Sensores de fibra ótica para monitorização do pH e da humidade em estruturas de betão

Abstract

Os fenómenos que mais afetam as estruturas de betão armado são a corrosão do aço de reforço e a carbonatação do betão, existindo uma necessidade de monitorizar a integridade destas estruturas. Para o efeito, têm sido reportados alguns sensores de fibra ótica, baseados em materiais híbridos orgânico inorgânicos (HOI) e sintetizados pelo método sol-gel, que permitem a monitorização de parâmetros cruciais nos processos de corrosão. No presente trabalho, sintetizaram-se diferentes materiais HOI para funcionalização de sensores de fibra ótica que permitam a monitorização do pH e da humidade em estruturas de betão armado. Foram utilizados como precursores a poli(oxi-1,4-butanodiil), alfa-hidro-omega-hidroxi-, polímero com amónia e o (3-glicidoxipropil)trimetoxisilano, numa razão estequiométrica de 1:2. No caso dos materiais HOI direcionados para a monitorização do pH, optou-se pela incorporação da fenolftaleína e do brometo de hexadeciltrimetilamónio. Para a monitorização da humidade, sintetizaram-se diferentes materiais dopados com acetato de celulose, 2-hydroxietil celulose, carvão ativado, nanotubos de carbono e zeólito SYLOSIV® A4. Os materiais híbridos foram sintetizados com sucesso e a estratégia adotada demonstrou ser eficaz para a produção de sensores de pH e humidade. A dopagem dos materiais parece não provocar alterações na estrutura química da matriz. A superfície da mesma é uniforme, contudo os materiais A170@CTAB@phph, A170@CA e A170@CNT apresentam uma superfície não uniforme mais destacada. A transmitância dos HOI diminuiu após a sua dopagem e observou-se que a matriz apresenta uma fluorescência intrínseca. A dopagem dos materiais não alterou significativamente as propriedades dielétricas da matriz, destacando-se o A170@CNT com baixa resistência. Não se observaram grandes alterações no perfil térmico dos materiais HOI dopados. O híbrido A170@CTAB@phph demonstra potencial para ser utilizado como sensor de pH colorimétrico. Estudos de humidade indicam que a própria matriz responde à variação de humidade. Não foram visíveis alterações significativas dos valores de resistência dos materiais após os estudos de estabilidade, i.e., após imersão em pastas cimentícias. A caraterização dos materiais HOI sintetizados demonstrou que os mesmos apresentam caraterísticas morfológicas, químicas, térmicas e elétricas adequadas à sua incorporação em SFO.

The phenomena that most affect reinforced concrete structures are corrosion of reinforcing steel and carbonation of concrete, leading to the need for monitoring the structural integrity of these structures. Therefore, some optical fiber sensors (OFS), based on organic-inorganic hybrid (OIH) materials and synthesized by the sol-gel method, have been reported that allow the monitoring of crucial parameters in corrosion processes. In the present work, different OIH materials were synthesized to functionalize OFS to allow the monitoring of pH and moisture in reinforced concrete structures. Poly(oxy-1,4-butanediyl), alpha-hydro-omega hydroxy, polymer with ammonia and (3-glycidoxypropyl)trimethoxysilane were used as precursors, in a stoichiometric ratio of 1:2. In the case of materials targeted for pH monitoring, it was used phenolphthalein and hexadecyltrimethylammonium bromide. For moisture monitoring, the different matrices were doped with cellulose acetate, 2-hydroxyethyl cellulose, activated carbon, carbon nanotubes and SYLOSIV® A4. The hybrid materials were successfully synthesized, and the adopted strategy proved to be effective for pH and humidity sensors development. Doping of the materials seems not to cause changes in the chemical structure of the matrix. The surface of the OIH matrices is generally uniform. However, the A170@CTAB@phphph, A170@CA and A170@CNT materials show a more prominent non-uniform surface. The transmittance of the OIHs decreased after doping and the matrix was observed to exhibit intrinsic fluorescence. Doping the materials did not significantly change the dielectric properties of the OIH materials, highlighting A170@CNT with low resistance. No major changes were observed in the thermal profile of the doped OIH. The A170@CTAB@phph OIHs show potential to be used as a colorimetric pH sensor. Moisture studies indicated that the matrix itself responds to moisture variation. No significant changes in the strength values of the materials were visible after the stability studies. Characterization of the synthesized OIH materials showed that they exhibit morphological, chemical, thermal and electrical characteristics suitable for their incorporation into OFS.