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循環供應養分、氧氣和其他重要成分的角色，為整個基建設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，可以為實際工程應用提供科學依據。

低場核磁共振（LF-NMR）是一種無損、綠色、可重復、全尺度的快速檢測技術，該技術能夠對水泥基材料的水分含量、孔隙結構、水化反應、滲透性和老化狀況等方面進行精確分析和評估，從而為優化水泥基材料的性能、提高工程質量提供了科學依據，同時也為基建設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，它們的孔隙結構和使用性能直接影響到建筑物的安全和使用壽命。傳統的材料檢測方法通常是基于物理性能或化學成分進行分析，但這些方法存在著一些缺點，如需要樣品準備、破壞性測試以及測試時間長等。目前，低場核磁共振技術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。低場核磁共振技術能夠在不破壞樣品的情況下，通過對材料中的水分、孔隙結構和滲流等方向進行分析，從而評估水泥基材料的性能和質量。

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

1.評價CEA和MEA添加劑對孔隙結構的影響：

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合使用CaO或MgO來解決混凝土的孔隙結構問題。該案例通過低場核磁共振技術研究了CEA和MEA含量、固化溫度等因素對早期砂漿孔隙結構的影響。

實驗結果表明：在整個測試階段，CEA和MEA的組合使用對砂漿的孔隙結構有很大影響。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構分析的新模型。與傳統模型相比，該模型的預測值與測試數據有很好的一致性，可以為緩解工程應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構和毛細水吸收特性之間關系的實驗分析：

毛細管吸收能力對混凝土的耐久性有重要影響，與孔隙結構密切相關。

在這項研究中，樣品的孔隙結構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構的影響：

高強度和高性能混凝土（HSHPC）在實際建設工程中，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（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。

測試結果顯示，樣本的PSD通常包含兩個峰值。SRA和TRI的結合使用對樣本的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，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k是評估CBMs水遷移行為的兩個重要參數，與水泥基材料的微觀結構密切相關。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 隨著水與粘結劑（w/b）比率和沙與粘結劑（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、耐久性和經濟性。孔隙結構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確定了水粘比（w/b）和粉煤灰含量對早期水泥漿孔隙結構的影響。

實驗結果表明：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，以提高混凝土的耐久性。應用低場核磁實驗方法來評估甲酸鹽對孔隙表面和結構的影響。核磁結果表明，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構發生了變化，片狀晶體的產生導致了孔隙結構和孔隙表面特性發生改變，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：

綜上所述，低場核磁共振技術在水泥基材料中的應用能夠提供材料內部結構和物理參數的非破壞性測量方法，并揭示材料性能和性質的變化規律。可以在水分含量監測、孔隙結構評估、水化反應分析、滲透性評估和老化狀況評估等方面提供可靠的分析數據。這些信息對于提高水泥基材料的質量和性能、優化工程應用具有重要意義。

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.