太赫兹技术在水泥基材料检测方面的应用

阿明哥哥资料区 2022-11-09 发布于上海

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水泥基材料广泛用于民用、水电、公路建设和桥梁工程等各个领域。对于所有水泥基复合材料，最常用的是砂浆和混凝土，由于它们具有高压缩特性，分别用作基质材料和建筑材料。但是，由于它们具有低抗拉强度，较差的韧性和抗冲击性，在制造或应用过程中很难避免损坏。

强度和耐久性是水泥基材料最重要的性能指标，它们与水泥的水化程度以及材料的微观结构密切相关。常用的检测水泥基材料水泥水化程度的方法有电阻率法、X射线衍射（XRD）法和扫描电镜（SEM）法等；检测水泥基材料微观结构的方法一般有超声波法、扫描电镜法、压汞法（MIP）以及氮吸附等；检测水泥基材料耐久性的方法主要采用渗透性检测。

由于这些方法大多不是无损检测，且其中部分方法的效率、精度都较低，所以在很多情况下都无法顺利进行。相比而言，太赫兹波所具备相干性、高穿透性、低能性等优良属性则完全有可能弥补这些方法的不足，对水泥基材料的水化程度、微观结构以及耐久性的检测，尤其是在无损检测方面，具有重要的现实意义。

太赫兹波是指位于微波和红外光之间的一段电磁波，如图1所示，它的频率一般在0.1~10 THz之间，相应的波长为0.03~3 mm。与其他频段的电磁波相比，太赫兹波的主要特性有宽带性、相干性、高穿透性以及安全性。

图1 电磁波谱以及太赫兹波（蓝色区域）

在检测水泥水化程度方面的应用

从水泥与水搅拌混合之后，水泥即开始水化，研究和分析水泥的水化程度以及水化产物对于了解水泥基材料的物理化学性能以及耐久性都具有重要意义。

利用太赫兹光谱技术分别对水泥和C3S的水化过程进行分析，并将光谱分析结果与密度泛函理论模拟结果进行了比较。如图2所示，由于硅氧四面体的振动模式，在波数520 cm^-1处水泥和C3S均有明显的特征峰存在，波数450 cm^-1的特征峰则是由于硅氧四面体和Ca—O振动模式共同作用而产生的；波数318 cm^-1处的特征峰是由于Ca—O键的振动模式产生的。

通过分析水泥和C3S水化过程的太赫兹光谱发现，水泥和C3S在520 cm^-1处的特征峰在水化过程中峰高不断减少，并向低波数方向移动。水泥和C3S在453 cm^-1处（来自于Si—O—Si(Q1)键）的峰高则基本保持不变，但是向高波数方向移动。波数318 cm^-1处的特征峰则随着水化更加明显，并向低波数方向移动。因此，太赫兹光谱不仅可以有效分析水泥和C3S的水化过程，而且可以了解物质的分子结构。

图2 水泥水化早期（0~24小时）的太赫兹光谱变化

(a) 水泥；(b) C3S；(c) 水泥和C3S在水化0，4，24小时的比较

在检测水泥基材料微观结构方面的应用

水泥基材料的微观结构，尤其是孔结构，对于其性能有重要的影响。因此，对水泥基材料微观结构的检测是建立水泥基材料性能和结构关系的关键。

研究显示，使用太赫兹时域光谱成像可以提供水泥砂浆中固有的裂缝以及缺陷的信息。太赫兹成像技术也可以用于观察水泥砂浆在受荷过程中裂缝的扩展过程。并且，聚乙烯纤维对于水泥砂浆的抗裂效果也可以在太赫兹成像图中反映出来。

如图3所示，通过比较太赫兹时域和频域成像，为了取得信噪比和空间分辨率的平衡，试验发现0.2 THz是最佳频率。

最后，利用水分对太赫兹波的强吸收特性，可以使得有水存在或渗透的裂缝在太赫兹成像图中更加明显，这一发现对于未来将太赫兹成像技术用于水泥基材料的非接触式无损检测是十分有用的。

图3 样品时域图和频域图的对比

(a) 水泥砂浆样品；(b) 太赫兹波时域图；(c) 频率为0.1 THz的成像图；(d) 频率为0.2 THz的成像图；(e) 频率为0.5 THz的成像图

在检测水泥基材料耐久性方面的应用

水泥基材料内部的含水量和氯离子含量对混凝土材料和结构的耐久性都有重要的影响。因此，如何实现这些物质的准确检测，尤其是无损检测，是混凝土材料和结构耐久性研究的重要课题之一。

通过太赫兹发射器产生的太赫兹波对不同混凝土试块的含水率进行测量发现：含水率小于10%时，混凝土的吸收系数随着其吸水率的增加而缓慢增大；含水率达到10%之后，吸收系数突然大幅增大，即混凝土的吸收系数与含水率之间存在明确的相关关系。因此，使用太赫兹技术可以实现混凝土中含水率的无损检测。

通过使用透射式太赫兹时域光谱技术对水泥净浆和砂浆中的氯离子含量进行测量发现：在太赫兹频率为0.1 THz时，通过将太赫兹信号经傅里叶变换所得水泥净浆和水泥砂浆的吸收系数都会随着氯离子含量的增大而增大，吸收系数和氯离子含量之间的皮尔逊相关系数分别达到0.99和0.90。如使用高能太赫兹发射器，则可以获得更好的透射效果，这将使利用太赫兹技术实现混凝土氯离子含量的现场无损检测成为可能。

总结与展望