電阻抗斷層成像技術監測水泥基材料中的非飽和水分流動

1.介紹

鋼筋混凝土結構的耐久性與混凝土阻止水和侵蝕劑有關，因此，混凝土中的水傳輸速率經常被用作耐久性的量度。開發了先進的方法來監測不飽和水泥基材料中的水分運動，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)和基于電學的方法。

上述每種方法都有優點和局限性。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，取決于設備和源強度)。此外，伽馬射線、X射線和中子成像是侵入性方法，并且由于所需的設施，主要限于實驗室。例如，中子成像(射線照相術/斷層照相術)需要中子源，例如核反應堆。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、廉價的和快速執行的。

各種基于電學的方法，例如電阻抗光譜法(EIS)和單頻交流電流測量，已用于監測非飽和水流。在水泥基材料中。在大多數先前的研究中，一組電極對被嵌入水泥基材料中，并測量電極對之間的阻抗。比如麥卡特等人。通過測量埋在不同深度的電極對之間的阻抗，監測混凝土樣本中的水侵入。他們表明，當水鋒進入電極對的“影響區”時，測得的阻抗顯著下降。然而，由于電流的擴散性質，電極之間的阻抗甚至會由于遠離電極對高度的水分含量變化而變化。因此，根據這樣的測量來推斷水前緣的位置并不是一件簡單的事情。

為了基于成對阻抗測量來估計水鋒的位置，已經提出了實驗和數值校準策略。麥卡特爾等人提出了一種方法，其中阻抗變化率作為時間的函數被監控，并且水前沿到達電極對的高度被視為阻抗變化率最大的時間。Rajabipour等人。推導出基于有限元模擬的解析函數，以將嵌入電極對之間的阻抗與水前沿位置相關聯。注意，只有當水前緣近似水平對齊時，即水流是一維的，來自水平對齊的電極對的阻抗測量才能提供對水前緣位置的估計。這種假設并不總是有效的；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，可以提供一個強大的工具來監測混凝土中的水分流動。在EIT中，三維(3D)分布的使用一組電流注入和電極電勢測量來成像電阻率。EIT已被用于監測土壤中的水分滲透。

本研究的目的是調查ERT是否能在水流不均勻的情況下給出關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進行了實驗比較。使用了水平均勻(1D)和非均勻(2D)水源，導致不同形狀的水鋒；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

實驗中使用了兩個水泥漿試件。在每個樣品的頂部安裝一個儲水器。在進水期間，同時進行ERT和中子輻射測量。第一個樣品的整個頂面暴露在水中，而在第二個樣品中，儲水器僅覆蓋頂面的大約三分之一。這種設置的目的是在第一個樣品中產生1D水流，在第二個樣品中產生2D水流。加水60分鐘后兩個樣品的照片如圖所示Fig. 1。深色表面區域表示濕潤區域，兩種流動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)表明第一個樣本中的水鋒并不完全是水平的，我們將該測試情況稱為1D流情況，并將相應的水源稱為1D源。分別地，第二樣本的屬性(Fig. 1b)被稱為2D流和2D源。

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。電極是通過在水泥漿表面直接涂上一薄層膠態銀涂料，然后在銀涂料上涂上一層導電的填充銀的環氧樹脂制成的。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，將電極連接到測量單元。總共15個電極安裝在1D流動樣品上(除頂部外，每側5個電極),如所示Fig. 2b.在2D血流樣本的情況下，安裝了19個電極，如所示Fig. 2c.電極在垂直方向上的長度為8.0毫米，覆蓋了樣品的整個厚度。樣品尺寸和電極編號如所示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。

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，電流通過附著在對象表面的電極注入到對象中，并且對應于每個電流注入，測量一組電極電勢。基于這些測量，分布物體內部的電阻率被重建。除了監控混凝土中的水進入EIT已經被提議用于檢測混凝土中的損傷和其他結構缺陷。在混凝土構件表面的導電膜上應用EIT檢測混凝土中的表面斷裂裂紋。

已經開發了用于EIT中圖像重建的各種計算方法。在差值成像中，基于對應于兩個時刻的EIT測量值之間的差值，對隨時間變化的對象進行成像。差值數據用于重建兩個瞬間之間電阻率的變化。差分重建通?；贓IT的非線性觀測模型的全局線性化，因此，重建通常本質上是定性的，尤其是如果電阻率的時間變化很大或者如果線性化點選擇不當。另一方面，差分成像對建模誤差相對容忍，因此廣泛用于許多EIT應用中。

5. 成像結果

我們可以看到最終在電阻抗斷層成像測量過后，經過算法處理的圖像，它展示水在混凝土中運動變化，滲透情況。電阻抗斷層成像設備能夠有效的監測運動變化，同時可以節省成本。

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

圖1 設備前后面板，測試通道16*2

圖3實驗數據界面展示

圖4在水缸中測量橘子實時阻抗圖像展示

紅色的部分勾勒出物體的大致形態，且紅色部分會隨著物體的變化而不斷移動位置，這個變化的快慢取決于采集圖像幀的速度。設備的通道數越多，成像的清晰度就會越高。

設備詳細參數如下：

激勵和測試頻率

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

激勵電流

電流范圍	100nA到10mA
分辨率	2.81μA
最大連續輸出電流	50mA
規范電壓	±11V

測量時間

幀率	0.1-100fps
絕對時間精度	±100ppm
幀到幀抖動	±200ns

頻率掃描設置

掃描類型	線性，對數，列表
掃描點	1-128

注入/激勵模式掃描設置

模式數量	1-256
注入切換延遲	600μs（默認）

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