核磁共振成像技術在無機建筑材料水分傳輸研究中的應用

黃煜煜

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，江蘇 南京 210036）

無機建筑材料包括巖石、水泥、混凝土、木材等眾多結構性材料，這些材料是構成各類建筑主體結構的必需品。結構的耐久性決定了建筑的設計使用年限、經濟、安全等重要問題，因此研究如何提高無機建筑材料的耐久性具有重要意義［1]。影響無機建筑材料耐久性的因素有許多，如材料本身特性、施工質量、各種外部環境因素等等。其中，水分傳輸是影響耐久性的關鍵性因素之一［2]，在物理性能方面，材料內部水分的膨脹收縮會導致材料本身發生相應的變化；在化學性能方面，水是溝通材料內部結構與外部環境之間的紐帶，為外界環境侵蝕提供了載體。因此研究無機建筑材料的水分傳輸是研究建筑主體結構破壞過程的基礎，也是研究如何提高結構耐久性的重要內容。

合適的試驗方法在研究無機建筑材料的水分傳輸中是十分重要的，目前常用的測定無機建筑材料水分分布的方法有切片稱重法［3-4]、中子衍射法［5-6]、高精度射線衍射法［7-8]以及核磁共振成像法等，其中核磁共振成像（MRI）技術具有快速、連續、無損的優點，可對材料任意層面選層，對人體無電離輻射損傷。本文在第2節綜述MRI技術的基本原理，在第3節介紹一維和二維MRI技術在無機建筑材料水分分布研究中的應用，最后第4節為本文的結論及MRI技術的展望。文章總結了核磁共振成像技術在研究無機建筑材料水分傳輸中的應用，以期為相關人員提供較為全面的認識，推動相關研究的發展及行業的進步。

1 MRI技術原理

原子由原子核和電子構成，而原子核中又含有質子和中子，質子帶有正電荷，若中子和質子有一者為奇數，那么通過原子核的高速自旋就會產生一定的磁場，從而形成核磁。將質子置于靜磁場中，大部分質子自旋形成的小磁場都與主磁場大致平行，呈一定角度地排列，質子繞主磁場軸進行旋轉擺動（進動），產生一個宏觀縱向磁化矢量。在此基礎上施加射頻脈沖，當射頻脈沖頻率與進動頻率一致時，便發生核磁共振，原子核發生能級躍遷，引起自旋方向和宏觀磁化矢量的變化。撤掉射頻脈沖，磁化矢量恢復到平衡狀態的過程中，自旋系統內部交換能量引起橫向弛豫過程，自旋系統與周圍分子交換能量引起縱向弛豫過程。

在核磁成像中，除了要施加靜磁場和射頻場之外，由于進動頻率與磁場強度成正比，還需在三維空間中通過施加梯度磁場來分別實現位置與頻率的一一對應。首先進行層面選擇用于形成圖像，在靜磁場的基礎上施加一個同方向的線性梯度場，使不同位置的質子產生不同的進動頻率，再施加一定頻率范圍的射頻脈沖即選取了一定厚度的層面信息；將選層梯度關閉后，在選中的層面上進行相位編碼，在其中一個方向上施加梯度磁場，不同位置處的質子就有了不同的進動頻率，產生不同的相位；撤掉相位編碼梯度磁場，不同位置的質子保留了原有的相位差，此時在層面的另外一個方向上進行頻率編碼，再經過傅里葉轉換，產生不同的核磁共振信號。

2 MRI技術在無機建筑材料水分傳輸研究中的應用

近年來，MRI技術已經從面向科學研究、高檔醫療診斷等高端需求拓展到石化、醫藥、食品、農產品、紡織和環保等多個領域［9]，其中也包括無機建筑材料這個領域，該技術逐步被用于研究多孔材料的水分分布及水分遷移過程。其中，包括一維MRI技術和二維MRI技術在無機建筑材料水分傳輸中的研究。

2.1 一維MRI技術在無機建筑材料水分傳輸研究中的應用

1979年，Gummerson等［10]首次提出將MRI技術運用于測量多孔無機建筑材料的內部水分分布，并指出實驗室常用的切片稱重法是一種具有破壞性的方法，且不容易直接運用到堅硬的材料上，如透水巖石、陶瓷等。Carpenter等［11]運用稱重法和MRI方法研究了一種建筑巖石的水分分布，結果表明，MRI方法是一種具有非破壞性且快速的手段，可以用于不飽和流試驗中確定試樣內部的水分分布，特別是多孔材料中毛細管傳輸性能的測量，除此之外還得出了該巖石水分擴散系數與含水量的近似指數函數。

