Microwave material characterization of alkali-silica reaction (ASR) gel in cementitious materials

Since alkali-silica reaction (ASR) was recognized as a durability challenge in cement-based materials over 70 years ago, numerous methods have been utilized to prevent, detect, and mitigate this issue. However, quantifying the amount of produced ASR byproducts (i.e., ASR gel) in-service is still of great interest in the infrastructure industry. The overarching objective of this dissertation is to bring a new understanding to the fundamentals of ASR formation from a microwave dielectric property characterization point-of-view, and more importantly, to investigate the potential for devising a microwave nondestructive testing approach for ASR gel detection and evaluation. To this end, a comprehensive dielectric mixing model was developed with the potential for predicting the effective dielectric constant of mortar samples with and without the presence of ASR gel. To provide pertinent inputs to the model, critical factors on the influence of ASR gel formation on dielectric and reflection properties of several mortar samples were investigated at R, S, and X-band. Effects of humidity, alkali content, and long-term curing conditions on ASR-prone mortars were also investigated. Additionally, dielectric properties of chemically different synthetic ASR gel were also determined. All of these, collectively, served as critical inputs to the mixing model. The resulting developed dielectric mixing model has the potential to be further utilized to quantify the amount of produced ASR gel in cement-based materials. This methodology, once becomes more mature, will bring new insight to the ASR reaction, allowing for advancements in design, detection and mitigation of ASR, and eventually has the potential to become a method-of-choice for in-situ infrastructure health-monitoring of existing structures --Abstract, page v

Permittivity-Based Water Content Calibration Measurement in Wood-Based Cultural Heritage: A Preliminary Study

In this work, the dielectric permittivity of four kinds of wood (Fir, Poplar, Oak, and Beech Tree), used in Italian Artworks and structures, was characterized at different humidity levels. Measurements were carried out using three different probes connected to a bench vector network analyzer: a standard WR90 X-band waveguide, a WR430 waveguide, and an open-ended coaxial probe. In particular, we investigated the dispersion model for the four wood species, showing how a log-fit model of the open-ended data presents a determination coefficient R2 > 0.990 in the 1–12 GHz frequency range. This result has proven helpful to fill the frequency gap between the measurements obtained at different water contents with the two waveguide probes showing an R2 > 0.93. Furthermore, correlating the log-fit vertical shift with the water content, it was possible to find a calibration curve with a linear characteristic. These experimental results will be helpful for on-site non-invasive water monitoring of wooden artworks or structures. Moreover, the final results show how the open-ended coaxial probe, with a measurement deviation lower than 7% from the waveguide measurements, may be used directly as a non-invasive sensor for on-site measurements

Debye frequency-extended waveguide permittivity extraction for high complex permittivity materials. Concrete setting process characterization

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Evaluating the Influence of Breakdown Fouling and Moisture Content on Mechanical and Electromagnetic Properties of Ballasted Railroad Track

A complete study was performed to develop correlations between electromagnetic and mechanical properties of ballast. These correlations can be used to predict the deformation properties of ballast and also its dynamic behavior under heavy axle load in different fouling and moisture conditions by GPR survey. By developing this technique and performing similar tests on different types of ballast and fouling materials, a criterion can be developed to detect the railroad high risk areas and predict the engineering properties of ballast by GPR surveys. This study was performed on granite ballast and breakdown fouling and has three phases: performing GPR survey on full-scale laboratory models with different amount of fouling and water content; performing box test with equivalent dynamic Heavy Axle Load (HAL) up to 2,500,000 cycles on the reconstituted samples of first phase; performing CIDC triaxial tests on the reconstituted samples of first phase. In these phases the effect of water content and fouling percentage on the electromagnetic, dynamic and static properties of ballast was investigated and discussed quantitatively and qualitatively. In addition, existing correlations between electromagnetic and deformation properties of fouled ballast were studied in both time domain and frequency domain analyses from first and third phases. The results show that there are correlations between electromagnetic and mechanical properties of ballast. Plots for predicting the maximum shear strength and elastic modulus of ballast by measured electromagnetic parameters have been presented

