祝贺博士生田斌斌文章被Review of Scientific Instruments录用

Iron-oxide identifying imaging method based on a wide-energy neutron beam for corrosion inspection in reinforced concrete structures

DOI：10.1063/5.0057472

发表时间：2021-12-09

内容简述

混凝土结构中的钢筋腐蚀一般为电化学腐蚀。混凝土内部呈弱碱性，因此在钢筋表面经氧化作用会形成一层致密的钝化膜（g-Fe₂O₃×nH₂O）。致密的钝化膜会牢牢包裹在钢筋表面，破坏了电化学腐蚀的反应发生条件。但当CO₂或氯离子侵入时，会造成钝化膜的破坏，钢筋失钝。钢筋表面形成腐蚀电池，腐蚀速率随着腐蚀进程越来越高。同时，混凝土内钢筋腐蚀是一个逐渐发展的过程，锈蚀产物也随着腐蚀的发展过程而不同。图一所示为不同锈蚀产物相比于原始铁的膨胀比。腐蚀发展初期，锈蚀产物主要为铁的一些氧化物混合，其体积约为铁体积的2倍。当钢筋腐蚀进一步发展后，锈蚀产物以铁的氢氧化物带结晶水结构为主，其体积约为铁体积的6倍。届时，混凝土因为受到来自内部的挤压力，而出现破裂。

图一、不同锈蚀产物体积膨胀比

在早期检测出混凝土内钢筋腐蚀的发生，消除潜在的危害是具有重大意义的。本文基于中子共振透射成像技术束的无损特性，以及核素识别成像能力，提出对锈蚀钢筋混凝土

内铁的氧化物进行识别成像，通过铁的氧化物成分来判定钢筋腐蚀发展状态的研究方案。图二所示为⁵⁶Fe和¹⁶O的共振峰位置。

图二、⁵⁶Fe和¹⁶O的中子反应截面（共振峰区域）

CT扫描的方式如图三所示，间隔一度获得一组扫描数据，对透射的白光中子分别按照⁵⁶Fe和¹⁶O的共振峰进行能量筛选，再进一步处理得到关联⁵⁶Fe和¹⁶O共振峰的投影数据P_Fe和P_O，以及关联氧化物的投影数据P_IO。分别进行CT重建后结果如图四所示，结果表明，在投影数据相空间，核素/元素的共振特性可以通过投影数据进行叠加，基于此，可以成功地实现铁氧化物识别成像。

图三、CT扫描示意图(a)，锈蚀钢筋混凝土样品设计(b)

图四、断层重建结果