大咖新著丨水泥基材料水分敏感性理論——低場磁共振技術創(chuàng)新應用

來源：建研華測（杭州）科技有限公司 2024年07月16日 10:40

水泥基材料幾乎所有性能均與孔和水密切相關，對其孔結構和含水量影響的相關認知是體積穩(wěn)定性與耐久性相關理論研究和技術開發(fā)的重要基礎。哈爾濱工業(yè)大學周春圣教授新著《水泥基材料水分敏感性理論——低場磁共振技術創(chuàng)新應用》剛面市不久，備受關注和稱贊。

著者簡介

哈爾濱工業(yè)大學周春圣教授、博導

哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院教授博導，2011年博士畢業(yè)于清華大學土木系建材所，2014年和2017年分別破格晉升副教授和教授，兼任硅酸鹽學會測試技術分會理事、磁共振測試技術專委會主任委員、《硅酸鹽學報》編委、RILEM-MMS技術委員會副主席、《Materials andStructures》編輯顧問等。主要致力于水泥基材料耐久性和體積穩(wěn)定性基礎理論與提升技術研究，主持國家自然科學基金項目3項，發(fā)表學術論文50余篇，其中水泥基材料領域頂刊CCR論文10篇，主編國家標準1項，獲山東省自然科學獎和中國建材聯(lián)合會二等獎2項，專著《水泥基材料的水分敏感性理論》榮獲國家學術著作出版基金資助。

? 目錄

第1章總結水泥基材料與孔和水有關的結構特征與宏觀性能

第2章重點分析經(jīng)典理論無法解釋的與水有關異常現(xiàn)象

第3章介紹低場磁共振技術的理論基礎

第4章建立適用于水泥基材料的低場磁共振測試方法

第5章利用低場磁共振技術進行原狀測試分析進而提出水敏性概念

第6章從微觀機制及宏觀性能層面對水敏性進行系統(tǒng)論證

第7章利用低場磁共振測孔技術，分析水灰比、養(yǎng)護溫度對砂漿孔結構及水分滲透率的影響

第8章利用水敏性理論，定量模擬長期毛細吸水過程、等溫恒濕干燥過程以及初始毛細吸水速率對飽和度的依賴關系，從側面進一步證實水敏性理論，并展現(xiàn)它在定量解釋水泥基材料與水有關異常行為的獨到之處

自19世紀上半葉硅酸鹽水泥和鋼筋混凝土結構被發(fā)明以來，水泥混凝土迅速成為基礎設施建設最重要的結構材料，在可預見的未來依然不可替代。雖然混凝土材料科學技術已取得重要發(fā)展與進步，為我國基礎設施建設和社會經(jīng)濟發(fā)展做出了貢獻，但在混凝土抗裂性和耐久性的保障提升方面依然面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。該書作者近年利用低場磁共振等技術進行研究發(fā)現(xiàn)，水泥基材料具有孔結構隨含水率顯著動態(tài)變化的水敏性，這打破了將混凝土視作與巖石類似剛性多孔介質的傳統(tǒng)觀念，動搖了水泥基材料經(jīng)典理論的基礎。

雖然混凝土簡稱砼(人工石)，但與巖石相比，水泥基材料有其特殊之處，如納米尺度孔隙含量豐富、孔徑分布范圍非常寬等。雖然現(xiàn)代混凝土與常見沉積巖的孔隙率差不多，但前者的水分滲透率常常比后者低2～4個數(shù)量級。實際上，混凝土是由無定形C—S—H凝膠膠結形成的顆粒堆積多孔材料，而沉積巖是由成巖礦物膠結而成的多孔材料，兩者存在本質差異，但這并沒有得到理論界與工程界的足夠重視。

磁共振微結構分析系統(tǒng)（點擊圖片了解更多）

水泥基材料幾乎所有性能均與孔和水密切相關，對其孔結構和含水量影響的相關認知是體積穩(wěn)定性與耐久性相關理論研究和技術開發(fā)的重要基礎。然而，現(xiàn)有經(jīng)典理論無法解釋多個與孔和水有關的異常行為，如理論上應該相等的水分滲透率為何比其他流體低2～3個數(shù)量級？水蒸氣吸附比表面積為何比氮氣等大10倍左右？受與水有關異常性能及孔結構測試技術局限性的啟發(fā)，考慮到低場磁共振技術具有原狀、無損、快速、準確表征含水多孔介質的能力，借鑒該技術在油氣儲層巖石分析領域的成功經(jīng)驗，作者嘗試建立適用于水泥基材料的低場磁共振測孔理論與方法，技術優(yōu)勢。

更重要的是，利用低場磁共振技術進行測試分析發(fā)現(xiàn)，C—S—H凝膠具有干縮濕脹特性，導致納米尺度孔結構隨含水率的變化而動態(tài)變化，呈現(xiàn)出顯著的水敏性。盡管C—S—H凝膠的微結構非常脆弱，但通常依然認為水泥基材料與巖石類似，干燥時從大孔到小孔依次失水且孔結構保持不變，在干燥狀態(tài)下測量所得孔結構具有足夠的代表性。然而，水敏性的發(fā)現(xiàn)驗證了該公理假設的正確性，不但能定性地解釋水泥基材料與水有關性能存在的多個異常現(xiàn)象，還能定量地解釋水分與氣體滲透率相差2～3個數(shù)量級的異常現(xiàn)象，同時準確地描述偏離根號時間線性規(guī)律的長期毛細吸水過程和等溫干燥過程。水敏性理論將為水泥基材料科學研究提供新視角與新思路，而低場磁共振測試技術也將為水泥基材料測試分析提供技術支撐。

該書系統(tǒng)闡述適用于水泥基材料的低場磁共振測試技術，介紹并全面論述水敏性理論，注重物理概念的解析和物理過程的數(shù)學描述，特色鮮明，可為水泥基材料測試分析提供技術支撐，并為相關理論研究與技術開發(fā)提供指導，適合土木工程及無機非金屬材料專業(yè)高年級本科生、研究生及科研人員參考。

該書的研究工作得到了國家自然科學基金（No. 52078172、51578194、51208153）、哈爾濱工業(yè)大學青年拔尖人才選聘計劃和原創(chuàng)前沿探索基金的支持。該書的出版也得到了2022年度國家科學技術學術著作出版基金的資助。

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