前沿应用|基于核磁共振技术的土凝岩土体改良孔隙水分布特征表征

在基础设施建设的绿色转型浪潮中，“土凝岩”作为一种低碳环保的新型材料，正逐渐取代传统的水泥、石灰等固化剂，成为路基改良与地基加固的主力军。土凝岩在固化过程中会填充微小孔隙并形成骨架，从而显著提升土体的抗剪强度与耐久性，重构了土体内部的水分分布。那么土凝岩如何从微观层面改变土体的物理化学性质？其改良后的孔隙水分布特征究竟发生了怎样的变化？

低场核磁共振技术相较传统土体水分测试方法：烘干法、红外法等，具有无损快速精准的特点，能够在分钟级别给出准确的含水率结果，以及表征土体内部水分分布特征，此外低场核磁技术可以全孔径尺寸表征土体内部纳米级到毫米级的孔隙，可以检测土体在不同环境下（干燥、饱和、加压等）实时动态相变过程中的水分分布情况。

基于核磁共振技术对土凝岩改良土体的研究，不仅揭示了微观孔隙水分布特征的演变规律，更为优化改良剂配方、预测土体长期性能提供了坚实的理论依据。

基于低场核磁土体在压实、饱和及干燥过程中的孔隙水分布特征的研究案例^[1]：

样品制备与测试：

样品来源：实验所用土料为取自中国北京延庆区的粉质黏土。

预处理：土样首先在105°C下烘干，然后在密封袋中冷却备用。

样品配置：使用聚四氟乙烯（PTFE）环刀（内径45.0mm，高20.0mm）制备试样，制备方案涵盖了不同压实度（80%, 85%, 90%, 95%, 100%）和不同初始含水率（12%, 16.5%, 20%）的组合。

孔隙水分布（PWD）测量：PWD测量采用低场核磁共振（NMR）技术，其核心在于将NMR测得的T₂谱转化为具有明确物理意义的孔隙水分布曲线。

实验结论：

图一 不同类型孔隙水分布模型

图一基于核磁划分水分类型：

强束缚水：通过范德华力紧密吸附在黏土颗粒表面；

团聚体内孔隙水：填充在黏土颗粒聚集而成的“团聚体”内部孔隙中；

团聚体间孔隙水：存在于团聚体间的宏观孔隙，是土壤中最自由、最容易被排出的水。

分布模型清晰的展示了不同水组分的在土体内部的位置。

图二 饱和压实试样的孔隙水分布曲线

图二显示了不同压实度下饱和压制成型试样的孔隙水分布特征：表明随着压实度的提高，孔隙水含量总体上呈现下降趋势。这说明压实过程中，土壤的孔隙空间被压缩，导致孔隙水含量减少。

图三 不同初始含水量下饱和压实试样的水分布特性

图三显示在较低的初始含水率下（w12），曲线呈单峰形态，表明土壤颗粒尚未充分聚集形成团聚体结构。当初始含水率增至（w16）和（w20）时，曲线转变为双峰形态，这标志着土壤颗粒已经聚集成团，形成了典型的“团聚体内孔隙”和“团聚体间孔隙”并存的二元结构。

图四 土壤干燥过程中孔隙水分布的动态演化特征（a、b）

图四为基于核磁共振技术的土壤干燥过程，两个阶段：

阶段1（图四a）‍：在干燥初期，随着饱和度从100%开始下降，对应较大孔隙被迅速排出。其中第一个峰值反而会暂时升高，这是因为大孔隙中的水被空气取代后，不连续的水可能被识别为较小孔隙中的水，导致孔隙水含量的“假性”增加。

阶段2（图四b）‍：随着干燥继续进行，曲线面积随饱和度降低而减小，表明土壤整体水量下降。在团聚体间孔隙水完全排出后，团聚体内孔隙水含量开始快速减少。同时，整个曲线向左移动，反映了土壤干燥过程中的收缩现象。

该案例利用低场核磁技术，对土体中的水组分进行了划分，同时研究了其在压实、饱和及干燥过程中的水分布特征，为土凝岩土体改良孔隙水分布特征的表征提供支持。

参考文献：

 [1] Zhao Y X, Wu L Z, Li X. NMR-based pore water distribution characteristics of silty clay during the soil compaction, saturation, and drying processes[J].Journal of Hydrology, 2024, 636(000):12

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