基于核磁共振技術的疏浚淤泥固化土孔隙水含量及分布研究

程福周，雷學文，孟慶山，陳 潔,3

(1.武漢科技大學 城市建設學院，武漢 430065; 2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點試驗室，武漢 430071; 3.仲愷農(nóng)業(yè)工程學院 城市建設學院，廣州 510225)

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基于核磁共振技術的疏浚淤泥固化土孔隙水含量及分布研究

程福周1，雷學文1，孟慶山2，陳 潔1,3

(1.武漢科技大學 城市建設學院，武漢 430065; 2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點試驗室，武漢 430071; 3.仲愷農(nóng)業(yè)工程學院 城市建設學院，廣州 510225)

為研究疏浚淤泥固化土中孔隙水的含量及分布規(guī)律，利用低場質(zhì)子核磁共振技術探測疏浚淤泥固化土的橫向弛豫時間T2分布曲線。結(jié)果表明：各水泥摻量下淤泥固化土樣品的弛豫時間分布只有一個主峰，峰面積隨著養(yǎng)護齡期的增長和水泥摻量的增大均逐漸減小，孔隙水的含量逐漸減小，并且孔隙水的減少首先是從大孔隙水分開始的，齡期的主要作用是減小大孔隙里的水分含量，而水泥不僅有利于大孔隙水分含量的減小，也有利于小孔隙水分含量的減?。浑S著養(yǎng)護齡期的增長和水泥摻量的增大，淤泥固化土的T2分布范圍變窄，分布趨向于短弛豫時間，孔隙水逐漸分布在較小的孔隙中；加權平均T2弛豫時間隨著齡期的增長先快速下降，7 d后下降的速率逐漸減小，固化土T2總核磁信號幅值隨養(yǎng)護齡期的變化總體呈減小趨勢，速度超過7 d后減慢，這是因為淤泥固化土內(nèi)部的化學反應使得水分被消耗或轉(zhuǎn)化成了礦物水。研究表明核磁共振技術能較好地呈現(xiàn)淤泥固化過程中孔隙水含量及分布的變化規(guī)律。

疏浚淤泥；固化土；核磁共振;T2分布；孔隙水；弛豫時間

1 研究背景

對疏浚淤泥進行處理使之資源化利用[1]是未來處理淤泥的發(fā)展方向，當淤泥量很大時，對淤泥進行化學固化處理是一種經(jīng)濟、實用、技術可行的方法。淤泥固化是將固化劑加入到淤泥中攪拌、混合、養(yǎng)護，固化劑之間或者固化劑與土顆粒之間發(fā)生反應，生成的水化產(chǎn)物包裹在土顆粒的表面，隨著進一步發(fā)展填充在土顆粒之間，使土顆粒形成具備一定網(wǎng)狀骨架和被填充孔隙并具有一定水穩(wěn)定性和強度穩(wěn)定性的穩(wěn)定土體[2]。疏浚淤泥呈現(xiàn)壓縮性大、滲透性低、排水固結(jié)緩慢的特點，主要是因為淤泥的含水率高，其根本原因在于疏浚泥的黏粒含量高，大多呈薄片狀，比表面積很大，吸附性很強，且表面往往帶有負電荷，而水分子是極性的，會在土顆粒表面吸附一定的水分子和水合陽離子而形成較厚的吸附水層[3]。土中的水分可以劃分為礦物水、結(jié)合水和自由水3類，結(jié)合水和自由水又統(tǒng)稱為孔隙水，對土的性質(zhì)影響較大的是孔隙水含量，其中土的液塑限、強度、變形、固結(jié)、壓縮等性質(zhì)主要受結(jié)合水的影響[4]，同時在淤泥固化發(fā)生化學反應的過程中伴隨著水的消耗和轉(zhuǎn)化，對淤泥固化過程中水分的含量、轉(zhuǎn)化和分布規(guī)律的研究具有重要的理論意義。

