砂層凍結(jié)過程中未凍水含量核磁共振實(shí)驗(yàn)研究

榮傳新 李承濤 王 彬 施志斌

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

0 前 言

凍土與溫度有著密切的聯(lián)系，凍土中未凍水的含量會(huì)隨著溫度的變化而變化。陳之祥等人對(duì)未凍水含量反演公式進(jìn)行了推導(dǎo)，得到了多種負(fù)溫度條件下未凍水的含量[1]?？墉Z媛等人通過核磁共振分析儀研究了不同溫度下未凍水的含量[2]。靳瀟等人根據(jù)雙電層理論獲得未凍水含量的理論公式，定量分析了溫度和未凍水的關(guān)系[3]。孟祥傳等人采用測(cè)溫法和核磁共振法探究了土的凍結(jié)溫度和未凍水含量之間的相互影響[4]。羅豪良等人通過凍土的電導(dǎo)率得到了凍土含水率以及溫度的變化規(guī)律[5]。

目前常用的測(cè)試未凍水含量的方法包括熱量法、時(shí)域反射儀(TDR)法、CT法、核磁共振儀(NMR)法等。其中，核磁共振法的應(yīng)用最為廣泛[6-7]，其優(yōu)點(diǎn)主要包括：能夠直接、迅速檢測(cè)未凍水含量，且無損傷；在測(cè)量試樣的水分分布、遷移時(shí)所受擾動(dòng)較小，且單次測(cè)試的時(shí)間短。

1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用粒徑均勻的圓粒砂(見圖1)，其直徑平均為1 mm，圓粒砂相關(guān)物理參數(shù)如表1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)所用圓粒砂

表1 圓粒砂相關(guān)物理參數(shù)

采用熱常數(shù)分析儀對(duì)圓粒砂的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，圓砂粒的熱物理參數(shù)如表2所示。

表2 圓粒砂的熱物理參數(shù)

2 砂層核磁共振實(shí)驗(yàn)

2.1 低場(chǎng)核磁共振弛豫原理

核磁共振是指外部磁場(chǎng)磁化原子核后對(duì)射頻的響應(yīng)[8]。氫原子在多孔介質(zhì)的孔隙水中隨機(jī)排列，當(dāng)外部有磁場(chǎng)時(shí)，磁化后的氫原子核圍繞著磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，外磁場(chǎng)與磁化的氫原子核會(huì)產(chǎn)生相互作用，從而發(fā)出可測(cè)量的信號(hào)。當(dāng)外加強(qiáng)磁場(chǎng)被取消時(shí)，磁矩定向排列的氫原子恢復(fù)到原始無序的狀態(tài)，其能級(jí)降低，這種從能級(jí)高到能級(jí)低的現(xiàn)象稱為弛豫現(xiàn)象，弛豫時(shí)間T為該過程所經(jīng)歷的時(shí)間。弛豫可分為縱向弛豫和橫向弛豫，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為縱向弛豫時(shí)間T1和橫向弛豫時(shí)間T2。其中，橫向弛豫具有快速性的特點(diǎn)，故多孔介質(zhì)的大部分物理信息能在該過程中被反映出來，因此，橫向弛豫時(shí)間T2譜分析法已成為測(cè)量低溫多孔介質(zhì)中未凍水含量變化規(guī)律的首選方法[9]。

本次實(shí)驗(yàn)采用水-顆粒界面的表面弛豫作為核磁共振的T2弛豫，多孔介質(zhì)表面特性與表面弛豫時(shí)間的關(guān)系方程如式(1)所示[10]：

(1)

式中：T2表面表示水-顆粒表面相互作用的橫向弛豫時(shí)間,ms；m表示弛豫強(qiáng)度常數(shù)；h表示表面分子層的厚度,μm；Ts表示顆粒表面弛豫時(shí)間,ms；S表示孔隙表面積,μm2；M表示流體體積,μm3。

