一种多孔材料夹持器及水分迁移与相变测试方法

1.本发明涉及多孔材料水分测试技术领域，尤其涉及一种多孔材料夹持器及水分迁移与相变测试方法。


背景技术：

2.作为一种水敏性多孔材料，水对水泥混凝土等多孔材料至关重要，水在水泥基材料中的存在形式有游离水、毛细孔水、凝胶水、结晶水等。它是水泥混凝土发生水化反应、混凝土可施工性、混凝土养护所必须的材料。我国的交通强国的战略提出加速了川藏铁路的建设，川藏铁路从成都到拉萨，跨越14条江河，翻越21座海拔4000m以上的雪山，水泥混凝土结构在建设过程中面临着冻融、循环荷载等外界恶劣环境的影响。如何正确理解混凝土在该环境下的劣化过程是解决该问题的关键。
3.目前由于测试手段的限制，相关的研究主要集中于研究混凝土宏观力学性能的变化。从本质上来看，水泥基材料的冻融破坏是由于水泥基材料中的水分迁移以及相变造成的。而且对于在冻融循环与循环荷载作用下，内部水分的迁移以及劣化机制研究具有非常重要的意义。因此，亟需找出一种原位表征的方法来阐释冻融循环与循环加载作用下，水泥基等多孔材料内部水分迁移以及相变规律。
[0004]1h nmr以氢为探针，能够原位的表征水泥基材料内部水分的迁移与相变，但目前国内常规氢核磁共振技术大都还停留在基础的孔隙结构测试或是循环冻融过程上，没有原位表征水泥基等多孔材料在冻融和循环荷载作用下的变化过程。因此，为了实现循环冻融、循环荷载等外界恶劣环境下的水泥基材料细观结构无损探测，提出一种集高低温、多重应力为一体的水泥基等多孔材料核磁共振表征测试方法势在必行。
[0005]
为提出多孔材料在冻融以及加载情况下水分迁移与相变的方法，首先要模拟水泥基样品所处环境的温度场、应力场，模拟多场耦合下存在着相互作用和相互制约的复杂关系。这有利于揭示水泥基材料在高原冻融、循环荷载环境下的真实破坏规律。为高原环境下的水泥基材料的劣化防治提供科学解决方案。
[0006]
目前常规多孔材料的监控装置采用两个方向场的夹持器结构，只能施加围压压力及驱替压力，只能用于监控水泥基材料常温下的水分迁移规律，但缺失轴向机械压力，不能与实际情况下的环境相对应。同时，常规核磁共振夹持器主体结构采用非金属，由于非金属材质会的耐压强度相对较低，测试上所施加的压力大小会受到限制。而如果采用全金属作为夹持器的结构材料，设计原理上核磁共振射频线圈必须放置于夹持器内部，因此，射频线圈也必须要设计成耐压结构，同时，还要考虑到射频线圈在高温、低温冻融过程中的耐高低温能力，这使得夹持器的射频线圈的稳定性很难达到要求，对实际应用过程中带来阻碍。


技术实现要素：

[0007]
有鉴于此，本发明提出了一种多孔材料夹持器及水分迁移与相变测试方法，以解决现有技术存在的缺陷。
[0008]
第一方面，本发明提供了一种多孔材料夹持器，包括：
[0009]
筒体，其内设有第一堵头、第二堵头，所述第二堵头可在筒体内移动，所述第一堵头、第二堵头和筒体内形成容纳多孔材料的样品室；
[0010]
驱替出口管，其一端穿过第一堵头、另一端穿出筒体外；
[0011]
驱替入口管，其一端穿过第二堵头、另一端穿出筒体外；
[0012]
活塞杆，其位于筒体内，并用以推动第二堵头；
[0013]
所述筒体侧壁对应样品室处设有腔室，所述腔室两端分别连通有流体入口、流体出口；
[0014]
所述筒体内位于所述样品室两侧形成围压腔；
[0015]
围压入口管，其一端连通围压腔、另一端穿出筒体外；
[0016]
围压出口管，其一端连通围压腔、另一端穿出筒体外。
[0017]
优选的是，所述的多孔材料夹持器，还包括轴压模块，其连通有轴压液管；
[0018]
活塞座，其位于所述筒体内，所述活塞杆端部伸入活塞座内，所述活塞杆可相对活塞座移动；
[0019]
所述轴压液管与所述活塞座连通；