Sistemi a microonde dedicati ad applicazioni del ground penetrating radar e alla spettroscopia dielettrica

Introduzione sul GPR: L’interesse della presente tesi di dottorato si evidenzia su due argomenti, il primo riguarda lo studio e la caratterizzazione di uno specifico radar, il GPR (Ground Penetrating Radar) dispositivo di indagine non invasiva impiegato primariamente per lo studio dell’adiacente sottosuolo o anche di strutture visivamente non accessibili. Il termine radar deriva dalla denominazione inglese “radio detection and ranging” impiegata universalmente per indicare apparecchiature le quali effettuano, a mezzo di onde elettromagnetiche, rilevamenti della posizione o del movimento di oggetti. Il principio di funzionamento è basato sull'analisi delle riflessioni delle onde elettromagnetiche trasmesse nel terreno o nella struttura da esaminare. Il GPR usa lo stesso principio dei radar convenzionali, ma con alcune differenze significative. In un radar convenzionale l’onda elettromagnetica irradiata si propaga in aria per molti chilometri, nel GPR si propaga nel suolo o in altri materiali solidi raggiungendo distanze di pochi metri o anche decine di metri. La risoluzione dei radar convenzionali è dell’ordine delle decine o centinaia di metri, il GPR ha risoluzioni dell’ordine delle decine di centimetri e con alcuni tipi di antenne si possono avere risoluzioni dell’ordine dei centimetri. L’osservazione è realizzata con varie tecniche elettromagnetiche, fornisce con elevata efficienza ed esattezza e in modo quasi continuo indicazioni sulla composizione della struttura indagata. Nello specifico è possibile discriminare interfacce di elementi dotati di differente costante dielettrica. Con il termine Ground Penetrating Radar si intende, nella più generica delle accezioni, anche la tecnica con cui si conduce l’indagine. Il successo di questa tecnica di indagine scaturisce dalla compattezza e dalla manovrabilità del sistema, dall’economia dei costi e dai tempi di esecuzione e soprattutto dalla sua caratteristica non distruttiva e da una semplice interpretabilità dei risultati. L’utilizzo di questa tecnologia consente infatti di rilevare e localizzare nel mezzo investigato la presenza di oggetti, quali manufatti archeologici, danneggiamenti di generiche strutture viarie, strade ponti, gallerie, servizi interrati, condotte idriche, fognarie e del gas, cavità, svolgere attività di sminamento, misure di spessori, o evidenziare discontinuità correnti, in maniera molto facile ed economica. Cenni storici: Le prime applicazioni delle tecniche GPR risalgono agli anni 30, con applicazioni nella ricerca archeologica. In particolare il primo esperimento condotto con questa tecnologia, fu quello per la determinazione della profondità di un ghiacciaio (1951). Nell’immediato dopo guerra si è verificato un rapido ed intenso sviluppo di questa tecnica, soprattutto con l’impiego delle tecnologie di derivazione militare, quali i metal detector ed il radar. Per l’epoca le strumentazioni utilizzate erano complesse, ingombranti e richiedevano lunghi tempi per l’acquisizione dei dati. Negli ultimi anni, i notevoli progressi tecnologici dell’elettronica di base e dell’informatica hanno rivoluzionato la tecnologia dedicata a queste apparecchiature, fornendo prodotti di contenute dimensioni, portatili e di facile impiego. Le antenne sono di ridotte dimensioni, lavorano a frequenze che vanno in funzione dell’applicazione da 20 MHz ad alcuni GHz, consentono di ottenere risoluzioni maggiori per gli oggetti rilevati, i sistemi GPS abbinati allo strumento forniscono mappature automatiche e dettagliate per le scansioni su vaste aree. I software utilizzati per il post processing garantiscono immagini delle scansioni effettuate di notevole qualità. Attività sul GPR in Italia: In ambito del progetto COST Action TU1208 "Civil engineering applications of Ground