由式(1)可知：若多孔介質(zhì)中的孔隙尺寸變小，則橫向弛豫時(shí)間變短；若孔隙尺寸變大，則橫向弛豫時(shí)間變長[11-12]。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)所用低場(chǎng)核磁共振儀如圖2所示，其技術(shù)參數(shù)如表3所示。

圖2 低場(chǎng)核磁共振儀

表3 低場(chǎng)核磁共振儀技術(shù)參數(shù)

(1) 砂樣配置。本次實(shí)驗(yàn)采用粒徑為(1±0.15)mm的圓粒砂，配制4組不同含水率的砂樣，含水率分別為8.0%、16.0%、24.0%和32.0%。

(2) 溫度控制。本次實(shí)驗(yàn)溫度為-20～18 ℃。實(shí)驗(yàn)過程中存在冰水相變過程，在可能發(fā)生相變的溫度(-5～0 ℃)，將溫度采集間隔設(shè)置為0.5～1.0 ℃；當(dāng)溫度為-5～-20 ℃時(shí)，將溫度采集間隔設(shè)置為5.0 ℃。低場(chǎng)核磁共振溫度采集控制值如表4所示。當(dāng)溫度大于5 ℃時(shí)，含水率在多孔介質(zhì)中的變化不大，因此僅在5 ℃和18 ℃下進(jìn)行溫度采集。為確保磁場(chǎng)的穩(wěn)定性，磁體恒溫系統(tǒng)始終開啟，磁體溫度控制在(18±1)℃。

表4 低場(chǎng)核磁共振溫度采集控制值

(3) CPMG序列。實(shí)驗(yàn)所采用的CPMG序列參數(shù)如表5所示。

3 砂層未凍水變化規(guī)律分析

3.1 凍結(jié)過程中砂層T2圖譜分布規(guī)律

利用核磁共振儀對(duì)不同初始含水率的砂樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得橫向弛豫時(shí)間T2的規(guī)律，繪制砂樣的T2圖譜(見圖3)，將T2圖譜與坐標(biāo)軸圍成的面積定義為波峰面積，波峰面積代表孔隙水的賦存量。凍結(jié)前砂樣T2圖譜參數(shù)表(18 ℃下)如表6所示，凍結(jié)后砂樣T2圖譜參數(shù)表(-20 ℃下)如表7所示。

表5 CPMG 序列參數(shù)

圖3 不同初始含水率砂樣的T2圖譜

當(dāng)溫度小于18 ℃、砂樣初始含水率為8.0%時(shí)，T2圖譜上共有3個(gè)峰值(見圖3a)，第1峰值、第 2峰值、第3峰值的弛豫時(shí)間分別為0.248 ms、14.170 ms、200.920 ms。從砂樣的外表面可以觀察到大孔隙和微小孔隙，前者存在于顆粒之間，后者存在于顆粒表面。微小孔隙中會(huì)有一部分結(jié)合水吸附在其表面，而大孔隙中會(huì)有殘余的自由水賦存于顆粒間。根據(jù)核磁共振法的原理，T2圖譜的第1峰值主要是微小孔隙中的結(jié)合水吸附在顆粒表面而形成；第2以及第3峰值主要是自由水賦存于顆粒間隙而形成。與顆粒間的孔隙相比，微小孔隙的尺寸遠(yuǎn)小于后者，因此第1峰值與第2峰值之間幾乎不顯示核磁信號(hào)，而第2峰值與第3峰值之間顯示出較強(qiáng)的核磁信號(hào)，這說明顆粒之間孔隙的連通性好。由圖3a可知,信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的是第1峰值，這說明當(dāng)初始含水率較低時(shí)，水分主要賦存于顆粒表面的微小孔隙中。

當(dāng)初始含水率增大至16.0%、24.0%、32.0%時(shí)，其T2圖譜上依然擁有3個(gè)峰值(見圖3b、圖3c)，第1波峰面積無明顯的變化，第2以及第3波峰面積顯著增大。由此可知，當(dāng)砂樣中的結(jié)合水含量增加到一定值后，將不會(huì)再增加，而增加的含水量大部分為儲(chǔ)存在中等、較大孔隙中的自由水。