[0020]
所述轴压模块用以提供预设压力的轴压液，并推动活塞杆移动。
[0021]
优选的是，所述的多孔材料夹持器，还包括驱替液注入模块，所述驱替液注入模块与所述驱替入口管连通，所述驱替液注入模块用以提供驱替液。
[0022]
优选的是，所述的多孔材料夹持器，还包括温度控制模块，低温流体经过温度控制模块后温度于预设范围内，低温流体经流体入口流入至腔室。
[0023]
优选的是，所述的多孔材料夹持器，还包括围压控制模块，围压液经过围压控制模块后压力于预设范围内，围压液经围压入口管流入围压腔。
[0024]
优选的是，所述的多孔材料夹持器，所述筒体材料、第一堵头、第二堵头材料为氧化锆。
[0025]
优选的是，所述的多孔材料夹持器，所述筒体外设有保温层。
[0026]
第二方面，本发明还提供了一种多孔材料水分迁移与相变测试方法，包括以下步骤：
[0027]
提供所述的多孔材料夹持器；
[0028]
将多孔材料置于样品室内；
[0029]
将多孔材料夹持器置于核磁共振测量系统的磁体腔内；
[0030]
向围压腔内通入围压液以使围压在预设范围内；
[0031]
然后通过活塞杆使得第一堵头、第二堵头之间的轴向压力在预设范围内；
[0032]
向腔室内通入低温流体以使样品室温度在预设范围内；
[0033]
测试t2谱。
[0034]
优选的是，所述的多孔材料水分迁移与相变测试方法，将多孔材料置于样品室内之前还包括将多孔材料进行饱水处理。
[0035]
优选的是，多孔材料水分迁移与相变测试方法，所述多孔材料的直径为10～25mm、高度为20～80mm；
[0036]
向围压腔内通入围压液以使围压在0～40mpa；
[0037]
然后通过活塞杆使得第一堵头、第二堵头之间的轴向压力在预设0～120mpa范围内；
[0038]
向腔室内通入低温流体以使样品室温度预设的-30～40℃范围内，并在该温度下保持一段时间以使样品内外温度一致，再进行t2谱测试。
[0039]
本发明的多孔材料夹持器及水分迁移与相变测试方法，相对于现有技术具有以下有益效果：
[0040]
1、本发明的多孔材料夹持器，在目前常规核磁专用夹持器的基础上增加了一个轴向机械压力作用于多孔材料材料端面，模拟多孔样品全空间受力情况；为消除高低温冻融与压力对射频线圈的影响，采用氧化锆堵头支撑轴向压力，采用夹持器主体支撑围压(径向压力)，进而使轴压与围压作用在不同结构上，同时，设计夹持器与线圈内部具体隔热环腔来保证射频线圈不受样品高低温冻融与压力的影响；本发明将温度场与应力场耦合起来对水泥样品进行测试，能真实模拟高原冻融、循环荷载环境下的水泥基材料中水分的迁移与相变过程，并通过氢核磁进行表达测试；
[0041]
2、本发明的多孔材料水分迁移与相变测试方法，能够实现原位测试，定量评估多孔材料内部水分迁移规律，该方法安全可靠，克服了传统冻融及荷载作用下多孔材料无法原位定量表征内部水分的缺陷，通过多孔材料在冻融及荷载作用下内部水分氢核磁信号的测试定量表征了多孔材料水分迁移与相变规律，对冻融、荷载环境下的混凝土等多孔材料的劣化防治提供了重要学术意义与工程应用价值。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
图1为本发明其中一个实施例中多孔材料夹持器的结构示意图；
[0044]
图2为本发明另一个实施例中多孔材料夹持器的结构示意图；
[0045]
图3为水泥浆体降温t2图谱；
[0046]
图4为水泥浆体升温t2图谱；
[0047]
图5为水泥浆体降温氢核磁信号量变化图；
[0048]
图6为水泥浆体升温氢核磁信号量变化图；
[0049]
图7为水泥浆体降温t2图谱；
[0050]
图8为水泥浆体升温温t2图谱；
[0051]
