介绍，我们后面专门出一期来为大家介绍。

此处只列举不同水灰比的试样吸水过程水分传输的变化。

横轴代表通过一维编码技术测得的信号量，纵轴代表试样的高度。信号幅值越大，代表此高度处试样吸收的水分含量越多。

从这三幅图中可以看出，水灰比为0.4的试样所丢失的水分信号量最少，水灰比为0.6的试样水分分布曲线下降幅度最大，这说明水灰比0.4的试样中所含凝胶孔比例最小。

随着水灰比的增加，生成的水化产物增多，试样中的凝胶孔比例上升，因此所测得的水分分布曲线中丢失的信号量也越来越大。

吸水高度的变化：

吸水高度与吸水时间之间存在明显的非线性关系。吸水初期吸水高度的增长速度较快，随时间的推移逐渐减慢，最终趋于稳定。吸水高度随着水灰比的增加而增加。这种现象的发生是因为随着水灰比的增加，混凝土的吸水能力提高，吸水高度增加，这与称重法的结果是一致的。

图7.来自Web of Science 数据：该篇文章被引频次进入Materials Science 学术领域最优秀的1%之列

这篇文章还研究了毛细吸水系数，利用Martys模型拟合得到吸水率S以及毛细管参数k,并研究毛细吸水相关系数与微观参数的关系。篇幅所限这里就不一一展示。欢迎点击这里，详细了解这篇高引用文章的研究内容。

水泥基材料水分传输研究利器——核磁共振一维频率编码技术(2019)

利用LF-NMR技术在水泥基材料中有哪些研究值得深入探究呢？

讲座最后，赵老师从他多年的研究成果出发，对低场核磁共振技术在水泥基材料中的应用做了展望，主要有以下几个方面：

讲座最后，赵老师分享了他们团队基于低场核磁共振技术的研究成果，欢迎感兴趣的老师和同学们下载学习交流。以上提到的文献，进入“纽迈分析”公众号，回复【水泥文献】四个字，即可下载。

好了，以上就是赵老师讲座的内容，如果您对低场核磁共振技术在水泥基材料的应用有任何疑问，欢迎与我们联系，期待一起沟通交流。当然如果您也想试一试，我们有专门的客户体验中心，欢迎来样体验测试。

下一篇，我们推送关于一维频率编码（SE-SPI）序列的介绍，请大家持续关注我们