電阻抗斷層成像技術(shù)監(jiān)測(cè)水泥基材料中的非飽和水分流動(dòng)

1.?介紹

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與混凝土阻止水和侵蝕劑有關(guān)，因此，混凝土中的水傳輸速率經(jīng)常被用作耐久性的量度。開發(fā)了先進(jìn)的方法來監(jiān)測(cè)不飽和水泥基材料中的水分運(yùn)動(dòng)，包括核磁共振(NMR)光譜基于電磁輻射(例如γ射線)衰減的方法，X射線?和中子成像)和基于電學(xué)的方法。

上述每種方法都有優(yōu)點(diǎn)和局限性。雖然NMR、γ射線、X射線和中子成像具有高分辨率，但由于對(duì)大樣本成像需要大量能量，它們通常限于小樣本(從幾毫米到幾厘米，取決于設(shè)備和源強(qiáng)度)。此外，伽馬射線、X射線和中子成像是侵入性方法，并且由于所需的設(shè)施，主要限于實(shí)驗(yàn)室。例如，中子成像(射線照相術(shù)/斷層照相術(shù))需要中子源，例如核反應(yīng)堆。相比之下，基于電的方法具有較低的空間分辨率，但是它們是非侵入性的、廉價(jià)的和快速執(zhí)行的。

各種基于電學(xué)的方法，例如電阻抗光譜法(EIS)和單頻交流電流測(cè)量，已用于監(jiān)測(cè)非飽和水流。在水泥基材料中。在大多數(shù)先前的研究中，一組電極對(duì)被嵌入水泥基材料中，并測(cè)量電極對(duì)之間的阻抗。比如麥卡特等人。?通過測(cè)量埋在不同深度的電極對(duì)之間的阻抗，監(jiān)測(cè)混凝土樣本中的水侵入。他們表明，當(dāng)水鋒進(jìn)入電極對(duì)的“影響區(qū)”時(shí)，測(cè)得的阻抗顯著下降。然而，由于電流的擴(kuò)散性質(zhì)，電極之間的阻抗甚至?xí)捎谶h(yuǎn)離電極對(duì)高度的水分含量變化而變化。因此，根據(jù)這樣的測(cè)量來推斷水前緣的位置并不是一件簡單的事情。

為了基于成對(duì)阻抗測(cè)量來估計(jì)水鋒的位置，已經(jīng)提出了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值校準(zhǔn)策略。麥卡特爾等人提出了一種方法，其中阻抗變化率作為時(shí)間的函數(shù)被監(jiān)控，并且水前沿到達(dá)電極對(duì)的高度被視為阻抗變化率最大的時(shí)間。Rajabipour等人。?推導(dǎo)出基于有限元模擬的解析函數(shù)，以將嵌入電極對(duì)之間的阻抗與水前沿位置相關(guān)聯(lián)。注意，只有當(dāng)水前緣近似水平對(duì)齊時(shí)，即水流是一維的，來自水平對(duì)齊的電極對(duì)的阻抗測(cè)量才能提供對(duì)水前緣位置的估計(jì)。這種假設(shè)并不總是有效的；水流可能是不均勻的，例如由于孔隙率的空間變化。

電阻抗斷層成像(EIT)是一種成像方式，可以提供一個(gè)強(qiáng)大的工具來監(jiān)測(cè)混凝土中的水分流動(dòng)。在EIT中，三維(3D)分布的使用一組電流注入和電極電勢(shì)測(cè)量來成像電阻率。EIT已被用于監(jiān)測(cè)土壤中的水分滲透。

本研究的目的是調(diào)查ERT是否能在水流不均勻的情況下給出關(guān)于水分分布的可行信息。為此，濕度流的ERT成像與高分辨率中子射線照相術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較。使用了水平均勻(1D)和非均勻(2D)水源，導(dǎo)致不同形狀的水鋒；在2D的情況下，水鋒甚至不是近似水平排列的。

2.材料和方法

實(shí)驗(yàn)中使用了兩個(gè)水泥漿試件。在每個(gè)樣品的頂部安裝一個(gè)儲(chǔ)水器。在進(jìn)水期間，同時(shí)進(jìn)行ERT和中子輻射測(cè)量。第一個(gè)樣品的整個(gè)頂面暴露在水中，而在第二個(gè)樣品中，儲(chǔ)水器僅覆蓋頂面的大約三分之一。這種設(shè)置的目的是在第一個(gè)樣品中產(chǎn)生1D水流，在第二個(gè)樣品中產(chǎn)生2D水流。加水60分鐘后兩個(gè)樣品的照片如圖所示Fig. 1。深色表面區(qū)域表示濕潤區(qū)域，兩種流動(dòng)之間的定性差異是明顯的:在第一種情況下(Fig. 1a)水前沿幾乎是水平的，而在第二種情況下(Fig. 1b)水形成徑向增長的彎曲羽流。雖然照片中Fig. 1(特別是中子射電圖Section 3)表明第一個(gè)樣本中的水鋒并不完全是水平的，我們將該測(cè)試情況稱為1D流情況，并將相應(yīng)的水源稱為1D源。分別地，第二樣本的屬性(Fig. 1b)被稱為2D流和2D源。
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Fig. 1. Photographs of the specimens 60 min after adding water: a) specimen with 1D water source; b) specimen with 2D water source.

