Scientists discover new way to diagnose Cracks in Concrete

20/02/22-FR-English-NL-footer

Des scientifiques découvrent une nouvelle façon de diagnostiquer les fissures dans le béton

Une réaction chimique qui provoque la fissuration et la détérioration du béton peut désormais être identifiée sans dommage, selon les scientifiques d'Argonne.

Bien qu'ils soient construits pour durer des décennies, les ponts, barrages, centrales nucléaires et autres structures en béton sont loin d'être indestructibles. L'un des coupables est la réaction alcali-silice (RAA), souvent appelée le « cancer » du béton.

L'ASR est une réaction entre les ions alcalins présents dans le ciment et la silice, les deux principaux composants du béton. La réaction crée un gel qui absorbe l'eau et se dilate, provoquant l'accumulation de pressions internes dans le béton. Au fil du temps, cette pression peut provoquer la fissuration et la détérioration des structures en béton. Il n'existe actuellement aucun remède efficace contre la RAS dans le béton, et il est à la fois destructeur et long de l'identifier dans les structures existantes.

Des chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie ont découvert un moyen inoffensif de détecter l'ASR qui pourrait aider à réduire la quantité de tests coûteux effectués aujourd'hui. Leur approche repose sur une technique connue sous le nom de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS), qui mesure la conductivité électrique.
Quand le béton ne vieillit pas avec grâce

Les structures plus anciennes comme les centrales nucléaires risquent de développer la RAS. Un exemple aux États-Unis est la centrale nucléaire de Seabrook Station dans le New Hampshire.

"Tous les réacteurs existants aux États-Unis datent de plusieurs décennies, ayant pour la plupart été construits entre 1970 et 1990. Les tests accélérés des mélanges de béton pour l'ASR étaient moins précis à cette époque qu'ils ne le sont aujourd'hui. Ces structures entrent dans la zone où les problèmes causés par l'ASR se développent généralement », a déclaré le scientifique d'Argonne Alexander Heifetz.

Le béton vieillissant de ces structures est très difficile à remplacer s'il est affecté par la RAS. La surveillance et le suivi de l'ASR en leur sein, et l'atténuation de ses effets si nécessaire, sont non seulement essentiels à la sécurité, mais également nécessaires pour renouveler la licence des installations.
Découvrir une meilleure façon de repérer les problèmes dans le béton

La seule façon pour les scientifiques de repérer l'ASR dans les structures existantes est d'extraire plusieurs noyaux et de les analyser au microscope.

"Cette méthode de détection est coûteuse, prend du temps et est destructrice, ce qui n'est pas idéal", a déclaré Heifetz.

Heifetz et son équipe de recherche ont découvert que l'EIS, qui mesure la conduction électrique, pourrait être utilisé pour détecter l'ASR de manière non destructive. La conduction électrique dans le béton se fait via des réseaux de pores, qui se forment lors du durcissement et contiennent des fluides ioniques (liquides contenant des particules chargées). Le gel qui se forme pendant l'ASR se propage pour combler les lacunes de ces réseaux de pores.

Les chercheurs pensaient que l'ASR pouvait affecter les fluides ioniques à l'intérieur des pores, ainsi que la connectivité des réseaux de pores eux-mêmes. Cela pourrait modifier la conduction électrique du béton, qu'ils pourraient mesurer grâce à l'EIS.

Les ingénieurs ont utilisé cette technique pour mesurer indirectement les propriétés mécaniques du béton, telles que la résistance pendant le durcissement. Mais Heifetz et ses collègues sont les premiers à appliquer cette méthode pour détecter l'ASR.

Pour tester sa fiabilité, Heifetz et ses collègues ont d'abord développé l'ASR accéléré dans des échantillons de béton, qui ont été affectés par l'ASR à des degrés divers. Ils ont ensuite mesuré l'EIS sur les échantillons et calculé la résistance électrique du béton à partir des données.

L'équipe a découvert que l'ASR modifiait la résistance électrique du béton, créant une signature que les scientifiques pourraient utiliser pour distinguer et localiser l'ASR.

"Nous avons essentiellement trouvé un moyen de caractériser la propriété d'un matériau en fonction de sa conduction actuelle, et à la fin, nous voyons qu'il existe une corrélation entre la conduction et la présence et la progression de l'ASR", a déclaré Heifetz.
Des étapes concrètes vers l'amélioration

Étant donné que l'EIS est non destructif, son utilisation pour surveiller l'ASR pourrait potentiellement réduire la quantité de durcissement nécessaire aujourd'hui pour diagnostiquer et surveiller les structures en béton de grande valeur.

"Nous avons le potentiel de développer cela en une technique qui peut être utilisée sur des structures réelles", a déclaré Heifetz. "Nous travaillons avec l'industrie pour voir si cette approche peut fonctionner sur une plus grande gamme d'échantillons géologiques que ceux utilisés dans notre étude, pour faire avancer, espérons-le, son application."

