大咖新著丨水泥基材料水分敏感性理论——低场磁共振技术创新应用
时间：2024-07-16 阅读：183
水泥基材料几乎所有性能均与孔和水密切相关，对其孔结构和含水量影响的相关认知是体积稳定性与耐久性相关理论研究和技术开发的重要基础。哈尔滨工业大学周春圣教授新著《水泥基材料水分敏感性理论——低场磁共振技术创新应用》刚面市不久，备受关注和称赞。
著者简介
哈尔滨工业大学 周春圣 教授、博导
哈尔滨工业大学土木工程学院教授博导，2011年博士毕业于清华大学土木系建材所，2014年和2017年分别破格晋升副教授和教授，兼任硅酸盐学会测试技术分会理事、磁共振测试技术专委会主任委员、《硅酸盐学报》编委、RILEM-MMS技术委员会副主席、《Materials andStructures》编辑顾问等。主要致力于水泥基材料耐久性和体积稳定性基础理论与提升技术研究，主持国家自然科学基金项目3项，发表学术论文50余篇，其中水泥基材料领域顶刊CCR论文10篇，主编国家标准1项，获山东省自然科学奖和中国建材联合会二等奖2项，专著《水泥基材料的水分敏感性理论》荣获国家学术著作出版基金资助。
第1章 总结水泥基材料与孔和水有关的结构特征与宏观性能第2章 重点分析经典理论无法解释的与水有关异常现象第5章 利用低场磁共振技术进行原状测试分析进而提出水敏性概念第6章 从微观机制及宏观性能层面对水敏性进行系统论证第7章 利用低场磁共振测孔技术，分析水灰比、养护温度对砂浆孔结构及水分渗透率的影响第8章 利用水敏性理论，定量模拟长期毛细吸水过程、等温恒湿干燥过程以及初始毛细吸水速率对饱和度的依赖关系，从侧面进一步证实水敏性理论，并展现它在定量解释水泥基材料与水有关异常行为的独到之处
自19世纪上半叶硅酸盐水泥和钢筋混凝土结构被发明以来，水泥混凝土迅速成为基础设施建设最重要的结构材料，在可预见的未来依然不可替代。虽然混凝土材料科学技术已取得重要发展与进步，为我国基础设施建设和社会经济发展做出了贡献，但在混凝土抗裂性和耐久性的保障提升方面依然面临严峻的挑战。该书作者近年利用低场磁共振等技术进行研究发现，水泥基材料具有孔结构随含水率显著动态变化的水敏性，这打破了将混凝土视作与岩石类似刚性多孔介质的传统观念，动摇了水泥基材料经典理论的基础。虽然混凝土简称砼(人工石)，但与岩石相比，水泥基材料有其特殊之处，如纳米尺度孔隙含量丰富、孔径分布范围非常宽等。虽然现代混凝土与常见沉积岩的孔隙率差不多，但前者的水分渗透率常常比后者低2∼4个数量级。实际上，混凝土是由无定形C—S—H凝胶胶结形成的颗粒堆积多孔材料，而沉积岩是由成岩矿物胶结而成的多孔材料，两者存在本质差异，但这并没有得到理论界与工程界的足够重视。
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水泥基材料几乎所有性能均与孔和水密切相关，对其孔结构和含水量影响的相关认知是体积稳定性与耐久性相关理论研究和技术开发的重要基础。然而，现有经典理论无法解释多个与孔和水有关的异常行为，如理论上应该相等的水分渗透率为何比其他流体低2∼3个数量级？水蒸气吸附比表面积为何比氮气等大10倍左右？受与水有关异常性能及孔结构测试技术局限性的启发，考虑到低场磁共振技术具有原状、无损、快速、准确表征含水多孔介质的能力，借鉴该技术在油气储层岩石分析领域的成功经验，作者尝试建立适用于水泥基材料的低场磁共振测孔理论与方法，技术优势。更重要的是，利用低场磁共振技术进行测试分析发现，C—S—H凝胶具有干缩湿胀特性，导致纳米尺度孔结构随含水率的变化而动态变化，呈现出显著的水敏性。尽管C—S—H凝胶的微结构非常脆弱，但通常依然认为水泥基材料与岩石类似，干燥时从大孔到小孔依次失水且孔结构保持不变，在干燥状态下测量所得孔结构具有足够的代表性。然而，水敏性的发现验证了该公理假设的正确性，不但能定性地解释水泥基材料与水有关性能存在的多个异常现象，还能定量地解释水分与气体渗透率相差2∼3个数量级的异常现象，同时准确地描述偏离根号时间线性规律的长期毛细吸水过程和等温干燥过程。水敏性理论将为水泥基材料科学研究提供新视角与新思路，而低场磁共振测试技术也将为水泥基材料测试分析提供技术支撑。该书系统阐述适用于水泥基材料的低场磁共振测试技术，介绍并全面论述水敏性理论，注重物理概念的解析和物理过程的数学描述，特色鲜明，可为水泥基材料测试分析提供技术支撑，并为相关理论研究与技术开发提供指导，适合土木工程及无机非金属材料专业高年级本科生、研究生及科研人员参考。
该书的研究工作得到了国家自然科学基金（No. 52078172、51578194、51208153）、哈尔滨工业大学青年拔尖人才选聘计划和原创前沿探索基金的支持。该书的出版也得到了2022年度国家科学技术学术著作出版基金的资助。
