《Hybrid Advances》：Application of Advanced Non-Destructive Testing for Detection of Corrosion-Induced Damage in Graphene Oxide Based Concrete Composite
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实时检测和评估钢筋混凝土结构构件中腐蚀诱发的损伤及开裂，对降低灾难性失效风险具有重要意义。为此，研究人员描述了一种称为压电换能器基机电阻抗（Electro-Mechanical Impedance, EMI）技术的先进无损检测（Non-Destructive
实时检测和评估钢筋混凝土结构构件中腐蚀诱发的损伤及开裂，对降低灾难性失效风险具有重要意义。为此，研究人员描述了一种称为压电换能器基机电阻抗（Electro-Mechanical Impedance, EMI）技术的先进无损检测（Non-Destructive Testing, NDT）方法，应用于氧化石墨烯基混凝土复合材料（Graphene Oxide based Concrete Composite, GOCC）试样中腐蚀诱发损伤的检测。首先，制备了氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO）掺量为水泥质量0%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%和0.05%的GOCC立方体试件以测定抗压强度。随后，采用最优GO掺量制备GOCC圆柱形试件，利用嵌入式压电传感器（Embedded Piezo Sensor, EPS）检测与评估腐蚀诱发损伤。通过定性、定量及等效刚度参数分析，评估了共振峰、幅值、均方根偏差（Root-Mean Square Deviation, RMSD）的变化及等效刚度退化。此外，进行了重量分析法以确定腐蚀速率并与EMI结果进行关联。抗压强度试验结果表明，掺加0.03 wt% GO时混凝土获得最大抗压强度。EPS有效捕获了腐蚀初期阶段由频率和幅值偏移反映的变化。对比普通混凝土（Conventional Concrete, CC）与GOCC发现，前10天CC表现出快速刚度损失（48%），而GOCC为40%。等效刚度参数为GOCC中腐蚀诱发损伤提供了明确指示。CC试件约60天（1440 h）出现严重腐蚀并开裂，而GOCC将开裂延迟至82天（1968 h），表明腐蚀诱导时间延长约37%。此外，GOCC的质量损失较CC低20–25%，腐蚀速率降低35–40%，显示出增强的耐腐蚀性。综上，GOCC较传统混凝土具有更优耐腐蚀性，锈层生成减少。
论文解读：氧化石墨烯基混凝土复合材料的压电EMI无损检测腐蚀损伤研究
该研究发表于《Hybrid Advances》。现有研究表明，掺入纳米氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO）可提升水泥基复合材料的力学性能和抗氯离子渗透性，但纳米工程混凝土在真实受力环境下的早期腐蚀损伤及其实时结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）尚缺乏深入研究，传统评估多依赖破坏性试验。此外，机电阻抗（Electro-Mechanical Impedance, EMI）技术虽广泛用于普通钢筋混凝土腐蚀监测，但在GO改性混凝土体系中的应用几近空白。为此，研究人员开展了将最优掺量GO混凝土与嵌入式压电传感器（Embedded Piezo Sensor, EPS）结合的EMI无损检测研究，探究GO对钢筋混凝土氯离子腐蚀诱发损伤的抑制效果及EMI参数对纳米材料改性的敏感性。研究发现0.03% GO使混凝土抗压强度最高，GOCC较CC延缓腐蚀开裂约37%，质量损失降低20–25%，腐蚀速率降低35–40%，且EMI等效刚度和RMSD可有效捕捉腐蚀初期变化。该研究首次将EMI传感系统集成于GO增强混凝土腐蚀监测，为纳米工程智能混凝土的耐久性实时评估提供了新途径。
主要关键技术方法
研究人员采用M30等级砂浆，按GO占水泥质量0%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%制备立方体试块测定抗压强度确定最优掺量；以最优0.03% GO制备内置带EPS（PZT-5H片封装于砂浆-环氧树脂）钢筋的圆柱体试件及对照普通混凝土（CC）试件；利用LCR表采集100–400 kHz频段电导与电纳信号，计算RMSD及基于等效弹簧-阻尼模型提取等效刚度（equivalent stiffness, k）；采用3.5% NaCl溶液 Partial Immersion 并外加直流电流（impressed current method, 约53 μA/cm2）加速氯离子腐蚀；按ASTM G1-03进行失重法（gravimetric analysis）测质量损失及腐蚀速率，与EMI指标关联分析。
研究结果
4.1. EMI Signature Analysis（EMI特征分析）
通过对CC与GOCC在加速腐蚀过程中采集的电导（conductance）与电纳（susceptance）频谱分析发现，腐蚀诱发相（Initiation Phase, IP）内峰值频率下降、电导幅值上升，传播相（Propagation Phase, PP）出现下降或波动。CC在约第17天进入PP并于第60天开裂；GOCC IP持续至约第21天，PP持续至第82天开裂。RMSD在IP随腐蚀进程稳定上升（CC达12–14%，GOCC呈相似趋势但时间延后），PP趋于饱和波动。嵌入压电传感器（EPS）能有效捕捉腐蚀初期的频率与幅值偏移。
4.2. Deterioration of Equivalent Stiffness Analysis（等效刚度退化分析）
将EMI原始信号在100–150 kHz频段拟合为并联弹簧(k)–阻尼(c)模型。CC初始等效刚度约25 kN·s/m，前10天降至约13 kN·s/m（降幅48%），第17天降至约10 kN·s/m；GOCC初始约25–26 kN·s/m，前10天降至约15–15.7 kN·s/m（降幅40%），随后缓慢下降并在较长时期维持较高值。GO填充微孔隙并桥接微裂缝，减缓了刚度退化速率，等效刚度参数可明确表征GOCC中腐蚀诱发损伤程度。
4.3. Gravimetric mass loss analysis for CC and GOCC（CC与GOCC重量失重分析）
按ASTM G1-03对加速腐蚀后钢筋清理腐蚀产物称重。CC经1440 h（~60天）开裂，质量损失63–70 g，腐蚀速率8.99–9.99 mm/year；GOCC经1968 h（~82天）开裂，质量损失50–55 g，腐蚀速率5.22–5.74 mm/year。GOCC质量损失较CC低20–25%，腐蚀速率降低35–40%，证实GO显著提高了混凝土对氯离子渗透的阻隔能力及钢筋耐蚀性。腐蚀速率与等效刚度呈负相关、与RMSD呈正相关，验证了EMI指标与物理腐蚀程度的相关性。
讨论与结论翻译（Conclusion部分浓缩总结）
研究人员应用基于压电换能器的EMI先进无损检测技术实时检测GOCC中腐蚀诱发损伤。定性、定量分析（基于RMSD和等效刚度参数）及重量分析表明，EPS可有效识别腐蚀早期变化，但对裂纹扩展的传播阶段较不敏感。对比CC与GOCC，CC在前10天刚度损失48%，GOCC为40%；CC约60天严重腐蚀开裂，GOCC延至约82天开裂（腐蚀诱导时间延长约37%）；GOCC质量损失降低20–25%，腐蚀速率降低35–40%。总体上，GOCC较CC具有更优耐腐蚀性与延缓锈层发展的能力。结果强调了快速腐蚀识别方法及后续监测对RC结构可持续性能的重要性，未来可拓展表面粘贴压电传感器监测GOCC腐蚀传播阶段。
