電阻抗斷(duan)層成(cheng)像技術監測(ce)水泥基材料中的(de)非(fei)飽和水分流動(dong)

1. 介紹(shao)

鋼筋混(hun)(hun)凝土結(jie)構的耐久性(xing)與(yu)混(hun)(hun)凝土阻止水和(he)(he)侵(qin)蝕劑有關，因此(ci)，混(hun)(hun)凝土中的水傳輸速率經常被用作耐久性(xing)的量(liang)度。開發了先進的方法來監測不飽和(he)(he)水泥(ni)基(ji)(ji)(ji)材料中的水分運動，包(bao)括核磁(ci)共(gong)振(NMR)光譜(pu)基(ji)(ji)(ji)于(yu)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)(she)(例如γ射(she)(she)線)衰(shuai)減的方法，X射(she)(she)線 和(he)(he)中子成像)和(he)(he)基(ji)(ji)(ji)于(yu)電(dian)學的方法。

上述每種方法(fa)(fa)都有優(you)點和局限(xian)性。雖然NMR、γ射(she)(she)(she)(she)線、X射(she)(she)(she)(she)線和中(zhong)子(zi)成(cheng)像(xiang)(xiang)具有高分(fen)(fen)辨率(lv)，但由(you)于(yu)(yu)對大樣本成(cheng)像(xiang)(xiang)需(xu)要大量能量，它們通常限(xian)于(yu)(yu)小樣本(從(cong)幾(ji)毫米(mi)(mi)到幾(ji)厘米(mi)(mi)，取(qu)決(jue)于(yu)(yu)設備和源強度(du))。此外，伽馬(ma)射(she)(she)(she)(she)線、X射(she)(she)(she)(she)線和中(zhong)子(zi)成(cheng)像(xiang)(xiang)是(shi)(shi)侵入(ru)性方法(fa)(fa)，并且由(you)于(yu)(yu)所需(xu)的(de)設施，主(zhu)要限(xian)于(yu)(yu)實驗(yan)室(shi)。例如，中(zhong)子(zi)成(cheng)像(xiang)(xiang)(射(she)(she)(she)(she)線照(zhao)相術(shu)/斷層(ceng)照(zhao)相術(shu))需(xu)要中(zhong)子(zi)源，例如核反應(ying)堆。相比之下(xia)，基于(yu)(yu)電(dian)的(de)方法(fa)(fa)具有較低的(de)空間分(fen)(fen)辨率(lv)，但是(shi)(shi)它們是(shi)(shi)非侵入(ru)性的(de)、廉價的(de)和快速執行的(de)。

各種基(ji)于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)學的(de)(de)方法(fa)，例如電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)抗(kang)(kang)光譜法(fa)(EIS)和(he)單(dan)頻交流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)測(ce)量，已用于(yu)監測(ce)非飽和(he)水(shui)(shui)(shui)(shui)流(liu)(liu)。在(zai)水(shui)(shui)(shui)(shui)泥基(ji)材(cai)料中(zhong)(zhong)(zhong)。在(zai)大(da)多數(shu)先前(qian)的(de)(de)研究中(zhong)(zhong)(zhong)，一組電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極對(dui)被嵌入(ru)水(shui)(shui)(shui)(shui)泥基(ji)材(cai)料中(zhong)(zhong)(zhong)，并測(ce)量電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極對(dui)之(zhi)間的(de)(de)阻(zu)抗(kang)(kang)。比如麥卡特等人。 通過測(ce)量埋在(zai)不同(tong)深度(du)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極對(dui)之(zhi)間的(de)(de)阻(zu)抗(kang)(kang)，監測(ce)混凝土樣本(ben)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)侵入(ru)。他們表(biao)明，當(dang)水(shui)(shui)(shui)(shui)鋒進(jin)入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極對(dui)的(de)(de)“影響區(qu)"時，測(ce)得的(de)(de)阻(zu)抗(kang)(kang)顯著(zhu)下降。然而，由于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)擴(kuo)散性(xing)質，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極之(zhi)間的(de)(de)阻(zu)抗(kang)(kang)甚至會由于(yu)遠離電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極對(dui)高度(du)的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)分含量變(bian)化而變(bian)化。因此，根據這樣的(de)(de)測(ce)量來(lai)推(tui)斷水(shui)(shui)(shui)(shui)前(qian)緣的(de)(de)位(wei)置并不是(shi)一件(jian)簡(jian)單(dan)的(de)(de)事情(qing)。

