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(kāi)發(fā)了先進(jìn)的方法來(lái)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(guò)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(lái)推斷水前緣的位置并不是一件簡(jiǎn)單的事情。

為了基于成對(duì)阻抗測(cè)量來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(rùn)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(zhǎng)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(chēng)為1D流情況，并將相應(yīng)的水源稱(chēng)為1D源。分別地，第二樣本的屬性(Fig. 1b)被稱(chēng)為2D流和2D源。

Fig. 1. Photographs of the specimens 60 min after adding water: a) specimen with 1D water source; b) specimen with 2D water source.

3. 電極

表面安裝電極放置在樣品的周邊表面。電極是通過(guò)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(shù)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(guò)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(zhǎng)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).

4. 電阻層析成像

在電阻層析成像(EIT)中，電流通過(guò)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)。基于這些測(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(kāi)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。

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(guò)后，經(jīng)過(guò)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。

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

圖3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)界面展示

圖4在水缸中測(cè)量橘子實(shí)時(shí)阻抗圖像展示

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。

設(shè)備詳細(xì)參數(shù)如下：

激勵(lì)和測(cè)試頻率

頻率范圍	100Hz到1MHz
分辨率	40μHz @ 10kHz 2mHz @ 10kHz < f <500kHz 220mHz @ f>500kHz
絕對(duì)精度	±100ppm (at 25°C)
溫漂	±10ppm
長(zhǎng)期穩(wěn)定性	±5ppm first year

激勵(lì)電流

電流范圍	100nA到10mA
分辨率	2.81μA
最大連續(xù)輸出電流	50mA
規(guī)范電壓	±11V

測(cè)量時(shí)間

幀率	0.1-100fps
絕對(duì)時(shí)間精度	±100ppm
幀到幀抖動(dòng)	±200ns

頻率掃描設(shè)置

掃描類(lèi)型	線性，對(duì)數(shù)，列表
掃描點(diǎn)	1-128

注入/激勵(lì)模式掃描設(shè)置

模式數(shù)量	1-256
注入切換延遲	600μs（默認(rèn)）

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