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La fluorescence du silicium brille à travers les microfissures du ciment, révélant les premiers signes de dommages


Des fractures de béton invisibles à l'œil nu ressortent sur des pictures produites grâce à une technique créée à l'Université Rice.

Une collaboration entre des groupes de recherche de Rice et de l'Institut koweïtien pour la recherche scientifique a découvert par hasard que le ciment Portland commun contient des cristaux microscopiques de silicium qui émettent une fluorescence dans le proche infrarouge lorsqu'ils sont éclairés par de la lumière noticeable. Cela a conduit à deux réalisations. La première était que la longueur d'onde exacte de l'émission peut être utilisée pour identifier le form particulier de ciment dans une framework.

La seconde et peut-être la in addition importante est que l'émission dans le proche infrarouge peut révéler même de très petites fissures dans le ciment ou le béton. L'astuce consiste à appliquer une wonderful couche de peinture opaque sur le béton lorsqu'il est neuf. Dans les scans dans le proche infrarouge, le béton intact apparaît noir et une lumière rougeoyante révèle la additionally petite des fissures.

L'étude en libre accès des laboratoires du chimiste de Rice Bruce Weisman, de l'ingénieur en framework de Rice Satish Nagarajaiah et du chercheur de l'Institut de recherche scientifique du Koweït Jafarali Parol apparaît dans Scientific Stories.

Wei Meng, le premier auteur de l'article, a découvert le phénomène tout en poursuivant les travaux de longue date de l'équipe Rice sur la détection de contrainte optique avec des nanotubes de carbone.

"Cela est né d'un projet dans lequel nous essayions d'appliquer notre procedure de mesure de déformation au ciment et au béton, mais nous avons rencontré un problème inattendu lorsque nous avons illuminé un spécimen recouvert d'un film de nanotubes", a déclaré Weisman, un pionnier de la spectroscopie de nanotubes. Nous ne nous attendions pas à ce que cela provienne du ciment lui-même."

Il a dit qu'il n'était au courant d'aucun autre laboratoire signalant le phénomène. "Finalement, nous avons pu masquer l'échantillon afin que l'émission n'interfère pas avec notre mesure de déformation", a-t-il déclaré. "Mais nous avons gardé à l'esprit que cela pourrait peut-être être intéressant en soi."

La signature spectrale inhabituelle de l'émission a permis aux chercheurs de déduire que la source était constituée de cristaux de silicium pur. "Les minéraux appelés silicates sont des composants majeurs du ciment, et nous avons émis l'hypothèse que pendant le processus de creation à haute température, de très petites quantités se décomposent pour previous des cristaux de silicium microscopiques", a déclaré Weisman. "Leur longueur d'onde d'émission nous dit qu'ils sont furthermore grands qu'environ 10 nanomètres, mais ils ne peuvent pas être beaucoup additionally gros ou les gens les auraient remarqués il y a longtemps."

Meng a expérimenté sur de petits blocs de béton peints en noir et avec des trous percés au milieu. Ceux-ci ont servi de details focaux pour former des microfissures qui se propageraient vers l'extérieur lorsque les blocs étaient comprimés, fissurant également la peinture. Il a découvert que le signal fluorescent traversait les minuscules fissures et pouvait facilement être cartographié avec un laser à balayage raster.

"Les buildings en béton doivent être surveillées, et c'est une façon de les surveiller", a déclaré Nagarajaiaah, qui se spécialise dans la surveillance des infrastructures/constructions, l'identification des systèmes, la détection des dommages et les systèmes de construction à rigidité adaptative pour résister aux événements sismiques. "Avoir une idée claire de l'emplacement des fissures peut être très significant dans les structures, en particulier aux endroits critiques où nous savons qu'elles vont être sollicitées."

Il a déclaré que les avantages d'une meilleure détection des fissures pourraient s'étendre au-delà des ponts et des bâtiments aux structures de confinement des centrales nucléaires ou sur les navires ou à l'intérieur des puits et des pipelines difficiles d'accès.

"La fissuration du ciment peut être un symptôme précoce de défaillance, de sorte que les personnes soucieuses de l'intégrité structurelle et de la sécurité des structures en béton souhaitent détecter les microfissures avant qu'elles ne se développent", a déclaré Weisman.

Le chercheur sur le riz Sergei Bachilo est co-auteur de l'étude. Nagarajaiah est professeur de génie civil et environnemental, de science des matériaux et de nano-ingénierie, et de génie mécanique. Weisman est professeur de chimie, de science des matériaux et de nano-ingénierie.

L'Institut koweïtien pour la recherche scientifique et la Nationwide Science Foundation (CHE-1803066) ont soutenu la recherche.