CN114544717A - 一种ect定量监测水分传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于混凝土耐久性监测技术领域，具体涉及一种ECT定量监测水分传输方法，在ECT试验开始前测定介电常数与饱和度的函数关系，并将其编入ECT重建程序；选取与ECT传感器内部被测介质同种材料的薄片构件作为试验对象；基于五种饱和盐溶液调控薄片构件的平衡湿度，通过公式计算将其转换为构件的饱和度；通过平行板电容传感器与LCR数字电桥获取不同相对湿度的薄片构件的原始电容数据；通过公式计算将薄片构件的电容响应值转换为对应的介电常数值，通过试验测定将薄片构件的相对湿度值转换为对应的饱和度值，联立并拟合数值，得到介电常数与饱和度的函数关系，且同种材料的函数关系无需重复测定，简单快捷，节省了经济和时间成本。

Description

一种ECT定量监测水分传输方法

技术领域：

本发明属于混凝土耐久性监测技术领域，具体涉及一种ECT定量监测水分传输方法，能够实现混凝土内部水分传输过程的可视化定量监测。

背景技术：

混凝土因其成本低、可塑性高和力学强度高等优点成为现代土木工程建设中应用最广的建筑材料。然而，混凝土结构在长期服役过程中，在内部的、外部的、人为的或自然的因素共同作用下，其内部会发生材料老化与结构损伤的情形，且随着时间的推移逐步累积，最终导致结构的耐久性破坏。混凝土耐久性的影响因素与破坏机理错综复杂，但在各种劣化反应中都有水分的存在，水分或作为载体，或参与反应，是导致混凝土结构服役寿命过早失效的关键因素。所以，基于可视化技术准确测定水泥基材料内部的水分含量及其分布状况，是了解和掌握混凝土耐久性劣化机理、提高其服役寿命的根本。

电容层析成像(ECT)技术是20世纪80年代发展起来的一种基于电磁场敏感机理的层析成像技术，其数学模型涉及了计算机断层成像和核磁共振成像的变换技术，属于多学科交叉的高新技术，且在造价成本、安全性和便携性等方面优于其他层析成像技术，自问世以来便得到人们的广泛关注。ECT技术的探测原理是：不同介质具有不同的介电常数，当具有不同介电常数的介质混合到一起后，产生的混合介质的介电常数将发生变化，基于电极敏感阵列获取被测介质的介电常数变化从而引起的电容值的变化，以电信号作为载体进行处理与传输，并采用适当的图像重建算法，重构出测量场域内介电常数分布的二维/三维图像，以此实现基于投影数据的可视化探测。ECT技术具有非侵入性、响应速度快、适用范围广、成本低、无辐射和便捷等显著特点，目前已广泛应用于冶金、电力工业中各种气力物料输送，以及化工、医药、能源等领域中干燥过程、混合过程、扩散过程和反应过程的可视化监测。

由于水分与干燥水泥基材料的介电常数对比度很高，基于电容敏感机理的ECT技术对水泥基材料内部水分的存在极为敏感。近年来，随着ECT设备的不断革新与完善，ECT技术被引入水泥基材料领域，以突破水泥基材料的非透明局限，实现水泥基材料内部介质分布的二维/三维成像，且已取得了初步的研究成果。然而，ECT重构图像提供的是介电常数分布的信息，其与水分存在非线性关系，即ECT只能提供材料内部水分分布的定性信息。水泥基材料内部的水分含量决定了其劣化反应的程度与速度，定量可视化水泥基材料内部的水分分布对水泥基材料的耐久性研究极为重要。ECT在水泥基材料水分侵入的可视化探测中应用极少，且目前仅有的研究也局限于定性探测水分信息。因此，通过系统的分析与研究，研发设计一种水泥基材料内部水分侵入的定量探测与分析方法，能够实现材料内部水分传输的可视化定量探测，为探究水泥基材料长期服役性能提供理论依据。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种ECT定量监测水分传输方法，实现水泥基材料内部水分分布的可视化定量探测，为水泥基材料耐久性的深入研究提供理论支持。

