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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。
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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?？偣?5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).
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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?；谶@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。差分重建通常基于EIT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。
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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。
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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
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圖3?實驗數據界面展示
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圖4?在水缸中測量橘子實時阻抗圖像展示
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紅色的部分勾勒出物體的大致形態，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。
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設備詳細參數如下：
激勵和測試頻率
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| 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 |
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激勵電流
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| 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 |
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測量時間
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| 幀率 | 0.1-100fps |
| 絕對時間精度 | ±100ppm |
| 幀到幀抖動 | ±200ns |
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頻率掃描設置
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| 掃描類型 | 線性，對數，列表 |
| 掃描點 | 1-128 |
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注入/激勵模式掃描設置
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| 模式數量 | 1-256 |
| 注入切換延遲 | 600μs（默認） |
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審核編輯 黃昊宇
工商網監
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