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3.電極

表面安裝電極放置在樣品的周邊表面。電極是通過在水泥漿表面直接涂上一薄層膠態(tài)銀涂料，然后在銀涂料上涂上一層導(dǎo)電的填充銀的環(huán)氧樹脂制成的。銀漆層旨在使水泥漿表面光滑，以獲得更好的電接觸。通過將鋁螺釘用力接觸安裝電極的表面，將電極連接到測(cè)量單元?？偣?5個(gè)電極安裝在1D流動(dòng)樣品上(除頂部外，每側(cè)5個(gè)電極),如所示Fig. 2b.在2D血流樣本的情況下，安裝了19個(gè)電極，如所示Fig. 2c.電極在垂直方向上的長度為8.0毫米，覆蓋了樣品的整個(gè)厚度。樣品尺寸和電極編號(hào)如所示Figs. 2b和c在拍照Fig. 2a顯示了安裝電極后的2D血流樣本。用透明膠帶密封周邊表面上電極之間的空間，以避免蒸發(fā)。

Fig. 2. (a) Photograph of the specimen with a stripe water source (2D flow), (b) schematic illustration of the specimen with uniform water source (1D flow), (c) schematic illustration of the specimen with stripe water source (2D flow).

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4.電阻層析成像

在電阻層析成像(EIT)中，電流通過附著在對(duì)象表面的電極注入到對(duì)象中，并且對(duì)應(yīng)于每個(gè)電流注入，測(cè)量一組電極電勢(shì)?；谶@些測(cè)量，分布物體內(nèi)部的電阻率被重建。除了監(jiān)控混凝土中的水進(jìn)入EIT已經(jīng)被提議用于檢測(cè)混凝土中的損傷和其他結(jié)構(gòu)缺陷。在混凝土構(gòu)件表面的導(dǎo)電膜上應(yīng)用EIT檢測(cè)混凝土中的表面斷裂裂紋。

已經(jīng)開發(fā)了用于EIT中圖像重建的各種計(jì)算方法。在差值成像中，基于對(duì)應(yīng)于兩個(gè)時(shí)刻的EIT測(cè)量值之間的差值，對(duì)隨時(shí)間變化的對(duì)象進(jìn)行成像。差值數(shù)據(jù)用于重建兩個(gè)瞬間之間電阻率的變化。差分重建通?；贓IT的非線性觀測(cè)模型的全局線性化，因此，重建通常本質(zhì)上是定性的，尤其是如果電阻率的時(shí)間變化很大或者如果線性化點(diǎn)選擇不當(dāng)。另一方面，差分成像對(duì)建模誤差相對(duì)容忍，因此廣泛用于許多EIT應(yīng)用中。

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5.成像結(jié)果

我們可以看到最終在電阻抗斷層成像測(cè)量過后，經(jīng)過算法處理的圖像，它展示水在混凝土中運(yùn)動(dòng)變化，滲透情況。電阻抗斷層成像設(shè)備能夠有效的監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)變化，同時(shí)可以節(jié)省成本。

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我們上海昊量光電設(shè)備有限公司提供相關(guān)EIT設(shè)備，下面介紹下這款電阻抗成像設(shè)備

圖1 設(shè)備前后面板，測(cè)試通道16*2

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圖3?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)界面展示

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圖4?在水缸中測(cè)量橘子實(shí)時(shí)阻抗圖像展示

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紅色的部分勾勒出物體的大致形態(tài)，且紅色部分會(huì)隨著物體的變化而不斷移動(dòng)位置，這個(gè)變化的快慢取決于采集圖像幀的速度。設(shè)備的通道數(shù)越多，成像的清晰度就會(huì)越高。

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設(shè)備詳細(xì)參數(shù)如下：

激勵(lì)和測(cè)試頻率

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激勵(lì)電流

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測(cè)量時(shí)間

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頻率掃描設(shè)置

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注入/激勵(lì)模式掃描設(shè)置

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審核編輯 黃昊宇