鉄筋腐食分布の形態学的パラメーターの評価法の適用性について分析
November 1st, 2018
本測定ジオメトリとさまざまな方法を使用して鉄筋の腐食量: 質量損失、ノギス、排水測定、3 D スキャン、x 線マイクロ コンピューター断層撮影 (XCT)。
このビデオは、無傷および腐食した鋼棒の表面形態を測定することを目的としています。質量損失、バーニアキャリパー測定、排水測定、3Dスキャン、鉄棒のXCTなど、5つの異なる尺度を実証し、評価します。3Dスキャンは、腐食したバーの表面における腐食浸透の容量変動性を測定するための最良の方法です。
3Dスキャン法で得られた腐食測定により、エンジニアリングは、当社の社会における既存のエンジニアリング構造の安全性と耐用年数をより正確かつ確実に評価することができます。この手順のデモンストレーションは、研究室の技術者である恵ライ・ハン氏と、深セン洪栄の立体技術の技術者であるシェンリン・クイ氏です。まず、磨かれた長さ500ミリメートル、直径14ミリメートルの鉄棒を10ミリメートル刻みでマークします。
次に、ゼロのバーニアキャリパーを使用して、最初のマークでバーの直径を測定し、顎がバーにそっと触れています。さらに3回の測定を行い、毎回45度回転させ、45度間隔で合計4回の測定を行います。バーの各マークに対してこの手順を繰り返します。
各マークの直径を平均し、断面を計算します。次いで、棒の両端から30ミリメートルを切断し、2つの30ミリメートル長い棒標本と1つの440ミリメートル長い棒標本を得る。デジタル電子スケールで各標本の重量を量り、測定値を記録します。
長さ30ミリメートルの棒の標本を10ミリメートル間隔でマークし、左側から5ミリメートルを開始します。前述のとおり、これらの各マークの平均直径を決定します。次に、静水圧、電気機械のユニバーサル試験機を設置し、機械ヘッドの下にガラス変位シリンダーを置きます。
ちょうど出口に到達するために水道水でシリンダーを埋めます。次に、容器の出口の下に電子スケールを置きます。200ミリリットルのビーカーをコンセントに沿ってスケールに置きます。
その後、EUTマシンの頭部にバー標本を垂直にクランプします。EUTのヘッドを垂直に下に移動し、バーが水面に触れるだけです。デジタルスケールで最初の読み取りを記録します。
次に、1分間に10ミリメートルでバーを下に移動するようにEUTマシンを設定します。最初の10ミリメートルのマークにバーを置き換えるためにマシンを実行します。次に、電子スケールで最終読み取りを記録します。
棒全体が水没するまで、棒標本の各10ミリメートルセグメントに対してこのプロセスを繰り返します。その後、バーを1時間空気乾燥させます。変位水塊から棒の各10ミリメートルセグメントの均一断面を計算します。
この方法で3つの標本のそれぞれをテストします。次に、各乾燥バー標本に白色の探傷の開発者をスプレーし、試料を空気中で乾燥させます。次に、3Dスキャナーのプラットフォーム上にコーティングされた標本を置きます。
小さな白い点のランダム配列でマークされたラベルを使用して、バーの標本の位置を調整します。次に、その長さに沿って標本をスキャンし、容量モデルを開発し、モデルから形態学的データを生成します。各標本についてこれを繰り返します。
次に、X線マイクロコンピュータ断層撮影システムの回転可能なプラットフォームに30ミリメートルの標本を1つ置きます。XCT インストゥルメントを閉じます。計器ソフトウェアを開き、スキャン用の正しい位置に試料を移動します。
目的のピクセル サイズと拡大率を入力します。次に、標本をスキャンし、幾何学的パラメータを生成します。他の30ミリメートルの標本についても、このプロセスを繰り返します。
非腐食鋼棒の測定値を取得した後、2メートルの長さの多本鎖電線から50〜60ミリメートルの絶縁を取り除きます。もう一方の端から短いセグメントを取り除きます。長く露出したワイヤーの端を440ミリメートルの標本の一方の端に固定し、断熱テープをバーの端の70ミリメートルにしっかりと巻き付けます。
その後、バーの反対側の70ミリメートルを断熱テープでしっかりと包みます。次に、1対1の比率で硬化剤とエポキシ接着剤を混合します。エポキシを棒の各絶縁端に均一に塗布して、腐食から端を保護します。
エポキシを乾燥させたら、銅板を備えたプラスチック製のタンクに、水道水に塩化ナトリウムの水溶液3.5%%を充填します。棒の標本をタンクに入れる。次に、バーに接続されたワイヤをDC電源の正の端子に接続します。
銅板を電源のマイナス端子に接続します。電源をセットして、バー全体で2.5マイクロアンペース/平方センチメートルの腐食電流密度を生成します。ファラデーの法則に従って所望の腐食レベルを達成するために必要な期間に電流を適用します。
次に、電流を消し、棒状試料を取り外し、塩酸の体積12%の水溶液に30分間浸して腐食物を除去します。その後、バー標本を飽和石灰水溶液に移し、酸残渣を中和する。その後、水道水でバーをすすいで空気中で乾燥させます。
次に、腐食した表面を10ミリメートル間隔でマークします。デジタル電子スケールで、腐食したバーを水平に計量し、腐食したバーの平均面積を計算します。バーニアキャリパーを使用して各10ミリメートルのマークで平均直径を決定し、断面を計算します。
次に、変位水排水法を用いて、腐食した棒の各10ミリ区間の断面を計算する。その後、白い開発者と標本をスプレーし、3Dスキャンを取ります。最後に、腐食したバーから30ミリメートルのセグメントをカットし、XCTでそれをスキャンします。
タクト中の鉄棒の測定直径はその長さに応じて有意に変化しなかったが、45度測定と135度測定の間で一貫した変動が認められ、棒が楕円形であることを示した。質量損失、キャリパー測定、および3Dスキャン技術は、低変動で同様の値を生成しました。440ミリメートルの標本の排水方法測定は、バーの乾燥や水の表面張力を含む不確実性の複数の原因に苦しんでいました。
30ミリメートルの標本をXCTで分析し、他の技術と一致する値を生成した。全体として、キャリパー、XCT、および3Dスキャンは、最小限の変動で同様の値を生成しました。したがって、キャリパー測定は、腐食していないバーの正確な測定値を得るための最も簡単な方法でした。
腐食は、バー全体に大きな変動と断面形状をもたらし、質量損失法では捕獲できなかった。キャリパーは形状の変化に敏感であったが、標本の表面にピットインすることを考慮することができなかった。XCT と 3D スキャンは同様の値を生成しましたが、XCT はフラットエンドの小さなサンプルの必要性によって制限されます。
したがって、腐食した鋼棒の形態を解析するために3D測定が好まれた。バーニアキャリパーは、腐食していない鉄棒の表面形態を測定するための最良のツールです。そして、それは操作するのは簡単です。
そして、それは非常に経済的です。排水方法測定は、ある程度の不確定性の影響を受ける可能性があるため、測定装置のさらなる改善が必要です。XCT測定では、腐食した鉄棒の残余断面積を正確に測定できますが、試料の長さによって制限されます。
3Dスキャン法は、正確で経済的で効率的であるため、腐食した鉄棒の測定に最適な方法です。また、腐食したバーに関する追加の有用な情報を生成することもできます。
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概要
この研究では、様々な測定技術を用いて鋼棒の幾何学と腐食を評価します。使用される方法には、質量損失、ノギス、排水測定、3Dスキャン、X線マイクロCT（XCT）が含まれます。
研究の主要な構成要素
科学の分野
- 腐食科学
- 材料工学
- 構造健全性評価
背景
- 腐食は工学構造物の寿命と安全性に影響を与えます。
- 腐食メカニズムの理解は、保守と安全性評価にとって重要です。
- 異なる測定技術は、腐食に関する様々な洞察を提供します。
- 3Dスキャンは腐食パターンの詳細な空間分析を提供します。
研究の目的
- 未腐食および腐食した鋼棒の表面形態を測定すること。
- 異なる腐食測定方法の有効性を比較すること。
- 工学構造物の安全性評価の信頼性を高めること。
使用した方法
- 質量損失測定
