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

水泥的水化過程是水泥基材料性能的關鍵。其固體水化產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；鈣礬石（Ettringite）和水泥基材料的膨脹和硬度相關。對水化水泥漿中固態結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，能夠有效避免傳統方法的弊端，實現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，尤其是固態含氫組分。T1-T2二維弛豫時間譜圖則可有效實現樣品中各固態含氫結晶相的區分和分析。

東南大學陸榮生教授帶領的低場時域磁共振技術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含氫結晶相-Portlandite、Ettringite的相關研究。

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）全部分解，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

結論如下：

1） 固態含氫結晶相：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） 結合定量技術，T1-T2二維譜圖可實現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