英语原文共 348 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
混凝土的磁共振成像（MRI）和松弛时间映射
STEVEN DONALD BEYEA
B.Sc. (HONOURS) PHYSICS, UNIVERSrIY OF NEW BRUNSWICK, 1995
A THESIS SUBMITTED IN PARTIAL FULFILMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF
DOCTOR OF PHILOSOPHY
IN THE GRADUATE ACADEMIC UNIT OF PHYSICS摘要
相关学者提出了在混凝土中使用水的磁共振成像（MRI）的理论。MRI非常适合混凝土材料的测试，因为它提供了水含量的直接测量，本质上是三维的，对许多物理参数敏感，并且是非破坏性的。使用核磁共振（NMR）来表征水泥质材料的整体性质可以被良好建立，它用于研究水泥水合动力学和本体中的孔隙结构参数。然而，使用散装技术研究混凝土在“现场”的真实行为是不够的。实际上，由于毛细管和扩散干燥机制，当混凝土暴露于环境中时，水分含量在空间上会发生变化。因此，对现实混凝土材料的研究需要一种能够快速地，非破坏地，以亚毫米级分辨率来分辨混凝土中水分分布的方法。
虽然以前已经使用传统MRI方法对混凝土的MRI进行了尝试，但是这种方法基本没有成功。这是由于混凝土中的水的信号寿命比来自人体中的水的信号短约三个数量级。因此，传统的临床方法是不充分的，因为固有的方法对NMR信号来说缺乏进行 “编码空间”中编码的可用时间。使用这些方法获得的MRI图像通常模糊，并且表现出非常差的信噪比（S/N）。
因此，本论文将通过尝试设计适合于混凝土材料的新方法而不是试图迫使材料适合该方法来解决混凝土的MR成像的问题。允许在多达三维空间观察混凝土中的水，并且允许确定空间分辨水分含量以及局部NMR弛豫时间的许多技术被开发了出来。这些方法都基于单点成像（SPI）方法。这些新方法的开发将被描述，并且使用了幻影研究验证技术。
使用SPI来进行干燥混凝土中一维水分输送的研究。这项工作用三个月的时间审查了初始混合物比例和水合时间对混凝土的干燥行为的影响。这项工作还使用自旋-晶格（Ti）和有效自旋-自旋（T2 *）弛豫时间的空间映射进行干燥混凝土的研究，从而允许观察水占据的孔隙表面 - 体积比（S / V）作为干燥的函数。这项工作的结果表明了S/V由于干燥，水合和干燥诱导的微裂纹的变化。
使用SPRITE（具有Tr增强的单点斜坡成像）和turboSPI（涡轮单点成像）执行混凝土的三维MRI。这些方法是SPI技术的变体，具有较短的数据采集时间。 虽然SPRITE允许使用T1和T2 *对MR图像进行加权，但是turboSPI允许对所得到的图像进行T2加权。使用松弛加权，可以区分包含在水合水泥基质中的水和用于生产低密度混凝土的高度多孔聚集体中的水。使用SPRITE和turboSPI进行的三维实验检查了自干燥，干燥，虹膜聚集体饱和度和初始混合物条件对多孔聚集体和水合基质之间的水分运输的作用。结果表明，要根据物理条件，从聚集体中添加和除去水。图像还表现为水泥产品流入固体聚集体中的裂缝中。
第一章
介绍
1.1当前研究的理由和动机
混凝土作为建筑材料的使用源自古希腊和罗马人，他们使用煅烧的石灰石，水，沙和碎石来生产第一混凝土结构（Neville，1981），其中许多仍然在使用。两千年后，混凝土已成为世界上最常用的建筑材料之一。然而，我们对混凝土材料科学的理解仍然很贫乏。当我们进入21世纪，古老建筑的结构能够支撑到今天，在它们的设计使用寿命结束之前我们继续建造失败的混凝土结构。因此，科学家和工程师能够以这样的方式研究混凝土（以及其他材料）在以前是认为不可能，面临的挑战是生产新的工具，这样才可以生产更耐用的产品。
在具体的情况下，写一篇“物理学”论文的困难在于，天真地认为混凝土是一种简单的材料。人们很容易认为，已经生产了数千年的通过混合三种基本材料已经被良好地表征，并且不再需要在科学水平上进一步研究。然而，虽然所有混凝土，好或坏都包含沙子，水和水泥这相同的三种组成材料可能是真的，但是为什么混凝土失效的细节却通常发生在微观和分子水平。尽管混凝土的外向简单，但在微观结构层面上这种材料却是高度复杂的。