Les résultats ont été publiés dans la revue Materials and Structures. Les auteurs argonnais de l'article incluent Heifetz et Sasan Bakhtiari. Les auteurs d'autres organisations incluent Igor S. Aranson, Anthony Bentivegna, Peter Bevington, Didem Ozevin, Dmitry Shribak, Meredith Strow et Yangqing Liu. Les résultats préliminaires de cette étude ont été publiés dans l'American Society for Nondestructive Testing, American Institute of Physics Conference Proceedings and Transactions of the American Nuclear Society.

Cette recherche a été financée par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire d'Argonne.
NJC.© Infos Argonne National Laboratory

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20/05/22-English

Scientists discover new way to diagnose Cracks in Concrete

A chemical reaction that causes concrete to crack and deteriorate can now be identified without harm, according to Argonne scientists.

Although they are built to last for decades, bridges, dams, nuclear plants and other concrete structures are far from indestructible. One culprit is the alkali-silica reaction (ASR), often referred to as the “cancer” of concrete.

ASR is a reaction between alkali ions found in cement and silica — the two main components of concrete. The reaction creates a gel that absorbs water and expands, causing internal pressures to build up within the concrete. Over time, this pressure can cause concrete structures to crack and deteriorate. There is currently no effective cure for ASR in concrete, and it is both destructive and time-consuming to identify it in existing structures.

Researchers at the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory have discovered a harmless way to detect ASR that could help reduce the amount of expensive testing being done today. Their approach relies on a technique known as electrochemical impedance spectroscopy (EIS), which measures electrical conductivity.
When concrete fails to age gracefully

Older structures like nuclear plants are at risk of developing ASR. One example in the United States is the Seabrook Station Nuclear Power Plant in New Hampshire.

“All existing reactors in the United States are decades old, having mostly been built between 1970 and 1990. Accelerated testing of concrete mixes for ASR were less accurate in those times than they are today. These structures are getting into the zone where problems caused by ASR typically develop,” said Argonne scientist Alexander Heifetz.

The aging concrete within these structures is very difficult to replace if it is affected by ASR. Monitoring and tracking ASR within them, and mitigating its effects where needed, is not only critical to safety but also required to relicense facilities.
Discovering a better way to spot trouble in concrete

The only way scientists can spot ASR in existing structures is by extracting several cores and analysing them under a microscope.

“This detection method is costly, time-consuming and destructive, which is not ideal,” Heifetz said.

Heifetz and his research team have discovered that EIS, which measures electrical conduction, could be used to detect ASR non-destructively. Electrical conduction in concrete occurs via networks of pores, which form during curing and contain ionic fluids (liquids containing charged particles). The gel that forms during ASR spreads to fill the gaps in these pore networks.

Researchers thought ASR could affect the ionic fluids within the pores, as well as the connectivity of the pore networks themselves. This could change concrete’s electric conduction, which they could measure through EIS.

Engineers have used this technique to indirectly measure mechanical properties of concrete, such as strength during curing. But Heifetz and his colleagues are the first to apply this method to detect ASR.

To test its reliability, Heifetz and his colleagues first developed accelerated ASR in samples of concrete, which were affected by ASR to varying degrees. They then measured EIS on the samples and calculated the electrical resistance of concrete from the data.

The team found that ASR altered the electrical resistance of concrete, creating a signature that scientists could use to distinguish and locate ASR.

“We basically found a way to characterize a material’s property based on its current conduction, and in the end, we see there is correlation between the conduction and the presence and progression of ASR,” Heifetz said.
Concrete steps toward improvement

Because EIS is non-destructive, using it to monitor ASR could potentially reduce the amount of curing needed today to diagnose and monitor high-value concrete structures.

“We have the potential to develop this into a technique that can be used on actual structures,” Heifetz said. “We’re working with industry to see if this approach can work on a greater range of geological samples than those used in our study, to hopefully advance its application.”

The findings have been published in the journal of Materials and Structures. Argonne authors of the paper include Heifetz and Sasan Bakhtiari. Authors from other organizations include Igor S. Aranson, Anthony Bentivegna, Peter Bevington, Didem Ozevin, Dmitry Shribak, Meredith Strow, and Yangqing Liu. Preliminary results of this study have been published in the American Society for Nondestructive Testing, American Institute of Physics Conference Proceedings and Transactions of the American Nuclear Society.

This research was funded by Argonne’s Laboratory Directed Research and Development program.
NJC.© Info Argonne National Laboratory

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20/05/22-NL

Wetenschappers ontdekken nieuwe manier om scheuren in beton te diagnosticeren

Een chemische reactie die ervoor zorgt dat beton barst en verslechtert, kan nu zonder schade worden geïdentificeerd, volgens wetenschappers van Argonne.

Hoewel ze gebouwd zijn om tientallen jaren mee te gaan, zijn bruggen, dammen, kerncentrales en andere betonnen constructies verre van onverwoestbaar. Een boosdoener is de alkali-silica-reactie (ASR), vaak de "kanker" van beton genoemd.

