Flyt dig, Supermand! NIST-metoden gennemskynder beton for at opdage korrosion i et tidligt stadie

Når du lider et fald, en kollision på marken eller et andet traumatisk slag, det første, lægen vil gøre, er at tage et røntgenbillede, CT -scanning eller MR for at afgøre, om noget er blevet beskadiget internt. Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) bruger det samme princip, men i en mere kraftfuld form, at opdage korrosion, den primære fare, der truer sundheden for stålrammen inden for nationens broer, veje og anden aldrende fysisk infrastruktur.

Det, de har udviklet, er en ikke-invasiv "spektral fingeraftryk" teknik, der afslører korrosion af betonindkapslet stål, før det kan forårsage nogen væsentlig nedbrydning af den struktur, det understøtter. Detektionsmetoden er beskrevet i et nyt papir i journalen Anvendt magnetisk resonans .

Når vand og ilt korroderer jern, forskellige jernoxidprodukter produceres, hvor de to mest almindelige er goethit og hæmatit. "Den brune rust, der dannes, når du efterlader en hammer ude i regnen, er for det meste goethit, og når en stålarmeringsjern [armeringsjern] korroderer inde i et betondrag, det er for det meste hæmatit, "sagde NIST fysisk kemiker Dave Plusquellic." Vi har vist i vores nye undersøgelse med goethite, og vores tidligere arbejde med hæmatit, at terahertz -stråling - elektromagnetiske bølger med frekvenser 10 til 100 gange højere end mikrobølgerne, der bruges til at tilberede mad - kan registrere begge korrosionsprodukter i de tidlige dannelsesstadier. "

Nuværende billeddannelsesmetoder til afdækning af korrosion bruger mikrobølger til at registrere ændringer i den berørte ståls fysiske tilstand, såsom ændringer i tykkelsen af ​​et armeringsjern i beton på en bro eller anden struktur.

"Desværre, når sådanne ændringer er påviselige, den ætsende proces er allerede godt på vej mod at forårsage revner i betonen, "sagde fysiker og NIST Fellow Ed Garboczi.

Derudover Garboczi sagde, at de fleste mikrobølgebilleddannelsesmetoder er afhængige af sammenligninger med baseline -målinger af stålet taget på konstruktionstidspunktet, en praksis, der kun går cirka 25 år tilbage.

"Det er et reelt problem siden gennemsnitsalderen på 400 år, 000 broer af stålarmeret beton i USA er 50 år, og der er ingen baseline-data tilgængelige for mange af dem, "forklarede han.

NIST terahertz -bølgedetekteringsmetoden fungerer, fordi goethit og hæmatit er antiferromagnetiske. Med andre ord, elektronparene, der sidder side om side i jernatomerne i disse materialer, snurrer i modsatte retninger, efterlader dem upåvirket af eksterne magnetfelter. I modsætning, elektronerne i jernatomerne i en husholdningsmagnet, som er ferromagnetisk, rotere i samme retning og enten tiltrækkes eller frastødes af eksterne magnetfelter.

"Terahertz -bølger vil vende spin -justeringen af ​​en af ​​elektronerne i et par og blive absorberet af hæmatit eller goethit, "Plusquellic sagde." Ved hjælp af en millimeter bølgedetektor, vi opdagede, at denne antiferromagnetiske absorption kun forekommer inden for snævre frekvensområder i terahertz -området i det elektromagnetiske spektrum - hvilket giver 'spektrale fingeraftryk' unikke for goethit og hæmatit, og til gengæld, jernkorrosion. "

Med de nuværende fremskridt inden for terahertz -kilder og detektorer, den nye NIST-ikke-destruktive evalueringsteknik har potentiale til hurtigt at opdage bittesmå mængder jernholdige oxider fra tidlig korrosion af stål omgivet af beton, polymerkompositter (såsom rørisolering på en fabrik), maling og andre beskyttende materialer.

"I laboratoriet, vi har demonstreret, at en terahertz-kilde på 2 milliwatt kan producere bølger, der detekterer hæmatit gennem 25 millimeter beton, "Plusquellic sagde." Brug af terahertz-kilder med strøm i hundredvis af milliwatt og state-of-the-art modtagere med hidtil usete signal-til-støj-forhold, vi burde kunne trænge igennem 50 millimeter, betonens tykkelse, der dækker det første lag armeringsjern, der bruges i de fleste stålarmerede betonkonstruktioner. "

Næste op for NIST -teamet vil være et forsøg på at finde et spektralt fingeraftryk til akageneit, et jernkorrosionsprodukt dannet i nærvær af chloridioner, som kommer fra kilder som havvand og vejafisningsalt.

"Akageneit kan forårsage problemer i stålarmeret beton svarende til dem, der ses med goethit og hæmatit, "Sagde Garboczi.

Den antiferromagnetiske korrosionsdetekteringsmetode blev først udtænkt i 2009 af afdøde William Egelhoff, en NIST -stipendiat og pioner inden for magnetiske materialer.