張春雷[4]通過含水率試驗測定水化產(chǎn)物中礦物水的含量，通過離心機試驗測定水化產(chǎn)物中的結(jié)合水含量，操作工作量大，對固化土具有破壞性，后續(xù)數(shù)據(jù)不能由同一試樣繼續(xù)測得，不可避免地存在誤差。核磁共振通過獲取正比于水分含量的氫核的核磁信號來計算水分含量，同時利用T2分布曲線得到水分的分布，具有高分辨率和精確度、測試簡單快捷、無損等優(yōu)點[5]，在巖石[6-8]，煤礦[9]，有機物[10-11]，水泥水化[12-13]，凍土[14-15]，干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、高壓低溫等環(huán)境條件下的土體[5]等方面得到廣泛的運用。目前核磁共振在疏浚淤泥固化方面的應用尚未見報道，本文將核磁共振技術應用于淤泥固化土領域，通過弛豫時間T2分布曲線分析疏浚淤泥固化過程中孔隙水分含量和分布的變化規(guī)律。

核磁共振是處于低能態(tài)的核自旋將通過吸收射頻場提供的能量躍遷到高能態(tài)，利用原子核在磁場中的能量變化來獲得關于核的信息的技術，淤泥固化土中的孔隙水的弛豫值T2與孔隙水所在的孔隙結(jié)構緊密相關，其關系為

(1)

式中：ρ2為橫向弛豫率，與土的物理化學性質(zhì)有關[16]；S，V分別為水分所在的孔隙表面積與體積大小。當土體中孔隙形狀為球形，則有

(2)

當土體中孔隙形狀為柱形，則有

(3)

因此，土樣的弛豫時間T2與孔隙水所在孔隙半徑關系可表示為

(4)

式中：R為孔隙半徑；α為形狀因子[5]。由式(4)可得，弛豫時間T2值與孔隙半徑R近似呈正相關關系，孔隙半徑越大，T2值越大；孔隙半徑越小，T2值越小，所以土樣的T2分布情況可以反映水所在孔隙的孔徑大小的情況。另外T2分布曲線下方的峰面積代表對應T2范圍內(nèi)的孔隙水含量，因此利用核磁共振技術測試淤泥固化土中孔隙水的含量及分布是可行的。

2 試驗方法和過程

2.1 試驗儀器

試驗采用中國科學院武漢巖土力學研究所與蘇州紐邁公司聯(lián)合研制的型號為PQ-001的MiniNMR 核磁共振分析儀，主要由永久磁體、試樣管、射頻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)組成。永久磁體磁場強度為0.52 T(特斯拉)，磁體溫度維持在(32±0.01)℃以保證主磁場的均勻性與穩(wěn)定性，試樣管的有效測試區(qū)域為60 mm×Φ60 mm。

2.2 試驗材料

試驗采用武漢東湖疏浚底泥，其物理性能指標和主要化學成分如表1、表2所示。試驗用水泥為湖北軍山水泥有限公司生產(chǎn)的“昌閣”牌普通硅酸鹽水泥42.5#。

表1 試驗用淤泥物理性質(zhì)指標

表2 淤泥的主要化學成分

2.3 試驗方法

取淤泥的初始含水率均為100%，水泥摻量設置為10%，15%，20%，25% 4組，水泥摻量是水泥量與淤泥濕重的比值。先將自制蒸餾水和風干的淤泥土混合攪拌好來模擬淤泥環(huán)境，再加入固化材料水泥，先手工攪拌1 min有效避免混合物飛濺。為攪拌均勻，利用水泥膠砂攪拌機慢速攪拌6 min，完成后迅速把混合物倒入容量為30 mL帶蓋PET塑料瓶中，并稍加振動以排除空氣。PET帶蓋塑料瓶表面平滑而有光澤，吸水率低，符合試驗保水要求，高度為55 mm，能保證測試時樣品均處在穩(wěn)定的永久磁場中。