混凝土是一种复合的非均质混合物（见图1.1），其内部结构通常可以分为三个不同的组分：本体水合水泥浆料（HCP），聚集体（即砂）聚集体和糊剂（Popovics，1987）。这些组分中的每一种结构的特征在于其自身的物理，机械和微结构性质。水合水泥浆含有宽分布的中孔，孔径范围为5-1000nm，其完全或部分填充有液体，蒸汽和各种溶质（Selih，1994）。材料的固有复杂性通常不允许使用材料科学的传统分析方法。这些方法适用于相对均匀的材料，例如塑料和陶瓷，已被证明是非常无效的确定混凝土的性质是准确，容易解释和可重复性（Mehta，1986）。
研究混凝土的另一个复杂性是其物理结构不是材料的静态特性。混凝土硬化是一种常见的误解，因为混凝土“干燥”，然而混凝土的结构强度实际上是通过水泥与混合水的水合反应获得的，要是水合反应持续发生只要水存在（Double和 Hellawell，1976）。因此，水合水泥浆料和过渡区的性质随时间不断变化。通常在混凝土和生物系统（如木材）的研究之间进行比较。两者对初始条件高度敏感，对环境因素敏感，并随时间不断变化。“具体”一词实际上是从拉丁术语concretus派生的，这意味着“成长”（Mehta，1986）。
X 1000
微孔和中孔
10-5m
10-3m
10-2m
粗集料
水泥石
细集料
孔隙率
图1.1 混凝土在不同放大倍率下的示意图。混凝土是一种混合的材料，包含许多不同的组分，在许多长度尺度上是不均匀的。
本论文将重点介绍水在确定混凝土的物理性质方面的作用。混凝土通常用一定体积的水制成，这超过了水泥的化学水合所需的最低水平。在结合期结束时，保留的未结合水的区域导致形成互连的多孔介质。剩余水的体积越大，最终产品的孔隙率/渗透率越大，并且总强度越低。该水当然是水泥水合最初需要的，然而在混凝土达到规定强度的充分固化期后，水的存在变得不合需要。这是由于它直接影响混凝土机械性能的事实，例如压缩/拉伸强度（Galloway等人，1979; Zhang，1998），弹性模量（Hanson，1968）和许多退化的过程。（Grattan-Bellew，1996）。
几乎每个导致混凝土材料降解的过程都直接或间接地与局部含水量有关。这种水可以根据环境因素以固体，液体和气体形式存在，并且所有三相可能有助于材料劣化。水通常同时参与化学和物理退化机制。一些机理发生在高饱和水平，例如在反复冻结和解冻期间水的体积膨胀（Bager，1986; Litvan，1976）和在低饱和水平，如由于干燥收缩而破裂（Hanson，1968） 或者甚至可能是由于水的再饱和，如在海洋环境中盐水的进入（Gjorv和Vennesland，1987）。劣化的直接物理原因可能是水的存在（如冻/融）或缺失（如在干燥收缩中），或者水可以间接地作为简单的过程发生的介质（作为 通过氯化物腐蚀腐蚀（Gu，199））。因此，局部水含量可以有助于对一种劣化模式的耐受性，同时使得该材料易于被另一过程劣化。
因此，确定混凝土中水分的空间和时间变化对于理解混凝土结构的长期行为至关重要。这种信息不能仅从当前的环境条件推断，并且它需要一种能够测量完整混凝土试样的内部水分含量的方法（Selih，1994）。关于混凝土中水的三维分布的准确实验数据，对于将作为开发预测模型的起点极为有用。预测长期当地水分含量的能力将大大有助于改进对混凝土开始发生和劣化速率的评估。这种知识将允许工程师设计具体的抵抗特定的环境条件，或者相反避免恶化的可能。目前，这通常通过简单地检查累积的经验知识来解决（Clifton ，1993）。
许多研究人员试图研究混凝土中的水分迁移过程，已经进行了大量研究（Ooi等人，1988; Sakata，1983），如简单地通过跟踪随时间发生的质量损失。这些实验产生了有用的结果，即混凝土中的干燥发生在两个不同的阶段，其中大多数水以恒定速率在第一阶段期间被输出，并且在第二阶段期间，干燥速率随时间缓慢降低（Ooi等人，1988）。除此之外，散装（平均）研究具有有限的实用性，因为混凝土中的水分迁移过程在空间上不均匀，并且不适用于本体技术。
最近，已经探索了用于测量水分的空间分布的各种方法，并且具有了不同程度的成功。Hashida等（1990）和Parrot（1987,1991）已经使用相对湿度（R.H.）将传感器放置在具体位置的混凝土中。该方法对高饱和水平下水含量的变化不敏感，因为随着含水量变化，不测量从含孔自由液体到含有饱和蒸汽的含量的变化。此外，在混凝土样品中钻孔的行为可以从根本上改变水分流动，并且空间分辨率是粗糙的。
中子散射方法也已被用于混凝土中的水分测定（Monfore，1971）。然而，这种技术测量的是材料中所有含氢的核。因此获得的结果是可蒸发的和化学水合的总水含量的图，而不是空间水分分布的真实反映。另外，也已经在具体中进行了通过y射线密度测量的类似测量（Mensi等人，1988; De Larrard和Bostvironnois，1991）。尽管该方法对于均质材料是优异的，但是在含有聚集体的混凝土中，固体吸收剂的固有空间异质性使得难以解释这些结果。
