ИСТИНА

Предлагаемый проект направлен на разработку лазерно-искровой эмиссионной диагностики старения строительных материалов на основе цемента, вызванной коррозионно-активными неметаллами (хлора, серы). Известно, что действие внешних агрессивных агентов (различных хлоридов, гипохлоритов, сульфатов) приводит к диффузии этих элементов вглубь строительных материалов и дальнейшей деструкции железобетонных изделий и конструкций. Для экспрессного мониторинга таких изменений в цементном камне в настоящем проекте впервые предлагается использовать высокочастотные твердотельные лазеры с диодной накачкой. Особенности такой системы (миниатюрность, высокое качество поперечно-модовой структуры пучка, высокая частота повторения импульсов) обеспечивают возможности экспрессной работы в полевых условиях с высокой воспроизводимостью. Для выполнения поставленной задачи будет создан макет мобильного ЛИЭС-спектрометра, включающего в себя твердотельный лазер с диодной накачкой активной среды и миниатюрный спектрограф Черни-Тёрнера. На примере специально изготовленных образцов-имитаторов бетонов будут изучены изменение основных свойств лазерно-индуцированной плазмы (интенсивности аналитических линий, температуры и электронной плотности) в зависимости от длительности воздействия агрессивных агентов. Для улучшения чувствительности определения хлора и серы в бетонах впервые предлагается использовать не атомные линии этих элементов, а молекулярные полосы монохлоридов алюминия или кальция и монооксида серы. Перспективы использования молекулярных полос обусловлены как достаточно высокими потенциалами возбуждения линий хлора и серы (~10.5 эВ для хлора и 7.9 эВ для серы), так и малой степенью атомизации этих элементов. Российские и белорусские участники проекта (Химический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова и Институт физики им. Б.И.Степанова НАН Белоруссии) имеют большой опыт в разработке лазерных методов спектрального анализа, разработке и создании лазерных спектрометров. Результаты, полученные в ходе выполнения настоящего проекта позволят создать макет мобильного варианта лазерного спектрометра, позволяющего в полевых условиях контролировать изменение компонентного состава материала бетона для ранней диагностики состояния потенциально аварийных строительных объектов. Мобильный лазерный спектрометр третьего поколения с двухимпульсной абляцией и диодной накачкой активной среды, а также разработанные методики планируется внедрить в контрольно-диагностическую деятельность органов МЧС.

It will be done in future

1. Будет собран макет ЛИЭС-системы, включающий высокочастотный твердотельный лазер с диодной накачкой, миниатюрный спектрограф Черни-Тёрнера, программный комплекс для синхронизации лазера и системы детектирования, для измерения содержания неметаллов в строительных материалах. 2. Будет изготовлен набор образцов-имитаторов стройматериалов, подвергшихся длительному воздействию агрессивных агентов (сульфатов, гипохлоритов и хлоридов). Для достижения этой цели в течение длительного периода времени (1-12 месяцев) образцы бетонов будут выдерживаться в эксикаторах в присутствии агрессивных агентов. 3. Впервые будут определены оптимальные условия детектирования (энергия в импульсе, количество импульсов, временные параметры регистрации) неметаллов как по атомным линиям, так и по молекулярным полосам на макете. В качестве аналитического сигнала будут использоваться атомные линии хлора и серы, а также наиболее интенсивных компонент молекулярных полос монохлоридов и монооксида серы. 4. Будут сравнены основные метрологические характеристики определения неметаллов в образцах бетонов с помощью двух типов твердотельных лазеров: с ламповой накачкой и с диодной накачкой. 5. Будут получены результаты локального распределения неметаллов в образцах-имитаторах бетона в зависимости от длительности воздействия агрессивных агентов. Для этого будут построены карты содержания неметаллов по глубине образца (по поперечному спилу) и определены скорости диффузии агрессивных агентов внутрь образца. 6. Для практической реализации будут разработаны методики определения неметаллов в конструкционных материалах и диагностики степени их износа, соответствующих требованиям контрольно-диагностической деятельности государственных органов власти (например, МЧС).

Для реализации проекта российскими и белорусскими участниками были собраны два макета мобильных ЛИЭС систем с компактными твердотельными лазерами с диодной накачкой и ПЗС-детектором. В ходе выполнения проекта были изучены закономерности в эволюции атомных линий хлора, серы и углерода и возможных молекулярных полос MgCl, AlCl, CaCl и SO для определения неметаллов в цементе и бетонах. Для этого был изготовлен набор образцов имитаторов бетонов, содержащих различное количество добавок серы и хлора. УФ-полосы монохлоридов магния (374-382 нм) и алюминия (258-268 нм) оказались очень слабыми для определения хлора, также как и УФ-полосы CaCl (374-382 нм). Использование молекулярных полос CaCl в области 590-620 нм позволяет детектировать хлор на уровне 0.02% масс. как с лазером на ламповой накачке, так и с лазером на диодной накачке. С другой стороны, полосы монооксида серы (240-250 нм, 315-330 нм) по чувствительности не превосходят атомные линии серы в области 921 нм. С помощью последних также показана принципиальная возможность детектирования образования гипса на поверхности бетона. Атомная линия углерода С I 248 нм детектируется с обоими вариантами лазеров. Для сравнения чувствительности определения хлора были использованы различные варианты дополнительного возбуждения плазмы в двухимпульсном варианте ЛИЭС. Сравнение оптимальных условий реализации ортогональной и коллинеарной схемы двухимпульсного варианта ЛИЭС продемонстрировало, что основной выигрыш от использования ортогональной схемы достигается за счет подавления молекулярных полос вблизи линии хлора Cl I 837 нм. Для целей улучшения воспроизводимости аналитических измерений были найдены опорные сигналы, на которые нормировали эмиссионный спектр: для молекулярных полос значительно улучшается (в 7-11 раз) воспроизводимость при нормировании на фоновую эмиссию вблизи полосы, а для атомных наоборот при нормировании на атомные линии основных компонентов воздуха (О I 925 нм), бетонов (С I 833 нм, Fe I 249 нм). Разработанные в ходе выполнения проекта методы определения хлора, серы и углерода были апробированы на примере реального образца бетона с предприятия АО «Белкалий», подверженному длительному воздействию агрессивных агентов.