NIST通過穿透的方法精準探測鋼筋混凝土結構中的早期鋼筋鏽蝕

鋼筋混凝土的鏽蝕是橋樑、公路和其他老化的基礎設施的最大威脅。美國國家標準與技術研究院(NIST)正在研究一種新型的X射線方法去檢測鋼筋混凝土結構的早期鏽蝕活動。這種「光譜指紋」技術可以在鋼筋鏽蝕發展到嚴重破壞結構之前就探測到鏽蝕的存在。這項技術有望在特朗普政府的十億美元基礎建設維護項目中起到積極的作用。

鐵發生鏽蝕一般產生兩種氧化鐵：針鐵礦和赤鐵礦。NIST的化學家Dave Plusquellic告訴我們，「如果你放一個鐵榔頭在室外，那麼上面形成的褐色的鐵鏽基本上是針鐵礦。在混凝土內部的鋼筋上形成的氧化鐵，則多是赤鐵礦。我們的研究表明，太赫射線---也即頻率為微波爐頻率（一般為200千兆到300千兆赫茲，譯者注）10-100倍的電磁波---可以在鋼筋鏽蝕的初期探測到這兩種氧化物的存在。」

目前廣為應用的檢測鋼筋腐蝕的方法使用的是類似微波爐頻率的射線，它可以探測到鋼筋上發生的物理變化，比如混凝土內部鋼筋的直徑發生的尺寸變化。「問題是，應用目前的技術，當我們發現鋼筋已經發生了這些物理性變化的時候，它的腐蝕已經嚴重到無可挽回了。」NIST物理學家Ed Garboczi如是說道。

與此同時，Garboczi強調說，絕大多數的微波顯像技術均依賴於所謂的「底線」，這種底線需要在施工的時候測量並記錄，將後期的微波顯像與底線相比較，就可以看出腐蝕的程度。這種技術是25年前發展起來的，一個不容迴避的現實是，美國目前有40多萬座鋼筋混凝土橋樑，其中絕大部分是五十年前建造的，許多橋樑都沒有進行底線的測量。

NIST新型太赫射線法能夠解決以上問題。針鐵礦和赤鐵礦都是反鐵磁的，換句話說，鐵原子里的電子對旋轉的方向是相反的，因而它們不受外部磁場的影響。與之不同，在普通的磁鐵中，電子對是同向旋轉的，所以會受到外界磁場引力或者排斥力的影響。

Plusquellic說，「太赫射線能夠反轉電子對中一個電子的旋轉方向，並被針鐵礦和赤鐵礦吸收。」研究發現，使用毫米波探測儀，這種反鐵磁吸收只發生在太赫射線的電磁頻譜中非常狹窄的範圍內，這樣一來就找到了適用於針鐵礦和赤鐵礦的「光譜指紋」，使得探測鋼筋的腐蝕成為可能。

新型太赫射線技術能夠迅速探測到小劑量的氧化鐵，也就是可以探測到鋼筋鏽蝕的早期發展階段，鋼筋所處的環境也不僅限於混凝土內，還可以是聚合物複合物，顏料或其它的保護性材料。

「在實驗室，我們已經發現使用2毫瓦的太赫茲源可以探測到混凝土內部25毫米處的赤鐵礦，」Plusquellic說，「使用幾千毫瓦的太赫茲源和最先進的接收器，我們應該能夠穿透50毫米的混凝土層，50毫米是大多數鋼筋混凝土結構的保護層厚度。」

現在，NIST團隊正在尋找另外一種鐵的鏽蝕產物akageneite的光譜指紋，這種鏽蝕產物一般發生在氯離子存在的條件下，比如海水或者除冰鹽環境中。Garboczi說，「Akageneite能夠在鋼筋混凝土中產生與針鐵礦和赤鐵礦相似的鋼筋鏽蝕問題。」

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