為了(le)基(ji)于(yu)成對(dui)(dui)阻(zu)抗(kang)測(ce)量來估(gu)計水鋒(feng)的(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)，已經提(ti)(ti)出(chu)了(le)實驗和數(shu)值校準策略。麥卡特爾(er)等人提(ti)(ti)出(chu)了(le)一(yi)種方法，其中阻(zu)抗(kang)變(bian)化(hua)(hua)率(lv)作為時間的(de)(de)(de)(de)函數(shu)被監(jian)控，并(bing)且水前(qian)沿(yan)到達電(dian)極對(dui)(dui)的(de)(de)(de)(de)高度被視(shi)為阻(zu)抗(kang)變(bian)化(hua)(hua)率(lv)最大的(de)(de)(de)(de)時間。Rajabipour等人。 推導(dao)出(chu)基(ji)于(yu)有限元模擬的(de)(de)(de)(de)解析(xi)函數(shu)，以(yi)將(jiang)嵌入(ru)電(dian)極對(dui)(dui)之間的(de)(de)(de)(de)阻(zu)抗(kang)與水前(qian)沿(yan)位(wei)置(zhi)相關聯。注意，只(zhi)有當水前(qian)緣近似水平對(dui)(dui)齊時，即水流是(shi)一(yi)維的(de)(de)(de)(de)，來自水平對(dui)(dui)齊的(de)(de)(de)(de)電(dian)極對(dui)(dui)的(de)(de)(de)(de)阻(zu)抗(kang)測(ce)量才(cai)能提(ti)(ti)供對(dui)(dui)水前(qian)緣位(wei)置(zhi)的(de)(de)(de)(de)估(gu)計。這種假(jia)設并(bing)不總(zong)是(shi)有效(xiao)的(de)(de)(de)(de)；水流可(ke)能是(shi)不均(jun)勻的(de)(de)(de)(de)，例如(ru)由于(yu)孔隙率(lv)的(de)(de)(de)(de)空間變(bian)化(hua)(hua)。

電(dian)(dian)阻(zu)抗斷層成(cheng)像(xiang)(EIT)是一種(zhong)成(cheng)像(xiang)方式，可以提供一個強大的(de)工具來監測混(hun)凝土(tu)中的(de)水分(fen)流(liu)動。在EIT中，三維(3D)分(fen)布的(de)使用一組電(dian)(dian)流(liu)注入(ru)和電(dian)(dian)極電(dian)(dian)勢測量來成(cheng)像(xiang)電(dian)(dian)阻(zu)率。EIT已被用于監測土(tu)壤中的(de)水分(fen)滲透。

本研(yan)究的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)是(shi)調查(cha)ERT是(shi)否能在水流(liu)不均(jun)勻的(de)(de)(de)情(qing)況下(xia)給出關于水分分布的(de)(de)(de)可行(xing)信息。為(wei)此，濕(shi)度流(liu)的(de)(de)(de)ERT成像與高分辨(bian)率中子(zi)射線(xian)照相術進行(xing)了(le)實驗比較。使用了(le)水平(ping)均(jun)勻(1D)和非均(jun)勻(2D)水源，導致不同形狀的(de)(de)(de)水鋒；在2D的(de)(de)(de)情(qing)況下(xia)，水鋒甚至不是(shi)近似水平(ping)排列的(de)(de)(de)。

