电阻抗断层成像技术监测水泥基材料中的非饱和水分流动

电阻抗断层成像技术监测水泥基材料中的非饱和水分流动

1.介绍

钢筋混凝土结构的耐久性与混凝土阻止水和侵蚀剂有关，因此，混凝土中的水传输速率经常被用作耐久性的量度。开发了先进的方法来监测不饱和水泥基材料中的水分运动，包括核磁共振(NMR)光谱基于电磁辐射(例如γ射线)衰减的方法，X射线和中子成像)和基于电学的方法。

上述每种方法都有优点和局限性。虽然NMR、γ射线、X射线和中子成像具有高分辨率，但由于对大样本成像需要大量能量，它们通常限于小样本(从几毫米到几厘米，取决于设备和源强度)。此外，伽马射线、X射线和中子成像是侵入性方法，并且由于所需的设施，主要限于实验室。例如，中子成像(射线照相术/断层照相术)需要中子源，例如核反应堆。相比之下，基于电的方法具有较低的空间分辨率，但是它们是非侵入性的、廉价的和快速执行的。

各种基于电学的方法，例如电阻抗光谱法(EIS)和单频交流电流测量，已用于监测非饱和水流。在水泥基材料中。在大多数先前的研究中，一组电极对被嵌入水泥基材料中，并测量电极对之间的阻抗。比如麦卡特等人。通过测量埋在不同深度的电极对之间的阻抗，监测混凝土样本中的水侵入。他们表明，当水锋进入电极对的“影响区”时，测得的阻抗显著下降。然而，由于电流的扩散性质，电极之间的阻抗甚至会由于远离电极对高度的水分含量变化而变化。因此，根据这样的测量来推断水前缘的位置并不是一件简单的事情。

为了基于成对阻抗测量来估计水锋的位置，已经提出了实验和数值校准策略。麦卡特尔等人提出了一种方法，其中阻抗变化率作为时间的函数被监控，并且水前沿到达电极对的高度被视为阻抗变化率最大的时间。Rajabipour等人。推导出基于有限元模拟的解析函数，以将嵌入电极对之间的阻抗与水前沿位置相关联。注意，只有当水前缘近似水平对齐时，即水流是一维的，来自水平对齐的电极对的阻抗测量才能提供对水前缘位置的估计。这种假设并不总是有效的；水流可能是不均匀的，例如由于孔隙率的空间变化。

电阻抗断层成像(EIT)是一种成像方式，可以提供一个强大的工具来监测混凝土中的水分流动。在EIT中，三维(3D)分布的使用一组电流注入和电极电势测量来成像电阻率。EIT已被用于监测土壤中的水分渗透。

本研究的目的是调查ERT是否能在水流不均匀的情况下给出关于水分分布的可行信息。为此，湿度流的ERT成像与高分辨率中子射线照相术进行了实验比较。使用了水平均匀(1D)和非均匀(2D)水源，导致不同形状的水锋；在2D的情况下，水锋甚至不是近似水平排列的。

2. 材料和方法

实验中使用了两个水泥浆试件。在每个样品的顶部安装一个储水器。在进水期间，同时进行ERT和中子辐射测量。第一个样品的整个顶面暴露在水中，而在第二个样品中，储水器仅覆盖顶面的大约三分之一。这种设置的目的是在第一个样品中产生1D水流，在第二个样品中产生2D水流。加水60分钟后两个样品的照片如图所示Fig. 1。深色表面区域表示湿润区域，两种流动之间的定性差异是明显的:在第一种情况下(Fig. 1a)水前沿几乎是水平的，而在第二种情况下(Fig. 1b)水形成径向增长的弯曲羽流。虽然照片中Fig. 1(特别是中子射电图Section 3)表明第一个样本中的水锋并不完全是水平的，我们将该测试情况称为1D流情况，并将相应的水源称为1D源。分别地，第二样本的属性(Fig. 1b)被称为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. 电极

表面安装电极放置在样品的周边表面。电极是通过在水泥浆表面直接涂上一薄层胶态银涂料，然后在银涂料上涂上一层导电的填充银的环氧树脂制成的。银漆层旨在使水泥浆表面光滑，以获得更好的电接触。通过将铝螺钉用力接触安装电极的表面，将电极连接到测量单元。总共15个电极安装在1D流动样品上(除顶部外，每侧5个电极),如所示Fig. 2b.在2D血流样本的情况下，安装了19个电极，如所示Fig. 2c.电极在垂直方向上的长度为8.0毫米，覆盖了样品的整个厚度。样品尺寸和电极编号如所示Figs. 2b和c在拍照Fig. 2a显示了安装电极后的2D血流样本。用透明胶带密封周边表面上电极之间的空间，以避免蒸发。

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. 电阻层析成像

在电阻层析成像(EIT)中，电流通过附着在对象表面的电极注入到对象中，并且对应于每个电流注入，测量一组电极电势。基于这些测量，分布物体内部的电阻率被重建。除了监控混凝土中的水进入EIT已经被提议用于检测混凝土中的损伤和其他结构缺陷。在混凝土构件表面的导电膜上应用EIT检测混凝土中的表面断裂裂纹。

已经开发了用于EIT中图像重建的各种计算方法。在差值成像中，基于对应于两个时刻的EIT测量值之间的差值，对随时间变化的对象进行成像。差值数据用于重建两个瞬间之间电阻率的变化。差分重建通常基于EIT的非线性观测模型的全局线性化，因此，重建通常本质上是定性的，尤其是如果电阻率的时间变化很大或者如果线性化点选择不当。另一方面，差分成像对建模误差相对容忍，因此广泛用于许多EIT应用中。

5. 成像结果

我们可以看到最终在电阻抗断层成像测量过后，经过算法处理的图像，它展示水在混凝土中运动变化，渗透情况。电阻抗断层成像设备能够有效的监测运动变化，同时可以节省成本。

我们上海昊量光电设备有限公司提供相关EIT设备，下面介绍下这款电阻抗成像设备

图1 设备前后面板，测试通道16*2

图3实验数据界面展示

图4在水缸中测量橘子实时阻抗图像展示

红色的部分勾勒出物体的大致形态，且红色部分会随着物体的变化而不断移动位置，这个变化的快慢取决于采集图像帧的速度。设备的通道数越多，成像的清晰度就会越高。

设备详细参数如下：

激励和测试频率

频率范围	100Hz到1MHz
分辨率	40µHz @ 10kHz 2mHz @ 10kHz < f <500kHz 220mHz @ f>500kHz
绝对精度	±100ppm (at 25°C)
温漂	±10ppm
长期稳定性	±5ppm first year

激励电流

电流范围	100nA到10mA
分辨率	2.81μA
最大连续输出电流	50mA
规范电压	±11V

测量时间

帧率	0.1-100fps
绝对时间精度	±100ppm
帧到帧抖动	±200ns

频率扫描设置

扫描类型	线性，对数，列表
扫描点	1-128

注入/激励模式扫描设置

模式数量	1-256
注入切换延迟	600μs（默认）

上海昊量光电作为德国Sciospec的国内独家代理，为您提供专业的选型以及技术服务。

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