混凝土硫酸钠腐蚀产物的高光谱检测方法研究

作     者：汪金花 曹兰杰 徐国强 封孝信 吴兵 张博 WANG Jin-hua;CAO Lan-jie;XU Guo-qiang;FENG Xiao-xin;WU Bing;ZHANG Bo

作者机构：华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210 华北理工大学建筑工程学院河北唐山063210 华北理工大学材料科学与工程学院河北唐山063210 

出 版 物：《光谱学与光谱分析》 (Spectroscopy and Spectral Analysis)

年 卷 期：2019年第39卷第6期

页      面：1724-1730页

核心收录：

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(51772098) 河北省高等学校科学技术研究重点项目(ZD2014021)资助 

主　　题：混凝土 硫酸盐腐蚀 高光谱检测 比值导数法 光谱解混模型 

摘      要：目前混凝土化学腐蚀损伤程度的检测主要是扫描电镜、能谱、XRD衍射等方法,这些方法对于在役的混凝土结构来说,易造成破坏,检测时间长,连续性差。提出了一种基于高光谱的混凝土腐蚀产物无损检测新方法。高光谱检测具有非接触、方便快捷、连续无损的优点,但是受腐蚀混凝土实测光谱的解混模型和分析方法是实际应用的难点。该研究根据混凝土遭受硫酸钠侵蚀生成产物的特点,将硫酸钠侵蚀后混凝土的光谱划分成两个组分光谱的线性混合,一个组分是水泥的水化产物光谱反射率,另一个组分是硫酸钠侵蚀下生成主要产物钙矾石和石膏的光谱反射率。在光谱比值导数模型的基础上,建立混凝土腐蚀产物的光谱解混模型。以在清水和10%Na2SO4溶液中连续浸泡的混凝土试块为研究对象,按照15d的采集周期,在30~120d连续测量两组混凝土的反射光谱。数据经过平滑、包络线去除后,利用混凝土腐蚀产物的光谱解混模型进行处理。数据一次解混后,分析解混后光谱曲线光谱特征和变化规律,与钙矾石和石膏混合物的标准光谱曲线进行SFF匹配拟合分析。并结合扫描电镜和X射线衍射方法检测此次试验中钙矾石和石膏腐蚀产物的生成情况。利用混凝土比值后的光谱曲线除以石膏光谱曲线,完成了实测光谱的二次解混处理,分析了钙矾石的生成量在30~120d腐蚀过程中变化趋势。试验结果表明,(1)试验中清水和10%Na2SO4溶液中不同龄期的两组混凝土,反射光谱特征随着腐蚀时间的增加区分度明显。两组试块均在1445和1945nm附近有较强吸收特征,但吸收深度不同,10%Na2SO4溶液混凝土光谱曲线的吸收深度、吸收面积明显大于清水中的混凝土;(2)实测光谱曲线经过混凝土光谱解混模型一次处理后的曲线,在1450和1945nm左右处有明显的吸收深谷,与石膏和钙矾石混合物标准光谱的光谱特征一致,两者光谱曲线的SFF匹配拟合数值达到了0.96;(3)利用比值后的光谱除以石膏光谱后的曲线很好的突出了腐蚀产物钙矾石的光谱特征。发现随着腐蚀龄期的增长,钙矾石在30~120d生成量的丰度呈现先降后升趋势。(4)根据混凝土试块腐蚀状态下的高光谱数据分析、扫描电镜和X射线衍射的检测结果,验证了混凝土光谱解混模型在混凝土检测中能够正确解算出腐蚀产物的类型和丰度,为混凝土高光谱无损检测提供了理论基础。