本发明涉及的一种ECT定量监测水分传输方法能够用于包括混凝土材料的建筑材料和其他多孔材料内部水分传输过程的ECT定量可视化监测，具体工艺过程包括制备湿度箱、制备混凝土构件、平衡构件湿度、测定介电常数、测定饱和度和构建函数关系共六个步骤：

(1)制备湿度箱：

分别将MgCl₂、NaBr、NaCl、KCl和K₂SO₄五种盐溶液倒入水中搅拌制成过饱和盐溶液，将过饱和盐溶液分别倒入五个塑料箱中；

将五个置物架分别置于五个塑料箱中，密封包覆塑料箱后，将其静置于恒温恒湿养护室中；

每隔24小时检测每个湿度箱内的湿度并记录；

(2)制备混凝土构件：

制备长方体混凝土构件，固化24小时，拆模，置于标准养护室中养护7天后，切割出二十二块立方体薄片构件，冲洗干净后干燥至恒重，得到预干燥的薄片构件，预留两块薄片构件，将其中一块薄片构件制成饱水薄片构件，另一块密封作为干燥薄片构件，对其余预干燥的薄片构件依次编号并记录其干燥质量；

(3)平衡构件湿度：

待湿度箱内的相对湿度波动趋于稳定后，将预干燥的薄片构件均分成五份，每个置物架上等间距放置一份，每隔7天测量一次湿度箱内的相对湿度，试验结束后，记录每个湿度箱内实际的相对湿度；

(4)测定介电常数：

依次采集两块预留构件的电容值并记录；

从其中一个湿度箱内取出两块预干燥的薄片构件，采集电容值并记录，计算两块预干燥的薄片构件的平均电容值并作为测定值，依次测量五个湿度箱内的预干燥的薄片构件，获得不同相对湿度预干燥的薄片构件对应的电容值，将其转换为对应的介电常数值；

(5)测定饱和度：

从其中一个湿度箱中再次取两块预干燥的薄片构件并依次称取其质量，计算平均值并记录，重复该步骤，依次称重并记录五个湿度箱内的预干燥的薄片构件，对称重后的预干燥的薄片构件进行饱水，并依次记录饱水后的质量，将预干燥的薄片构件吸附达到平衡时的质量转化为相对应的饱和度；

(6)构建函数关系：

已知不同相对湿度薄片构件的介电常数值和饱和度值，联立，绘制介电常数值与饱和度值对应的散点图，拟合，得到介电常数与饱和度的函数关系，编入ECT重建程序中，以此实现混凝土构件内部水分传输过程的定量实时监测。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：(1)在ECT试验开始前测定介电常数与饱和度的函数关系，并将其编入ECT重建程序，以免对试验过程的影响，有利于实时定量成像构件内部的水分传输过程；(2)选取与ECT传感器内部被测介质同种材料的薄片构件作为试验对象，相较于立方体构件，其内部达到平衡湿度的速度更快，进一步缩短了试验周期；(3)基于五种饱和盐溶液调控薄片构件的平衡湿度，通过公式计算将其转换为构件的饱和度，相较于基于烘箱测得的饱和度，薄片构件内部的水分分布更为均匀，且易于操作、准确度高；(4)通过平行板电容传感器与LCR数字电桥获取不同相对湿度的薄片构件的原始电容数据，能够消除数据处理过程中引入的误差，且操作便捷、造价低廉；(5)通过公式计算将薄片构件的电容响应值转换为对应的介电常数值，通过试验测定将薄片构件的相对湿度值转换为对应的饱和度值，联立并拟合数值，得到介电常数与饱和度的函数关系，且同种材料的函数关系无需重复测定，简单快捷，节省了经济和时间成本。其通过理论分析与试验测定相结合的方法，构建介电常数与水泥基材料构件饱和度的函数关系，将介电常数分布转换为水分分布，实现了水泥基材料内部水分传输过程的定量精准探测，弥补了ECT技术只能定性成像水分分布的不足，完善并优化了ECT技术在水泥基材料领域的应用，为水泥基材料耐久性的研究奠定了理论基础。

