核磁共振成像技术在无机建筑材料水分传输研究中的应用

黄煜煜

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，江苏 南京 210036）

无机建筑材料包括岩石、水泥、混凝土、木材等众多结构性材料，这些材料是构成各类建筑主体结构的必需品。结构的耐久性决定了建筑的设计使用年限、经济、安全等重要问题，因此研究如何提高无机建筑材料的耐久性具有重要意义［1]。影响无机建筑材料耐久性的因素有许多，如材料本身特性、施工质量、各种外部环境因素等等。其中，水分传输是影响耐久性的关键性因素之一［2]，在物理性能方面，材料内部水分的膨胀收缩会导致材料本身发生相应的变化；在化学性能方面，水是沟通材料内部结构与外部环境之间的纽带，为外界环境侵蚀提供了载体。因此研究无机建筑材料的水分传输是研究建筑主体结构破坏过程的基础，也是研究如何提高结构耐久性的重要内容。

合适的试验方法在研究无机建筑材料的水分传输中是十分重要的，目前常用的测定无机建筑材料水分分布的方法有切片称重法［3-4]、中子衍射法［5-6]、高精度射线衍射法［7-8]以及核磁共振成像法等，其中核磁共振成像（MRI）技术具有快速、连续、无损的优点，可对材料任意层面选层，对人体无电离辐射损伤。本文在第2节综述MRI技术的基本原理，在第3节介绍一维和二维MRI技术在无机建筑材料水分分布研究中的应用，最后第4节为本文的结论及MRI技术的展望。文章总结了核磁共振成像技术在研究无机建筑材料水分传输中的应用，以期为相关人员提供较为全面的认识，推动相关研究的发展及行业的进步。

1 MRI技术原理

原子由原子核和电子构成，而原子核中又含有质子和中子，质子带有正电荷，若中子和质子有一者为奇数，那么通过原子核的高速自旋就会产生一定的磁场，从而形成核磁。将质子置于静磁场中，大部分质子自旋形成的小磁场都与主磁场大致平行，呈一定角度地排列，质子绕主磁场轴进行旋转摆动（进动），产生一个宏观纵向磁化矢量。在此基础上施加射频脉冲，当射频脉冲频率与进动频率一致时，便发生核磁共振，原子核发生能级跃迁，引起自旋方向和宏观磁化矢量的变化。撤掉射频脉冲，磁化矢量恢复到平衡状态的过程中，自旋系统内部交换能量引起横向弛豫过程，自旋系统与周围分子交换能量引起纵向弛豫过程。

在核磁成像中，除了要施加静磁场和射频场之外，由于进动频率与磁场强度成正比，还需在三维空间中通过施加梯度磁场来分别实现位置与频率的一一对应。首先进行层面选择用于形成图像，在静磁场的基础上施加一个同方向的线性梯度场，使不同位置的质子产生不同的进动频率，再施加一定频率范围的射频脉冲即选取了一定厚度的层面信息；将选层梯度关闭后，在选中的层面上进行相位编码，在其中一个方向上施加梯度磁场，不同位置处的质子就有了不同的进动频率，产生不同的相位；撤掉相位编码梯度磁场，不同位置的质子保留了原有的相位差，此时在层面的另外一个方向上进行频率编码，再经过傅里叶转换，产生不同的核磁共振信号。

2 MRI技术在无机建筑材料水分传输研究中的应用

近年来，MRI技术已经从面向科学研究、高档医疗诊断等高端需求拓展到石化、医药、食品、农产品、纺织和环保等多个领域［9]，其中也包括无机建筑材料这个领域，该技术逐步被用于研究多孔材料的水分分布及水分迁移过程。其中，包括一维MRI技术和二维MRI技术在无机建筑材料水分传输中的研究。

2.1 一维MRI技术在无机建筑材料水分传输研究中的应用

1979年，Gummerson等［10]首次提出将MRI技术运用于测量多孔无机建筑材料的内部水分分布，并指出实验室常用的切片称重法是一种具有破坏性的方法，且不容易直接运用到坚硬的材料上，如透水岩石、陶瓷等。Carpenter等［11]运用称重法和MRI方法研究了一种建筑岩石的水分分布，结果表明，MRI方法是一种具有非破坏性且快速的手段，可以用于不饱和流试验中确定试样内部的水分分布，特别是多孔材料中毛细管传输性能的测量，除此之外还得出了该岩石水分扩散系数与含水量的近似指数函数。

