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穿墙超人来了:轻松穿透混凝土发现其中钢结构早期腐蚀的无损检测新方法
发布:kittyll   时间:2017/5/17 10:04:14   阅读:1227 
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当人们遭受坠落、碰撞或者其他一些可能引起身体创伤的冲击时,医生一般会对他进行全面的X射线、CT或者核磁共振成像(MRI)检查,来确定他的身体内部是否出现了损伤。来自美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员正在采用相同的原理,不过却是采用一种更强大的形式,来检测建筑、桥梁等结构中的腐蚀情况。腐蚀现象已经成为严重威胁到国家桥梁、道路和其他老化物理基础设施内钢结构健康的主要因素。
 

美国北加利福尼亚州McAbee海滩附近的一座被遗弃的建筑物上,清晰地显示出腐蚀现象对钢筋混凝土结构产生的巨大破坏。NIST研发的新型评估方法采用太赫兹技术,能够直接穿透覆盖在钢结构上的混凝土,并检测出其中钢材料的早期腐蚀情况。图片来源:Per Loll,Denmark
 
该研究团队开发的是一种无损式的“光谱指纹”技术,该技术可以在混凝土中包裹的钢结构性能明显下降之前,有效地揭露其中钢结构的腐蚀情况。这一研究成果已经发表在近期的《Applied Magnetic Resonance》期刊上。
 
在水分和氧气对铁进行腐蚀时,根据不同的环境条件,一般会产生不同的氧化铁产物,其中最常见的是针铁矿和赤铁矿。NIST物理化学家Dave Plusquellic说道:“当你在雨中放置一个锤子时,最后形成的棕色锈迹主要是针铁矿,当钢筋在混凝土桥面内发生腐蚀时,大部分产物则是赤铁矿。我们根据之前一项针对针铁矿的新研究以及关于赤铁矿所做的相关工作可以发现,太赫兹辐射——一种电磁波,频率比用于烹饪食物的微波频率要高10~100倍,可以在腐蚀形成的早期阶段检测到这两种不同的腐蚀产物”。
 
 
目前,用于揭露腐蚀现象的成像方法主要是使用微波来记录被腐蚀钢结构的物理状态变化,例如桥梁或其他结构中混凝土内钢筋厚度的变化等。
 
“但不幸的是,当检测出这些物理状态变化的时候,腐蚀现象已经在混凝土结构中引起了难以弥补的裂缝或者其他缺陷等”,来自NIST的物理学家Ed Garboczi说道:“大多数的微波成像法是基于与建造时采用的钢材的基准测量值进行比较,这种做法只能追溯到25年左右。这是一个很严重的问题,因为美国40万钢筋混凝土桥梁的平均年龄是50年,远远超过了25年,而且其中许多钢筋混凝土桥梁的基本资料都没有记录”。也就是说,微波成像法具有很大的局限性。

NIST的研究人员们根据针铁矿和赤铁矿是反铁磁性的这一原理,研发了太赫兹波检测方法,可以有效检测出早期腐蚀现象。而早在2009年,NIST研究员William Egelhoff和一些磁性材料领域的先驱者就共同设计提出了反铁磁腐蚀检测方法的。

在针铁矿和赤铁矿这些材料中,铁原子内部的电子对是并排排列的,并且以相反的方向旋转,使得它们可以不受外部磁场的影响。相比之下,常见的家用磁铁内铁原子中的电子是铁磁性的,其以相同的方向旋转并且会被外部磁场吸引或排斥。

太赫兹波将扰乱电子对中某一个电子的自旋排列,并被赤铁矿或者针铁矿所吸收掉。Plusquellic说道:“使用毫米波检测器我们发现,这种反铁磁吸收现象只发生在电磁谱上太赫兹区域里的窄频范围内,产生特定的‘光谱指纹’,这是针铁矿和赤铁矿所独有的现象,因此,我们反过来能够判断其是否发生了铁腐蚀”。

随着现今太赫兹光源和探测器技术研究的进步,这种新型无损检测技术将有可能在混凝土、聚合物复合材料(如工厂中的管道绝缘层)以及油漆等保护材料所包裹的钢结构的早期腐蚀阶段快速检测出少量的含铁氧化物。

“在实验室内,我们已经证明,利用一个2毫瓦的太赫兹光源能够产生可以穿过25毫米厚混凝土结构的电磁波,并检测出其中的赤铁矿。”Plusquellic说道:“如果采用具有上百毫瓦的太赫兹源并搭配一个具有优异信噪比的接收器,我们产生的电磁波应该能穿透50毫米的混凝土,50毫米也是大多数钢筋混凝土结构中覆盖第一层钢筋的混凝土的厚度值”。

据了解,NIST研究小组的下一步工作将是尝试找出β-FeOOH物质的“光谱指纹”,β-FeOOH是铁在氯离子存在的情况下(例如来源于海水或者是在道路除冰时洒下的盐类物质等)发生腐蚀所形成的一种产物。Garboczi说道:“β-FeOOH会对钢筋混凝土结构产生重大危害,其后果可能会与产生针铁矿和赤铁矿的腐蚀现象相当”。


本文部分图片来自网络
 
来源:美国国家标准与技术研究所
译者:Vince
译自:phys.org
 
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