前沿應用|基于低場核磁技術的固廢污泥水泥的孔隙結構演變研究

每年產(chǎn)生大量廢棄污泥，若處理不當會引發(fā)生態(tài)污染和安全風險。將其固化作為路基、堤壩等填料是一種廣泛認可的有效方法。然而，由于含水率高，常規(guī)固化污泥（SS）難以直接壓實。實際工程中通常先將污泥與固化劑混合養(yǎng)護形成SS，再經(jīng)挖掘、破碎、運輸、分層攤鋪和碾壓，最終形成顆粒重組固化污泥（RSS）。

破碎和壓實過程會不可避免地破壞SS原有的結構膠結并導致顆粒重組，這使得RSS的力學行為與未破碎的SS存在本質(zhì)差異 。實驗室通常測定未破碎SS試樣的強度指標，但這可能導致對實際工程中RSS強度需求的低估，存在工程失效風險 ?，F(xiàn)有研究對不同重組時間節(jié)點下RSS微觀結構特征協(xié)同變化的系統(tǒng)研究有限，也缺少可靠的強度預測模型來指導工程應用 。

低場核磁共振技術是一種原位在線、對樣品無損檢測的技術手段。經(jīng)連續(xù)不斷的檢測，通過弛豫分析微觀表征手段，可以揭示固廢污泥水泥的孔隙結構演化、分析孔隙分布曲線、量化各類孔隙等研究。在結合宏觀力學檢測手段的情況下，可以進一步研究顆粒重組后宏觀強度發(fā)展與微孔結構演化的協(xié)同變化，為指導實際工程應用帶來機理性的科學幫助。

科研案例：Effect of particle recombination on mechanical  property and microstructure of solidified waste  sludge ^[1]：

樣品信息：

1）污泥樣品：取自中國寧波某基坑開挖工程。

2）固化劑：普通硅酸鹽水泥。

樣品制備：

1）常規(guī)固化污泥（SS）?：

污泥經(jīng)風干、破碎、過篩（<2mm），調(diào)整至初始含水率后與水泥攪拌?；旌衔锪⒓吹谷?0.7 mm立方體試模和鋼制環(huán)刀（直徑61.8mm，高20mm）中成型。試樣包裹塑料薄膜，在標準養(yǎng)護室（22°C，90% 濕度）中養(yǎng)護。48小時后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護至設計齡期T。

2）顆粒重組固化污泥（RSS）?：

模擬現(xiàn)場填筑施工過程，混合料先裝入40×30×22 cm的箱子中密封養(yǎng)護至設計的重組時間節(jié)點t1。在t1時刻取出混合料，破碎并過篩至小于5mm。將破碎后的材料分三層壓實入70.7mm立方體試模中，壓實能控制在2677.2-2687.0 KJ/m3。試樣脫模后繼續(xù)養(yǎng)護至設計時間T。LF-NMR測試樣品是從立方體試樣中心切取的60mm*100 mm圓柱體。

實驗方案：

實驗設計主要考察三個變量：水泥含量 、養(yǎng)護齡期 (T) 和重組時間節(jié)點 ( t1)

水泥含量 ：設置為 3%、5%、7%、9%。

養(yǎng)護齡期 (T)：設計為 1、3、7、14、28、60 天。

重組時間節(jié)點 (t1)：SS 試樣t1為0；RSS試樣t1設置為 1、3、7、14 天。

使用MicroMR20-025V低場核磁共振分析儀表征孔隙結構演化和孔隙尺寸分布。在測試前，將代表性樣品在水中真空飽和24小時，然后樣品被轉(zhuǎn)移到玻璃瓶中，放入核磁共振進行弛豫測試。

實驗結論：

圖：不同時間下的污泥水泥弛豫分布曲線

該圖展示了在不同重組時間節(jié)點和養(yǎng)護齡期（水泥含量=7%）條件下，RSS樣品的弛豫分布曲線。根據(jù)弛豫分析有以下結論：

1）SS試樣的孔隙演化規(guī)律：

對于SS試樣，所有三個區(qū)間的峰值和積分面積均隨養(yǎng)護齡期的增加而減小。左、右區(qū)間的弛豫分布曲線隨時間向左移動，而中間區(qū)間變化很小。積分面積代表孔隙體積，曲線左移代表孔隙尺寸減小。這一現(xiàn)象表明，隨著養(yǎng)護時間的推移，水化產(chǎn)物的填充作用使得SS的孔隙尺寸和體積不斷減小。

2）RSS試樣的孔隙演化規(guī)律：

隨重組時間節(jié)點T的變化：對于RSS試樣（在T=t1時），三個區(qū)間的峰值和積分面積隨重組時間節(jié)點t1的延長而增加。左、右區(qū)間的弛豫分布曲線隨t1增加向右移動，而中間區(qū)間峰值對應的弛豫時間基本保持不變 。這表明孔隙尺寸和體積隨t1增加而增大。

隨二次養(yǎng)護齡期的變化：當T達到28天時，RSS的峰值和積分面積較T=t1時減小，且t1越低，減小的幅度越大。弛豫分布曲線隨養(yǎng)護時間向左移動，表明由于水化產(chǎn)物的二次填充作用，孔隙尺寸和體積減小。

小結：

低場核磁共振通過原位現(xiàn)在微觀表征手段揭示了固廢污泥水泥顆粒重組后微孔結構演化過程化，闡明了顆粒重組破壞原有膠結微結構、導致凝膠孔減少和大孔隙增加，從而引起黏聚力和強度顯著降低的機制。確定了較低的重組時間節(jié)點對應著更高的微觀結構和孔隙分布優(yōu)化程度及更高強度，為工程實踐中確定最佳重組時間提供了依據(jù)

推薦設備：

大口徑核磁共振成像分析儀

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參考文獻：

[1] Cheng X, Chen Y, Chen H. et al. Effect of particle recombination on mechanical property and microstructure of solidified waste sludge. Sci Rep (2026).