T1-T2二維弛豫時間譜圖用于表征水化水泥砂漿中的固態(tài)含氫結(jié)晶相-Portlandite、Ettringite

水泥的水化過程是水泥基材料性能的關(guān)鍵。其固體水化產(chǎn)物是各種礦物的剛性復雜混合物，主要包括氫氧鈣石（Portlandite）、鈣礬石（Ettringite）、水合硅酸鈣凝膠（C-S-H）等。其中氫氧鈣石（Portlandite）和水化程度相關(guān)；鈣礬石（Ettringite）和水泥基材料的膨脹和硬度相關(guān)。對水化水泥漿中固態(tài)結(jié)晶相進行分析可有效促進水泥水化過程、水泥材料性能的研究。傳統(tǒng)的熱重分析法（TGA）、X射線衍射法（XRD）需要對樣品進行破壞性處理，且結(jié)果受到樣品預處理過程的影響。H核磁共振分析法(NMR)通過對樣品中多種含氫組分的測量，無損、非接觸的測量過程，能夠有效避免傳統(tǒng)方法的弊端，實現(xiàn)對水泥基材料樣品的原位分析。

1-D弛豫時間分析方法無法有效區(qū)分具有相同或相似的橫向、縱向弛豫時間的含氫組分，尤其是固態(tài)含氫組分。T1-T2二維弛豫時間譜圖則可有效實現(xiàn)樣品中各固態(tài)含氫結(jié)晶相的區(qū)分和分析。

東南大學陸榮生教授領導的低場時域磁共振技術(shù)課題組通過對水灰比（w/c）為0.4的白水泥樣品，在應化7天后、60天后開展T1-T2二維弛豫時間測量及二維弛豫時間譜圖分析，證明T1-T2二維弛豫時間譜圖可有效用于表征水化水泥漿中的固態(tài)含氫結(jié)晶相-Portlandite、Ettringite的相關(guān)研究。

圖1：w/c=0.4的白水泥樣品，水化7天后二維譜圖

圖2：不同溫度下T1-T2二維弛豫時間與樣品重量變化的PLSR分析法回歸系數(shù)圖（a）20℃-150℃，該溫度下毛細水和鈣礬石（Ettringite）開始分解；（b）150℃-350℃，該溫度下C-S-H凝膠水開始分解；（c）350℃-550℃，該溫度下氫氧鈣石（Portlandite）完全分解，C-S-H凝膠水分解

圖3：水化白水泥的T1-T2二維譜圖分布說明

結(jié)論如下：

1） 固態(tài)含氫結(jié)晶相：氫氧鈣石（Portlandite）、鈣礬石（Ettringite）具有相同的T2弛豫時間（28us），1-D T2弛豫時間反演無法區(qū)分；

2） 氫氧鈣石（Portlandite）：T2弛豫時間28us，T1/T2約為100；

3） 鈣礬石（Ettringite）：T2弛豫時間28us，與氫氧鈣石（Portlandite）相似，T1/T2＞1000；

4） C-S-H凝膠水：NMR信號來自于水合硅酸鈣凝膠/極小的孔隙，T2弛豫時間在0.1-1ms；T1/T2約為2-4；

5） 毛細水：NMR信號來自于大孔，T2弛豫時間大于1ms；

6） 結(jié)合定量技術(shù)，T1-T2二維譜圖可實現(xiàn)不同含氫組分的定量測量功能。

7） T1-T2二維譜圖分析水化白水泥模型如圖3所示。

來源說明：An NMR Relaxation Method of Characterizing Hydrogen-Bearing Crystalline Solid Phases in Hydrated Cement Paste，IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL. 71, 2022