Uma colaboração entre grupos de pesquisa da Universidade Rice, no Texas, e Instituto Kuwait de Pesquisa Científica, no oriente médio, descobriu que o cimento Portland comum contém cristais microscópicos de silício que emitem fluorescência no infravermelho próximo quando iluminados com luz visível.
Isso levou os pesquisadores a duas constatações. A primeira foi que o comprimento de onda exato da emissão pode ser usado para identificar o tipo específico de cimento em uma estrutura.
A segunda, e talvez mais importante, é que a emissão próxima ao infravermelho pode revelar até mesmo pequenas rachaduras no cimento ou concreto.
Para isso, o truque é aplicar uma fina camada de tinta opaca no concreto quando novo. Em varreduras próximas ao infravermelho, o concreto intacto parece preto e a luz brilhante revela até menor das rachaduras.
O estudo foi publicado recentemente na Scientific Report, do grupo Nature, uma das maiores revistas científicas do mundo, e é fruto da colaboração entre os laboratórios do químico Bruce Weisman, do engenheiro estrutural Nagarajaiah e do cientista Jafarali Parol.
rachaduras detectadas após um único limiar; (c) rachaduras detectadas após o limiar de histerese, conforme descrito no
artigo. Fonte: Meng e colaboradores, 2022.
“Os minerais chamados silicatos são os principais componentes do cimento, e levantamos a hipótese de que durante o processo de produção de alta temperatura, quantidades muito pequenas se decompõem para formar cristais microscópicos de silício”, disse o engenheiro Weisman. “Seu comprimento de onda de emissão nos diz que eles são maiores que cerca de 10 nanômetros, mas eles não podem ser muito maiores ou as pessoas os teriam notado há muito tempo.”
Os cientistas testaram em pequenos blocos de concreto pintados de preto e com furos no meio. Estes serviram como pontos focais para formar microfissuras que se propagariam para fora quando os blocos fossem comprimidos, também rachando a pintura. Ele descobriu que o sinal fluorescente vinha através das pequenas rachaduras e podia ser facilmente mapeado com um laser de varredura.
“As estruturas de concreto precisam de monitoramento, e essa é uma maneira de monitorá-las”, disse Nagarajaiah, especialista em monitoramento de infraestruturs, identificação de sistemas, detecção de danos e sistemas estruturais de rigidez adaptativa para resistir a eventos sísmicos. “Ter uma ideia clara de onde estão as rachaduras pode ser muito importante nas estruturas, especialmente nos locais críticos onde sabemos que elas serão estressadas”.
Os pesquisadores disseram que uma abordagem prática é iluminar estruturas críticas e fotografá-las usando uma câmera próxima ao infravermelho e um filtro espectral de banda estreita.
“As rachaduras no cimento podem ser um sintoma precoce de falha, então as pessoas preocupadas com a integridade estrutural e a segurança das estruturas de concreto querem detectar microfissuras antes que elas cresçam”, disse Weisman.
Os benefícios de uma melhor detecção de rachaduras podem se estender além de pontes e edifícios para estruturas de contenção em usinas nucleares ou em navios ou no interior de poços e oleodutos de difícil acesso.
Fontes:
Silicon fluorescence shines through microcracks in cement, revealing early signs of damage. Science Daily. 25 de janeiro, 2022.
Wei Meng, Sergei M. Bachilo, Jafarali Parol, Satish Nagarajaiah, R. Bruce Weisman. Near-infrared photoluminescence of Portland cement. Scientific Reports. 2022.