重力分段也被用于研究混凝土中的水分分布（Selih和Bremner，1996）。该方法涉及切割已经从单个暴露面干燥的混凝土样品，并测量在烘箱中干燥时该部分的重量变化。这具有直接测量可蒸发水含量的优点，然而其具有差的空间分辨率，极其费力，并且会产生破坏。此外，在不同样本之间进行时间点之间的比较，这可能导致由于样本变化引起的误差。
混凝土是一种高度合成的材料，对于混凝土的性质来说，部分的总和不等于整体。因此，混凝土的性质在物理或理论上被分解为各个元素时就被破坏了（Mehta，1986）。因此，理想的测试方法则是在不过分简化以适合该技术的完整材料上的空间分辨水分含量的非破坏性直接测量。此外，为了准确地研究现实样品，它必须能够测量三维中的水分含量。这些要求对于准确评估混凝土行为至关重要。对上述方法的调查表明，这些可用技术都不符合所要求的标准。因此，本论文将讨论适合于对混凝土材料中的水分布进行非破坏性评价的新技术的发展。
1.2核电材料的核磁共振
核磁共振（NMR）是最好地在化学中用于分子结构的核化的技术（Harris，1983）。然而，NMR也已广泛用作研究受限几何形状中水的行为的工具（参见例如，Magn. Reson. Imaging 16（5/6））。NMR对多孔介质中流体的研究的应用范围从岩石（Packer等人，1998）到多孔玻璃（Wonorahardjo等人，1998; Zavada等人，1998）和生物系统（Arusimov等人， 1998; Hills等，1998）。NMR在研究多孔介质中的优点是它是非侵入性的，不受缺乏样品不透明度的影响，并且对许多分子参数例如相变，分子扩散和运动相关时间敏感（Fukushima，1999）。
多孔介质中磁共振弛豫的机理已经在实验中（如果不完全理解）（Kleinberg和Horsfield，1990; Kleinberg等，1994; Korb等，1994b）和理论上被表征（Brownstein和Tarr， 和Mendelson，1982）。NMR弛豫时间常数对核的物理环境的敏感性已经使许多研究人员试图将这些测量与宏观结构参数（例如孔径分布）相关联（Davies和Packer，1990a; Davies等人，1990b），曲折度 （Latour等人，1995）和渗透性（Chen等人，1994）。NMR在确定模型系统例如可控孔径玻璃的物理性质（Kimmich等人，1996; Valiullin等人，1997）中的成功已经导致研究人员试图将这些技术应用于更“现实”的多孔材料。
一个已经引起人们关注的的应用是将NMR用于胶结建筑材料的研究。该领域的早期工作集中在表征水泥中水的NrvIR松弛时间的时间变化（Lahajnar等人，1977，Blinc等人，1978; Blinc等人，1988a）。这些松弛时间被解释为假设在孔表面处的本体“自由”液体和水分子之间的双相快速交换（Zimmerman和Brittan，1957）。因此，学者发现水泥中水的松弛速率是通过孔壁处的松弛来确定（Schreiner等，1985; Blinc等，1988b; Philippot等，1998）。使用该模型，弛豫时间的变化可以直接解释为孔表面与体积比（S / V）的相应变化（Barbic等人，1982; Blinc等人，1988b; Mendelson等人，1994 ; Hansen等，1997）。
最近，研究人员集中于对感兴趣的物理参数的体松弛时间的解释（Estilaei等，1997）。通过对自旋晶格（Best等人，1996; Hansen等人，1997）和自旋 - 自旋弛豫（Bhattacharja等人，1993; Halperin等人，1994）的研究已经接近这个问题。孔体积的广泛的连续分布（因此S / V）导致NMR松弛时间的相应分布。些弛豫时间分布适合于多模态幂律分布（Best等人，1996，Schreiner等人，1985，Hansen等人，1997），离散分布（Halperin等人，1994; Jehng等人 /，1996; Philippot et al，1998）和Kohlraush-Williams-Watts“拉伸的”指数函数（Blinc等人，198
全文共8085字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[144062]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