當達到特定的齡期時，將樣品放入核磁共振儀試樣管中進行核磁共振測試，試驗完成后將所有試樣的FID 曲線利用蘇州紐邁公司提供的反演軟件進行反演，得出試樣在各養(yǎng)護齡期下的T2分布曲線。因反應在最初劇烈，反應一段時間后開始減緩，選取齡期為0.1，0.2，0.3，0.4，1，2，3，5，7，14，21，28 d的樣品，沒有測試時將PET塑料瓶用聚乙烯塑料袋包裹密封并置于(20±2)℃、濕度>90%的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 養(yǎng)護齡期對淤泥固化土孔隙水分布的影響規(guī)律

水泥摻量為10%，15%，20%，25%時淤泥固化土各齡期下的T2分布曲線如圖1。由圖1可知，各齡期下淤泥固化土樣品的弛豫時間分布只有一個主峰，T2分布介于0.05～10.98 ms范圍內(nèi)，表明在淤泥固化過程中淤泥固化土的孔隙大小尺寸連續(xù)性較好，孔隙水分布在尺寸范圍極寬的孔隙內(nèi)。峰面積隨著養(yǎng)護齡期的增長而減小，峰面積的大小反映了土樣中孔隙水的含量，在固化過程中水泥會發(fā)生水化反應消耗土樣中的水分使得孔隙水含量減小。隨著養(yǎng)護齡期的增長，不難發(fā)現(xiàn)T2分布的峰面積減少的部分主要集中在T2較大的右半部分，說明孔隙水的減少首先是從大孔隙里的水分開始的，齡期的主要作用是減小大孔隙里的水分含量。

圖1 養(yǎng)護齡期對淤泥固化土試樣的弛豫時間T2分布的影響Fig.1 Influence of curing age on relaxation time T2 of solidified dredging silt samples

各水泥摻量下，養(yǎng)護齡期為0.1 d時，土樣T2分布于0.05～10.98 ms范圍內(nèi)；養(yǎng)護齡期為3 d時，土樣T2分布于0.05～9.11 ms范圍內(nèi)；而養(yǎng)護齡期為28 d時土樣T2分布于0.05～7.56 ms范圍內(nèi)。隨著養(yǎng)護齡期的增長，T2分布的范圍變窄，弛豫峰逐步向左移動，分布趨向于短弛豫時間，這是由于隨著齡期的增長水化產(chǎn)物逐漸增多，漸漸將原先較大的孔隙填充細化，使得孔隙水分布在孔徑較小的孔隙中。

3.2 水泥摻量對淤泥固化土孔隙水分布的影響規(guī)律

當齡期為0.1，1，7，28 d時不同水泥摻量下的淤泥固化土的T2時間分布曲線如圖2所示。

圖2 水泥摻量對淤泥固化土試樣的弛豫時間T2分布影響Fig.2 Influence of cement dosage on relaxation time T2 of solidified dredging silt samples

由圖2可知，不同水泥摻量下的淤泥固化土樣品的弛豫時間分布只有一個主峰，淤泥固化土的孔隙大小尺寸連續(xù)性較好。齡期為0.1 d時，水泥摻量為10%和15%的固化土土樣T2分布于0.05～10.98 ms范圍內(nèi)，而水泥摻量為20%和25%的固化土土樣T2分布于0.05～9.11 ms范圍內(nèi)；齡期為1 d時，水泥摻量為10%和15%的固化土土樣T2分布于0.05～9.11 ms范圍內(nèi)，而水泥摻量為20%和25%的固化土土樣T2分布于0.05～7.56 ms范圍內(nèi)；齡期為7 d時，水泥摻量為10%的固化土土樣T2分布于0.05～9.11 ms范圍內(nèi)，而水泥摻量為15%，20%，25%的固化土土樣T2分布于0.05～7.56 ms范圍內(nèi)；齡期為28 d時水泥摻量為10%和15%的固化土土樣T2分布于0.05～7.56 ms范圍內(nèi)，而水泥摻量為20%和25%的固化土土樣T2分布于0.05～6.28 ms范圍內(nèi)。隨著水泥摻量的增加，T2分布的范圍變窄，弛豫峰逐步向左移動，分布趨向于短弛豫時間，隨著水泥摻量的增加，孔隙水向小孔隙內(nèi)分布，這是因為水泥摻量越大水化產(chǎn)物越多，使得固化土的孔徑變小。

