La fluorescenza del silicio attraverso le microfessure nel cemento rivela i primi segni di danneggiamento

La collaborazione tra i gruppi di ricerca della Rice University e il Kuwait Institute for Scientific Research, casualmente ha scoperto che il comune cemento Portland contiene microscopici cristalli di silicio che emettono fluorescenza nel vicino infrarosso quando illuminati con luce visibile. Ciò ha portato a due risultati:
– il primo è che l’esatta lunghezza d’onda dell’emissione può essere usata in una struttura per identificare il particolare tipo di cemento;
– il secondo e forse più importante è che l’emissione nel vicino infrarosso nel cemento o nel calcestruzzo può rivelare anche crepe molto piccole.
Il trucco per ottenere questi risultati è applicare un sottile strato di vernice opaca sul cemento quando è nuovo. Il calcestruzzo intatto nelle scansioni nel vicino infrarosso, appare nero e la luce incandescente rivela le più piccole crepe (vedi immagine).
Lo studio pubblicato nella rivista Scientific Reports è stato condotto da Wei Meng (Ingegneria Civile e Ambientale – Rice University), Bruce Weisman (professore di chimica e di scienza dei materiali e nanoingegneria – Rice University), Satish Nagarajaiah (professore di ingegneria civile e ambientale, di scienza dei materiali e nanoingegneria, e di ingegneria meccanica – Rice University) e Jafarali Parol (ricercatore del Kuwait Institute of Scientific Research).
Wei Meng primo autore dello studio, ha scoperto il fenomeno mentre portava avanti il lavoro del team della Rice University sul rilevamento ottico della deformazione con nanotubi di carbonio.
Bruce Weisman pioniere della spettroscopia dei nanotubi ha affermato:
«La scoperta è nata da un progetto in cui stavamo cercando di applicare la nostra tecnica di misurazione della deformazione al cemento e al calcestruzzo, ma ci siamo imbattuti in un problema inaspettato quando abbiamo illuminato un campione rivestito con una pellicola di nanotubi. Abbiamo scoperto che uno dei picchi nello spettro della nostra pellicola era oscurato da un’emissione molto più forte proveniente da qualche parte. Non ci saremmo mai aspettati che provenisse dallo stesso cemento. Non siamo a conoscenza di nessun altro laboratorio che riportasse il fenomeno, alla fine siamo stati in grado di schermare il campione in modo che l’emissione non interferisse con la nostra misurazione della deformazione. Ci siamo ripromessi di tenere a mente quanto accaduto perché poteva essere interessante studiarlo a parte».
L’insolita firma spettrale dell’emissione ha permesso ai ricercatori di dedurre che la fonte era costituita da cristalli di silicio puro. Bruce Weisman ha affermato:
«I minerali chiamati silicati sono i componenti principali del cemento, abbiamo ipotizzato che durante il processo di produzione ad alta temperatura, quantità molto piccole si decompongono per formare microscopici cristalli di silicio. La loro lunghezza d’onda di emissione ci dice che sono più grandi di circa 10 nanometri, ma non possono essere molto più grandi altrimenti sarebbero stati notati molto tempo fa».
Wei Meng ha sperimentato su piccoli blocchi di cemento dipinti di nero e con dei fori al centro, questi servivano come punti focali per formare microfratture che si propagavano verso l’esterno quando i blocchi venivano compressi, incrinando anche la vernice. Ha scoperto che il segnale fluorescente arrivava attraverso le piccole crepe e poteva essere facilmente mappato con un laser a scansione raster.
Satish Nagarajaiah specializzato nel monitoraggio strutturale delle infrastrutture, nell’identificazione dei sistemi, nel rilevamento dei danni e nei sistemi di strutture a rigidità adattiva per resistere agli eventi sismici, ha detto:
«Le strutture in calcestruzzo hanno bisogno di monitoraggio, e questo è un modo per monitorarle. Ottenere un’idea chiara di dove sono le crepe può essere molto importante nelle strutture, specialmente nei luoghi critici dove sappiamo che saranno sollecitati. I benefici di una migliore rilevazione delle crepe potrebbero estendersi oltre i ponti e gli edifici alle strutture di contenimento nelle centrali nucleari o sulle navi o all’interno di pozzi e condutture che sono di difficile accesso».
I ricercatori hanno detto che un metodo pratico è quello di puntare la luce sulle strutture critiche e fotografarle utilizzando una macchina fotografica nel vicino infrarosso e un filtro spettrale a banda stretta.
Bruce Weisman in conclusione ha detto:
«La fessurazione del cemento può essere un sintomo precoce di cedimento, quindi le persone che sono preoccupate per l’integrità strutturale e la sicurezza delle strutture in calcestruzzo vogliono rilevare le microfessure prima che si sviluppino».

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Pino Silvestri, blogger per diletto, fondatore, autore di Virtualblognews, presente su Facebook e Twitter.
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