基于ERT技術的混凝土滲透無損檢測

李昱函，朱曉軍，任宏偉，秦 磊

(1.濟南大學 土木建筑學院，濟南 250022;2.濟南大學 自動化與電氣工程學院，濟南 250022)

現今，包括我國在內的許多國家將以強度設計方法為主的混凝土材料與結構設計向耐久性設計過渡。混凝土耐久性與安全性設計及檢測成為當今結構工程發展的重要部分[1]。水是最常見的與混凝土結構接觸的介質之一，而混凝土結構是一種多孔性材料，因此水的侵入是造成建筑結構的材料性能退化以及影響其安全性與耐久性的重要因素之一[2]。對混凝土滲透檢測的研究對于及時發現結構中存在的耐久與安全問題具有重要意義，目前常見的滲透檢測方法有中子成像技術[3]、紅外熱成像技術[4]、 取芯法[5]、高密度電阻法[6]、激光檢測法[7]以及同位素法[8]等。

上述方法存在檢測成本高、操作復雜以及難以用于結構內部檢測等問題,而以CT(計算機層析成像)技術為基礎的電阻層析成像技術(ERT)可以有效解決以上技術所存在的問題，并且直觀反映出結構內部的滲水范圍與程度。因此筆者在混凝土滲水檢測試驗中使用ERT技術進行結構無損檢測。ERT技術利用被測物場內不同介質具有不同的電阻率這一特性，通過布置在被測物場邊界的傳感器進行電流或電壓激勵并采集測量數據，最后在終端對測量電信號數據進行反演重建為可視化圖像[9]。與其他常見的檢測技術相比，ERT技術有較好的經濟性、便攜性、時效性等，并已廣泛應用在醫學界[10]、工業界[11]、建筑界[12]。

1 試驗系統、圖像評價模塊與試件制備

1.1 試驗系統

1.1.1 試驗系統原理

試驗使用的ERT系統是由16個電極埋入式電極組成的傳感器單元、基于PXI(面向儀器系統的PCI擴展)平臺搭建的激勵采集單元、圖像重建單元3部分組成。試驗開始后，由計算機控制發出激勵信號，通過16電極傳感器采集電信號并傳輸到圖像重建單元，通過特定的圖像重建算法實現電信號可視化處理。ERT成像原理圖如圖1所示(圖中橫線上的字母為引腳標識)。

圖1 電阻層析成像原理

1.1.2 重建算法

ERT的數物基礎分析是解決問題的關鍵，需從Maxwell方程入手[13]，并將Laplace方程簡化為

?2φ=0

(1)

式中:?為梯度算子;φ為場內電勢分布。

當在電極上施加激勵電流時，ERT敏感場需滿足

(2)

式中：I為激勵電流分布；?φ/?n為沿被測場域邊界外法線的導數；σ為電導率；s為邊界外法向量。

試驗中筆者采用共軛梯度算法[14]進行試驗圖像重構。共軛梯度算法適用于系數矩陣對稱正定的情況，需要假設被測物場內敏感場分布不變，理論上可以進行N步迭代，從而滿足

V=SG

(3)

式中：G為圖像灰度矩陣；V為電壓測量矩陣；S為靈敏度系數矩陣。

根據上式求得G后進行圖像重構。

1.2 圖像評價模塊

為了客觀評價筆者所搭建的ERT系統進行圖像重建后的質量，需要引入圖像評價指標。選用余弦相似度、峰值信噪比(PSNR)、結構相似性(SSIM)等3種全參考圖像質量評價[15]方法對反演重建圖像進行客觀分析。

1.2.1 余弦相似度

通過計算兩個向量內積空間的余弦值確定兩圖像之間的相似性，計算式為

(4)

式中：s(x,y)為相似性，取值為01，數值越接近1說明兩圖像相似程度越高；X與Y都為圖像矩陣；θ為兩個向量之間的夾角。

1.2.2 峰值信噪比

峰值信噪比是基于圖像灰度值進行統計并平均運算的，是基于誤差敏感的圖像質量評價方法，計算式為[16]

(5)

式中：N為像素灰度的最大值，通常采用255；MSE為原始圖像與被測圖像各點灰度差的平方與圖像大小的比值。

由該原理可知，PSNR值越大，參加評價的兩個圖像相似程度越大。

1.2.3 結構相似性

SSIM指標[17]同時考慮了亮度、對比度以及人的感知對圖像所含特征信息識別的差異，是一種結合結構與人眼視覺特性的圖像評價方法，其計算式為

(6)