图9为60d龄期水泥浆体常压与恒载条件下冻融过程未冻水含量变化图。
具体实施方式
[0052]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0053]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0055]
在本发明的描述中，需要理解的是，如“上”等指示方位或位置的关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0056]
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0057]
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0058]
本发明实施例提供了一种多孔材料夹持器，如图1～2所示，包括：
[0059]
筒体1，其内设有第一堵头2、第二堵头3，第二堵头3可在筒体1内移动，第一堵头2、第二堵头3和筒体1内形成容纳多孔材料的样品室11；
[0060]
驱替出口管4，其一端穿过第一堵头2、另一端穿出筒体1外；
[0061]
驱替入口管5，其一端穿过第二堵头3、另一端穿出筒体1外；
[0062]
活塞杆6，其位于筒体1内，并用以推动第二堵头3；
[0063]
筒体1侧壁对应样品室处设有腔室，腔室两端分别连通有流体入口12、流体出口13；
[0064]
筒体1内位于品室两侧形成围压腔；
[0065]
围压入口管7，其一端连通围压腔、另一端穿出筒体1外；
[0066]
围压出口管8，其一端连通围压腔、另一端穿出筒体1外。
[0067]
本发明的多孔材料夹持器，包括筒体1，第一堵头2、第二堵头3位于筒体1内，筒体1内壁、第一堵头2、第二堵头3之前形成容纳多孔材料的样品室11；通过驱替入口管5向样品室11内通入驱替液；筒体1内还设有活塞杆6，通过活塞杆6推动第二堵头3移动，这样在测试过程中利用活塞杆6对第二堵头3施加压力，进而对位于第一堵头2、第二堵头3之间的待测式的多孔材料施加压力，该压力即为轴向压力；筒体1侧壁对应样品室处设有腔室，腔室两端分别连通有流体入口12、流体出口13，低温流体从流体入口12流入腔室从而对筒体进行加热，进而使得样品室温度在预设范围内；筒体1内位于品室两侧形成围压腔，通过围压入口管7向围压腔通入围压液，使得围压在预设范围内。
[0068]
在一些实施例中，还包括轴压模块9，其连通有轴压液管91；
[0069]
活塞座92，其位于筒体1内，活塞杆6端部伸入活塞座内，活塞杆6可相对活塞座92移动；
[0070]
轴压液管91与活塞座92连通；
[0071]
轴压模块9用以提供预设压力的轴压液，并推动活塞杆移动。
[0072]
在上述实施例中，轴压模块9可以提供预设压力的轴压液，轴压液通过轴压液管91流入活塞座92并推动活塞杆6移动，进而使得第一堵头2、第二堵头3之间的待测式的多孔材料的轴向压力在预设范围内。
[0073]
在一些实施例中，还包括驱替液注入模块51，驱替液注入模块51与驱替入口管5连通，驱替液注入模块51可以提供一定压力的驱替液，驱替液经驱替入口管5、第二堵头3流入样品室内，并通过第一堵头2、经过驱替出口管4流出。
[0074]
在一些实施例中，还包括温度控制模块14，低温流体经过温度控制模块后温度在预设范围内，经过温度控制的低温流体经过流体入口12流入至腔室内，并经过流体出口13流出；通过低温流体可以控制样品室的温度在预设范围内。
[0075]
在一些实施例中，还包括围压控制模块71，围压液经过围压控制模块后压力于预设范围内，围压液经围压入口管7流入围压腔，并经过围压出口管8流出；利用围压液可对待测式的多孔材料的围压进行控制。