ASR is een reactie tussen alkali-ionen in cement en silica - de twee belangrijkste componenten van beton. De reactie creëert een gel die water absorbeert en uitzet, waardoor interne druk wordt opgebouwd in het beton. Na verloop van tijd kan deze druk ervoor zorgen dat betonconstructies barsten en verslechteren. Er is momenteel geen effectieve remedie voor ASR in beton, en het is zowel destructief als tijdrovend om het in bestaande constructies te identificeren.

Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben een onschadelijke manier ontdekt om ASR te detecteren die zou kunnen helpen de hoeveelheid dure tests die tegenwoordig worden uitgevoerd te verminderen. Hun aanpak is gebaseerd op een techniek die bekend staat als elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS), die elektrische geleidbaarheid meet.
Wanneer beton niet gracieus veroudert

Oudere constructies zoals kerncentrales lopen het risico ASR te ontwikkelen. Een voorbeeld in de Verenigde Staten is de Seabrook Station Nuclear Power Plant in New Hampshire.

“Alle bestaande reactoren in de Verenigde Staten zijn tientallen jaren oud en zijn voornamelijk gebouwd tussen 1970 en 1990. Het versneld testen van betonmengsels voor ASR was in die tijd minder nauwkeurig dan tegenwoordig. Deze structuren komen in de zone waar problemen veroorzaakt door ASR zich typisch ontwikkelen”, zegt Argonne-wetenschapper Alexander Heifetz.

Het verouderde beton in deze constructies is zeer moeilijk te vervangen als het wordt aangetast door ASR. Het monitoren en volgen van ASR binnen hen, en het verminderen van de effecten waar nodig, is niet alleen van cruciaal belang voor de veiligheid, maar ook vereist om faciliteiten opnieuw te licentiëren.
Een betere manier ontdekken om problemen in beton op te sporen

De enige manier waarop wetenschappers ASR in bestaande structuren kunnen herkennen, is door verschillende kernen te extraheren en ze onder een microscoop te analyseren.

"Deze detectiemethode is kostbaar, tijdrovend en destructief, wat niet ideaal is", zei Heifetz.

Heifetz en zijn onderzoeksteam hebben ontdekt dat EIS, dat elektrische geleiding meet, kan worden gebruikt om ASR niet-destructief te detecteren. Elektrische geleiding in beton vindt plaats via netwerken van poriën, die zich tijdens het uitharden vormen en ionische vloeistoffen bevatten (vloeistoffen die geladen deeltjes bevatten). De gel die zich vormt tijdens ASR verspreidt zich om de gaten in deze porienetwerken te vullen.

Onderzoekers dachten dat ASR de ionische vloeistoffen in de poriën zou kunnen beïnvloeden, evenals de connectiviteit van de porienetwerken zelf. Dit zou de elektrische geleiding van beton kunnen veranderen, die ze via EIS konden meten.

Ingenieurs hebben deze techniek gebruikt om indirect mechanische eigenschappen van beton te meten, zoals sterkte tijdens uitharding. Maar Heifetz en zijn collega's zijn de eersten die deze methode toepassen om ASR te detecteren.

Om de betrouwbaarheid te testen, ontwikkelden Heifetz en zijn collega's eerst versnelde ASR in monsters van beton, die in verschillende mate door ASR werden beïnvloed. Vervolgens maten ze EIS op de monsters en berekenden ze de elektrische weerstand van beton uit de gegevens.

Het team ontdekte dat ASR de elektrische weerstand van beton veranderde, waardoor een handtekening werd gecreëerd die wetenschappers konden gebruiken om ASR te onderscheiden en te lokaliseren.

"We hebben in feite een manier gevonden om de eigenschap van een materiaal te karakteriseren op basis van de huidige geleiding, en uiteindelijk zien we dat er een verband bestaat tussen de geleiding en de aanwezigheid en progressie van ASR," zei Heifetz.
Concrete stappen naar verbetering

Omdat EIS niet-destructief is, kan het gebruik ervan om ASR te bewaken de hoeveelheid uitharding die tegenwoordig nodig is om hoogwaardige betonconstructies te diagnosticeren en te bewaken, mogelijk verminderen.

"We hebben het potentieel om dit te ontwikkelen tot een techniek die kan worden gebruikt op echte constructies", zei Heifetz. "We werken samen met de industrie om te zien of deze aanpak kan werken op een groter aantal geologische monsters dan die welke in onze studie zijn gebruikt, om hopelijk de toepassing ervan te bevorderen."

De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Materials and Structures. Argonne-auteurs van het papier zijn onder meer Heifetz en Sasan Bakhtiari. Auteurs van andere organisaties zijn onder meer Igor S. Aranson, Anthony Bentivegna, Peter Bevington, Didem Ozevin, Dmitry Shribak, Meredith Strow en Yangqing Liu. Voorlopige resultaten van deze studie zijn gepubliceerd in de American Society for Nondestructive Testing, American Institute of Physics Conference Proceedings and Transactions van de American Nuclear Society.

Dit onderzoek werd gefinancierd door Argonne's Laboratory Directed Research and Development-programma.
NJC.© Info Argonne National Laboratory

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