式中：ux為圖像x的均值；uy為圖像y的均值；σx與σy為圖像像素值的標準差；σxy為圖像x與y的協方差；c1=(k1L)2與c2=(k2L)2是用來維持穩定的常數，一般取L=255，k1=0.01，k2=0.03。

SSIM的取值為01，試驗評價值越靠近1,說明圖像失真度越小。為了方便快速處理反演圖像，筆者基于MATLAB GUI軟件，編寫了圖像質量評價模塊(見圖2)。

圖2 圖像質量評價模塊界面

1.3 試件制備

試件為直徑200 mm，高180 mm的圓柱體，試件中心區域制作了一個直徑為30 mm，高90 mm的孔洞，將16個電極傳感器均勻布置在試件90 mm高度處，試件的配比參數如表1所示，具體模型圖與實物如圖3所示。

表1 試件的配比參數

圖3 混凝土試件模型與實物

2 試驗結果與分析

首先在為加水前進行一次數據采集與圖像重建，以此為對照便于作為圖像評價模塊的參考。試驗開始后利用大容量注射器向試件孔洞中注入清水直至清水充滿整個孔洞后，進行數據采集與圖像重建，之后每隔1 h向試件中心孔洞注滿清水同時進行數據采集與圖像重建，并記錄該時間段內注入的清水體積。混凝土滲透試驗現場如圖4所示。試驗完成后對數據進行處理，得到試件吸水總體積與時間(T)的關系(見圖5)與圖像重建數據(見圖6)。

圖4 混凝土滲透試驗現場

圖5 試件吸水總體積與時間的關系

圖6 混凝土滲透過程及成像結果

由于混凝土結構在干燥狀態下是一種近乎絕緣的物體，其導電性與清水的導電性有較大差距,又因混凝土從宏觀與微觀的角度來看都是多孔性結構，故當混凝土結構中滲入清水時，其電阻率會發生變化。引入圖像評價指標對重建圖像進行分析，評價結果如圖7所示(評價指標無量綱)，圖中a，b，c，d分別指代時間T為0，5，15，40 h時的重建圖像。

圖7 混凝土滲透試驗圖像評價結果

綜合主客觀因素分析試驗結果，當試件中心孔洞還未加水時，重建圖像中心顏色最深區域即為試件中心圓形孔洞的位置；當向試件中心孔洞注入清水后，與參照組相比可以看出，重建圖像中心區域顏色變淺(即中心區域電阻減小)，并且由于剛注入的清水暫時未滲入至混凝土孔隙中，故對孔洞周圍的電阻影響不大；隨著滲透試驗的進行，可以看出T為5，15 h時，重建圖像中心孔洞區域周圍電阻的變化與T為0 h時相比有較明顯差異，即隨著滲透時間的增加，試件中心孔洞中的清水不斷向混凝土孔隙滲透，導致孔洞周圍電阻率不斷下降，結合圖像評價模塊所得的數據發現，各項指標均有下降，說明此時重建圖像與未加水前的圖像差距在不斷變大，這與對應試驗基本相符；但在T為40，15 h時，直接觀察發現孔洞四周滲水區域仍有較大變化，并結合圖7可知，由于混凝土試件的含水量仍未趨于飽和狀態，實際的滲透圖像與ERT檢測成像數據和圖像評價模塊所得數據相比存在一定差距。由上述分析可以得出，所搭建的16電極下的ERT系統在試驗前期與中期具備確定混凝土試件缺陷位置與形狀以及滲水位置的能力,但在試驗后期，由于試驗儀器采集精度以及ERT逆問題病態性嚴重等問題影響，成像效果不佳。

綜合上述分析可知，ERT技術在混凝土滲水檢測中是可行的，所搭建的16電極下的ERT系統初步具備了混凝土滲水檢測能力。

3 結語

(1) ERT技術可以實現混凝土結構的滲水檢測，能夠比較準確地檢測出滲水位置與范圍，并可通過建立的圖像評價模塊進行分析，但在滲透試驗后期，重建圖像與實際試件滲透圖像的相關性變小。

(2) 所用試件為砂漿試件，由于水的滲透往往伴隨氯離子的侵入，對在正常使用中的鋼筋混凝土試件損害更為明顯，下一步需要研究ERT技術對鋼筋混凝土試件的滲透探測能力。

(3) ERT的逆問題病態性嚴重制約著其發展，為了使ERT技術可以更廣泛地應用于建筑領域，還需進一步優化數據采集能力與圖像重建算法，隨著目前硬件的升級迭代與算法的不斷更新，將來ERT技術必定可以實現定量分析。