Коррозию металла рассмотрели через бетон

Ученые из Национального института стандартов и технологий США разработали методику, позволяющую обнаруживать коррозию в армированном бетоне на ранних стадиях. Исследование опубликовано в журнале Applied Magnetic Resonance.

Ежегодный экономический ущерб, наносимый коррозией, оценивается в 3,5 процента от мирового ВВП. Существуют методы неразрушающего контроля состояния металлического каркаса в бетонных конструкциях, таких как мосты и здания, основанные на микроволновом излучении. Но большинство таких методов основаны на сравнении с данными, снимаемыми с конструкции сразу постройки, а такие измерения начали проводить лишь 20–25 лет назад. Соответственно, для более старых конструкций они не подходят.

При коррозии железо в основном переходит в два вещества: при атмосферной коррозии образуется гётит, а в случае закрытых конструкций, таких как арматура внутри бетонных блоков, образуется гематит. Оба этих вещества являются антиферромагнетиками, в которых спины электронов направлены антипараллельно друг другу. Ученые обнаружили, что под действием террагерцового излучения (с в 10-100 раз большей частотой, чем у микроволн) спины в этих соединениях могут менять направление и поглощать волны. Причем поглощение происходит только в узких диапазонах частот, а также зависит от температуры, из-за чего формируются спектры поглощения, уникальные для гематита и гётита. Таким образом можно детектировать даже малые количества веществ на ранней стадии коррозионного процесса.

На основе этого эффекта ученые собрали лабораторную установку с излучателем террагерцовых волн мощностью около 2 милливатт, на которой смогли обнаружить гематит за бетонным блоком толщиной 25 миллиметров. Исследователи считают, что с излучателем мощностью в сотни милливатт возможно будет детектировать продукты коррозии через 50 миллиметров бетона – как правило, примерно на такой толщине находится первый слой арматуры в железобетонных конструкциях. В дальнейшем ученые планируют найти спектр поглощения для акагенита – продукта коррозии железа, образующегося при воздействии соленой воды.

Это не первая попытка использования террагерцовых волн для изучения коррозии. В 2015 году японские исследователи использовали его для оценки изношенности стальных тросов подвесных мостов через защитный изоляционный слой.