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(pin)的(de)(de)(de)(de)照片如圖所示Fig. 1。深色(se)表面區域表示濕(shi)潤區域，兩(liang)種(zhong)流動之間的(de)(de)(de)(de)定性差異(yi)是明顯的(de)(de)(de)(de):在(zai)第一種(zhong)情況(kuang)下(Fig. 1a)水前沿幾乎是水平的(de)(de)(de)(de)，而在(zai)第二種(zhong)情況(kuang)下(Fig. 1b)水形成徑向(xiang)增長的(de)(de)(de)(de)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(yang)(yang)本(ben)中的(de)(de)(de)(de)水鋒并不(bu)是水平的(de)(de)(de)(de)，我們將(jiang)該測試(shi)情況(kuang)稱(cheng)為1D流情況(kuang)，并將(jiang)相(xiang)應的(de)(de)(de)(de)水源稱(cheng)為1D源。分別地，第二樣(yang)(yang)本(ben)的(de)(de)(de)(de)屬(shu)性(Fig. 1b)被稱(cheng)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(biao)(biao)面安(an)裝(zhuang)電極(ji)放(fang)置(zhi)在(zai)(zai)(zai)樣品的(de)(de)周(zhou)邊(bian)(bian)表(biao)(biao)面。電極(ji)是通過在(zai)(zai)(zai)水泥(ni)漿表(biao)(biao)面直接(jie)涂(tu)上(shang)(shang)一薄層膠態銀(yin)涂(tu)料，然后在(zai)(zai)(zai)銀(yin)涂(tu)料上(shang)(shang)涂(tu)上(shang)(shang)一層導電的(de)(de)填充銀(yin)的(de)(de)環氧樹脂(zhi)制(zhi)成的(de)(de)。銀(yin)漆層旨在(zai)(zai)(zai)使水泥(ni)漿表(biao)(biao)面光滑，以(yi)獲得更好的(de)(de)電接(jie)觸。通過將鋁螺釘用(yong)力(li)接(jie)觸安(an)裝(zhuang)電極(ji)的(de)(de)表(biao)(biao)面，將電極(ji)連接(jie)到(dao)測(ce)量單(dan)元。總共15個(ge)電極(ji)安(an)裝(zhuang)在(zai)(zai)(zai)1D流(liu)(liu)(liu)動樣品上(shang)(shang)(除(chu)頂部(bu)外，每側5個(ge)電極(ji)),如所(suo)示(shi)Fig. 2b.在(zai)(zai)(zai)2D血流(liu)(liu)(liu)樣本的(de)(de)情(qing)況下，安(an)裝(zhuang)了(le)19個(ge)電極(ji)，如所(suo)示(shi)Fig. 2c.電極(ji)在(zai)(zai)(zai)垂直方(fang)向(xiang)上(shang)(shang)的(de)(de)長度為8.0毫米，覆(fu)蓋了(le)樣品的(de)(de)整個(ge)厚度。樣品尺(chi)寸和電極(ji)編號如所(suo)示(shi)Figs. 2b和c在(zai)(zai)(zai)拍(pai)照Fig. 2a顯示(shi)了(le)安(an)裝(zhuang)電極(ji)后的(de)(de)2D血流(liu)(liu)(liu)樣本。用(yong)透明膠帶密封周(zhou)邊(bian)(bian)表(biao)(biao)面上(shang)(shang)電極(ji)之間(jian)的(de)(de)空間(jian)，以(yi)避免蒸(zheng)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(dian)阻層析成像(xiang)(EIT)中(zhong)(zhong)，電(dian)流(liu)通過附著在對象表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)電(dian)極注入(ru)到對象中(zhong)(zhong)，并且對應于(yu)每個電(dian)流(liu)注入(ru)，測量(liang)一組電(dian)極電(dian)勢。基于(yu)這些測量(liang)，分布物體(ti)內部的(de)(de)電(dian)阻率(lv)被重建(jian)。除了監控混(hun)(hun)凝土(tu)(tu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)水進入(ru)EIT已經被提議用(yong)于(yu)檢測混(hun)(hun)凝土(tu)(tu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)損傷(shang)和其他結構缺(que)陷。在混(hun)(hun)凝土(tu)(tu)構件表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)導電(dian)膜上(shang)應用(yong)EIT檢測混(hun)(hun)凝土(tu)(tu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)斷裂裂紋。

已經(jing)開發了用于(yu)EIT中圖像重(zhong)建(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)各種計算方法。在差值(zhi)成像中，基于(yu)對(dui)應于(yu)兩個(ge)時(shi)刻的(de)(de)(de)(de)(de)EIT測量值(zhi)之間的(de)(de)(de)(de)(de)差值(zhi)，對(dui)隨時(shi)間變(bian)(bian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)對(dui)象進行(xing)成像。差值(zhi)數據用于(yu)重(zhong)建(jian)(jian)兩個(ge)瞬間之間電(dian)阻率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)。差分(fen)重(zhong)建(jian)(jian)通常基于(yu)EIT的(de)(de)(de)(de)(de)非線(xian)性(xing)觀測模型的(de)(de)(de)(de)(de)全局(ju)線(xian)性(xing)化(hua)，因此，重(zhong)建(jian)(jian)通常本質上是定(ding)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)，尤(you)其是如果電(dian)阻率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)間變(bian)(bian)化(hua)很大或者(zhe)如果線(xian)性(xing)化(hua)點選擇不當。另一方面，差分(fen)成像對(dui)建(jian)(jian)模誤差相對(dui)容忍，因此廣泛用于(yu)許(xu)多EIT應用中。

5.成像結果

我們可以(yi)看到最終在電阻抗斷層成(cheng)(cheng)像測量過后(hou)，經過算(suan)法處理的圖像，它展示(shi)水在混凝土中運動變化，滲透情況。電阻抗斷層成(cheng)(cheng)像設備能夠有效的監測運動變化，同時可以(yi)節省成(cheng)(cheng)本。

我們上海(hai)昊(hao)量光電設(she)備有限公(gong)司(si)提供相(xiang)關EIT設(she)備，下面(mian)介紹下這款(kuan)電阻(zu)抗(kang)成像設(she)備

圖(tu)1 設備前后面板，測試通道16*2

 圖3 實(shi)驗數據界(jie)面展示(shi)

圖4 在水缸中測量橘子實時阻抗圖像展示

紅色(se)(se)的(de)(de)部分(fen)勾勒出物體(ti)(ti)的(de)(de)大致形態，且紅色(se)(se)部分(fen)會隨著物體(ti)(ti)的(de)(de)變化而不斷(duan)移動位(wei)置，這個變化的(de)(de)快慢取決于采集圖(tu)像幀的(de)(de)速度。設備的(de)(de)通道數越多，成像的(de)(de)清晰度就會越高。

設備詳細參數如下：

激勵和測試頻率

激勵電流(liu)

測量時間

頻率(lv)掃描設置

注入/激勵模式掃(sao)描(miao)設置(zhi)

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