前沿應(yīng)用|基于核磁共振技術(shù)的土凝巖土體改良孔隙水分布特征表征

在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的綠色轉(zhuǎn)型浪潮中，“土凝巖”作為一種低碳環(huán)保的新型材料，正逐漸取代傳統(tǒng)的水泥、石灰等固化劑，成為路基改良與地基加固的主力軍。土凝巖在固化過程中會填充微小孔隙并形成骨架，從而顯著提升土體的抗剪強度與耐久性，重構(gòu)了土體內(nèi)部的水分分布。那么土凝巖如何從微觀層面改變土體的物理化學(xué)性質(zhì)？其改良后的孔隙水分布特征究竟發(fā)生了怎樣的變化？

低場核磁共振技術(shù)相較傳統(tǒng)土體水分測試方法：烘干法、紅外法等，具有無損快速精準的特點，能夠在分鐘級別給出準確的含水率結(jié)果，以及表征土體內(nèi)部水分分布特征，此外低場核磁技術(shù)可以全孔徑尺寸表征土體內(nèi)部納米級到毫米級的孔隙，可以檢測土體在不同環(huán)境下（干燥、飽和、加壓等）實時動態(tài)相變過程中的水分分布情況。

基于核磁共振技術(shù)對土凝巖改良土體的研究，不僅揭示了微觀孔隙水分布特征的演變規(guī)律，更為優(yōu)化改良劑配方、預(yù)測土體長期性能提供了堅實的理論依據(jù)。

基于低場核磁土體在壓實、飽和及干燥過程中的孔隙水分布特征的研究案例^[1]：

樣品制備與測試：

樣品來源：實驗所用土料為取自中國北京延慶區(qū)的粉質(zhì)黏土。

預(yù)處理：土樣首先在105°C下烘干，然后在密封袋中冷卻備用。

樣品配置：使用聚四氟乙烯（PTFE）環(huán)刀（內(nèi)徑45.0mm，高20.0mm）制備試樣，制備方案涵蓋了不同壓實度（80%, 85%, 90%, 95%, 100%）和不同初始含水率（12%, 16.5%, 20%）的組合。

孔隙水分布（PWD）測量：PWD測量采用低場核磁共振（NMR）技術(shù)，其核心在于將NMR測得的T?譜轉(zhuǎn)化為具有明確物理意義的孔隙水分布曲線。

實驗結(jié)論：

圖一 不同類型孔隙水分布模型

圖一基于核磁劃分水分類型：

強束縛水：通過范德華力緊密吸附在黏土顆粒表面；

團聚體內(nèi)孔隙水：填充在黏土顆粒聚集而成的“團聚體”內(nèi)部孔隙中；

團聚體間孔隙水：存在于團聚體間的宏觀孔隙，是土壤中最自由、最容易被排出的水。

分布模型清晰的展示了不同水組分的在土體內(nèi)部的位置。

圖二 飽和壓實試樣的孔隙水分布曲線

圖二顯示了不同壓實度下飽和壓制成型試樣的孔隙水分布特征：表明隨著壓實度的提高，孔隙水含量總體上呈現(xiàn)下降趨勢。這說明壓實過程中，土壤的孔隙空間被壓縮，導(dǎo)致孔隙水含量減少。

圖三 不同初始含水量下飽和壓實試樣的水分布特性

圖三顯示在較低的初始含水率下（w12），曲線呈單峰形態(tài)，表明土壤顆粒尚未充分聚集形成團聚體結(jié)構(gòu)。當初始含水率增至（w16）和（w20）時，曲線轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰形態(tài)，這標志著土壤顆粒已經(jīng)聚集成團，形成了典型的“團聚體內(nèi)孔隙”和“團聚體間孔隙”并存的二元結(jié)構(gòu)。

圖四 土壤干燥過程中孔隙水分布的動態(tài)演化特征（a、b）

圖四為基于核磁共振技術(shù)的土壤干燥過程，兩個階段：

階段1（圖四a）?：在干燥初期，隨著飽和度從100%開始下降，對應(yīng)較大孔隙被迅速排出。其中第一個峰值反而會暫時升高，這是因為大孔隙中的水被空氣取代后，不連續(xù)的水可能被識別為較小孔隙中的水，導(dǎo)致孔隙水含量的“假性”增加。

階段2（圖四b）?：隨著干燥繼續(xù)進行，曲線面積隨飽和度降低而減小，表明土壤整體水量下降。在團聚體間孔隙水完全排出后，團聚體內(nèi)孔隙水含量開始快速減少。同時，整個曲線向左移動，反映了土壤干燥過程中的收縮現(xiàn)象。

該案例利用低場核磁技術(shù)，對土體中的水組分進行了劃分，同時研究了其在壓實、飽和及干燥過程中的水分布特征，為土凝巖土體改良孔隙水分布特征的表征提供支持。

參考文獻：

 [1] Zhao Y X, Wu L Z, Li X. NMR-based pore water distribution characteristics of silty clay during the soil compaction, saturation, and drying processes[J].Journal of Hydrology, 2024, 636(000):12

如您對以上應(yīng)用感興趣，歡迎咨詢：18516712219

MacroMR12-150H-I