Флуоресценция кремния просвечивает через микротрещины в цементе, выявляя ранние признаки повреждения

Прочитано: 124 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Оценок пока нет)
Loading ... Loading ...


Бетонные трещины, невидимые невооруженным глазом, выделяются на изображениях, полученных с помощью технологии, созданной в Университете Райса.

Сотрудничество между исследовательскими группами Райса и Кувейтским институтом научных исследований случайно обнаружило, что обычный портландцемент содержит микроскопические кристаллы кремния, которые излучают флуоресценцию в ближнем инфракрасном диапазоне при освещении видимым светом . Это привело к двум осознаниям. Во-первых, точную длину волны излучения можно использовать для идентификации конкретного типа цемента в конструкции.

Второй и, возможно, более важный аспект заключается в том, что излучение ближнего инфракрасного диапазона позволяет обнаружить даже очень маленькие трещины в цементе или бетоне. Хитрость заключается в том, чтобы нанести тонкий слой непрозрачной краски на новый бетон. При сканировании в ближнем инфракрасном диапазоне неповрежденный бетон кажется черным, а светящийся свет выявляет мельчайшие трещины.

Исследование с открытым доступом, проведенное лабораториями химика по рису Брюса Вейсмана, инженера-конструктора по рису Сатиша Нагараджая и исследователя Кувейтского института научных исследований Джафарали Парола, опубликовано в Scientific Reports .

Вэй Мэн, первый автор статьи, обнаружил это явление, продолжая давнюю работу команды Райса по оптическому измерению деформации с помощью углеродных нанотрубок.


«Это произошло в результате проекта, в котором мы пытались применить нашу технику измерения деформации к цементу и бетону, но столкнулись с неожиданной проблемой, когда освещали образец, покрытый пленкой нанотрубок», — сказал Вейсман, пионер спектроскопии нанотрубок. «Мы обнаружили, что один из пиков в спектре нашей пленки был затенен гораздо более сильным излучением, исходящим откуда-то. Мы никогда не ожидали, что это будет из-за самого цемента».

Он сказал, что не знает ни о какой другой лаборатории, сообщающей об этом явлении. «В конце концов, мы смогли замаскировать образец, чтобы излучение не мешало нашим измерениям деформации», — сказал он. «Но мы помнили, что, возможно, это может быть интересно само по себе».

Необычная спектральная характеристика излучения позволила исследователям сделать вывод, что источником были кристаллы чистого кремния. «Минералы, называемые силикатами, являются основными компонентами цемента , и мы предположили, что во время высокотемпературного производственного процесса очень небольшое их количество разлагается с образованием микроскопических кристаллов кремния », — сказал Вейсман. «Длина волны их излучения говорит нам, что они больше примерно 10 нанометров, но они не могут быть намного больше, иначе люди давно бы заметили их».

Мэн экспериментировал с небольшими бетонными блоками, окрашенными в черный цвет, с отверстиями, просверленными посередине. Они служили фокальными точками для образования микротрещин, которые распространялись наружу при сжатии блоков, а также растрескивали краску. Он обнаружил, что флуоресцентный сигнал проходит через крошечные щели и может быть легко нанесен на карту с помощью растрового лазера.

«Бетонные конструкции нуждаются в мониторинге, и это один из способов их мониторинга», — сказал Нагараджайа, который специализируется на мониторинге инфраструктуры/конструкций, идентификации систем, обнаружении повреждений и адаптивных системах жесткости конструкций, чтобы противостоять сейсмическим событиям. «Получить четкое представление о том, где находятся трещины, может быть очень важно в конструкциях, особенно в критических местах, где, как мы знаем, они будут подвергаться нагрузке».

Он сказал, что преимущества лучшего обнаружения трещин могут распространяться не только на мосты и здания, но и на защитные конструкции на атомных электростанциях или на кораблях, а также на труднодоступные внутренние части колодцев и трубопроводов.

Исследователи говорят, что практический подход заключается в том, чтобы освещать критические структуры и фотографировать их с помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона и узкополосного спектрального фильтра.

«Растрескивание цемента может быть ранним признаком разрушения, поэтому люди, которые заботятся о структурной целостности и безопасности бетонных конструкций, хотят обнаруживать микротрещины до того, как они разрастутся», — сказал Вейсман.

Соавтор исследования — исследователь риса Сергей Бачило. Нагараджайя — профессор гражданской и экологической инженерии, материаловедения и наноинженерии, а также машиностроения. Вейсман — профессор химии, материаловедения и наноинженерии.

Флуоресценция кремния просвечивает через микротрещины в цементе, выявляя ранние признаки повреждения



Новости партнеров