一種利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)表征水泥水化程度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于建筑材料領(lǐng)域，具體涉及一種基于低場(chǎng)核磁共振技術(shù)表征水泥水化程 度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水泥是土木建筑行業(yè)最大宗的建筑材料之一。水泥從加水開始發(fā)生水化反應(yīng)，逐 步凝結(jié)硬化并將砂、石子等固結(jié)在一起形成混凝土等成品材料。在建筑材料領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)水泥 的水化程度進(jìn)行的表征一直是行業(yè)內(nèi)科研人員從事科學(xué)研究、企業(yè)研發(fā)人員開發(fā)新產(chǎn)品時(shí) 的常規(guī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一。因此，研究開發(fā)表征水泥水化程度的新技術(shù)、新方法有著廣泛的應(yīng)用 前景。
[0003] 根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[1]，表征水泥水化程度常用的方法有：水化熱法，是從測(cè)量水泥水化 反應(yīng)過程中的放熱量來表征水化程度；化學(xué)結(jié)合水法、氫氧化鈣定量測(cè)試法，是分別從對(duì)水 化反應(yīng)產(chǎn)物中化學(xué)結(jié)合水量和氫氧化鈣量的測(cè)定來表征水化程度，需要對(duì)樣品進(jìn)行中止水 化和干燥加熱，屬于破損性測(cè)試方法無法實(shí)現(xiàn)對(duì)同一個(gè)樣品的連續(xù)測(cè)試。
[0004] 根據(jù)水泥化學(xué)的相關(guān)理論，水是水泥漿體中不可或缺的組分，水的狀態(tài)轉(zhuǎn)變也是 水化反應(yīng)的關(guān)鍵步驟之一。隨著水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，其存在狀態(tài)從開始的純自由水逐漸 向物理結(jié)合水、化學(xué)結(jié)合水轉(zhuǎn)變，這些轉(zhuǎn)變都與水化動(dòng)力學(xué)有著密切的相關(guān)性。由T. C. Powers提出的模型[2]指出：水泥完全水化時(shí)存在一個(gè)最小水量。這一理論的前提是首先要 區(qū)分兩種類型的水，一種是可蒸發(fā)水，即飽和水泥漿在D-干燥(烘箱干燥）時(shí)失去的水；以 及非蒸發(fā)水，即經(jīng)D-干燥后水泥漿體被加熱到(使灼熱）1000°C時(shí)才失去的水。其中可蒸 發(fā)水包含毛細(xì)孔及凝膠孔中的水以及部分硫鋁酸鈣中脫出的一些水化水。而非蒸發(fā)水可以 從水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中結(jié)合水的總量近似量測(cè)。非蒸發(fā)水（w n)與已經(jīng)產(chǎn)生的水化總量是成正比 的，因此每克水泥的非蒸發(fā)水水量為： Wn=O. 24 a g/g 干水泥 （1) 式中，α為水化程度（即水泥中已經(jīng)水化的部分)。當(dāng)水泥完全水化時(shí)（α =1. 〇)，〇. 24g 為每克水泥結(jié)合的非蒸發(fā)水量。每克水泥的"凝膠孔"內(nèi)水的總量(包括某些硫鋁酸鈣水化 產(chǎn)物中的一些結(jié)合水）由下式求得： Wg=O. 18 a g/g 干水泥 （2) 式中，wgS凝膠水，主要與C-S-H有關(guān)。
[0005] 形成水化產(chǎn)物還需要形成一個(gè)飽和的凝膠孔，因此為完全水化需要的水量《_ 為： wmin=wn+wg g/g 干水泥 （3) 或 (w/c) min=0. 42 α (4) 這樣，水泥完全水化（α =1. 0)時(shí)的w/c不應(yīng)該低于0. 42。