Penetrating Radar”, è stato fatto un censimento sulle attività che coinvolgono l’uso GPR in Europa, in questo capitolo della tesi si mettono in evidenza le attività svolte in Italia, quali progetti di ricerca, siti di test, aziende produttrici, Università coinvolte etc. In particolare nel nostro paese già partire dagli anni 80 i progetti di ricerca e le varie iniziative, finanziate da enti istituzionali, Ministero dell’Università e della Ricerca, consorzi pubblici quali, Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni (CNIT), aziende Selex‐ES e Telespazio S.p.A., hanno sviluppato molteplici tecnologie di radar “stepped frequency” e “ultra‐wide band” (UWB), usati sia in ambito civile, archeologico o militare. Una importante azienda Italiana, fondata negli anni 80 è la IDS S.p.A. che da oltre 30 anni è la principale fornitrice di innovative tecnologie e soluzioni ingegneristiche per le diverse applicazioni cioè: navale, aeronautico, georadar e militare. Dal 1999 l'IDS ha iniziato la commercializzazione a livello mondiale di sistemi GPR basati su sistemi array multi‐frequenza e multi‐canale e tutt’oggi è una delle aziende leader in questo settore, una società multi‐nazionale con una rete di agenzie e uffici in posizione strategica non solo in Italia, ma anche nei paesi europei e in tutto il mondo. Alcuni siti test dislocati sul territorio Italiano sono: In Frosinone, dedicato prevalentemente allo sviluppo e uso della tecnologia GPR in applicazioni archeologiche, il secondo è localizzato in Pescate provincia di Lecco, principalmente impiegato per studiare antiche strutture sepolte. Il sito di Ispra in provincia di Varese, è prevalentemente usato per scopi militari e dedicato soprattutto al rilevamento di mine antiuomo. Un altro sito di test molto importante per la ricerca di base, si trova in provincia di Lecce. Le facoltà scientifiche di molte Università Italiane, sono ampiamente coinvolte nello studio e nella promozione del GPR. Interessanti corsi universitari sono organizzati dall'Università di Roma Tre, Università di Genova, la Seconda Università di Napoli, Politecnico di Milano, Università Mediterranea di Reggio Calabria, Università di Pisa, Università di Siena, Università della Basilicata, Università degli Studi di Bari e dall’Università degli Studi di Messina. Il sistema analizzato: Il dispositivo analizzato in camera anecoica, è l’insieme del sistema radar GPR: GSSI (Geophysical Survey Systems, Inc.) SIR2000, abbinato all’antenna radar: Radar Team SUB‐ECHO HBD 300. Segnale irradiato dal sistema: Il GPR lavora con l'emissione di brevi impulsi elettromagnetici, ripetuti con continuità ed emessi da un'antenna in prossimità della superficie da indagare. L'impulso elettromagnetico si propaga in profondità del terreno, quando incontra una discontinuità dielettrica tra due mezzi, una parte dell'energia incidente viene riflessa ed una parte prosegue nel secondo mezzo. Le onde riflesse dalla discontinuità ritornano in superficie e vengono captate dall'antenna ricevente ed analizzate dal sistema, la parte di impulso trasmesso procede oltre la discontinuità stessa e può subire altre riflessioni su eventuali discontinuità più profonde. La caratteristica generale di un GPR è quella di un radar che trasmette segnali con una caratteristica banda UWB (Ultra Wide Band) in un range di frequenze che va da 10 MHz a circa 5 GHz. La durata del segnale trasmesso è dell'ordine dell'inverso della banda, che a sua volta è dell'ordine della frequenza centrale dell’antenna in uso. Se siamo a centro banda 20 MHz la durata è quindi dell'ordine di 50 ns, se siamo a 200 MHz la durata dell'impulso è dell'ordine di 5 ns e se siamo a 2 GHz la durata è dell'ordine di 0.5 ns. In questo caso il segnale trasmesso è un tipico segnale impulsato con una durata temporale dell’ordine di circa 2.70 ns, ed è emesso dal sistema con una determinata frequenza