Они разработали неинвазивный метод «спектрального отпечатка пальца», который выявляет коррозию стали, покрытой бетоном, до того, как она может вызвать какое-либо существенное разрушение конструкции, которую она поддерживает. Метод обнаружения описан в новой статье журнала Applied Magnetic Resonance.
Когда вода и кислород разъедают железо, образуются различные продукты оксида железа, два из которых наиболее распространены — гетит и гематит. «Коричневая ржавчина, которая образуется, когда вы оставляете молот под дождем, в основном представляет собой гетит, а когда стальной арматурный стержень [арматура] разъедает внутри бетонного настила моста, это в основном гематит», — сказал физико-химик NIST Дэйв Плюскеллик. «В нашем новом исследовании с гетитом и в нашей предыдущей работе с гематитом мы показали, что терагерцовое излучение — электромагнитные волны с частотами от 10 до 100 раз выше, чем микроволны, используемые для приготовления пищи, — может обнаруживать оба продукта коррозии на ранних стадиях. образования ".Современные методы визуализации для выявления коррозии используют микроволны для регистрации изменений физического состояния затронутой стали, таких как изменения толщины арматурного стержня в бетоне моста или другой конструкции.
«К сожалению, к тому времени, когда такие изменения можно обнаружить, коррозионный процесс уже приближается к образованию трещин в бетоне», — сказал физик и научный сотрудник NIST Эд Гарбоци.Кроме того, Гарбоци сказал, что большинство методов микроволнового изображения основаны на сравнении с базовыми измерениями стали, сделанными во время строительства, практика, которая насчитывает всего около 25 лет.«Это реальная проблема, поскольку средний возраст 400 000 железобетонных мостов в США составляет 50 лет, а по многим из них нет исходных данных», — пояснил он.Метод обнаружения терагерцовых волн NIST работает, потому что гетит и гематит являются антиферромагнитными.
Другими словами, пары электронов, сидящие бок о бок внутри атомов железа в этих материалах, вращаются в противоположных направлениях, не влияя на них внешними магнитными полями. Напротив, электроны в атомах железа домашнего магнита, который является ферромагнитным, вращаются в одном направлении и либо притягиваются, либо отталкиваются внешними магнитными полями.«Волны терагерцового диапазона изменят ориентацию спинов одного из электронов в паре и будут поглощены гематитом или гетитом», — сказал Плюскеллик. «Используя детектор миллиметровых волн, мы обнаружили, что это антиферромагнитное поглощение происходит только в узких частотных диапазонах в терагерцовой области электромагнитного спектра, давая« спектральные отпечатки пальцев », уникальные для гетита и гематита, и, в свою очередь, коррозию железа».
С текущими достижениями в области источников и детекторов терагерцового диапазона новый метод неразрушающей оценки NIST имеет потенциал для быстрого обнаружения крошечных количеств железосодержащих оксидов в результате ранней коррозии стали, окруженной бетоном, полимерными композитами (например, изоляцией труб на заводе). , краски и другие защитные материалы.«В лаборатории мы продемонстрировали, что источник терагерцового диапазона мощностью 2 милливатта может генерировать волны, обнаруживающие гематит через 25 миллиметров бетона», — сказал Плюскеллик. «Используя источники терагерцового диапазона мощностью в сотни милливатт и современные приемники с беспрецедентным соотношением сигнал / шум, мы сможем проникнуть через 50 миллиметров, толщину бетона, покрывающую первый слой используемой арматуры. в большинстве железобетонных конструкций ».Следующей задачей команды NIST будет попытка найти спектральный отпечаток акагенеита, продукта коррозии железа, образующегося в присутствии ионов хлора, которые поступают из таких источников, как морская вода и дорожная соль для борьбы с обледенением.
«Акагенеит может вызывать проблемы в железобетоне, аналогичные тем, которые наблюдаются в случае гетита и гематита», — сказал Гарбочи.Метод обнаружения антиферромагнитной коррозии был впервые разработан в 2009 году покойным Уильямом Эгельхоффом, научным сотрудником NIST и пионером в области магнитных материалов.