由表6、表7可知，當(dāng)砂樣初始含水率一定、溫度由18 ℃降低至-20 ℃時(shí)，第2、第3波峰面積急劇下降，其中第3波峰的面積幾乎為0；第2波峰面積為430～520；當(dāng)溫度為-20 ℃時(shí)，第1波峰的面積較溫度為18 ℃時(shí)有所縮小，但值仍然保持在7 900以上。這說明當(dāng)溫度為-20 ℃時(shí)，被凍結(jié)的是弱結(jié)合水，而強(qiáng)結(jié)合水并沒有被凍結(jié)。

表6 凍結(jié)前砂樣T2圖譜參數(shù)表(18 ℃下)

表7 凍結(jié)后砂樣T2圖譜參數(shù)表(-20 ℃下)

綜上可知，當(dāng)初始含水率較低時(shí)，T2圖譜上第1波峰的面積最大，水分主要以結(jié)合水的形式賦存于顆粒表面的微小孔隙；當(dāng)初始含水率增大時(shí)，增加的大部分水以自由水的狀態(tài)儲(chǔ)存于中等、較大孔隙中。

3.2 凍結(jié)過程中砂樣孔隙水分布規(guī)律

為了分析凍結(jié)過程中砂樣未凍水的分布情況，根據(jù)T2圖譜的波峰面積和含水率的關(guān)系，得到不同初始含水率砂樣未凍水的分布與溫度的關(guān)系，如圖4所示。

由圖4(a)可知，當(dāng)砂樣初始含水率為8.0%時(shí)，砂樣中的水分主要為微小孔隙中的結(jié)合水，少部分為中等孔隙和較大孔隙中的自由水，微小孔隙的含水率直接影響總含水率。當(dāng)溫度由18 ℃降低至0 ℃時(shí)：中等孔隙和較大孔隙含水率曲線無明顯下降趨勢(shì)，這說明其中的自由水含量未發(fā)生明顯的變化；微小孔隙含水率曲線出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這說明其結(jié)合水的含量有所降低，總含水率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)溫度由0 ℃降低至-1 ℃時(shí)，砂樣總含水率的曲線并沒有明顯下降。此時(shí)多孔介質(zhì)處于“過冷”狀態(tài)，雖然溫度低于0 ℃，但是自由水的狀態(tài)仍以液體為主。當(dāng)溫度由-1.0 ℃降低至-1.5 ℃時(shí)，中等孔隙、較大孔隙含水率曲線急劇下降，砂體總含水率由7.7%下降至4.5%，接近微小孔隙含水率。這說明此溫度條件下，多孔介質(zhì)已經(jīng)發(fā)生冰水相變，很大一部分自由水從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。當(dāng)溫度小于-1.5 ℃時(shí)，微小孔隙含水率和總含水率曲線不再發(fā)生變化，保持4.0%左右。綜上可知，當(dāng)砂樣初始含水率為8.0%時(shí)，其中的水主要為吸附在微小孔隙中的結(jié)合水。

由圖4(b)可知，當(dāng)砂樣初始含水率為16.0%、溫度為18 ℃時(shí)，結(jié)合水在砂樣中仍占主導(dǎo)地位。當(dāng)溫度由18 ℃降低至0 ℃時(shí)，結(jié)合水含量下降，微小孔隙的含水率由8.5%下降至6.1%，總含水率的由16.0%下降至14.2%，而中等孔隙與較大孔隙含水率曲線略有上升，即自由水含量增加。這說明在降溫過程中，結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水。當(dāng)溫度降低至 0 ℃以下時(shí)，微小孔隙的含水率保持6.0%左右，無明顯變化。當(dāng)溫度由-0.5 ℃降低至-1.0 ℃時(shí)，中等孔隙、較大孔隙含水率曲線急劇下降，即自由水含量大幅度減少，此時(shí)總含水率曲線也出現(xiàn)急劇下降的現(xiàn)象，這說明此時(shí)已經(jīng)發(fā)生相變。當(dāng)溫度從-1.0 ℃降低至-1.5 ℃時(shí)，中等孔隙與較大孔隙含水率曲線接近于0。當(dāng)溫度小于-1.5 ℃時(shí)，砂樣總含水率保持6.5%，不再發(fā)生明顯變化。綜上可知，當(dāng)砂樣初始含水率為16.0%時(shí)，其中的水主要為吸附在微小孔隙中的結(jié)合水。

