水泥基材料在浩大的中國新基建浪潮中，扮演著類似于血液在人體內(nèi)循環(huán)供應(yīng)養(yǎng)分、氧氣和其他重要成分的角色，為整個基建設(shè)施項目提供了必不可少的支撐。因此，對水泥基材料的全生命周期進行深入研究和剖析，可以為實際工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

低場核磁共振（LF-NMR）是一種無損、綠色、可重復(fù)、全尺度的快速檢測技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)λ嗷牧系乃趾俊⒖紫督Y(jié)構(gòu)、水化反應(yīng)、滲透性和老化狀況等方面進行精確分析和評估，從而為優(yōu)化水泥基材料的性能、提高工程質(zhì)量提供了科學(xué)依據(jù)，同時也為基建設(shè)施項目的順利完成提供了有力保障。

水泥基材料通常是建筑中常用的材料，包括水泥、混凝土、砂漿等，它們的孔隙結(jié)構(gòu)和使用性能直接影響到建筑物的安全和使用壽命。傳統(tǒng)的材料檢測方法通常是基于物理性能或化學(xué)成分進行分析，但這些方法存在著一些缺點，如需要樣品準(zhǔn)備、破壞性測試以及測試時間長等。目前，低場核磁共振技術(shù)由于其高效率和非破壞性的特點，被認為是測量多孔材料的最有效方法之一。低場核磁共振技術(shù)能夠在不破壞樣品的情況下，通過對材料中的水分、孔隙結(jié)構(gòu)和滲流等方向進行分析，從而評估水泥基材料的性能和質(zhì)量。

針對低場核磁共振技術(shù)評價添加劑對水泥基材料孔隙結(jié)構(gòu)的影響，整理了部分SCI文章，帶來簡要分享：

1.評價CEA和MEA添加劑對孔隙結(jié)構(gòu)的影響：

高強度和高性能混凝土在早期容易開裂，因為在約束條件下有很大的熱收縮和自動收縮現(xiàn)象。基于CaO的添加劑（CEA）和基于MgO的添加劑（MEA）被廣泛采用來補償這種收縮，但是很少有研究通過結(jié)合使用CaO或MgO來解決混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)問題。該案例通過低場核磁共振技術(shù)研究了CEA和MEA含量、固化溫度等因素對早期砂漿孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

實驗結(jié)果表明：在整個測試階段，CEA和MEA的組合使用對砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)有很大影響。加入CEA的樣本的孔隙隨著的增長而下降，但加入CEA和MEA的樣本的孔隙首先下降，然后隨著時間的增長而增加，且隨著CEA和MEA含量的增加而增加；考慮到CEA和MEA的含量、固化溫度等因素，提出了一個用于砂漿孔隙結(jié)構(gòu)分析的新模型。與傳統(tǒng)模型相比，該模型的預(yù)測值與測試數(shù)據(jù)有很好的一致性，可以為緩解工程應(yīng)用中早期混凝土的收縮問題提供參考^[1]。

圖1 不同CEA和MEA含量的砂漿的PSD隨時間的變化

圖2 不同固化溫度下砂漿的PSD隨時間的變化

2.水泥基材料的孔隙結(jié)構(gòu)和毛細水吸收特性之間關(guān)系的實驗分析：

毛細管吸收能力對混凝土的耐久性有重要影響，與孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

在這項研究中，樣品的孔隙結(jié)構(gòu)和毛細水吸收分別由低場核磁共振法和重力法確定，受到多種因素的影響。

試驗結(jié)果顯示，水泥基材料的最可能的孔徑和等效孔徑隨著水灰比（w/c）和粉煤灰（FA）含量的增加而增加，隨著固化時間和水泥與砂比（c/s）的增加而減少。水泥基材料的孔隙率隨著w/c和c/s的增加而增加，隨著固化時間的增加而減少，然后隨著FA含量的增加而增加^[2]。

