【摘要】 作为一种典型的液态金属，在正常条件下对大多数固体都是疏水性的，除非施加一定的压力，以匹配的曲率超过汞锋表面力所提供的阻力，否则汞不能自发地渗入孔隙空间。

孔隙率分析在多孔水泥基材料(PCbMs)的微结构角色塑造方面非常重要，因为它与材料的机械性能和耐久性密切相关。由于表征致密材料的孔隙结构在许多方面都面临困难，因此理解PCBM的真实孔隙结构一直是一项具有挑战性的任务。测量多孔材料的孔隙率、平均孔径、阈值孔径和孔径分配的最广泛使用的技术之一，可能是汞侵入孔隙率测量法(MIP)。MIP的主要优点是物理基础清晰和简单，样本量相对较大，测定快，孔径宽(视乎最大施加压力而定)，因此广泛应用于PCbMs和其他多孔材料的孔结构角色塑造。

 

作为一种典型的液态金属，在正常条件下对大多数固体都是疏水性的，除非施加一定的压力，以匹配的曲率超过汞锋表面力所提供的阻力，否则汞不能自发地渗入孔隙空间。通过记录每个压力步骤的压汞(或压汞挤压压出)体积，可以准确测量体积-压力关系，而不会导致数据失真。这种关系可以在一定程度上反映多孔材料对汞渗透的阻力，从而可以定性地反映孔隙结构。这些原始的体积压力数据可以进一步操纵孔隙大小评估。一个著名的例子是沃什伯恩方程。假设被侵入的孔隙是理想的圆柱形管道，并且从表面到内部按尺寸等级构造，孔径d可以通过一个简单的方程唯一地与所施加的压力P相关联，即γ:汞的表面张力，θ:汞与孔壁之间的接触角。通过这个简单的方程，可以得到孔隙体积的等效尺寸，这也可以称为微分和累积形式。此外，MIP试验还提供了被测材料的比表面积、骨架密度和分形维数。由于表达式简单，物理意义清晰，易于使用，沃什本方程的最大角色塑造孔径(MIP)现已成为评估孔隙结构的基准。

 

然而，由于孔隙几何学和侵入过程的过度简化，MIP孔隙结构的准确性总是存在争议。“墨水瓶效应”可能是一个代表性的例子，它可以解释角色塑造侵入和挤压压出之间的滞后现象，并且错误地测量了孔喉而不是孔腔本身。因此，在按揭保险计划的测试中，喉咙大小分配(tSD)经常用于指定喉咙毛孔的测定。为了弥补分子印迹角色塑造在孔隙结构方面的不足，我们不断尝试解决方法。一个广泛应用的方法是将通常使用的单一侵入挤出试验改进为多循环侵入挤出试验。这种改进的测试方案可以大大降低“墨瓶”效应和侵入挤压滞后。然而，它仍然无法克服MIP-only测量喉咙大小的内在缺陷，因为物理状态从未改变，反复的高压入侵可能导致额外的材料损伤。此外，多孔材料，特别是含有有机物质的页岩等软基质的多孔材料的总体阻力可能会受到材料基质变形(称为压缩效应)和高压下孔隙/裂缝演化的显著影响。在压缩高达10sgPa的PCbMs中，刚性水泥基体的弹性系数效应可能不明显。影响MIP孔结果的另一个重要因素是样品的表面一致性和/或样品的体积大小引起的样品一致性效应。虽然在理解样品尺寸的影响方面已经做了很大的努力，但是表面一致性的影响还没有引起足够的重视。因此，本研究的目的之一是阐明表面一致性如何通过MIP影响PCBM的孔结构数据。

 

按揭保险计划的另一个重要但被低估的课题，是如何有效地使用挤压压出资料，而这些资料一般不会用于研究孔隙结构的角色塑造。然而，据报道，挤压压出后的汞滞留与多孔材料中孔隙网络的连通性和弯曲度有关。这有助于通过单一MIP试验估计PCBM的孔弯曲度。然而，目前包埋汞的质量和几何尺寸尚不清楚。

 

一般来说，为了综合表征多孔材料的孔隙结构，MIP通常与其他孔隙测量技术，例如气体吸附，核磁共振，图像分析等相结合。然而，这些方法几乎不可能追踪到孔隙中的汞滞留。举例来说，传统的图像分析方法是从样本的断裂表面获取图像，但由于水银在微结构内高度蒸发，对人体有害，因此可能不适合用来分析多孔物料在压缩室温后的成分。或者，X射线计算机断层成像(x-CT)可能是材料结构角色塑造的一个更好的候选者。通过从不同角度进行大量的X射线扫描，可以获得扫描物体的横截面图像，通过数字几何处理(或称为X射线计算机断层成像)重建三维结构。这些图像包含物体的组分和几何信息，没有特殊的样品处理(相对于MIP和气体吸附所需的预干燥)。更重要的是，可以获得有关材料中相的空间位置和物理特征的全面信息(例如，我们关注的包裹汞)，这确实超出了其他孔隙度测量方法。随着X-CT理论、设备和方法的不断发展，它已被广泛用于表征各种材料的微观和孔结构以及它们的力学和传输性能。然而，对于尺寸相对较大的混凝土样品，X-CT测试的分辨率相当有限(例如，尺寸为100×100×100mm3的混凝土样品为10sμm)。此外，由于X-CT数据中可能存在的误差或扭曲，如光束角色塑造和运动效应，因此X-CT在材料硬化方面的应用也存在争议。

 

由于汞对x射线的吸收远强于多氯联苯及其他多孔材料的主要成分(详细机制见第2节)，因此在压力感应测试后，X-CT可轻易检测出多孔样本中的汞。以前的研究证实了X-CT确定的汞侵入岩石的直接层析图像。作者还暗示，后MIPX-CT测试除了可以直接观察孔隙度外，还可以获得关于运输途径的特殊信息。Lu等人后来的研究也证实了后MIPx-CT测试方案可以监测烧结分配氧化铝的密度梯度和开放孔隙度，并可视化地揭示开放孔隙度在烧结过程中的非均匀空间变化，这很难由单一的孔隙度测量来确定。然后Rigby和他的同事采用了类似的测试方案直接探测被包裹的汞神经节或无定形多孔氧化铝材料中的水滴的空间构型所映射的渗透途径。此外，据报道，预侵入多孔样品中的汞可以大大提高X-CT三维图像的体素分辨率。

 

  • Qiang Zeng, Xiaohu Wang, Pengcheng Yang, Jiyang Wang, Chunsheng Zhou, Tracing mercury entrapment in porous cement paste after mercury intrusion test by X-ray computed tomography and implications for pore structure characterization, Materials Characterization, Volume 151, 2019, Pages 203-215, ISSN 1044-5803, https://doi.org/10.1016/j.matchar.2019.02.014.

 

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