水泥基材料-土壤-岩芯等多孔介质系统原理

土壤中的水分传输机制与土壤污染 水分进入土壤后，将立即渗透至水分不受约束的区域，如不受约束的有机质中，形成凝胶相，不受约束矿物颗粒（粘土）的微孔中，颗粒与颗粒之间的孔隙中（中孔、大孔/毛细孔中），这一过程很短。然而随着水分的进入，土壤的组分单元将与水分产生相互作用，如水分渗透进有机质与矿物颗粒的结合界面，从而阻断之间的氢键连接、离子键连接、共价键连接等，甚至还伴随着水解作用的产生，随着这些约束的破坏，其产物如分离出的有机质和矿物颗粒进一步吸水，从而极终达到水分传输分布的平衡状态，当如土壤失水干燥时，上述过程使可逆的，伴随着凝胶相失水坍塌、有机质与矿物质在界面作用下，重新分型聚集，封闭微孔等。这一微孔打开/封闭的过程，将极有可能使污染物在土壤中聚集，从而形成土壤污染。核磁共振检测技术特点：测量目标原子核的独一性。水泥基材料-土壤-岩芯等多孔介质系统原理

孔径分布：岩石的孔隙分类一般按孔隙的等效毛细管半径划分：

1）超毛细管孔隙：流体重力作用下可自由流动（大裂缝、溶洞、未胶结或胶结疏松的砂岩）【孔隙直径>0.5mm；裂缝宽度>0.25mm】

2）毛细管孔隙：流体在外力作用下可自由流动（一般砂岩）【孔隙直径[0.2μm,0.5mm]；裂缝宽度[0.1μm,0.25mm]】

3）微毛细管孔隙：流体在自然压差下无法流动（泥岩）【孔隙直径<0.2μm；裂缝宽度<0.1μm】孔隙大小分布曲线及孔隙大小累积分布曲线： 一体式水泥基材料-土壤-岩芯等多孔介质冻土未冻水检测岩石和土体是天然形成的多孔介质材料。

低场时域核磁共振用于土壤润湿性的检测 土壤润湿性（wettability）对土壤的性能参数之一，其表现为快速吸水，持水能力强。土壤的憎水性（repellency）是指土壤具有较差的润湿性，其表现为植物生长缓慢、表面多尘、因缺少图聚核而结构一致，这种现象增加了地下水污染的可能性。土壤憎水性的成因包括：自然发生的、因火灾或污染产生等。污染引起的土壤憎水性通常是由于土壤长期暴露在液相或气相的石油烃中。因此对于土壤润湿性的评价非常重要。 传统的评价方法包括乙醇滴定法（MED）和水分渗透时间法（WDPT），这两种方法虽然检测快速、易于操作，但也有着不可忽略的弊端。在MED法中：如果不忽略固-液分子相互作用性质的差异的情况，那么土壤/水/空气系统不能直接与土壤/乙醇水溶液/空气系统进行比较，且MED测试结果重复性较差。在WDPT法中：时间维度的选择过于随意，且无特定的物理意义。

低场时域核磁共振技术是一种正在兴起的快速、无损的检测技术。具有无侵入。无损。测试速度快。灵敏度高。不需要对样品进行特殊预处理等优点。主要通过测量在静态磁场中的不同物理、化学、生物环境下的氢原子核的共振信号——时域信号。进而获得研究者所需要的样品的物理化学信息。所测得的整体弛豫时间的幅值与样品中所有含氢物质总量成线性关系。通过与定量标样（已知体积）的弛豫时间幅值比对。可获得样品中含水率信息、渗流及渗透率信息。水泥基材料-土壤-岩芯等多孔介质磁共振分析仪可用于非常规岩芯的总体有机质含量（TOC ）检测分析。

核磁共振由哈佛大学Purcell教授和斯坦福大学Bloch教授在1946 年独自发现现象之后，该项技术在科学研究和工业领域的应用日益广阔。 在水泥基材料、土壤、岩芯等多孔介质研究领域，Brown 和 Fatt 于 1956 年首先研究了多孔介质中水的核磁共振弛豫特征，发现多孔介质中水的弛豫时间远小于其自由状态的体弛豫时间。 根据核磁共振机制，由于多孔介质中水的弛豫时间主要反映的是水的表面弛豫特征，即水与多孔介质孔隙表面之间的相互作用力强弱，液固之间的作用力越强则液体的弛豫时间越短，否则液体的弛豫时间越长。水泥基材料-土壤-岩芯等多孔介质磁共振分析仪可用于非常规岩芯的可动与不可动固体有机质含量检测分析。水泥基材料-土壤-岩芯等多孔介质系统

土壤和岩芯的物理和化学性质影响多孔介质的性能。水泥基材料-土壤-岩芯等多孔介质系统原理

孔隙结构：单重、双重、三重孔隙介质；共六种孔隙结构类型

1、单重孔隙介质

1）粒间孔隙结构：由大小形状不同的颗粒组成，颗粒间间隙被胶结物质填充；（等效球体-等直径/变截面微毛细管-网络模型）

2）纯裂缝结构：不规则、不渗透；（裂缝网络分隔）

2、双重孔隙介质

1）裂缝-孔隙结构：粒间孔隙介质又被裂缝分隔为多个块状单元；（双重孔隙度、渗透率）

2）溶洞-孔隙结构：粒间孔隙岩石中分布着大的溶洞，尺寸超过毛细管大小；（两种流动规律：粒间孔渗流规律、溶洞孔纳维斯托克斯方程）

3、三重孔隙介质

1）孔隙-微裂缝-大洞穴

2）孔隙-微裂缝-大裂缝 水泥基材料-土壤-岩芯等多孔介质系统原理