圖3 不同影響因素的樣本孔徑大小分布

3.升溫抑制劑對早期水泥漿孔隙結(jié)構(gòu)的影響：

高強度和高性能混凝土（HSHPC）在實際建設(shè)工程中，由于溫度下降（溫度收縮）和自動收縮，往往在早期就開裂。因此，采用溫度上升抑制劑（TRI）和收縮抑制物（SRA）來改善HSHPC的特性。本案例通過低場核磁共振技術(shù)（LF-NMR）測試了水灰比（w/c）以及TRI、SRA等含量對早期水泥漿的孔徑分布（PSD）和孔隙率的影響。

測試結(jié)果顯示，樣本的PSD通常包含兩個峰值。SRA和TRI的結(jié)合使用對樣本的PSD有明顯的影響。孔隙率隨著w/c和SRA含量的增加而變大，但隨著TRI含量的增加而下降。在28天內(nèi)，同時添加SRA和TRI的樣品的孔隙率明顯低于沒有SRA和/或TRI的樣品^[3]。

圖4 具有不同TRI和SRA含量的水泥漿的PSD分布

4.水泥基材料耐久性評價：

耐久性是基于評價水泥基材料（CBMs）的關(guān)鍵屬性之一，并受到CBMs中水遷移的顯著影響。滲透率S和毛細血管系數(shù)k是評估CBMs水遷移行為的兩個重要參數(shù)，與水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在這項研究中，低場核磁共振（LF-NMR）被用來測量砂漿的孔徑分布和孔隙率。基于低場核磁法和重力法，重新計算了S、K值。

結(jié)果顯示，由孔隙大小分布決定的砂漿的等效孔隙半徑r 隨著水與粘結(jié)劑（w/b）比率和沙與粘結(jié)劑（s/b）比率的增加而增加，隨著二氧化硅煙塵（SF）和超吸收聚合物（SAP）含量的減少而減少。S值隨著w/b比和SF含量的增加而改善、隨著S/b比的增加而減小，砂漿的k值趨勢與S值趨勢相似^[4]。

圖5 不同影響因素的砂漿PSD分布

5.摻混粉煤灰的水泥早期水化孔隙評價：

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、耐久性和經(jīng)濟性。孔隙結(jié)構(gòu)是影響混凝土性能的一個重要因素。在這項研究中，利用低場核磁共振技術(shù)確定了水粘比（w/b）和粉煤灰含量對早期水泥漿孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

實驗結(jié)果表明：孔徑隨著粉煤灰含量和w/b的增加而增加，隨著水化時間的增長而減少。孔隙率隨著w/b的增加而增加，隨著水化時間的增長而減少^[5]。

圖6 不同粉煤灰含量的粉煤灰水泥漿的PSD分布

6.抗腐蝕水泥基材料的耐久性評價：

混入摻有抗腐蝕性離子的混凝土基質(zhì)，以提高混凝土的耐久性。應(yīng)用低場核磁實驗方法來評估甲酸鹽對孔隙表面和結(jié)構(gòu)的影響。核磁結(jié)果表明，含有疏水劑的水泥漿體的表面弛豫降低到參考樣品的60%，表面弛豫與吸水之間存在良好的一致性。加入疏水劑后孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，片狀晶體的產(chǎn)生導(dǎo)致了孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙表面特性發(fā)生改變，提高水泥漿與疏水劑混合后孔隙的抗水能力。這些結(jié)果揭示了鈣酸鹽對水泥基材料疏水性的影響機制，并為改善疏水劑的應(yīng)用特性提供了參考^[6]。

圖7 不同疏水劑含量的水泥基材料吸附法與核磁法的PSD分布

小結(jié)：

綜上所述，低場核磁共振技術(shù)在水泥基材料中的應(yīng)用能夠提供材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理參數(shù)的非破壞性測量方法，并揭示材料性能和性質(zhì)的變化規(guī)律。可以在水分含量監(jiān)測、孔隙結(jié)構(gòu)評估、水化反應(yīng)分析、滲透性評估和老化狀況評估等方面提供可靠的分析數(shù)據(jù)。這些信息對于提高水泥基材料的質(zhì)量和性能、優(yōu)化工程應(yīng)用具有重要意義。

參考文獻：

[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.