同時，峰面積隨著水泥摻量的增加而減小，隨著水泥摻量的增加，當齡期為0.1，1 d時T2分布的峰面積減少的部分主要集中在T2較大的右半部分，說明在早期水泥摻量增加主要是減少大孔隙里的水分含量，而當齡期為7，28 d水泥摻量由15%增加至20%時，對應的T2分布曲線的減小不僅在T2較大的右半部分，在T2值較小的左半部分同樣明顯，說明水泥摻量的增加不僅有利于減小大孔隙里的水分含量，也有利于小孔隙水分含量的減小。

圖3 試樣主峰加權平均弛豫時間T2Fig.3 Weighted mean T2 of predominance peaks of samples

3.3 加權平均弛豫時間T2

由于各淤泥固化土試樣弛豫時間分布只有一個主峰，土樣孔隙尺寸大小連續(xù)性較好，因此對主峰進行加權平均得到各試樣的加權平均弛豫時間，作為表征試樣特定狀態(tài)下孔隙水的弛豫時間的一個指標。圖3反映了各水泥摻量下各試樣主峰的加權平均弛豫時間T2變化情況。

加權平均弛豫時間T2隨著齡期的增長先是快速下降，然后下降的速率逐漸減小，當齡期超過7d后加權平均T2緩慢減小。根據(jù)快弛豫理論，多孔介質(zhì)的弛豫主要受制于表面弛豫機制的影響，介質(zhì)比表面積越大，對水分子弛豫時間的影響越強，T2也越小。在疏浚淤泥固化的過程中，水泥的水化反應和硬凝反應的產(chǎn)物填充或細化了固化土的微孔結(jié)構，使固化土的比表面積增大，因此隨著齡期的增長，T2加權平均值逐漸減小。

由圖3可知，一般加權平均T2會隨著水泥摻量的增大而減小，但比較20%和25%水泥摻量下的加權平均T2時間隨齡期的變化曲線發(fā)現(xiàn)，3d齡期后25%水泥摻量下的固化土加權平均T2比20%水泥摻量下的大。圖2(d)為當齡期為28 d時各水泥摻量下淤泥固化土的T2分布曲線，由圖2(d)發(fā)現(xiàn)，當水泥摻量由20%增加至25%時，主要降低的是小孔隙水分含量，而固化土中小孔隙水分T2弛豫時間較小，T2弛豫時間較大的大孔隙水含量變化較小，導致加權平均T2時間反而比20%水泥摻入比時大，也說明了水泥有利于小孔隙水分含量的減小。

3.4 孔隙水總量隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律

淤泥固化土的T2弛豫譜中各個峰所對應的峰面積總和稱為淤泥固化土的總核磁信號幅值，它與樣品中的H原子數(shù)量成正比，T2總核磁信號幅值反映了土樣中孔隙水的含量。圖4為各水泥摻量下固化土T2總核磁信號幅值隨養(yǎng)護齡期的變化曲線。由圖4可知，各水泥摻量下固化土T2總核磁信號幅值隨養(yǎng)護齡期增長總體呈減小趨勢，淤泥固化土中孔隙水的含量隨齡期的增大先是快速減小，當超過7 d后，減小的速度減慢，水分被消耗或者轉(zhuǎn)化成了礦物水。

圖4 T2總核磁信號幅值隨養(yǎng)護齡期的變化Fig.4 Variation of total nuclear magnetic signal amplitude of T2 with curing age