材料自身特性是影响无机建筑材料水分传输的因素之一。早在1998年，S.D.Beyea［12]就通过超导磁体形成的一维高场MRI技术对相关方面进行了研究，通过研究干燥机理、水灰比和养护时间对于混凝土干燥的影响，发现混凝土的干燥过程是通过毛细管流动和表面扩散发生的，水灰比较大的混凝土干燥现象比较明显，甚至当养护时间较长时也有此现象。同年，S.D.Beyea［13]研究了白色水泥净浆的干燥过程，结果显示干燥时间长于28 d的混凝土与纯水泥净浆之间的干燥过程存在差异，由于干燥收缩的影响，纯水泥净浆不适用于研究混凝土的真正长期干燥。2000年，K.Hazrati［14]使用一维低场MRI技术测定了不同的水灰比、水泥类型、硅灰含量以及干燥处理方式影响下硬化水泥砂浆的毛细管水分流动情况，结果表明水灰比的减小和硅灰的使用能够显著降低砂浆中的水分吸收含量；相对于丙-2-醇干燥，高温干燥对于试样具有较大的破坏性，增加了水分的吸收；同时发现含铁量较高的砂浆对于核磁测定结果有较大的影响，但经过特殊设计后的仪器同样也可以用来监测。Cano［15]等通过一维MRI技术获得了高、低水灰比波特兰水泥砂浆中水分、氯离子和钠离子传输的不同状态，发现了两种水灰比砂浆中渗透程度存在明显差异，在高水灰比砂浆中，氯离子的渗透程度随着时间的增大而减小，这可能是由于氯离子和水泥浆中的物质发生化学或物理反应所导致，但是这种现象在低水灰比砂浆中并不明显。

近些年来，国内也有学者将MRI技术用于多孔材料的水分传输研究中。张倩等［16]利用一维MRI技术的横向弛豫谱分析了人工砂岩样品中的孔隙水分变化，通过一维剖面成像获取了其水分迁移信息，并与切片称重法结果进行了对比，分析总结渗透率、吸水边界对水分迁移过程的影响，且定量化探讨了吸水机理对吸水率的控制作用，同时验证了核磁共振法的适用性。

2.2 二维MRI技术在无机建筑材料水分传输研究中的应用

一维成像主要提供的是材料各个断面上总的水分信息，而二维成像可以自由选择剖面，并得到每个剖面上的水分分布情况，总体上更加直观，相对于一维成像可以得到更多的信息。B.J.Balcom［17]使用二维高场MRI技术作为混凝土和砂浆中水分分布和水分迁移的非破坏性测试工具，通过研究部分饱和材料中的干燥和冷冻行为证明了该技术的应用。结果显示扩散干燥速率与养护时间和水灰比有明显的相关性，混凝土内部水分分布可以被直观地观测到。除此之外对仪器进行修改后，可以测出除氢以外的核磁成像，来确定盐水侵入的砂浆中氯化物和钠的分布。Sakai等［18]使用二维MRI技术观测了两种不同的水泥胶凝材料的水分渗透过程，其发现白色波特兰水泥的水分渗透信号要优于普通波特兰水泥。同时运用了其它水分渗透检测方法测定水分在水泥胶凝材料的渗入深度，发现其结果与MRI方法测定的结果具有一致性，证实了MRI技术应用的准确性。

Zhou等［19]通过二维MRI技术研究了杨树木材的吸水特性，发现水分沿着年轮进行渗透，并且渗透速率取决于年轮的异质性。此外Zhou等还通过将二维和一维的MRI技术结合，研究了木材中自由水和结合水的动力学特性。谢凯楠［20]采用二维低场MRI技术研究了干湿循环作用下泥质砂岩的细观损伤行为，发现岩石内部孔隙随着干湿循环试验的进行增多，孔隙尺寸也变大，同时，核磁共振成像像素点的灰度值分布符合对数高斯分布。

3 结语

本文总结了MRI技术原理，并介绍了一维和二维的MRI技术在无机建筑材料水分传输研究中的应用。由于MRI技术具有快速、连续、无损的优点，MRI技术可以作为一种良好的研究手段来测定无机建筑材料内部的水分分布、水分及离子的迁移性能等微观特性。

然而，顺磁性物质会对核磁信号存在一定的干扰作用，若无机建筑材料存在顺磁性物质，那么试验结果将受到影响，例如Marfisi等［21]发现普通硅酸盐水泥中的磁性成分会影响图像的输出。虽然在现有的核磁试验中都会尽量去除顺磁性物质来减少干扰［13]，但在实际工程材料中往往会存在各种顺磁性物质，如何能尽量减少甚至消除顺磁性物质对MRI技术的影响，这方面还需要进行进一步研究。