LMR系列

时域核磁共振微观孔隙表征技术

Time-Domain NMR Technology

技 术 原 理

核磁共振岩土分析仪：利用核磁共振时域技术，通过测量材料中水分的核磁共振弛豫行为，来得到岩土等多孔材料的孔隙结构信息，是一种测量微观孔隙结构和水分赋存状态，研究建筑材料水化进程和水分迁移变化规律的新型无损检测设备。

具体的测量原理如下所示：

（1）将样品放置在试管中，放入到设备样品腔中，水中的氢质子在静磁场B0中被逐渐磁化，氢质子做定向进动，能级发生分裂。

（2）在天线中施加一个与氢质子进动频率相同，方向与B0正交的射频场B1，引发氢质子从低能级向高能级发生共振跃迁。

（3）将天线中的射频场B1撤掉后，激发到高能级的氢质子会自发恢复到平衡态，这一过程称为弛豫，仪器检测弛豫过程中的核磁信号。然后将核磁衰减信号转换为T2弛豫谱。

（4）孔隙尺寸越小，比表面积越大，孔隙中水分的弛豫时间越短；孔隙尺寸越大，比表面积越小，孔隙中水分的弛豫时间越长。通过T2弛豫谱可定量研究材料的微观孔隙结构。

应 用 案 例

水泥材料的孔隙测量及干湿循环研究：

如左下图所示，为一种泡沫型水泥材料的实物及CT扫描的切面图。该材料富含各种尺寸的孔隙，对其进行真空饱水，测量该材料的核磁共振T2谱，如右下图所示，T2谱反映了材料的孔隙结构分布。大孔中的水，受孔隙表面弛豫的影响小，弛豫时间T2 较大；小孔中的水，受孔隙表面弛豫的影响大，弛豫时间T2 较小。

将饱水后的样品在不同温度下做不同时间的干燥，每次处理后都测量T2谱， 根据T2谱的变化，研究水分的蒸发规律。实验发现：在40℃干燥时，大孔中的水分先蒸发，而小孔和中孔的水分几乎不变；60℃干燥时，大孔中的水急剧减少，中孔的水分也开始减少，小孔的水分仍几乎不变；80℃干燥时，大孔中的水大量减少，大孔的T2谱向左移动，中孔的水分也大量减少，而小孔的水分仍保持不变。

通过核磁共振无损检测技术，能准确且原位地研究岩土材料的吸水和失水过程，探寻水分迁移变化的微观机制。

多孔陶瓷骨料是一种水泥内养护材料，它内部富含孔隙，对骨料进行真空饱水，测量它的T2谱，如左下图所示，骨料的T2谱分布很广（1~2000ms）， 说明其孔径分布也很广，其中大孔的占比很大。而水泥砂浆中的孔隙以中小孔为主，将骨料拌入新鲜砂浆中，然后测量整个样品的T2谱。如图所示，骨料贡献了绝大部分大孔信号（~1000ms）和大部分中孔信号（~100ms），而砂  浆贡献了绝大部分小孔信号（<10ms）。

将掺骨料的砂浆在密闭条件下进行养护，在不同时刻测试样品的T2谱，根据T2谱图的变化，分析和研究水分从骨料向砂浆迁移的过程。实验发现：在早期水化中（1~7天），砂浆小孔中的水分消耗很快，中大孔的水分消耗不是很多，说明水化过程是首先消耗砂浆自身的水分，然后水分再从中大孔迁移出， 继续满足砂浆水化的需求。到15天和17天，无论是小孔还是中孔的水分剩下 的都不多，大孔的信号则完全消失，说明骨料的水分完成了迁移，达到了内养护的目的。

水泥的水化过程需要很长的一段时间，而对水分的需求也是持续的。通过核磁共振方法能安全无损地监测水泥水化和养护的全过程，对于研究和提升水泥的养护质量具有重要的意义。

岩土材料的冻融研究：

       岩土材料在高低温下会发生冻融现象，热胀冷缩导致材料表面和内部会产生微观裂隙。水汽则通过这些裂隙进入到岩石内部，当岩石再次冰冻后，裂隙中的水分结冰后体积迅速膨胀，于是会进一步加剧对岩土材料的破坏。如下图所示，为一种水泥材料在养护28天后，进行不同次数的冻融循环实验，在第0 次，20次，40次和60次时，对样品进行真空饱水，测试T2谱。

        实验发现，样品在未冻融时，只存在小孔和中孔的信号，其中小孔的信号占主导。随着冻融次数的增加，出现了大孔（~1000ms），大孔和中孔的信号不断增加，而小孔的信号却逐渐减小。这说明裂隙的产生是从小孔开始，小孔逐渐变大而成为中孔和大孔，因此小孔的含量也就减小了。

       核磁共振方法可动态完整地跟踪岩石孔隙变化的全过程，通过核磁共振技术研究不同孔径结构的材料在冻融循环实验下的孔隙演化规律，可总结出相关的规律，获取提高岩土材料抗冻性的方法和技术，对于提高材料的耐久性具有十分重要的意义。此外，对于酸化、海水侵蚀等对岩石孔隙具有破坏性的实验条件，都可以采用核磁共振技术来进行研究。

技 术 指 标