【土木专栏】基于NMR核磁共振技术分析混凝土孔隙率与抗盐冻的关系

众所周知，混凝土是世界上最大宗的人造材料，由于其具有来源广泛、原料易获得、结构稳定性好、易于施工和便于现场浇筑成型、耐久性好等诸多优点，混凝土结构现已发展成为全球范围内使用最为广泛的建筑形式。在传统的认知概念中，大多数人认为混凝土结构是所有结构形式中耐久性最好的，所以往往对混凝土结构的使用寿命值期望过高。但在实际工程中，因忽略混凝土结构耐久性问题，致使许多建筑物未达到设计使用寿命，便提前进入病害阶段，甚至为此付出巨大的代价。

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修建在寒冷地区的混凝土结构或路面在其服役过程中出现开裂、酥松剥落、缺损等质量通病非常普遍，常见的原因主要包括以下几个方面：

混凝土结构所处服役环境恶劣的方面主要体现在以下几个方面，这些原因的相互影响最终对结构的耐久性和安全稳定性产生不利影响，导致结构提前进入病害状态，如不能及时采取措施进行加固或修复，最终可能会酿成重大事故。

冻融破坏是我国北方地区混凝土结构性能发生劣化最为主要的原因。此外，严寒地区（日平均最低气温-19℃）路用混凝土结构物除长期遭受不同种类汽车疲劳荷载外，冬季还会经受除冰盐造成的盐冻破坏等问题。

低磁场核磁共振分析是近几年新兴的快速测量水泥、岩石物性参数的一种新技术。通过信号量定标的方法，核磁共振技术NMR可以被用来测量物质内部孔隙中流体的含量与分布特征。多孔介质经过真空饱和处理以后，内部孔隙大部分被水占据，核磁共振技术通过测定水的质量及已知水的密度，可计算出多孔介质内孔隙的体积，从而得到其孔隙率大小。

文献[1]为研究孔隙率及孔隙结构对混凝土抗盐冻性能的影响，在对比不同配合比的混凝土的抗盐冻性能的基础上，通过NMR核磁共振等方法得到了混凝土孔隙结构及孔隙率，定性分析讨论了孔隙率和孔隙结构与宏观抗盐冻性能的关系。

设计四组不同配合比、不同强度等级等级的混凝土进行单面冻融试验。试验具体配合比如下表所示。

表1 试验用配合比设计

基于NMR核磁共振技术，使用不同磁场强度分别测试了盐冻试件（C1、C2、C3、C4组配合比）的孔隙率及其分布情况。具体结果如下表所示。

表3 试验用配合比设计

分析上表可知，采用不同磁场强度所测得的试件孔隙率结果不同。其中，孔隙率结果从大到小依次为：12M＞2M＞23M。造成23M 设备上测试出的孔隙率结果最小的原因在于，水泥混凝土样品的配合比中掺入了粉煤灰这种含顺磁性离子的物质，而这部分顺磁性的离子，会加速整个样品的弛豫，使得样品的弛豫缩短，而仪器本身的场强越高，对其影响越明显。同时，还应该考虑测试试件信号采集的初始时刻的影响。

根据核磁共振方法孔隙率测试的相关结果，还可以得到样品孔径分布图。

由上图的孔径分布图可以看出，12M 设备上的信号幅值最大，23M 设备上的信号幅值最小。产生上述现象的原因同样在于样品中含有一定数量的顺磁性物质，导致其在相对高的场强下，其弛豫加快，使得部分样品的信号无法采集，因此磁场越高，信号幅值越小。而对于2M 设备采集数据的峰位置相对于12M设备采集的数据明显向右移动，这是由于2M 设备上的TE 回波时间较长所致，使得初始时刻的部分有效信号无法采集，针对这种混凝土中含有粉煤灰的情况，应该对2M 的设备进行必要的改进。总之，针对短弛豫的含有粉煤灰等矿物掺合料的水泥混凝土样品，12M 的设备能有效检测到短弛豫信号，大大提高信噪比。

从上图的孔径分布图中还可以很清楚地看出，不同测试试件具有不同的波峰个数。但多数都集中在0.0001~0.01之间，其峰值位于0.001；在0.03~0.12之间也有一个小的波峰，峰值约在0.08附近。而且所有试件都满足一个稍偏移的正态分布。

核磁共振分析结果表明提高磁场强度会对其测量结果产生一定程度的影响；同时，不同磁场强度对不同配合比的混凝土孔隙率测试的结果影响也不同。

以上为本期推送的全部内容，首先概述了造成寒区混凝土结构发生破坏的主要原因及其后果；然后结合实际工程阐述了基于NMR核磁共振技术分析混凝土孔隙率与抗盐冻的关系，内容不足指出还请大家多多指正。同时非常欢迎各位专家同行和朋友多多交流，您的鼓励和支持是小K继续努力的动力源泉，小K会尽全力给大家继续分享更多丰富有趣、有料有内涵的知识，更多精彩，感谢您的关注。

参考文献：

[1] 董树国,张国杰,侯黎阳,李昆鹏,赵丹,姚继广,胡瑾. 核磁共振数据分析混凝土孔隙率与抗盐冻关系[J]. 电子显微学报,2015,34(05):428-432.