[0076]
在一些实施例中，驱替液、围压液以及低温流体均为3m公司生成的fc-770电子氟化液，该液体能较好的传导冷槽所施加的升降温，从而对样品施加冻融。
[0077]
在一些实施例中，筒体1材料为氧化锆。由于顺磁性材料会干扰核磁共振信号，对冻融与重复荷载下的水泥基材料内部的水分信号产生干扰，因此，耐高低温、高压力的金属材料不能用于制作筒体，通过调研发现，非金属中氧化锆陶瓷可以耐高低温、高压，且由于水泥基材料属于中短弛豫样品，氧化锆陶瓷对水泥基材料的测试结果几乎没有影响，因此拟选用氧化锆作为耐高低温、高压的筒体材料。
[0078]
在一些实施例中，第一堵头、第二堵头材料为氧化锆，承压构件由筒体两侧的氧化锆堵头承担，该装置能实现样品两端最高达120mpa的轴压。
[0079]
在一些实施例中，筒体1外设有保温层。
[0080]
在一些实施例中，筒体1靠近第一堵头2一侧设有固定冒10与筒体1之间可拆卸固定(如通过螺栓固定)，驱替出口管4其一端穿过第一堵头2、另一端经固定冒10穿出筒体1外。
[0081]
本发明设计了一套独立控制轴压的耐高低温、耐高压的核磁共振伪三轴夹持器。选用氧化锆作为密封筒体与堵头材料，承压构件由筒体两侧的第一堵头、第二堵头承担，该装置能实现样品两端最高达120mpa的轴压；同时，为避免夹持器受高低温、轴压的影响，本发明设计采用夹持器外置的搭配。
[0082]
基于同一发明构思，本发明还提供了一种多孔材料水分迁移与相变测试方法，包括以下步骤：
[0083]
s1、提供所述的多孔材料夹持器；
[0084]
s2、将多孔材料置于样品室内；
[0085]
s3、将多孔材料夹持器置于核磁共振测量系统的磁体腔内；
[0086]
s4、向围压腔内通入围压液以使围压在预设范围内；
[0087]
s5、然后通过活塞杆使得第一堵头、第二堵头之间的轴向压力在预设范围内；
[0088]
s6、向腔室内通入低温流体以使样品室温度在预设范围内；
[0089]
s7、测试t2谱。
[0090]
在一些实施例中，多孔材料包括但不限于多孔水泥浆体、水泥砂浆、水泥混凝土、碱激发材料、岩土材料等。
[0091]
在一些实施例中，将多孔材料置于样品室内之前还包括将多孔材料进行饱水处理。例如将多孔水泥浆体置于饱和ca(oh)2溶液中养护，进行饱水处理
[0092]
在一些实施例中，多孔材料的直径为10～25mm、高度为20～80mm。
[0093]
在一些实施例中，向围压腔内通入围压液以使围压在0～40mpa；
[0094]
在一些实施例中，通过活塞杆使得第一堵头、第二堵头之间的轴向压力在预设0～120mpa范围内；
[0095]
在一些实施例中，向腔室内通入低温流体以使样品室温度预设的-30～40℃范围内的某一温度，并在改温度下面保持40min以上以使样品内外温度一致，再进行t2谱测试。
[0096]
在一些实施例中，向围压腔内通入围压液以使围压在0～40mpa；
[0097]
然后通过活塞杆使得第一堵头、第二堵头之间的轴向压力在预设范围内；
[0098]
向腔室内通入低温流体以使样品室温度从25℃降至-30℃，每5℃温度梯度差并保持40min温度稳定后进行t2谱测试；
[0099]
在-30℃保持4h，每隔40min采集一次t2谱；
[0100]
从-30℃升温至25℃，每5℃温度梯度差并保持40min温度稳定后进行t2谱测试；
[0101]
在25℃下保持4h，每40min采集一次t2谱。
[0102]
具体的，在一些实施例中，多孔材料水分迁移与相变测试方法，包括：
[0103]
s1、通过三联模成型直径25mm、高50mm的多孔材料试件；
[0104]
s2、将成型的试件放入饱和ca(oh)2溶液中养护不同龄期后取出，测直径、高度，记录初始样品体积、重量m0；
