Un bâtiment abandonné sur la plage de McAbee en Californie du Nord montre le pouvoir destructeur de la corrosion sur une structure en béton armé. Une nouvelle méthode d'évaluation du NIST utilisant des ondes térahertz peut détecter les premiers stades de corrosion sur les barres d'armature en acier directement à travers leur revêtement en béton. Crédit :Avec la permission de Per Loll, Danemark
Quand tu tombes, une collision sur le terrain ou un autre coup traumatisant, la première chose que le médecin fera est de faire une radiographie, CT scan ou IRM pour déterminer si quelque chose a été endommagé à l'intérieur. Les chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) utilisent le même principe, mais sous une forme plus puissante, détecter la corrosion, le premier danger menaçant la santé de la charpente métallique des ponts du pays, routes et autres infrastructures physiques vieillissantes.
Ce qu'ils ont mis au point, c'est une technique non invasive d'« empreinte spectrale » qui révèle la corrosion de l'acier enrobé de béton avant qu'elle ne puisse entraîner une dégradation significative de la structure qu'elle supporte. La méthode de détection est décrite dans un nouvel article de la revue Résonance magnétique appliquée .
Lorsque l'eau et l'oxygène corrodent le fer, différents produits d'oxyde de fer sont produits, les deux plus courantes étant la goethite et l'hématite. "La rouille brune qui se forme lorsque vous laissez un marteau sous la pluie est principalement de la goethite, et lorsqu'une barre d'armature en acier [barre d'armature] se corrode à l'intérieur d'un tablier de pont en béton, c'est surtout de l'hématite, " a déclaré le chimiste physique du NIST Dave Plusquellic. " Nous avons montré dans notre nouvelle étude avec la goethite, et nos précédents travaux avec l'hématite, que le rayonnement térahertz – des ondes électromagnétiques avec des fréquences 10 à 100 fois plus élevées que les micro-ondes utilisées pour cuire les aliments – peut détecter les deux produits de corrosion dans les premiers stades de la formation. »
Les méthodes d'imagerie actuelles pour découvrir la corrosion utilisent des micro-ondes pour enregistrer les changements dans l'état physique de l'acier affecté, comme les changements d'épaisseur d'une barre d'armature dans le béton d'un pont ou d'une autre structure.
"Malheureusement, au moment où ces changements sont détectables, le processus corrosif est déjà en bonne voie pour provoquer des fissures dans le béton, " a déclaré le physicien et membre du NIST Ed Garboczi.
En outre, Garboczi a déclaré que la plupart des méthodes d'imagerie par micro-ondes reposent sur des comparaisons avec des mesures de base de l'acier prises au moment de la construction, une pratique qui ne remonte qu'à 25 ans environ.
"C'est un vrai problème depuis la moyenne d'âge des 400 ans, 000 ponts en béton armé aux États-Unis c'est 50 ans et il n'y a pas de données de référence disponibles pour beaucoup d'entre eux, " il expliqua.
La méthode de détection des ondes térahertz du NIST fonctionne car la goethite et l'hématite sont antiferromagnétiques. En d'autres termes, les paires d'électrons assis côte à côte dans les atomes de fer dans ces matériaux tournent dans des directions opposées, les laissant insensibles aux champs magnétiques externes. En revanche, les électrons dans les atomes de fer d'un aimant domestique, qui est ferromagnétique, tournent dans la même direction et sont attirés ou repoussés par des champs magnétiques externes.
"Les ondes térahertz inverseront l'alignement de spin de l'un des électrons d'une paire et seront absorbées par l'hématite ou la goethite, " dit Plusquellic. " En utilisant un détecteur à ondes millimétriques, nous avons découvert que cette absorption antiferromagnétique ne se produit que dans des plages de fréquences étroites dans la région térahertz du spectre électromagnétique, produisant des « empreintes spectrales » uniques à la goethite et à l'hématite, et à son tour, corrosion du fer."
Avec les progrès actuels des sources et détecteurs térahertz, la nouvelle technique d'évaluation non destructive du NIST a le potentiel de détecter rapidement de minuscules quantités d'oxydes ferreux provenant de la corrosion à un stade précoce de l'acier entouré de béton, composites polymères (tels que l'isolation des tuyaux dans une usine), peintures et autres matériaux de protection.
"Dans le laboratoire, nous avons démontré qu'une source térahertz de 2 milliwatts peut produire des ondes qui détectent l'hématite à travers 25 millimètres de béton, " a déclaré Plusquellic. " En utilisant des sources térahertz avec des puissances de plusieurs centaines de milliwatts et des récepteurs à la pointe de la technologie avec des rapports signal/bruit sans précédent, nous devrions pouvoir pénétrer 50 millimètres, l'épaisseur du béton recouvrant la première couche de barres d'armature utilisées dans la plupart des structures en béton armé."
La prochaine étape pour l'équipe du NIST sera une tentative de trouver une empreinte spectrale pour l'akagénite, un produit de corrosion du fer formé en présence d'ions chlorure, qui proviennent de sources telles que l'eau de mer et le sel de déglaçage des routes.
"L'akagénéite peut causer des problèmes dans le béton armé d'acier similaires à ceux observés avec la goethite et l'hématite, " a déclaré Garboczi.
La méthode de détection de la corrosion antiferromagnétique a été conçue pour la première fois en 2009 par feu William Egelhoff, membre du NIST et pionnier dans le domaine des matériaux magnétiques.