- ノギス測定
- 排水測定
- 3Dスキャン
- X線マイクロCT（XCT）
主な結果
- 3Dスキャンが腐食評価に最も効果的な方法であることが確認されました。
- 3Dスキャンによる腐食測定は、空間的変動性に関する詳細な洞察を提供します。
- この研究は、構造安全性のための正確な腐食評価の重要性を示しています。
- 結果は、既存構造物のより良い保守戦略に情報を提供できます。
結論
- 異なる方法は腐食評価において様々な結果をもたらします。
- 3Dスキャンは腐食パターンの理解を大幅に改善します。
- これらの方法を実施することで、構造物の安全性と耐用年数の評価を強化できます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Accurate assessment of material degradation is critical for ensuring the safety and service life of engineering infrastructure. This study evaluates corrosion measurement techniques to support reliable structural integrity evaluations, directly informing risk-based maintenance decisions and asset management strategies in civil engineering and materials science R&D.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of material-property relationships by quantifying structural changes induced by environmental exposure.
- Operational Value: Provides standardized, reproducible methods for characterizing degradation morphology across sample sets.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, spatially resolved data on surface morphology suitable for assay standardization and comparative analysis.
- Operational Value: Supports development of reproducible, high-fidelity readouts for monitoring time-dependent material changes in screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates translational continuity by linking laboratory-scale corrosion measurements to real-world structural performance predictions.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions through reliable, longitudinal tracking of material integrity in preclinical models.
Pipeline & Workflow Integration
The method supports discovery-stage hypothesis testing regarding material-environment interactions, with outputs enabling quantitative comparison across conditions in screening workflows.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by clarifying how corrosion alters material properties and structural behavior.
- Screening: Delivers assay-ready, reproducible morphological data with low variability for reliable compound or condition comparison.
- Analytics: Provides quantitative dimensional and volumetric readouts that enable statistical analysis of degradation progression.
- Translational Research: Connects bench-scale measurements to structural safety assessments, informing translational validity of material models.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for longitudinal material characterization across multiple projects and model systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in material degradation studies through precise, spatially resolved morphology quantification.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility across laboratories via well-defined measurement protocols.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing reliable data for predicting long-term material performance and failure risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-based prioritization of materials or interventions based on quantified degradation profiles.
Implementation Considerations
- Requires expertise in material characterization and corrosion science.
- Depends on access to 3D scanning or XCT instrumentation for corroded sample analysis.
- Necessitates standardized sample preparation and marking protocols for longitudinal tracking.
- Involves adaptation considerations when applying methods to different material geometries or surface conditions.
- Limited by specimen size constraints for XCT and surface preparation requirements for optical methods.