[0105]
s3、将多孔材料试件通过热缩管固定到氧化锆堵头之间，并通过热温枪进行密封加固，将样品插入夹持器样品室内，用无磁铜扳手进行固定；
[0106]
s4、将夹持器线圈放入到低场核磁共振磁体中间位置，连接好外部接收器、轴压管道、围压管道与驱替管道，测试一次初始初始常温t2谱；
[0107]
s5、加入氟化液，让氟化液自然填充满管路，等液位不再下降后开启低温高压模块，打开氟化液循环；
[0108]
s6、选择围压跟踪模式通过液体注入模块向水泥浆体注入水分，采用恒定2mpa的驱替压进行试验，每隔10min测定一次t2谱，待观察到得的t2谱中信号量基本不增加则判断为样品已完成饱水，关闭驱替压。
[0109]
在一些实施例中，多孔材料水分迁移与相变测试方法，无轴向荷载的水泥浆体内部水分迁移相变监测，包括：
[0110]
s1、饱水多孔材料试件样品进行冻融测试，从室温25℃降至-30℃，每5℃温度梯度差并保持40min温度稳定进行t2谱测试；
[0111]
s2、在-30℃保持4h，每40min采集一次t2谱；
[0112]
s3、从-30℃升温至25℃，每5℃温度梯度差并保持40min温度稳定后测试一次t2谱；
[0113]
s4、在室温25℃下稳定4h，每40min采集一次t2谱。
[0114]
在一些实施例中，多孔材料水分迁移与相变测试方法，指定轴向荷载下的水泥浆体内部水分迁移相变监测，包括：
[0115]
s1、先对饱水多孔材料试件样品加上一定的围压(0～40mpa)，再将轴压加压到指定数值(0～120mpa)，然后进程冻融试验测试，从室温25℃降至-30℃，每5℃温度梯度差并保持40min温度稳定后进行t2谱测试；
[0116]
s2、在-30℃保持4h，每隔40min采集一次t2谱；
[0117]
s3、从-30℃升温至25℃，每5℃温度梯度差并保持40min温度稳定后进行t2谱测试；
[0118]
s4、在室温25℃下保持4h，每40min采集一次t2谱。
[0119]
s5、一轮冻融损伤结束后，样品90℃烘干16h，称干样重量m干，测试干样t2谱。
[0120]
s6、测试参数：序列cpmg，sw＝250，p1＝10.52us，p2＝18.48us，te＝0.15ms，nech＝6000，tw＝5000ms，ns＝8；
[0121]
s7、未冻水含量计算：
[0122]
以氢核磁共振以氢核为探针，因此cpmg序列中测得的氢核磁信号量的变化量就代表水分的变化量，通过不同冻结温度下测量的cpmg信号的幅度变化来表征未冻水含量，根据居里定律(式1)，磁化的大小与质子的数量成正比，与温度成反比，由于未冻水在0℃以上时为100％，可以通过居里定律对其进行修正，使得0℃以上的cpmg信号量基本一致。修正方法如式2所示。
[0123][0124]
m0——宏观磁化矢量(t)；
[0125]
k——波尔兹曼常数；
[0126]
t——绝对温度(k)；
[0127]
n——原子核的自旋数；
[0128]
h——普朗克常数；
[0129]
i——原子核的自旋量子数
[0130]
可得合成信号的温度校准曲线，因此对正温段核磁信号进行修正可得，
[0131][0132]
未冻结水含量的公式可以表示为式3：
[0133][0134]
式中w为温度t下的未冻结水含量，％；
[0135]st
是在温度t下测得的信号强度；s
t
为温度t下通过公式2线性回归线函数对应的信号强度值。
[0136]
本发明的应用领域为川藏铁路建设的混凝土结构，主要测试冻融与不同加载压力下的多孔水泥基材料的水分迁移与相变监测，对构件有更高的承压要求，因此在设计构件时第一堵头、第二堵头选用耐压的氧化锆制作，可最大承受120mpa轴压，40mpa围压。轴压与
