模擬毛細(xì)管核磁共振特性研究

摘要：核磁共振技術(shù)已在巖土工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但橫向弛豫時間T₂與介質(zhì)孔隙半徑r的換算關(guān)系仍缺少試驗支撐。采用3種不同孔徑的聚四氟乙烯管模擬土體毛細(xì)管，測定不同孔徑、不同孔隙量條件下毛細(xì)管的T₂曲線，分析T₂曲線特征參數(shù)與孔隙半徑和孔隙量間的關(guān)系。結(jié)果表明：T₂曲線能很好地反映土體含水量和孔隙水儲存狀態(tài)，含水量與T₂曲線積分面積呈良好的線性關(guān)系，孔隙半徑r與T₂值存在正比例關(guān)系。研究結(jié)果可為基于核磁共振的介質(zhì)孔隙和孔隙水儲存形態(tài)相關(guān)研究提供有益的借鑒。

關(guān)鍵詞：核磁共振;毛細(xì)管;T₂曲線;孔隙半徑

中圖分類號：TU441文獻標(biāo)志碼：A核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。由核磁共振基本原理可知［1-2］，土體孔隙內(nèi)流體的弛豫時間可以表示為

在實踐應(yīng)用中，核磁共振作為一種便捷、快速、無損、高靈敏度的介質(zhì)孔隙檢測技術(shù)，已在石油、巖土工程領(lǐng)域廣泛發(fā)揮作用。王振華等［3］對采油層低孔隙度巖樣進行核磁共振試驗，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)反演得到的巖樣孔隙度、孔徑分布、束縛水含量等結(jié)果都與常規(guī)巖樣分析手段獲得的數(shù)據(jù)基本一致。王平和屈展［4］利用核磁共振技術(shù)研究了水化過程中頁巖孔隙損傷規(guī)律?；赥₂曲線的變化，較為清晰地展現(xiàn)了頁巖水化過程孔隙結(jié)構(gòu)的階段性變化特征。田慧會等［5］測定了土體脫濕過程的T₂曲線，定性分析了土體孔隙水排出的動態(tài)過程。小孔隙束縛水模型［6］認(rèn)為，r較小的孔隙內(nèi)儲存的都為束縛水，對應(yīng)的T₂值較小；r較大的孔隙內(nèi)儲存的為自由水，對應(yīng)的T₂值較大。上述研究成果均顯示了核磁共振通過測水來反映孔隙信息的可行性，其重要基礎(chǔ)是T₂值與介質(zhì)孔徑r之間存在固定的換算關(guān)系。

1試驗材料與方法

為避免管材對試驗結(jié)果的影響，文中采用聚四氟乙烯管來制取毛細(xì)管模型，從而模擬土體毛細(xì)管進行測試。如圖1所示，毛細(xì)管直徑Ф分別為0.5 mm、1.0 mm、4.0 mm，管長為50.0 mm，四氟管體積相應(yīng)為0.009 812 5 cm3、0.039 25 cm3、0.157 cm3。試驗時，使用注射器向管內(nèi)注射蒸餾水至填充滿，管口兩側(cè)用保鮮膜密封好，防止試驗過程孔隙水流失。分別將各管以及不同管間的組合毛細(xì)管放入核磁共振測試管內(nèi)，進行相應(yīng)的核磁共振T₂曲線測試。

2試驗結(jié)果

3討論

3.1含水量與T₂曲線峰面積關(guān)系

3.2毛細(xì)管孔徑與T₂對應(yīng)關(guān)系

4結(jié)論

文章采用自制3種不同孔徑的毛細(xì)管，探究土體孔隙飽和狀態(tài)的核磁共振弛豫特征，并得到以下主要結(jié)論。

1）核磁共振T₂曲線能很好地反映孔隙含水情況，含水量與T₂曲線積分面積呈良好的線性關(guān)系。同孔徑毛細(xì)管數(shù)量增加，T₂曲線峰值、T₂曲線與橫坐標(biāo)軸積分面積顯著增大，而T₂曲線分布范圍變化不明顯。

2）核磁共振T₂曲線能很好地反映孔隙水的儲存狀態(tài)，孔隙半徑r與T₂值存在正比例關(guān)系。不同孔徑毛細(xì)管T₂曲線的峰值橫坐標(biāo)、峰值均隨毛細(xì)管孔徑增加而增大。

3）文章從試驗角度論證了介質(zhì)孔隙半徑r與T₂值的關(guān)系，為核磁共振技術(shù)在介質(zhì)孔隙測試領(lǐng)域應(yīng)用補充了數(shù)據(jù)支持。文中所有毛細(xì)管數(shù)量、孔徑范圍、孔隙結(jié)構(gòu)不夠豐富，T₂值與復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)間的數(shù)學(xué)關(guān)系仍有待進一步研究。參考文獻：

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（責(zé)任編輯：曾晶）

Study on Nuclear Magnetic Resonance Characteristics

of Simulated Capillary

DONG Jungui

（1.Guizhou Water amp; Power Survey Design Institute Co.， Ltd， Guiyang 550002， China;

2.College of Resources and Environmental Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China）Abstract： Nuclear magnetic resonance has been widely used in geotechnical engineering， but there is still a lack of experimental support for the conversion relationship between the lateral relaxation time T₂ and the pore radius r of the medium. Polytetrafluoroethylene pipes with three different pore sizes were used to simulate soil capillary， and the T₂ curves of the capillary under different pore sizes and pore volumes were measured. Finally， the relationship between the characteristic parameters of the T₂ curve and the pore radius and pore volume was analyzed in detail. The results show that the T₂ curve can well reflect the water content and the storage state of pore water in soil. A good linear relationship between water content and integral area of T₂ curve is also observed， and a positive proportional relationship between pore radius r and T₂ value is found. These conclusions provide a useful reference for the study of porous medium and storage state of pore water based on nuclear magnetic resonance.

Key words： nuclear magnetic resonance; capillary; T₂ curve; pore radius