圖4 不同初始含水率砂樣未凍水的分布與溫度的關(guān)系

由圖4(c)可知，當(dāng)砂樣初始含水率為24.0%、溫度為18 ℃時(shí)，微小孔隙的含水率約為10.0%，而中等孔隙曲線、較大孔隙含水率分別為4.5%、9.5%，砂樣中自由水的含量大于結(jié)合水，此時(shí)自由水在砂樣中占主導(dǎo)地位。隨著溫度的變化，微小孔隙含水率曲線波動(dòng)不大，說明結(jié)合水的含量在凍結(jié)過程中未發(fā)生明顯變化，總含水率的變化與自由水含量的變化相關(guān)。當(dāng)溫度降低至-2.5 ℃時(shí)，總含水率曲線、中等孔隙、較大孔隙含水率曲線出現(xiàn)明顯的下降。當(dāng)溫度降低至-4 ℃時(shí)，中等孔隙較大孔隙含水率曲線接近于0，即自由水的含量接近于0，此后總含水率保持10.0%左右，不再發(fā)生明顯變化。綜上可知，當(dāng)砂樣初始含水率為24.0%時(shí)，其中的水主要為賦存在中等和較大孔隙中的自由水。

由圖4(d)可知，當(dāng)砂樣初始含水率為32.0%時(shí)，砂體為飽和狀態(tài)，自由水在砂樣中占主導(dǎo)地位。當(dāng)溫度為18 ℃時(shí)，微小孔隙含水率曲線與砂樣初始含水率為16.0%時(shí)的曲線情況相同，均保持10.0%左右。這說明砂樣中的結(jié)合水達(dá)到飽和以后不再增加，增加的是自由水。微小孔隙含水率曲線在0 ℃附近出現(xiàn)波動(dòng)，但不久又恢復(fù)為初始狀態(tài)。當(dāng)溫度降低至-1 ℃時(shí)，砂體總含水率曲線、中等孔隙、較大孔隙含水率曲線出現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)。當(dāng)溫度為-4 ℃時(shí)，中等孔隙、較大孔隙含水率曲線趨近于0，即自由水的含量接近于0，此后總含水率保持10.0%左右。在此過程中，相變階段持續(xù)時(shí)間較長，這是因?yàn)樯绑w中含水量較大，釋放的相變潛熱較多。

4 結(jié) 語

為探究砂體凍結(jié)過程中未凍水含量隨溫度的變化規(guī)律，采用低場(chǎng)核磁共振法對(duì)不同含水率砂體的未凍水變化規(guī)律進(jìn)行研究。

當(dāng)砂體初始含水率較低時(shí)，其中的水主要賦存于顆粒表面的微小孔隙中。結(jié)合水在多孔介質(zhì)中含量達(dá)到一定值后不會(huì)再增加，而增加的大部分水主要以自由水的狀態(tài)儲(chǔ)存于中等、較大孔隙中。當(dāng)溫度達(dá)到-20 ℃時(shí)，被凍結(jié)的部分主要是弱結(jié)合水，沒有被凍結(jié)的是強(qiáng)結(jié)合水。不同含水率砂樣的凍結(jié)溫度(冰點(diǎn))范圍為-2.0 ℃～-0.5℃。相變區(qū)間、未凍水含量均隨初始含水率的增大而增大。