与围压相对现有技术都有较大的提升，能模拟极端环境荷载作用下的水泥浆体内部水分变化。
[0137]
另外，本发明所使用的样品为多孔材料，其弛豫时间普遍较短，大多在1ms以下，因此，本发明主要关注的是水泥基多孔材料的短弛豫部分信号，所用到的样品尺寸为直径25mm，高50mm的多孔水泥基材料，所需的多孔材料夹持器尺寸更小(对应的多孔材料夹持器样品室与样品尺寸相适配，如样品室的长度也为25mm(1英寸))，而常规技术中公开的多孔水泥基材料的直径50mm，高100mm的样品更小，所需多孔材料夹持器尺寸更大(样品室的长度为50mm(2英寸))
[0138]
多孔材料夹持器尺寸做大，除了最短回波时间te的影响，还存在填充因子的影响。样品距离探头线圈越远，填充因子变小，水泥样品的信噪比也会显著的降低。下面公式是填充因子对信噪比的影响：
[0139][0140]
n:单位体积内原子核的数目；
[0141]
γ：原子核的旋磁比；
[0142]
b0：静磁场强度；
[0143]
η：样品的填充因子；
[0144]
q：样品的品质因子；
[0145]
v：样品体积；
[0146]
f：接收机噪声系数；
[0147]
b：接收机带宽
[0148]
影响核磁共振谱仪检测灵敏度的诸多因素中，γ为待观测核的旋磁比，其值可正可负，由核本身性质决定，质子的γh＝26.7519
×
107(rad
·
t-1
·
s-1
)值最大，相对其它核探测灵敏度最高；n是单位体积内原子核的数目，与样品浓度成正比；样品的填充因子和探头的品质因子q决定于探头设计；接收机噪声f主要来源于前置放大器；接收机带宽b与谱仪设计和实验参数有关。
[0149]
具体案例：将一块直径25mm、高50mm的多孔水泥基材料分别放在多孔材料夹持器样品室(样品室的长度为25mm(1英寸))和多孔材料夹持器样品室(样品室的长度为50mm(2英寸))中，在最短te和固定线圈填充因子下，样品在长度为2英寸的多孔材料夹持器样品室内相比长度为1英寸的多孔材料夹持器样品室内信号损失了近一半。具体参数与结果见下表1：
[0150]
表1-样品在长度为2英寸或1英寸的多孔材料夹持器样品室内的信噪比
[0151][0152]
多孔材料夹持器样品室尺寸越大，所测试的样品距离探头越远，填充因子变小，样品信噪比越低，短弛豫信号丢失更多，因此，本发明相对现有技术，采用更小尺寸直径为
25mm的样品及长度为1英寸的多孔材料夹持器样品室来提高多孔水泥基材料短弛豫信号测试精度。
[0153]
以下进一步以具体实施例说明本技术的多孔材料夹持器及水分迁移与相变测试方法。本部分结合具体实施例进一步说明本发明内容，但不应理解为对本发明的限制。如未特别说明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本领域常规试剂、方法和设备。
[0154]
实施例1
[0155]
基于1h nmr的水泥基材料水分在冻融与荷载环境下的迁移与相变
[0156]
1试验目标
[0157]
定量在冻融与恒定荷载下水泥浆体中冰冻水和未冻水的含量。
[0158]
2水泥浆体的制备与试验方法
[0159]
(1)水泥浆体制备
[0160]
实验原材料采用普通硅酸盐水泥、水，水胶比为0.4(水胶比：水重量/胶凝材料重量，即水重量与硅酸盐水泥重量比值)，先按照0.4水胶比称取水泥及水，再分别将水、水泥加入到搅拌筒里，先慢搅120s再快搅120s，最后倒入直径25mm高50mm的三联模具中，待到第二天进行脱模后将样品放入ca(oh)2饱和清液中养护，待养护到合适龄期后进行恒定加载压力下冻融循环实验。
[0161]
(2)试验方法
[0162]