4 結(jié) 論

(1) 各水泥摻量下淤泥固化土樣品的弛豫時間分布只有一個主峰，淤泥固化土的孔隙大小尺寸連續(xù)性較好。隨著養(yǎng)護齡期的增長，弛豫峰面積逐漸減小，孔隙水的含量隨齡期的增長逐漸減小，并且孔隙水的減少首先是從大孔隙水分開始的，齡期的主要作用是減小大孔隙里的水分含量。隨著養(yǎng)護齡期的增長，淤泥固化土的T2分布的范圍變窄，弛豫峰逐步向左移動，分布趨向于短弛豫時間，孔隙水逐漸分布在較小的孔隙中。

(2) 隨著水泥摻量的增加，淤泥固化土T2弛豫峰面積隨著水泥摻量的增加而減小，水泥摻量的增加，不僅有利于減小大孔隙里的水分含量，也有利于小孔隙里水分含量的減小。隨著水泥摻量的增加淤泥固化土T2分布的范圍變窄，弛豫峰逐步向左移動，分布趨向于短弛豫時間，孔隙水向小孔隙內(nèi)分布。

(3) 加權平均弛豫時間T2隨著齡期的增長先是快速下降，然后下降的速率逐漸減小，當齡期超過7 d后加權平均T2緩慢減小。在疏浚淤泥固化的過程中，不斷增加的水化產(chǎn)物使固化土的比表面積增大，T2加權平均值會逐漸減小。

(4) 各水泥摻量下固化土T2總核磁信號幅值隨養(yǎng)護齡期的增長總體呈減小趨勢，這是因為淤泥固化土內(nèi)部的化學反應使得水分被消耗或者轉(zhuǎn)化成了礦物水，淤泥固化土中孔隙水的含量隨齡期的增大先是快速減小，當超過7 d后，減小的速度減慢。

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(編輯：陳 敏)

Pore Water Content of Solidified Dredging Silt and Its DistributionBased on Nuclear Magnetic Resonance

CHENG Fu-zhou1, LEI Xue-wen1, MENG Qing-shan2, CHEN Jie1,3

(1.College of Urban Construction, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China; 2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China; 3.College of Urban Construction, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225,China)

Low field proton nuclear magnetic resonance(NMR) technology is used to measure the distribution of transverse relaxation timeT2of solidified dredging silt soil to study the content and distribution law of pore water in solidified soil. Results show that there is only one main peak in the distribution of relaxation time of solidified soil samples of different cement dosages; the peak area decreases gradually with the growth of curing age and the increase of cement dosage. Pore water content decreases gradually, and the decrease first starts from big pores. The main effect of curing age is reducing the moisture content in the big pores, whereas cement is not only beneficial for reducing the moisture content in the big pores, but also the moisture in the small pores. With the growth of curing age and the increase of cement dosage, the scope ofT2distribution of solidified soil narrows and the distribution tends to short relaxation time, and pore water is distributed in smaller pores gradually. The weighted average relaxation timeT2declines rapidly with the growth of curing age first, and the decline rate decreases gradually after 7 days. Solidified soil’s total nuclear magnetic signal amplitude ofT2shows an overall trend of decrease with the curing age growth, and the speed slows down after 7 days; this is because the water is consumed or converted into mineral water due to internal chemical reaction in solidified soil. Nuclear magnetic resonance(NMR) technology can well present the content and distribution law of pore water in the process of solidification.

dredging silt; solidified soil; nuclear magnetic resonance;T2distribution; pore water; relaxation time

2015-08-17；

2015-10-14

湖北省自然科學基金青年杰出人才項目(2011CDA105)

程福周(1989-)，男，湖北黃岡人，碩士研究生，主要從事湖泊環(huán)保疏浚、淤泥固化方面的研究，(電話)15671682531(電子信箱)1459024673@qq.com。

10.11988/ckyyb.20150689

2016,33(10):116-120

TU472.5

A

1001-5485(2016)10-0116-05