一种利用低场核磁共振技术表征水泥水化程度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种基于低场核磁共振技术表征水泥水化程 度的方法。
【背景技术】
[0002] 水泥是土木建筑行业最大宗的建筑材料之一。水泥从加水开始发生水化反应，逐 步凝结硬化并将砂、石子等固结在一起形成混凝土等成品材料。在建筑材料领域内，对水泥 的水化程度进行的表征一直是行业内科研人员从事科学研究、企业研发人员开发新产品时 的常规实验项目之一。因此，研究开发表征水泥水化程度的新技术、新方法有着广泛的应用 前景。
[0003] 根据文献报道[1]，表征水泥水化程度常用的方法有：水化热法，是从测量水泥水化 反应过程中的放热量来表征水化程度；化学结合水法、氢氧化钙定量测试法，是分别从对水 化反应产物中化学结合水量和氢氧化钙量的测定来表征水化程度，需要对样品进行中止水 化和干燥加热，属于破损性测试方法无法实现对同一个样品的连续测试。
[0004] 根据水泥化学的相关理论，水是水泥浆体中不可或缺的组分，水的状态转变也是 水化反应的关键步骤之一。随着水化反应的持续进行，其存在状态从开始的纯自由水逐渐 向物理结合水、化学结合水转变，这些转变都与水化动力学有着密切的相关性。由T. C. Powers提出的模型[2]指出：水泥完全水化时存在一个最小水量。这一理论的前提是首先要 区分两种类型的水，一种是可蒸发水，即饱和水泥浆在D-干燥(烘箱干燥）时失去的水；以 及非蒸发水，即经D-干燥后水泥浆体被加热到(使灼热）1000°C时才失去的水。其中可蒸 发水包含毛细孔及凝胶孔中的水以及部分硫铝酸钙中脱出的一些水化水。而非蒸发水可以 从水化产物结构中结合水的总量近似量测。非蒸发水（w n)与已经产生的水化总量是成正比 的，因此每克水泥的非蒸发水水量为： Wn=O. 24 a g/g 干水泥 （1) 式中，α为水化程度（即水泥中已经水化的部分)。当水泥完全水化时（α =1. 〇)，〇. 24g 为每克水泥结合的非蒸发水量。每克水泥的"凝胶孔"内水的总量(包括某些硫铝酸钙水化 产物中的一些结合水）由下式求得： Wg=O. 18 a g/g 干水泥 （2) 式中，wgS凝胶水，主要与C-S-H有关。
[0005] 形成水化产物还需要形成一个饱和的凝胶孔，因此为完全水化需要的水量《_ 为： wmin=wn+wg g/g 干水泥 （3) 或 (w/c) min=0. 42 α (4) 这样，水泥完全水化（α =1. 0)时的w/c不应该低于0. 42。
[0006] 由上可见，通过追踪不同状态的水的含量变化即可用于表征水泥水化反应的程 度。低场核磁共振技术为实现上述设想提供了可能，其原理是该方法以水泥浆体中的水分 子作为检测对象，采集到的核磁共振信号强度具有一定的选择敏感性，主要对弛豫时间较 长的物理结合水敏感。低场核磁仪器通过采集不同状态下水分子的信号，而信号量与水分 子含量成正比。浆体中的水从开始拌合时的自由水，随水化反应的进行，一部分转变为水 泥颗粒间隙的水、絮凝结构中的水、毛细孔中的水、凝胶孔中的水，这部分水因为具有可蒸 发性统称为物理结合水；其余部分通过化学反应成为氢氧化钙等水化产物中的水，不具有 可蒸发性称为化学结合水。由于化学结合水的弛豫时间很短(约为10 μ S)，低场核磁共振 仪器是检测不到的，仪器所检测到的信号来自于未参加化学反应的具有可蒸发性物理结合 水，因此低场核磁共振仪器所得到的第一回波峰振幅I (t)随水化时间的变化，反映的是水 泥浆体中可蒸发水含量的变化。结合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变情况。不仅如此，低场核磁共振技术还是一种快 速、准确、无损并且可以连续测量的方法，可以直接以孔内的水分子为探针，实现原位探测 和连续监测，不需要对样品进行中止水化，是一种非破损方法，也不受干燥或称量时误差影 响，数据准确性高。
[0007] [1]王培铭，丰曙霞，刘贤萍.水泥水化程度研究方法及其进展[J].建筑材 料学报，2005，8 (6) :646-652.
[2]西德尼?明德斯，J.弗朗西斯?杨等著.混凝土，吴科如等译.北京：化学工 业出版社，2004:74-77。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是针对现有方法的不足，利用低场核磁共振实验中CPMG脉冲序列 采集所得的各衰减曲线第一回波峰振幅随水化时间的变化来表征水泥水化程度。本方法的 测试过程更加简便，数据处理方便、快捷，受样品和实验人的影响小 本发明提出的一种利用低场核磁共振技术表征水泥水化程度的方法，具体步骤如下： (1) 配制浆体，称量并计算水泥浆体中的初始含水量m。和水泥量m。，然后将水泥浆体放 入低场核磁共振分析仪，设置好低场核磁共振分析仪参数； (2) 采用低场核磁共振分析仪的CPMG脉冲序列采集不同水化时间t时刻的核磁共振横 向弛豫衰减信号； (3) 自动采集不同水化时间t时刻衰减曲线第一回波峰振幅I (t)，记第一个采集点的 幅值为I。； (4) 通过I (t)与I。的比值确定不同水化时间t时刻的物理结合水量m(t); (5) 根据公式
得到不同水化时间t时刻水化度a (t); Y表示使得一克水泥完全水化时所需的最低水灰比，对于不外掺其它矿物掺合料的纯水泥 体系而言，根据Τ. C. Powers模型γ取0.42; (6) 绘制水化t时刻水化度a (t)与不同水化时间t时刻的关系曲线，便可读取水泥桨 体任意时刻的水化程度。
[0009] 本发明中，步骤（1)中初始含水量m。和水泥量m。的计算公式为：
其中：1?表示样品和样品瓶总质量，为空样品瓶质量，w/c为配制浆体所用的水泥和 水的质量比。
[0010] 本发明中，步骤（2)中采集不同水化时间t时刻的核磁共振横向弛豫衰减信号，根 据水泥水化反应