将养护到合适龄期的水泥浆体先进行饱水处理，然后将水泥浆体试件插入夹持器的样品室并固定；将夹持器放入到低场核磁共振磁体中间位置，连接好外部接收器、轴压管道、围压管道与驱替管道，测试一次初始初始常温t2谱；再加入氟化液，让氟化液自然填充满管路，等液位不再下降后开启低温高压模块，打开氟化液循环；选择围压跟踪模式通过液体注入模块向水泥浆体注入水分，采用恒定2mpa的驱替压进行试验，每隔10min测定一次t2谱，待观察到得的t2谱中信号量基本不增加则判断为样品已完成饱水，关闭驱替压。再分别进行冻融试验与恒载情况下的冻融试验。
[0163]
冻融过程中水分迁移与相变的测试方法为：从室温25℃降至-30℃，每5℃温度梯度差并保持40min温度稳定进行t2谱测试；在-30℃保持4h，每40min采集一次t2谱；之后从-30℃升温至25℃，每5℃温度梯度差并保持40min温度稳定后测试一次t2谱；在室温25℃下稳定4h，每40min采集一次t2谱。(即图3～6中轴压/围压均为常压，测试结果为图3～6)
[0164]
指定轴向荷载下的水泥浆体内部水分迁移与相变的测试方法为：先对饱水多孔材料试件样品加上3mpa的围压，再将轴压加压到40mpa，然后进程冻融试验测试，从室温25℃降至-30℃，每5℃温度梯度差并保持40min温度稳定后进行t2谱测试；一轮冻融损伤结束后，样品90℃烘干16h，称干样重量m干，测试干样t2谱。(测试结果为图7～8)
[0165]
本试验所用到的测试参数为：序列cpmg，sw＝250，p1＝10.52us，p2＝18.48us，te＝0.15ms，nech＝6000，tw＝5000ms，ns＝8；
[0166]
3试验结果
[0167]
(1)水泥浆体的冻融过程中水分变化
[0168]
水泥浆体降温t2图谱如图3所示，水泥浆体升温温t2图谱如图4所示。从图3～4中可以看出，当温度在零度以上时，1d龄期的水泥浆体正温时会出现一个长弛豫峰与一个短弛
豫峰，而在负温时，只会存在短弛豫峰。表明负温会冻结水泥浆体内部的长弛豫峰。且负温下降温过程氢核磁信号量会降低，负温下升温过程氢核磁信号量会增高。
[0169]
水泥浆体降温氢核磁信号量变化如图5所示，水泥浆体升温氢核磁信号量变化如图6所示；由以上氢核磁信号量结果可以看出，无论在降温与升温过程，在0℃以上的正温阶段，总会是0℃的氢核磁信号量最大，这与波尔兹曼定律相吻合，但在计算冰冻水含量时需要规定正温(0℃以上)时水泥浆体内部的水全为未冻水，因此需要对正温阶段的氢核磁信号量进行修正，使得其基本能稳定在一个数值附近。修正后，再以正温时的孔隙内部中的水对应的氢核磁信号量为100％未冻水，以修正后的负温下氢核磁信号量比上正温的氢核磁信号量为负温下未冻水含量，失去部分则为冰冻水含量，结果见表1。
[0170]
表1-水泥浆体在不同龄期不同冻融温度下的冻水-未冻水含量
[0171][0172]
(2)水泥浆体冻融以及加载情况下水分变化
[0173]
恒载压力下，水泥浆体降温t2图谱如图7所示，水泥浆体升温温t2图谱如图8所示。
[0174]
由图7～8可知，恒载压力下60d龄期的水泥浆体与常压下的类似，皆在冻融过程中存在两个峰：一个短弛豫峰(0.01-1.748ms)，一个长弛豫峰(4.64-932.6ms)。且在冻融过程中，两个峰的变化都不大。
[0175]
60d龄期水泥浆体常压与恒载条件下冻融过程未冻水含量变化如图9所示。从图9
中可以看出，60d龄期的水泥浆体温度降低，未冻水减少，冰冻水含量增加。60d后，水泥基内部的水大部分在0℃以下不会被冰冻，仍以未冻水的形式存在，且在升温解冻过程中，冻结水在正温时也不会完全解冻。对应于高寒地区混凝土的施工可以看出，如果将混凝土养护60d后再拆模，则其内部受冻融影响较小。在施加一个恒定荷载后，超过90％的水在-28℃下都不会被冻住，升温会提高水泥浆体内部孔隙中水的冰点。