附图说明：

图1为本发明涉及的湿度箱的结构示意图。

图2为本发明涉及的电容值的检测原理示意图。

图3为本发明的操作工艺流程示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的ECT定量监测水分传输方法的具体工艺过程包括制备湿度箱、制备混凝土构件、平衡构件湿度、测定介电常数、测定饱和度和构建函数关系共六个步骤：

(1)制备湿度箱：

基于全国物理化学计量技术委员会的标准，选择理论调控湿度分别为33％、58％、76％、86％和98％的MgCl₂、NaBr、NaCl、KCl和K₂SO₄盐溶液；

分别将五种盐溶液倒入水中搅拌制成过饱和盐溶液后静置；

选取五个尺寸为60cm×40cm×40cm的无顶面塑料箱，将五种过饱和盐溶液分别倒入五个塑料箱中，液面高度均为3cm；

将空心铝管搭建的五个高度均为20cm的置物架分别置于五个塑料箱，并采用塑料膜密封包覆塑料箱后，静置于温度为20℃，湿度为50％的养护室中，得到湿度箱；

在塑料膜上切开一个小孔，每隔24小时通过温湿度传感器检测每个湿度箱内的湿度并记录；

(2)制备混凝土构件：

按照与ECT试验相同的配合比将原材料混合搅拌后分别倒入尺寸为6cm×6cm×20cm的两个模具中，固化24小时后拆模并置于标准养护室养护7天，得到混凝土构件，采用切割锯将混凝土构件的两端分别切除2cm，剩余部分切割成二十二块尺寸为6cm×6cm×1cm的立方体薄片构件，将薄片构件冲洗干净后置于鼓风干燥箱干燥至恒重，得到预干燥的薄片构件，预留两块薄片构件，其中一块薄片构件置于真空饱水仪中制成饱水薄片构件，另一块薄片构件密封作为干燥薄片构件备用，对其余二十块预干燥的薄片构件依次编号并记录其干燥质量；

(3)平衡构件湿度：

待湿度箱内的相对湿度波动趋于稳定后，在每个湿度箱的置物架上等间距放置四块预干燥的薄片构件，每隔7天测量一次湿度箱内的相对湿度，若波动较大则停止试验并排查原因，否则持续进行试验，35天后，试验结束，记录每个湿度箱内的实际相对湿度；

(4)测定介电常数：

通过电极引线将平行板电容传感器与数字电桥连接，其中一块电极连接到L端口，另一块电极连接到H端口，电极外侧的金属屏蔽板连接到ground端口，并开启数字电桥开关预热30分钟；

取两块预留薄片构件，依次置于平行板电容传感器内部夹紧固定，通过数字电桥依次采集薄片构件的电容值并记录；

从其中一个湿度箱内取出两块预干燥的薄片构件，采用相同的方式依次采集预干燥的薄片构件的电容值并记录，计算两块预干燥的薄片构件的平均电容值并作为测定值，重复上述步骤，依次测量五个湿度箱内的共十块预干燥的薄片构件，依次获得干燥薄片构件、饱水薄片构件和五种不同相对湿度预干燥的薄片构件对应的电容值C，基于已知的平行板电容传感器两电极间的距离d和电极面积S，通过公式：ε＝Cd/S转换为对应的介电常数值ε；

