Takaisin

Kapasitiivinen tomografia tarjoaa tietoa betonin kosteudesta ja kestävyydestä

Väitös sovelletun fysiikan alalta
Väittelijä: FM Antti Voss  
Aika ja paikka: 7.2.2020 klo 12, SN200, Snellmania, Kuopion kampus

Filosofian maisteri Antti Vossin väitöskirjatyössä tutkittiin sähköisen kapasitanssitomografian soveltuvuutta sementtipohjaisten materiaalien (esimerkiksi betonin) kosteusjakauman monitorointiin. Väitöskirjatyön tulokset osoittavat kapasitanssitomografian olevan varteenotettava menetelmä täydentämään työkaluja, joita nykyisin käytetään sementtipohjaisten materiaalien kosteuden määrityksessä; kapasitanssitomografian avulla pystytään kuvantamaan veden imeytymistä materiaalien sisällä kolmessa ulottuvuudessa.

Sementtipohjaisten materiaalien kosteudensiirto-ominaisuudet määräävät pitkälti niiden kestävyyden rakenteen kuntoa heikentäviä ja rapauttavia prosesseja vastaan. Suuri kosteuspitoisuus materiaalin sisällä ja kosteuden mukana kulkeutuvat haitalliset aineet ovat pääasiallisia syitä sementtipohjaisten rakenteiden fysikaalisiin ja kemiallisiin rappeumaprosesseihin, joita ovat esimerkiksi betonin jäätymis- ja sulamissyklien aiheuttama rapautuminen sekä betoniraudoitteiden korroosio. Informaatio materiaalien sisäisestä kosteusjakaumasta ja kosteudensiirto-ominaisuuksista ovatkin välttämättömiä niiden kestävyyden ja käyttöiän ennusteita tehtäessä.

Tomografisilla kuvantamismenetelmillä voidaan monitoroida sementtipohjaisten materiaalien ajallisesti muuttuvia sisäisiä kosteusjakaumia, ja tomografisten kuvien avulla on myös mahdollista jopa kvantitatiivisesti määrittää materiaalien siirto-ominaisuuksia. Nykyisin kosteuden monitorointiin käytettävillä kuvantamistekniikoilla (esimerkiksi neutroni-, röntgen- ja magneettikuvantaminen) on kuitenkin rajoitteita esimerkiksi liittyen kyseisten tekniikoiden korkeisiin laite- ja käyttökustannuksiin.

Kapasitanssitomografiassa mitataan sähköisiä kapasitansseja kohteen ympärille asetettujen elektrodien välillä. Näiden mittausten perusteella rekonstruoidaan kohteen sisäinen sähköinen permittiivisyysjakauma. Rekonstruoitu permittiivisyysjakauma on vuorostaan suoraan yhdistettävissä kosteusjakaumaan, koska sementtipohjaisten materiaalien sähköinen permittiivisyys kasvaa materiaalin sisältämän vesimäärän mukana. Kapasitiiviset mittaukset voidaan tarvittaessa suorittaa ilman elektrodien kontaktia kohteeseen, mikä helpottaa käytännön mittausten suorittamista. Lisäksi kapasitanssitomografiaan vaadittavan mittauslaitteiston kustannukset ovat suhteellisen pienet.

Haasteena kapasitanssitomografian käytännön sovelluksissa on se, että permittiivisyyskuvan rekonstruoiminen on matemaattisesti niin sanottu huonokuntoinen inversio-ongelma, minkä vuoksi menetelmä on herkkä mallinnus- ja mittausvirheille.  Väitöskirjatyössä toteutettu sementtipohjaisten materiaalien kosteuden monitorointi kapasitiivisen tomografian avulla vaatikin mittausasetelmien tarkkaa suunnittelua, mittaustilannetta kuvaavan matemaattisen mallin tarkkuutta ja erityisesti sovelluskohtaisten laskennallisten menetelmien kehittämistä.

Tutkimuksen tulokset kokonaisuudessaan osoittivat permittiivisyysrekonstruktioiden antavan tietoa kosteusjakauman muutoksista, ja siitä kuinka kosteus on jakautunut materiaalin sisällä. Kosteuden imeytymisprosessin eri ajanhetkiä vastaavia tomografiakuvia voidaan hyödyntää paitsi kvalitatiiviseen monitorointiin, myös kvantitatiivisesti materiaalien siirto-ominaisuusparametrien määritykseen. Kapasitanssitomografia voisikin jatkossa tarjota vaihtoehtoisen menetelmän kosteuden kulkeutumisen monitorointiin materiaalin sisällä, ja siitä saatavaa informaatiota olisi mahdollista hyödyntää laajasti käytössä olevien erilaisten sementtipohjaisten materiaalien kestävyyden ja käyttöiän arvioimisessa.

FM Antti Vossin sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Imaging moisture flows in cement-based materials using electrical capacitance tomography tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä toimii professori Burkan Isgor, Oregon State University, USA, ja kustoksena apulaisprofessori Aku Seppänen, Itä-Suomen yliopisto.


Väittelijän painolaatuinen kuva on osoitteessa https://mediabank.uef.fi/A/UEF+Media+Bank/35806?encoding=UTF-8