前沿應(yīng)用|基于低場(chǎng)核磁技術(shù)的固廢污泥水泥的孔隙結(jié)構(gòu)演變研究

每年產(chǎn)生大量廢棄污泥，若處理不當(dāng)會(huì)引發(fā)生態(tài)污染和安全風(fēng)險(xiǎn)。將其固化作為路基、堤壩等填料是一種廣泛認(rèn)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(shí)。實(shí)際工程中通常先將污泥與固化劑混合養(yǎng)護(hù)形成SS，再經(jīng)挖掘、破碎、運(yùn)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(shí)過程會(huì)不可避免地破壞SS原有的結(jié)構(gòu)膠結(jié)并導(dǎo)致顆粒重組，這使得RSS的力學(xué)行為與未破碎的SS存在本質(zhì)差異 。實(shí)驗(yàn)室通常測(cè)定未破碎SS試樣的強(qiáng)度指標(biāo)，但這可能導(dǎo)致對(duì)實(shí)際工程中RSS強(qiáng)度需求的低估，存在工程失效風(fēng)險(xiǎn) ?，F(xiàn)有研究對(duì)不同重組時(shí)間節(jié)點(diǎn)下RSS微觀結(jié)構(gòu)特征協(xié)同變化的系統(tǒng)研究有限，也缺少可靠的強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型來(lái)指導(dǎo)工程應(yīng)用 。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)是一種原位在線、對(duì)樣品無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)手段。經(jīng)連續(xù)不斷的檢測(cè)，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(jié)構(gòu)演化、分析孔隙分布曲線、量化各類孔隙等研究。在結(jié)合宏觀力學(xué)檢測(cè)手段的情況下，可以進(jìn)一步研究顆粒重組后宏觀強(qiáng)度發(fā)展與微孔結(jié)構(gòu)演化的協(xié)同變化，為指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用帶來(lái)機(jī)理性的科學(xué)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(guó)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（22°C，90% 濕度）中養(yǎng)護(hù)。48小時(shí)后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期T。

2）顆粒重組固化污泥（RSS）?：

模擬現(xiàn)場(chǎng)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(hù)至設(shè)計(jì)的重組時(shí)間節(jié)點(diǎn)t1。在t1時(shí)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(shí)入70.7mm立方體試模中，壓實(shí)能控制在2677.2-2687.0 KJ/m3。試樣脫模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)時(shí)間T。LF-NMR測(cè)試樣品是從立方體試樣中心切取的60mm*100 mm圓柱體。

實(shí)驗(yàn)方案：

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要考察三個(gè)變量：水泥含量 、養(yǎng)護(hù)齡期 (T) 和重組時(shí)間節(jié)點(diǎn) ( t1)

水泥含量 ：設(shè)置為 3%、5%、7%、9%。

養(yǎng)護(hù)齡期 (T)：設(shè)計(jì)為 1、3、7、14、28、60 天。

重組時(shí)間節(jié)點(diǎn) (t1)：SS 試樣t1為0；RSS試樣t1設(shè)置為 1、3、7、14 天。

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

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

圖：不同時(shí)間下的污泥水泥弛豫分布曲線

該圖展示了在不同重組時(shí)間節(jié)點(diǎn)和養(yǎng)護(hù)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(jié)論：

1）SS試樣的孔隙演化規(guī)律：

對(duì)于SS試樣，所有三個(gè)區(qū)間的峰值和積分面積均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而減小。左、右區(qū)間的弛豫分布曲線隨時(shí)間向左移動(dòng)，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(hù)時(shí)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(shí)間節(jié)點(diǎn)T的變化：對(duì)于RSS試樣（在T=t1時(shí)），三個(gè)區(qū)間的峰值和積分面積隨重組時(shí)間節(jié)點(diǎn)t1的延長(zhǎng)而增加。左、右區(qū)間的弛豫分布曲線隨t1增加向右移動(dòng)，而中間區(qū)間峰值對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)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(hù)齡期的變化：當(dāng)T達(dá)到28天時(shí)，RSS的峰值和積分面積較T=t1時(shí)減小，且t1越低，減小的幅度越大。弛豫分布曲線隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間向左移動(dòng)，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(jié)：

低場(chǎng)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(jié)構(gòu)演化過程化，闡明了顆粒重組破壞原有膠結(jié)微結(jié)構(gòu)、導(dǎo)致凝膠孔減少和大孔隙增加，從而引起黏聚力和強(qiáng)度顯著降低的機(jī)制。確定了較低的重組時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著更高的微觀結(jié)構(gòu)和孔隙分布優(yōu)化程度及更高強(qiáng)度，為工程實(shí)踐中確定最佳重組時(shí)間提供了依據(jù)

推薦設(shè)備：

大口徑核磁共振成像分析儀

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參考文獻(xiàn)：

[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).