當(dāng)人們遭受墜落、碰撞或者其他一些可能引起身體創(chuàng)傷的沖擊時，醫(yī)生一般會對他進行全面的X射線、CT或者核磁共振成像（MRI）檢查，來確定他的身體內(nèi)部是否出現(xiàn)了損傷。來自美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的研究人員正在采用相同的原理，不過卻是采用一種更強大的形式，來檢測建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)中的腐蝕情況。腐蝕現(xiàn)象已經(jīng)成為嚴(yán)重威脅到國家橋梁、道路和其他老化物理基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)健康的主要因素。

    美國北加利福尼亞州McAbee海灘附近的一座被遺棄的建筑物上，清晰地顯示出腐蝕現(xiàn)象對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的巨大破壞。NIST研發(fā)的新型評估方法采用太赫茲技術(shù)，能夠直接穿透覆蓋在鋼結(jié)構(gòu)上的混凝土，并檢測出其中鋼材料的早期腐蝕情況。（圖片來源：Per Loll,Denmark）該研究團隊開發(fā)的是一種無損式的“光譜指紋”技術(shù)，該技術(shù)可以在混凝土中包裹的鋼結(jié)構(gòu)性能明顯下降之前，有效地揭露其中鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕情況。這一研究成果已經(jīng)發(fā)表在近期的《Applied Magnetic Resonance》期刊上。

    在水分和氧氣對鐵進行腐蝕時，根據(jù)不同的環(huán)境條件，一般會產(chǎn)生不同的氧化鐵產(chǎn)物，其中最常見的是針鐵礦和赤鐵礦。NIST物理化學(xué)家Dave Plusquellic說道：“當(dāng)你在雨中放置一個錘子時，最后形成的棕色銹跡主要是針鐵礦，當(dāng)鋼筋在混凝土橋面內(nèi)發(fā)生腐蝕時，大部分產(chǎn)物則是赤鐵礦。我們根據(jù)之前一項針對針鐵礦的新研究以及關(guān)于赤鐵礦所做的相關(guān)工作可以發(fā)現(xiàn)，太赫茲輻射——一種電磁波，頻率比用于烹飪食物的微波頻率要高10~100倍，可以在腐蝕形成的早期階段檢測到這兩種不同的腐蝕產(chǎn)物”。

    目前，用于揭露腐蝕現(xiàn)象的成像方法主要是使用微波來記錄被腐蝕鋼結(jié)構(gòu)的物理狀態(tài)變化，例如橋梁或其他結(jié)構(gòu)中混凝土內(nèi)鋼筋厚度的變化等。

    “但不幸的是，當(dāng)檢測出這些物理狀態(tài)變化的時候，腐蝕現(xiàn)象已經(jīng)在混凝土結(jié)構(gòu)中引起了難以彌補的裂縫或者其他缺陷等”，來自NIST的物理學(xué)家Ed Garboczi說道：“大多數(shù)的微波成像法是基于與建造時采用的鋼材的基準(zhǔn)測量值進行比較，這種做法只能追溯到25年左右。這是一個很嚴(yán)重的問題，因為美國40萬鋼筋混凝土橋梁的平均年齡是50年，遠遠超過了25年，而且其中許多鋼筋混凝土橋梁的基本資料都沒有記錄”。也就是說，微波成像法具有很大的局限性。

    的研究人員們根據(jù)針鐵礦和赤鐵礦是反鐵磁性的這一原理，研發(fā)了太赫茲波檢測方法，可以有效檢測出早期腐蝕現(xiàn)象。而早在2009年，NIST研究員William Egelhoff和一些磁性材料領(lǐng)域的先驅(qū)者就共同設(shè)計提出了反鐵磁腐蝕檢測方法的。

    在針鐵礦和赤鐵礦這些材料中，鐵原子內(nèi)部的電子對是并排排列的，并且以相反的方向旋轉(zhuǎn)，使得它們可以不受外部磁場的影響。相比之下，常見的家用磁鐵內(nèi)鐵原子中的電子是鐵磁性的，其以相同的方向旋轉(zhuǎn)并且會被外部磁場吸引或排斥。

    太赫茲波將擾亂電子對中某一個電子的自旋排列，并被赤鐵礦或者針鐵礦所吸收掉。Plusquellic說道：“使用毫米波檢測器我們發(fā)現(xiàn)，這種反鐵磁吸收現(xiàn)象只發(fā)生在電磁譜上太赫茲區(qū)域里的窄頻范圍內(nèi)，產(chǎn)生特定的‘光譜指紋’，這是針鐵礦和赤鐵礦所獨有的現(xiàn)象，因此，我們反過來能夠判斷其是否發(fā)生了鐵腐蝕”。

    隨著現(xiàn)今太赫茲光源和探測器技術(shù)研究的進步，這種新型無損檢測技術(shù)將有可能在混凝土、聚合物復(fù)合材料（如工廠中的管道絕緣層）以及油漆等保護材料所包裹的鋼結(jié)構(gòu)的早期腐蝕階段快速檢測出少量的含鐵氧化物。

    “在實驗室內(nèi)，我們已經(jīng)證明，利用一個2毫瓦的太赫茲光源能夠產(chǎn)生可以穿過25毫米厚混凝土結(jié)構(gòu)的電磁波，并檢測出其中的赤鐵礦。”Plusquellic說道：“如果采用具有上百毫瓦的太赫茲源并搭配一個具有優(yōu)異信噪比的接收器，我們產(chǎn)生的電磁波應(yīng)該能穿透50毫米的混凝土，50毫米也是大多數(shù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中覆蓋第一層鋼筋的混凝土的厚度值”。

    “據(jù)了解，NIST研究小組的下一步工作將是嘗試找出β-FeOOH物質(zhì)的”光譜指紋“，β-FeOOH是鐵在氯離子存在的情況下（例如來源于海水或者是在道路除冰時灑下的鹽類物質(zhì)等）發(fā)生腐蝕所形成的一種產(chǎn)物。Garboczi說道：”β-FeOOH會對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大危害，其后果可能會與產(chǎn)生針鐵礦和赤鐵礦的腐蝕現(xiàn)象相當(dāng)。

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