(5)测定饱和度：

首先，从其中一个湿度箱中再次取两块预干燥的薄片构件，依次称取质量，计算平均值并记录为m；

其次，重复该步骤依次称重并记录五个湿度箱内的共十块预干燥的薄片构件；

然后，将十块预干燥的薄片构件置于真空饱水仪中饱水，并依次记录饱水后的质量m_s；

最后，基于公式：Θ＝(m-m_d)/(m_s-m_d)，将预干燥的薄片构件吸附达到平衡时的质量m转化为相对应的饱和度Θ；

(6)构建函数关系：

已知干燥薄片构件、饱水薄片构件和五种不同相对湿度预干燥的薄片构件的介电常数值，及其饱和度值，其中，干燥薄片构件和饱水薄片构件的饱和度值分别为0和1，联立已知条件，在绘图软件(如Origin)中绘制出介电常数值与饱和度值关系的散点图，拟合得到介电常数ε与饱和度Θ的函数关系Θ＝f(ε)，采用编程软件(如Matlab)编入ECT重建程序中，以此实现混凝土构件内部水分传输过程的定量实时监测。

Claims (6)

1.一种ECT定量监测水分传输方法，其特征在于,具体工艺过程包括制备湿度箱、制备混凝土构件、平衡构件湿度、测定介电常数、测定饱和度和构建函数关系共六个步骤：

(1)制备湿度箱：

分别将MgCl₂、NaBr、NaCl、KCl和K₂SO₄五种盐溶液倒入水中搅拌制成过饱和盐溶液，将过饱和盐溶液分别倒入五个塑料箱中；

将五个置物架分别置于五个塑料箱中，密封包覆塑料箱后，将其静置于恒温恒湿养护室中；

每隔24小时检测每个湿度箱内的湿度并记录；

(2)制备混凝土构件：

制备长方体混凝土构件，固化24小时，拆模，置于标准养护室中养护7天后，切割出二十二块立方体薄片构件，冲洗干净后干燥至恒重，得到预干燥的薄片构件，预留两块薄片构件，将其中一块薄片构件制成饱水薄片构件，另一块密封作为干燥薄片构件，对其余预干燥的薄片构件依次编号并记录其干燥质量；

(3)平衡构件湿度：

待湿度箱内的相对湿度波动趋于稳定后，将预干燥的薄片构件均分成五份，每个置物架上等间距放置一份，每隔7天测量一次湿度箱内的相对湿度，试验结束后，记录每个湿度箱内实际的相对湿度；

(4)测定介电常数：

依次采集两块预留构件的电容值并记录；

从其中一个湿度箱内取出两块预干燥的薄片构件，采集电容值并记录，计算两块预干燥的薄片构件的平均电容值并作为测定值，依次测量五个湿度箱内的预干燥的薄片构件，获得不同相对湿度预干燥的薄片构件对应的电容值，将其转换为对应的介电常数值；

(5)测定饱和度：

从其中一个湿度箱中再次取两块预干燥的薄片构件并依次称取其质量，计算平均值并记录，重复该步骤，依次称重并记录五个湿度箱内的预干燥的薄片构件，对称重后的预干燥的薄片构件进行饱水，并依次记录饱水后的质量，将预干燥的薄片构件吸附达到平衡时的质量转化为相对应的饱和度；

(6)构建函数关系：

已知不同相对湿度薄片构件的介电常数值和饱和度值，联立，绘制介电常数值与饱和度值对应的散点图，拟合，得到介电常数与饱和度的函数关系，编入ECT重建程序中，以此实现混凝土构件内部水分传输过程的定量实时监测。

2.根据权利要求1所述的ECT定量监测水分传输方法，其特征在于,MgCl₂、NaBr、NaCl、KCl和K₂SO₄五种盐溶液的湿度分别为33％、58％、76％、86％和98％。

3.根据权利要求1所述的ECT定量监测水分传输方法，其特征在于,塑料箱是尺寸为60cm×40cm×40cm的无顶面塑料箱。

4.根据权利要求1所述的ECT定量监测水分传输方法，其特征在于,立方体薄片构件的尺寸为6cm×6cm×1cm。

5.根据权利要求2所述的ECT定量监测水分传输方法，其特征在于,盐溶液的液面高度为3cm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的ECT定量监测水分传输方法，其特征在于,能够用于包括混凝土材料的建筑材料和多孔材料内部水分传输过程的ECT定量可视化监测。

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