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(guò)程中會(huì)填充微小孔隙并形成骨架，從而顯著提升土體的抗剪強(qiáng)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(chǎng)核磁共振技術(shù)相較傳統(tǒng)土體水分測(cè)試方法：烘干法、紅外法等，具有無(wú)損快速精準(zhǔn)的特點(diǎn)，能夠在分鐘級(jí)別給出準(zhǔn)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(chǎng)核磁技術(shù)可以全孔徑尺寸表征土體內(nèi)部納米級(jí)到毫米級(jí)的孔隙，可以檢測(cè)土體在不同環(huán)境下（干燥、飽和、加壓等）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相變過(guò)程中的水分分布情況。

基于核磁共振技術(shù)對(duì)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(cè)土體長(zhǎng)期性能提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。

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

樣品制備與測(cè)試：

樣品來(lái)源：實(shí)驗(yàn)所用土料為取自中國(guó)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(shí)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(cè)量：PWD測(cè)量采用低場(chǎng)核磁共振（NMR）技術(shù)，其核心在于將NMR測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)論：

圖一 不同類(lèi)型孔隙水分布模型

圖一基于核磁劃分水分類(lèi)型：

強(qiáng)束縛水：通過(guò)范德華力緊密吸附在黏土顆粒表面；

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

團(tuán)聚體間孔隙水：存在于團(tuán)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(shí)試樣的孔隙水分布曲線

圖二顯示了不同壓實(shí)度下飽和壓制成型試樣的孔隙水分布特征：表明隨著壓實(shí)度的提高，孔隙水含量總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這說(shuō)明壓實(shí)過(guò)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(shí)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(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。當(dāng)初始含水率增至（w16）和（w20）時(shí)，曲線轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰形態(tài)，這標(biāo)志著土壤顆粒已經(jīng)聚集成團(tuán)，形成了典型的“團(tuán)聚體內(nèi)孔隙”和“團(tuán)聚體間孔隙”并存的二元結(jié)構(gòu)。

圖四 土壤干燥過(guò)程中孔隙水分布的動(dòng)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(guò)程，兩個(gè)階段：

階段1（圖四a）?：在干燥初期，隨著飽和度從100%開(kāi)始下降，對(duì)應(yīng)較大孔隙被迅速排出。其中第一個(gè)峰值反而會(huì)暫時(shí)升高，這是因?yàn)榇罂紫吨械乃豢諝馊〈?，不連續(xù)的水可能被識(shí)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(jìn)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(tuán)聚體間孔隙水完全排出后，團(tuán)聚體內(nèi)孔隙水含量開(kāi)始快速減少。同時(shí)，整個(gè)曲線向左移動(dòng)，反映了土壤干燥過(guò)程中的收縮現(xiàn)象。

該案例利用低場(chǎng)核磁技術(shù)，對(duì)土體中的水組分進(jìn)行了劃分，同時(shí)研究了其在壓實(shí)、飽和及干燥過(guò)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(xiàn)：

 [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

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