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通过电成像新技术成功追踪到混凝土结构中的水
发布:kittyll   时间:2017/1/9 16:50:38   阅读:215 
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检测含有裂纹缺陷的样品,背景图像显示的是裂纹中的水流动情况的三维图像;图片来源:北卡罗莱纳州立大学
 
来自美国北卡罗莱纳州立大学和芬兰约恩苏的东芬兰大学的研究人员们正在共同合作致力于研发一种电成像技术,并力求使其能够实现商业化。这种新型的电成像技术将能够用于追踪混凝土结构中的水分渗透情况。
 
据北卡罗莱纳州立大学建筑与环境工程专业的副教授,同时担任该项目首席研究员的Mohammad Pour-Ghaz说,该项新技术将有助于工程技术人员更好的识别出混凝土结构中的一些潜在问题,并且在这些潜在问题发展成主要问题之前找出合理的解决方案。
 
Pour-Ghaz向人们解释道,水分可以通过其自身或者所携带的其他化学物质而导致混凝土结构发生降解。例如道路防结冰用的盐类物质能够加速混凝土和下面的钢筋结构发生腐蚀。“这种新型电成像技术使得我们能够应用小电流来识别和跟踪混凝土结构中的水运动情况,而且比现有的技术更快、更安全、成本更低,并且在监测大样品(例如大型结构)时更为准确。此外,该技术不仅可以确定水渗入混凝土结构的位置和方式,还可以确定其移动速度、水含量多少,以及现有裂纹或者损坏情况是如何影响水的运动等信息”,Pour-Ghaz说道。
 
原有技术的局限性
 
据研究人员称,先前用于评估混凝土结构中水流动信息的技术主要依赖于X射线和中子辐射技术,但这两种技术都具有比较明显的局限性。
 
“例如,X射线只能有限的渗透到混凝土中,这使得该技术难以对一些大型样品或者结构进行分析研究。中子辐射技术可以提供更准确的数据,但它同样只能有限的渗透到混凝土结构中,而且该技术成本较高,对于检测人员还存在着健康和安全隐患。”Pour-Ghaz解释道:“我们的电子成像方法是一种可以在现场用来检查建筑物或桥梁中混凝土结构的新方法,该方法能够检查一些利用先前技术较难检查甚至不能检查的大型样品和结构”。
 
据该项目的研究人员,来自北卡罗莱纳州立大学的博士生Danny Smyl说:“在较早时候,电阻层析成像技术就被用来监测状况良好的水泥材料中的水分流动情况。现在通过新技术,我们发现这种断层摄影成像技术还可以用于对含有裂纹等缺陷的水泥材料中不饱和水的流动情况进行三维成像”。该研究小组已经就相关研究成果发表了三篇技术论文。
 
新技术的工作原理
 
为了进行电子成像检测,研究人员在一个检测结构周边应用了两个电极,然后利用计算机程序每次在这两个电极间直接施加一股小电流,循环通过许多可能的电极组合。
 
每次电流在两个电极之间通过时,所有结构的电极电势数据都会被监测并记录下来。然后,研究人员使用他们自己的定制软件根据所记录的数据来计算电导率的变化,并产生混凝土结构中水的三维图像。
 
 
“通过快速重复这个过程——我们的速度已经超过了每秒一次,我们能够获得水分流动速率、水分含量多少等信息”,Pour-Ghaz说道。从本质上讲,该成像技术是使用来自混凝土结构表面的电测量数据来重建结构内部的电导率分布信息。
 
“我们的研究结果表明这种新型电成像技术是一种监测混凝土结构中水信息的有效方法,该技术能够对含有离散裂纹等缺陷的水泥材料中的不饱和水的流动情况进行三维成像,使其可视化,”Smyl说道。
 
下一步的计划
 
该研究小组已经在实验室环境中创建了一个系统原型并对其进行了测试。该原型成功的捕获了因体积较大而无法使用X射线和中子辐射技术进行分析的混凝土样品中的水流动情况的三维图像。
 
利用这种原型,研究人员还能够成功的监测混凝土结构中裂纹等缺陷内的水流动情况,这对于原来的一些技术而言是十分困难且耗时持久的。
 
“我们的新型电成像技术已经准备好为实验室所使用,并且打算将其商业化。我们也愿意与一些私营部门合作,将该技术作为一种现场工具用于评估结构的完整性,”Pour-Ghaz说道。“我们研究小组所取得的重大进展能够进一步加强建筑结构(如桥梁、大坝等)的安全性能。因为当我们提到建筑时,无论是桥梁、摩天大楼还是核电站或者水坝,它们都依赖于混凝土结构”。
 
该研究小组发表的三篇文章如下:

[1] D. Smyl, R. Rashetnia, M. Pour-Chaz, A. Seppänen, “Can Electrical Resistance Tomography be used for imaging unsaturated moisture flow in cement-based materials with discrete cracks?” Cement and Concrete Research 91, 1 (2017): pp. 61-72. 

[2] D. Smyl, M. Hallaji, M. Pour-Chaz, A. Seppänen, “Quantitative electrical imaging of three-dimensional moisture flow in cement-based materials,” Int. J. Heat Mass Transfer 103, 12 (2016): pp. 1,348-1,358. 

[3] D. Smyl, M. Hallaji, M. Pour-Chaz, A. Seppänen, “Three-Dimensional Electrical Impedance Tomography to Monitor Unsaturated Moisture Ingress in Cement-Based Materials,” Transport in Porous Media 115, 1 (2016): pp. 101-124.
 
 
译自:materialsperformance
来源:材料与测试
译者:vince

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