前沿应用|基于低场核磁技术的固废污泥水泥的孔隙结构演变研究

每年产生大量废弃污泥，若处理不当会引发生态污染和安全风险。将其固化作为路基、堤坝等填料是一种广泛认可的有效方法。然而，由于含水率高，常规固化污泥（SS）难以直接压实。实际工程中通常先将污泥与固化剂混合养护形成SS，再经挖掘、破碎、运输、分层摊铺和碾压，最终形成颗粒重组固化污泥（RSS）。

破碎和压实过程会不可避免地破坏SS原有的结构胶结并导致颗粒重组，这使得RSS的力学行为与未破碎的SS存在本质差异 。实验室通常测定未破碎SS试样的强度指标，但这可能导致对实际工程中RSS强度需求的低估，存在工程失效风险 。现有研究对不同重组时间节点下RSS微观结构特征协同变化的系统研究有限，也缺少可靠的强度预测模型来指导工程应用 。

低场核磁共振技术是一种原位在线、对样品无损检测的技术手段。经连续不断的检测，通过弛豫分析微观表征手段，可以揭示固废污泥水泥的孔隙结构演化、分析孔隙分布曲线、量化各类孔隙等研究。在结合宏观力学检测手段的情况下，可以进一步研究颗粒重组后宏观强度发展与微孔结构演化的协同变化，为指导实际工程应用带来机理性的科学帮助。

科研案例：Effect of particle recombination on mechanical  property and microstructure of solidified waste  sludge ^[1]：

样品信息：

1）污泥样品：取自中国宁波某基坑开挖工程。

2）固化剂：普通硅酸盐水泥。

样品制备：

1）常规固化污泥（SS）‍：

污泥经风干、破碎、过筛（<2mm），调整至初始含水率后与水泥搅拌。混合物立即倒入70.7 mm立方体试模和钢制环刀（直径61.8mm，高20mm）中成型。试样包裹塑料薄膜，在标准养护室（22°C，90% 湿度）中养护。48小时后脱模，继续养护至设计龄期T。

2）颗粒重组固化污泥（RSS）‍：

模拟现场填筑施工过程，混合料先装入40×30×22 cm的箱子中密封养护至设计的重组时间节点t1。在t1时刻取出混合料，破碎并过筛至小于5mm。将破碎后的材料分三层压实入70.7mm立方体试模中，压实能控制在2677.2-2687.0 KJ/m³。试样脱模后继续养护至设计时间T。LF-NMR测试样品是从立方体试样中心切取的60mm*100 mm圆柱体。

实验方案：

实验设计主要考察三个变量：水泥含量 、养护龄期 (T) 和重组时间节点 ( t1)

水泥含量 ：设置为 3%、5%、7%、9%。

养护龄期 (T)：设计为 1、3、7、14、28、60 天。

重组时间节点 (t1)：SS 试样t1为0；RSS试样t1设置为 1、3、7、14 天。

使用MicroMR20-025V低场核磁共振分析仪表征孔隙结构演化和孔隙尺寸分布。在测试前，将代表性样品在水中真空饱和24小时，然后样品被转移到玻璃瓶中，放入核磁共振进行弛豫测试。

实验结论：

图：不同时间下的污泥水泥弛豫分布曲线

该图展示了在不同重组时间节点和养护龄期（水泥含量=7%）条件下，RSS样品的弛豫分布曲线。根据弛豫分析有以下结论：

1）SS试样的孔隙演化规律：

对于SS试样，所有三个区间的峰值和积分面积均随养护龄期的增加而减小。左、右区间的弛豫分布曲线随时间向左移动，而中间区间变化很小。积分面积代表孔隙体积，曲线左移代表孔隙尺寸减小。这一现象表明，随着养护时间的推移，水化产物的填充作用使得SS的孔隙尺寸和体积不断减小。

2）RSS试样的孔隙演化规律：

随重组时间节点T的变化：对于RSS试样（在T=t1时），三个区间的峰值和积分面积随重组时间节点t1的延长而增加。左、右区间的弛豫分布曲线随t1增加向右移动，而中间区间峰值对应的弛豫时间基本保持不变 。这表明孔隙尺寸和体积随t1增加而增大。

随二次养护龄期的变化：当T达到28天时，RSS的峰值和积分面积较T=t1时减小，且t1越低，减小的幅度越大。弛豫分布曲线随养护时间向左移动，表明由于水化产物的二次填充作用，孔隙尺寸和体积减小。

小结：

低场核磁共振通过原位现在微观表征手段揭示了固废污泥水泥颗粒重组后微孔结构演化过程化，阐明了颗粒重组破坏原有胶结微结构、导致凝胶孔减少和大孔隙增加，从而引起黏聚力和强度显著降低的机制。确定了较低的重组时间节点对应着更高的微观结构和孔隙分布优化程度及更高强度，为工程实践中确定最佳重组时间提供了依据

推荐设备：

大口径核磁共振成像分析仪

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参考文献：

[1] Cheng X, Chen Y, Chen H. et al. Effect of particle recombination on mechanical property and microstructure of solidified waste sludge. Sci Rep (2026).