背景介紹：

       通過核磁共振技術(shù)，分析水泥基材料內(nèi)部孔隙水中氫質(zhì)子的弛豫時間，研究水泥基材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，探索水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)與毛細(xì)吸水特性之間的關(guān)系。

基本思路：

       從水泥凈漿，砂漿和混凝土三個層面上研究微觀結(jié)構(gòu)與毛細(xì)吸水特性的關(guān)系。

       表1是不同工況下的試樣配合比。0.3SJ、0.35SJ、0.4SJ分別表示水灰比（w/c）0.30、0.35、0.40的水泥凈漿，養(yǎng)護(hù)齡期為14天；M11、M21、M31代表灰砂比（c/s）1:1、2:1、3:1的砂漿試樣，其水灰比統(tǒng)一采用0.35，養(yǎng)護(hù)齡期為14天；按M21的配合比重復(fù)澆注三個試樣，養(yǎng)護(hù)齡期（Curing age）分別為7天、14天和28天（分別記為Md7、Md14、Md28）；

       CF00、CF20、CF40分別表示粉煤灰摻量（FA content）等質(zhì)量替代0%、20%、40%水泥摻量的混凝土試樣，養(yǎng)護(hù)齡期為28天。

試驗方法：

       采用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的PQ001 型號的低場核磁共振分析儀測得水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)的孔徑d與T2信號量的關(guān)系如公式所示：

       式中，d為孔徑，nm；T2為水分子在孔隙表面的橫向弛豫時間，ms；C為轉(zhuǎn)換系數(shù)，為48nm/ms。

       孔的等效半徑由以下公式得出：

       式中，rm為孔的等效半徑，nm；dm為等效孔徑，nm；di為第i個孔的尺寸，Ai為第i個孔的面積，如圖1所示。

       利用稱重法測得試樣的毛細(xì)吸水總量，試樣如圖2所示，毛細(xì)吸水試驗裝置圖如圖3所示，毛細(xì)吸水系數(shù)由以下公式求出。

       式中，M(t)為t時刻毛細(xì)吸水總量，kg；A為毛細(xì)吸水面積，m2；S為毛細(xì)吸水系數(shù)，kg/(m2*h0.5)；t為吸水時間，h。

孔徑分布變化結(jié)果：

       圖4為不同影響因素下水泥基材料的孔徑分布圖。圖中主要有兩個波峰，**個波峰為凝膠孔，峰值對應(yīng)的孔徑是Z幾孔徑；第二個波峰為毛細(xì)孔。隨著水灰比的增加，Z幾孔徑向右移動。隨著灰砂比的增加，Z幾孔徑向左移動。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，Z幾孔徑向左側(cè)移動。隨著粉煤灰摻量的增加，Z幾孔徑逐漸向右移動。

孔隙率變化結(jié)果：

       圖5為不同影響因素下水泥基材料孔隙率的變化。水泥漿體的孔隙率隨水灰比的增大而增大。隨著灰砂比的增加，試樣的孔隙率增加。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，試樣的孔隙率降低。對于不同粉煤灰摻量的樣品，CF20和CF40的孔隙率均小于CF00，但CF40的孔隙率大于CF20。

單位面積毛細(xì)吸水量與時間平方根的關(guān)系：

       圖6為不同影響因素下水泥基材料單位面積吸水量與時間平方根的關(guān)系。曲線可分為兩個階段：線性階段（斜率稱為毛細(xì)吸水系數(shù)）和穩(wěn)定階段。

毛細(xì)吸水系數(shù)：

       圖7為不同影響因素下試樣的毛細(xì)吸水系數(shù)。毛細(xì)吸水系數(shù)與水灰比或灰砂比近似呈線性關(guān)系，與養(yǎng)護(hù)齡期或粉煤灰含量呈非線性關(guān)系。

微觀結(jié)構(gòu)與毛細(xì)吸水系數(shù)之間的關(guān)系：

       圖8和圖9分別顯示了毛細(xì)吸水系數(shù)與孔隙率或孔的等效半徑平方根關(guān)系的擬合曲線結(jié)果。如圖8所示，除含粉煤灰的試樣外，所有試樣的毛細(xì)吸水系數(shù)均與孔隙率呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R²均大于0.82。如圖9所示，除含粉煤灰的試樣外，所有試樣的毛細(xì)吸水系數(shù)與孔的等效半徑平方根呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R²大于0.93。

修正模型與不同影響因素之間的關(guān)系：

       水泥基材料的毛細(xì)吸水系數(shù)Sm與孔隙率和孔的等效半徑rm之間的關(guān)系模型定義如下：

       式中，Φ為材料的孔隙率，%；ρ為水的密度，20℃時為998kg/m³；rm為毛細(xì)孔半徑，nm；σ為水的界面張力，20℃時為72.75×10^-3N/m；η為水的粘度，20℃時為1.003×10^-3Ns/m²。

       實際的毛細(xì)吸水系數(shù)S’與孔隙率和孔的等效半徑rm之間的關(guān)系模型可表示為：

       表2給出了圖7中的毛細(xì)吸水系數(shù)試驗值S’和理論計算的毛細(xì)吸水系數(shù)理論值Sm。如表2所示，S’的值與Sm的值不一致。這是因為理論計算結(jié)果成立的條件是假設(shè)水泥基材料的毛細(xì)孔隙是圓柱形并且連通，但是實際上水泥基材料中的孔通常是異形孔，且迂曲度小于1。所以本文引入修正系數(shù)k對Sm進(jìn)行修正，修正系數(shù)k的結(jié)果見表2。

       圖10為修正系數(shù)k與影響因素之間的關(guān)系。如圖10所示，修正系數(shù)k分別與水灰比、灰砂比或養(yǎng)護(hù)齡期之間滿足線性關(guān)系，與粉煤灰摻量呈非線性關(guān)系。

結(jié)論：

       核磁共振法通過測試水泥基材料孔隙中氫質(zhì)子的弛豫時間來反映水分子所處微觀結(jié)構(gòu)的特征，具有非入侵、非破壞、可連續(xù)測量等優(yōu)點。以核磁共振法確定的微觀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，提出了考慮微觀結(jié)構(gòu)的水泥基材料毛細(xì)吸水系數(shù)修正模型。修正模型的理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

Zhao H, Ding J, Huang Y, Tang Y, Xu W, Huang D. Experimental analysis on the relationship between pore structure and capillary water absorption characteristics of cement-based materials. Structural Concrete. 2019;1–13.

https://doi. org/10.1002/suco.201900184

標(biāo)簽：低場核磁共振分析儀毛細(xì)吸水特性水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)