[0176]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多孔材料夹持器，其特征在于，包括：筒体，其内设有第一堵头、第二堵头，所述第二堵头可在筒体内移动，所述第一堵头、第二堵头和筒体内形成容纳多孔材料的样品室；驱替出口管，其一端穿过第一堵头、另一端穿出筒体外；驱替入口管，其一端穿过第二堵头、另一端穿出筒体外；活塞杆，其位于筒体内，并用以推动第二堵头；所述筒体侧壁对应样品室处设有腔室，所述腔室两端分别连通有流体入口、流体出口；所述筒体内位于所述样品室两侧形成围压腔；围压入口管，其一端连通围压腔、另一端穿出筒体外；围压出口管，其一端连通围压腔、另一端穿出筒体外。2.如权利要求1所述的多孔材料夹持器，其特征在于，还包括轴压模块，其连通有轴压液管；活塞座，其位于所述筒体内，所述活塞杆端部伸入活塞座内，所述活塞杆可相对活塞座移动；所述轴压液管与所述活塞座连通；所述轴压模块用以提供预设压力的轴压液，并推动活塞杆移动。3.如权利要求1所述的多孔材料夹持器，其特征在于，还包括驱替液注入模块，所述驱替液注入模块与所述驱替入口管连通，所述驱替液注入模块用以提供驱替液。4.如权利要求1所述的多孔材料夹持器，其特征在于，还包括温度控制模块，低温流体经过温度控制模块后温度于预设范围内，低温流体经流体入口流入至腔室。5.如权利要求1所述的多孔材料夹持器，其特征在于，还包括围压控制模块，围压液经过围压控制模块后压力于预设范围内，围压液经围压入口管流入围压腔。6.如权利要求1所述的多孔材料夹持器，其特征在于，所述筒体材料、第一堵头、第二堵头材料为氧化锆。7.如权利要求1～6所述的多孔材料夹持器，其特征在于，所述筒体外设有保温层。8.一种多孔多孔材料水分迁移与相变测试方法，其特征在于，包括以下步骤：提供如权利要求1～7任一所述的多孔材料夹持器；将多孔材料置于样品室内；将多孔材料夹持器置于核磁共振测量系统的磁体腔内；向围压腔内通入围压液以使围压在预设范围内；然后通过活塞杆使得第一堵头、第二堵头之间的轴向压力在预设范围内；向腔室内通入低温流体以使样品室温度在预设范围内；测试t2谱。9.如权利要求8所述的多孔多孔材料水分迁移与相变测试方法，其特征在于，将多孔材料置于样品室内之前还包括将多孔材料进行饱水处理。10.如权利要求8所述的多孔多孔材料水分迁移与相变测试方法，其特征在于，所述多孔材料的直径为10～25mm、高度为20～80mm；向围压腔内通入围压液以使围压在0～40mpa；然后通过活塞杆使得第一堵头、第二堵头之间的轴向压力在预设0～120mpa范围内；
向腔室内通入低温流体以使样品室温度预设的-30～40℃范围内，并在该温度下面保持一段时间以使样品内外温度一致，再进行t2谱测试。

技术总结
本发明提供了一种多孔材料夹持器及水分迁移与相变测试方法。本发明的多孔材料夹持器，在目前常规核磁专用夹持器的基础上增加了一个轴向机械压力作用于多孔材料材料端面，模拟多孔样品全空间受力情况；为消除高低温冻融与压力对射频线圈的影响，采用氧化锆堵头支撑轴向压力，采用夹持器主体支撑围压(径向压力)，进而使轴压与围压作用在不同结构上，同时，设计夹持器与线圈内部具体隔热环腔来保证射频线圈不受样品高低温冻融与压力的影响；本发明将温度场与应力场耦合起来对水泥样品进行测试，能表征温度-30℃～40℃和荷载0～120MPa条件下水泥基材料中水分的迁移与相变过程。过程。过程。


技术研发人员：刘剑辉 杨玉柱 陈正 刘乐平 黄智鹏 史才军
受保护的技术使用者：广西大学
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/8/9