[0006] 由上可見，通過追蹤不同狀態(tài)的水的含量變化即可用于表征水泥水化反應(yīng)的程 度。低場(chǎng)核磁共振技術(shù)為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想提供了可能，其原理是該方法以水泥漿體中的水分 子作為檢測(cè)對(duì)象，采集到的核磁共振信號(hào)強(qiáng)度具有一定的選擇敏感性，主要對(duì)弛豫時(shí)間較 長的物理結(jié)合水敏感。低場(chǎng)核磁儀器通過采集不同狀態(tài)下水分子的信號(hào)，而信號(hào)量與水分 子含量成正比。漿體中的水從開始拌合時(shí)的自由水，隨水化反應(yīng)的進(jìn)行，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗?泥顆粒間隙的水、絮凝結(jié)構(gòu)中的水、毛細(xì)孔中的水、凝膠孔中的水，這部分水因?yàn)榫哂锌烧?發(fā)性統(tǒng)稱為物理結(jié)合水；其余部分通過化學(xué)反應(yīng)成為氫氧化鈣等水化產(chǎn)物中的水，不具有 可蒸發(fā)性稱為化學(xué)結(jié)合水。由于化學(xué)結(jié)合水的弛豫時(shí)間很短(約為10 μ S)，低場(chǎng)核磁共振 儀器是檢測(cè)不到的，儀器所檢測(cè)到的信號(hào)來自于未參加化學(xué)反應(yīng)的具有可蒸發(fā)性物理結(jié)合 水，因此低場(chǎng)核磁共振儀器所得到的第一回波峰振幅I (t)隨水化時(shí)間的變化，反映的是水 泥漿體中可蒸發(fā)水含量的變化。結(jié)合T. C. Powers模型提出的使水泥完全水化所消耗的 最小水量，便可表征出水泥水化程度的演變情況。不僅如此，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)還是一種快 速、準(zhǔn)確、無損并且可以連續(xù)測(cè)量的方法，可以直接以孔內(nèi)的水分子為探針，實(shí)現(xiàn)原位探測(cè) 和連續(xù)監(jiān)測(cè)，不需要對(duì)樣品進(jìn)行中止水化，是一種非破損方法，也不受干燥或稱量時(shí)誤差影 響，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高。
[0007] [1]王培銘，豐曙霞，劉賢萍.水泥水化程度研究方法及其進(jìn)展[J].建筑材 料學(xué)報(bào)，2005，8 (6) :646-652.
[2]西德尼?明德斯，J.弗朗西斯?楊等著.混凝土，吳科如等譯.北京：化學(xué)工 業(yè)出版社，2004:74-77。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，利用低場(chǎng)核磁共振實(shí)驗(yàn)中CPMG脈沖序列 采集所得的各衰減曲線第一回波峰振幅隨水化時(shí)間的變化來表征水泥水化程度。本方法的 測(cè)試過程更加簡便，數(shù)據(jù)處理方便、快捷，受樣品和實(shí)驗(yàn)人的影響小 本發(fā)明提出的一種利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)表征水泥水化程度的方法，具體步驟如下： (1) 配制漿體，稱量并計(jì)算水泥漿體中的初始含水量m。和水泥量m。，然后將水泥漿體放 入低場(chǎng)核磁共振分析儀，設(shè)置好低場(chǎng)核磁共振分析儀參數(shù)； (2) 采用低場(chǎng)核磁共振分析儀的CPMG脈沖序列采集不同水化時(shí)間t時(shí)刻的核磁共振橫 向弛豫衰減信號(hào)； (3) 自動(dòng)采集不同水化時(shí)間t時(shí)刻衰減曲線第一回波峰振幅I (t)，記第一個(gè)采集點(diǎn)的 幅值為I。； (4) 通過I (t)與I。的比值確定不同水化時(shí)間t時(shí)刻的物理結(jié)合水量m(t); (5) 根據(jù)公式
得到不同水化時(shí)間t時(shí)刻水化度a (t); Y表示使得一克水泥完全水化時(shí)所需的最低水灰比，對(duì)于不外摻其它礦物摻合料的純水泥 體系而言，根據(jù)Τ. C. Powers模型γ取0.42; (6) 繪制水化t時(shí)刻水化度a (t)與不同水化時(shí)間t時(shí)刻的關(guān)系曲線，便可讀取水泥槳 體任意時(shí)刻的水化程度。
[0009] 本發(fā)明中，步驟（1)中初始含水量m。和水泥量m。的計(jì)算公式為：
其中：1?表示樣品和樣品瓶總質(zhì)量，為空樣品瓶質(zhì)量，w/c為配制漿體所用的水泥和 水的質(zhì)量比。
[0010] 本發(fā)明中，步驟（2)中采集不同水化時(shí)間t時(shí)刻的核磁共振橫向弛豫衰減信號(hào)，根 據(jù)水泥水化反應(yīng)