材料自身特性是影響無機建筑材料水分傳輸的因素之一。早在1998年，S.D.Beyea［12]就通過超導磁體形成的一維高場MRI技術對相關方面進行了研究，通過研究干燥機理、水灰比和養護時間對于混凝土干燥的影響，發現混凝土的干燥過程是通過毛細管流動和表面擴散發生的，水灰比較大的混凝土干燥現象比較明顯，甚至當養護時間較長時也有此現象。同年，S.D.Beyea［13]研究了白色水泥凈漿的干燥過程，結果顯示干燥時間長于28 d的混凝土與純水泥凈漿之間的干燥過程存在差異，由于干燥收縮的影響，純水泥凈漿不適用于研究混凝土的真正長期干燥。2000年，K.Hazrati［14]使用一維低場MRI技術測定了不同的水灰比、水泥類型、硅灰含量以及干燥處理方式影響下硬化水泥砂漿的毛細管水分流動情況，結果表明水灰比的減小和硅灰的使用能夠顯著降低砂漿中的水分吸收含量；相對于丙-2-醇干燥，高溫干燥對于試樣具有較大的破壞性，增加了水分的吸收；同時發現含鐵量較高的砂漿對于核磁測定結果有較大的影響，但經過特殊設計后的儀器同樣也可以用來監測。Cano［15]等通過一維MRI技術獲得了高、低水灰比波特蘭水泥砂漿中水分、氯離子和鈉離子傳輸的不同狀態，發現了兩種水灰比砂漿中滲透程度存在明顯差異，在高水灰比砂漿中，氯離子的滲透程度隨著時間的增大而減小，這可能是由于氯離子和水泥漿中的物質發生化學或物理反應所導致，但是這種現象在低水灰比砂漿中并不明顯。

近些年來，國內也有學者將MRI技術用于多孔材料的水分傳輸研究中。張倩等［16]利用一維MRI技術的橫向弛豫譜分析了人工砂巖樣品中的孔隙水分變化，通過一維剖面成像獲取了其水分遷移信息，并與切片稱重法結果進行了對比，分析總結滲透率、吸水邊界對水分遷移過程的影響，且定量化探討了吸水機理對吸水率的控制作用，同時驗證了核磁共振法的適用性。

2.2 二維MRI技術在無機建筑材料水分傳輸研究中的應用

一維成像主要提供的是材料各個斷面上總的水分信息，而二維成像可以自由選擇剖面，并得到每個剖面上的水分分布情況，總體上更加直觀，相對于一維成像可以得到更多的信息。B.J.Balcom［17]使用二維高場MRI技術作為混凝土和砂漿中水分分布和水分遷移的非破壞性測試工具，通過研究部分飽和材料中的干燥和冷凍行為證明了該技術的應用。結果顯示擴散干燥速率與養護時間和水灰比有明顯的相關性，混凝土內部水分分布可以被直觀地觀測到。除此之外對儀器進行修改后，可以測出除氫以外的核磁成像，來確定鹽水侵入的砂漿中氯化物和鈉的分布。Sakai等［18]使用二維MRI技術觀測了兩種不同的水泥膠凝材料的水分滲透過程，其發現白色波特蘭水泥的水分滲透信號要優于普通波特蘭水泥。同時運用了其它水分滲透檢測方法測定水分在水泥膠凝材料的滲入深度，發現其結果與MRI方法測定的結果具有一致性，證實了MRI技術應用的準確性。

Zhou等［19]通過二維MRI技術研究了楊樹木材的吸水特性，發現水分沿著年輪進行滲透，并且滲透速率取決于年輪的異質性。此外Zhou等還通過將二維和一維的MRI技術結合，研究了木材中自由水和結合水的動力學特性。謝凱楠［20]采用二維低場MRI技術研究了干濕循環作用下泥質砂巖的細觀損傷行為，發現巖石內部孔隙隨著干濕循環試驗的進行增多，孔隙尺寸也變大，同時，核磁共振成像像素點的灰度值分布符合對數高斯分布。

3 結語

本文總結了MRI技術原理，并介紹了一維和二維的MRI技術在無機建筑材料水分傳輸研究中的應用。由于MRI技術具有快速、連續、無損的優點，MRI技術可以作為一種良好的研究手段來測定無機建筑材料內部的水分分布、水分及離子的遷移性能等微觀特性。

然而，順磁性物質會對核磁信號存在一定的干擾作用，若無機建筑材料存在順磁性物質，那么試驗結果將受到影響，例如Marfisi等［21]發現普通硅酸鹽水泥中的磁性成分會影響圖像的輸出。雖然在現有的核磁試驗中都會盡量去除順磁性物質來減少干擾［13]，但在實際工程材料中往往會存在各種順磁性物質，如何能盡量減少甚至消除順磁性物質對MRI技術的影響，這方面還需要進行進一步研究。