北京科技大学唐子安、清华大学李文郁——含铁碱激发材料中固体含量分布对低场核磁共振表征的影响。论文标题：The Influence of Solid Content Distribution on the Low-Field Nuclear Magnetic Resonance Characterization of Ferric-Containing Alkali-Activated Materials
论文链接：http://www.mdpi.com/1996-1944/19/2/272
期刊名：Materials
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials
文章导读
本文研究了含铁碱激发材料（AAMs）在低场核磁共振（LF-NMR）表征中由于固体分布不均导致的信号失真问题。传统研究常套用水泥体系模型，却忽略了 AAMs 中顺磁性/铁磁性组分及自由水重新分布的影响。北京科技大学唐子安博士、清华大学李文郁博士在 Materials 期刊发表的文章 (The Influence of Solid Content Distribution on the Low-Field Nuclear Magnetic Resonance Characterization of Ferric-Containing Alkali-Activated Materials)，研究发现浆体沉降导致的固液分布不均会引发LF-NMR信号失真。通过对比矿渣（BFS）、粉煤灰（FA）及钢渣（SS）体系，强调垂直均匀性是准确表征的关键，并提出了一种初步筛选方法。
研究过程与结果
作者系统探讨了碱激发材料（AAMs）中顺磁或亚铁磁组分及自由水分布对低场核磁共振（LF-NMR）和质子密度磁共振成像（PD-MRI）表征结果的影响。研究中选取了三种铁含量依次升高的固体废弃物：高炉矿渣（BFS）、粉煤灰（FA）和钢渣（SS），并以其为原料制备碱激发浆体，液固比分别设置为0.45和0.5。为评估浆体在垂直方向上的不均匀性，研究将固化后的样品分为上、中、下三层分别进行LF-NMR和PD-MRI测试。结果表明，顺磁或亚铁磁组分的存在显著影响质子弛豫行为，主要表现为信号猝灭和横向弛豫时间（T2）缩短。
在铁含量较低的BFS样品中，由于其CaO含量高（42.5%），浆体稠度大，沉降现象不明显，三层样品的T2弛豫分布基本一致，主峰位于8–9 ms，信号强度较低（如图1所示）。相比之下，FA样品中CaO含量较低（28.3%）、Fe2O3和MnO含量为3.3%，浆体流动性较高，沉降现象显著。在液固比为0.5时，上层浆体中自由水富集，顺磁物质含量较低，质子弛豫时间延长，信号强度约为底层的两倍，且MRI图像上层呈现明显亮区，表明自由水积累（如图2所示）。进一步对新鲜FA浆体的LF-NMR分析显示，质子T2分布集中在1–30 ms之间（如图3所示），说明即使在未固化状态下，弛豫行为已受到顺磁组分的显著影响。
图1. 不同液固比（L:S）下碱激发矿渣（AA-BFS）的质子密度磁共振成像（PD-MRI）图像（a, d）、T2 弛豫谱（b, e）及低场核磁共振（LF-NMR）信号衰减曲线（c, f）。
图2. 不同液固比（L:S）下碱激发粉煤灰（AA-FA）的质子密度磁共振成像（PD-MRI）图像（a, d）、T2弛豫谱（b, e）及低场核磁共振（LF-NMR）信号衰减曲线（c, f）。
图3. 新制备碱激发粉煤灰（AA-FA）浆体的低场核磁共振（LF-NMR）谱图。图中数字代表对应波峰的积分面积。
对于钢渣样品，因其含有大量Fe3O4，T2主峰低于1ms，LF-NMR信号极弱，PD-MRI无法成像（如图4所示）。在液固比为0.5时，虽出现分层现象，但由于顺磁影响过强，信号无法定量解释。研究还指出，传统将LF-NMR信号变化归因于孔结构演化的解释模型在AAMs中可能失效，因观测到的T2延长现象更可能源于自由水在浆体顶部的物理积累。如图2e所示，顶部信号峰向长弛豫方向偏移，正是这一机制的体现。
图4. 不同液固比（L:S）下碱激发钢渣（AA-SS）的质子密度磁共振成像（PD-MRI）图像（a, d）、T2弛豫谱（b, e）及低场核磁共振（LF-NMR）信号衰减曲线（c, f）。
为验证顺磁物质在浆体中的垂直分布，研究对BFS和FA样品的顶部与底部进行了铁含量分析，结果表明底部铁浓度显著高于顶部，BFS和FA的浸出液铁浓度分别放大10倍和4倍后显示出明显差异。结合MRI和NMR结果，研究提出了一种基于自由水扩散行为的快速筛选方法，以初步判断浆体是否适合进行LF-NMR测试，强调浆体中未反应水的垂直均匀性是其适用于LF-NMR表征的关键前提。
研究总结
本研究系统考察了碱激发材料（AAMs）中顺磁/亚铁磁组分及自由水分布对低场核磁共振（LF-NMR）与质子密度磁共振成像（PD-MRI）表征结果的影响。选取铁含量依次升高的高炉矿渣（BFS）、粉煤灰（FA）和钢渣（SS），以NaOH为碱激发剂，液固比设为0.45和0.5，对固化后样品的上、中、下三层分别进行LF-NMR与PD-MRI测试。结果表明，顺磁组分通过顺磁弛豫增强机制显著缩短横向弛豫时间（T2）并引起信号猝灭。在稀体系中，密度较大的含铁组分沉降导致浆体垂直方向上顺磁物质浓度梯度，顶部自由水富集、顺磁含量低，底部则相反，从而形成T2信号自上而下递减的梯度分布。BFS因CaO含量高、浆体稠度大，沉降不显著，三层T2分布一致；FA因流动性高、沉降明显，顶部信号强度约为底部的两倍；SS因铁含量过高，T2主峰低于1ms，信号基本猝灭。PD-MRI进一步证实顶部自由水富集现象，且在高铁样品中无法成像。研究指出，传统将T2信号延长归因于孔结构演化的解释在AAMs中可能失效，实际反映的是自由水在顶部的物理积累。因此，浆体中未反应水的垂直匀质性是其适用于LF-NMR表征的关键前提，建议采用基于自由水在滤纸上扩散行为的快速筛选方法初步判断浆体是否适合测试。
Materials 期刊介绍
主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada
主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。
2024 Impact Factor 3.2 (JCR Q2*) 2024 CiteScore 6.4 (Scopus Q1*） Time to First Decision 15.2 Days Acceptance to Publication 3.5 Days
*JCR Q2 at PHYSICS, APPLIED and METALLURGY METALLURGICAL ENGINEERING Categories
*Scopus Q1 at Condensed Matter Physics Category
来源：Materials