背景介紹：

       通過核磁共振技術，分析水泥基材料內部孔隙水中氫質子的弛豫時間，研究水泥基材料內部的微觀結構，探索水泥基材料的微觀結構與毛細吸水特性之間的關系。

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構與毛細吸水特性的關系。

       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，養護齡期為14天；M11、M21、M31代表灰砂比（c/s）1:1、2:1、3:1的砂漿試樣，其水灰比統一采用0.35，養護齡期為14天；按M21的配合比重復澆注三個試樣，養護齡期（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）等質量替代0%、20%、40%水泥摻量的混凝土試樣，養護齡期為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構，微觀結構的孔徑d與T2信號量的關系如公式所示：

       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為轉換系數，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吸水總量，試樣如圖2所示，毛細吸水試驗裝置圖如圖3所示，毛細吸水系數由以下公式求出。

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

孔徑分布變化結果：

       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，峰值對應的孔徑是Z幾孔徑；第二個波峰為毛細孔。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。隨著養護齡期的增加，Z幾孔徑向左側移動。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。隨著養護齡期的增加，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。

單位面積毛細吸水量與時間平方根的關系：

       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系。曲線可分為兩個階段：線性階段（斜率稱為毛細吸水系數）和穩定階段。

毛細吸水系數：

       圖7為不同影響因素下試樣的毛細吸水系數。毛細吸水系數與水灰比或灰砂比近似呈線性關系，與養護齡期或粉煤灰含量呈非線性關系。

微觀結構與毛細吸水系數之間的關系：

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

修正模型與不同影響因素之間的關系：

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

       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。

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

       表2給出了圖7中的毛細吸水系數試驗值S’和理論計算的毛細吸水系數理論值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果成立的條件是假設水泥基材料的毛細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k對Sm進行修正，修正系數k的結果見表2。

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

結論：

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

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

標簽：低場核磁共振分析儀毛細吸水特性水泥基材料的微觀結構