di ripetizione (Pulse Repetion Frequency) PRF. Individuare queste caratteristiche di emissione in fase di misura richiede molta accortezza, in quanto bisogna discriminare fra tutti gli altri segnali ambientali e i disturbi casuali. Il GPR è di dimensioni contenute e può essere fisicamente traslato gradualmente lungo un prefissato tracciato rettilineo in superficie e ottenere così una rappresentazione bidimensionale o “radargramma”, un grafico che rappresenta lo spostamento lungo una direzione in funzione dei tempi di ricezione del segnale riflesso. L’energia media irradiata è molto bassa, confinata nel sottosuolo, raggiunge svariati metri di profondità, in funzione della frequenza usata, il tipo di terreno etc. e in parte è assorbita istantaneamente. Tutte queste caratteristiche sono esclusive di un dispositivo GPR, in confronto ad altri dispositivi di esplorazione quali il metal detector o un generico sensore di movimento, che lavorano a piccole profondità e limitate gamme di frequenza. Inoltre l’antenna lavora a stretto contatto con il terreno ispezionato e le proprietà elettriche del terreno stesso hanno una forte influenza sulla impedenza di ingresso dell'antenna del dispositivo e delle sue caratteristiche di radiazione. Con le suddette considerazioni, il segnale di trasmissione deve avere una durata molto breve nel tempo e l'antenna deve essere in grado di trasmettere il segnale con la minima distorsione per evitare di degradare gli echi di ritorno e falsare l’acquisizione. Queste specifiche richiedono quindi una antenna a larga banda, direttiva e con una basso “ringing” d’antenna. Il tempo di acquisizione per ogni punto di osservazione viene settato dall'operatore. Nella maggior parte dei casi è sufficiente un fondo scala minore di 100 ns, ma le eccezioni sono diverse. In generale il tempo di acquisizione totale per un sistema GPR è inferiore a 100 ns. Nello specifico, il primo degli argomenti trattati è rivolto allo studio dell’esposizione elettromagnetica che interessa l’operatore durante l’utilizzo del dispositivo GPR, in particolare sono state considerate le due componenti che intervengono nel processo di esposizione, la radiazione che scaturisce dal back lobe dell’antenna in fase di trasmissione e la radiazione identificata sotto forma di segnale riflesso dal terreno illuminato sottoposto ad indagine. Lo studio è stato realizzato in due differenti scenari operativi, in un ambiente non anecoico e non schermato e quindi riproducente una tipica situazione di lavoro in campo libero, sia in un ambiente alquanto controllato, cioè anecoico e schermato. In particolare per quest’ultimo scenario è stata scelta la camera semianecoica “VECUVIA” presso l’ente ENEA, Centro Ricerche Casaccia in Roma. In seguito lo studio è stato completato, sempre nella suddetta camera semianecoica, con l’analisi delle caratteristiche operative del sistema radar GPR: GSSI (Geophysical Survey Systems, Inc.) SIR2000 e della sua antenna radar. Si è accertato sperimentalmente il valore del campo elettrico emesso ad una individuata distanza, la forma dell’impulso emesso, il pattern d’antenna sia sul piano verticale che orizzontale. E sono stati effettuati una serie di test per verificare come apparati di telefonia mobile o altre analoghe fonti possibili di interferenze possono contaminare i dati raccolti dal GPR. Modellizzazione di una griglia metallica per applicazioni GPR: Questa parte del lavoro è dedicata alla simulazione di scenari bidimensionali e alle tematiche di scattering elettromagnetico, tipiche condizioni in cui si trova ad operare il GPR. I risultati di questa attività sono stati conseguiti con l’uso un noto software freeware che utilizza i metodi di calcolo alle differenze finite (FDTD), GprMax. In particolare si focalizza l’attenzione su un oggetto, un modello di griglia metallica formata da cilindrici metallici lunghi e sottili, sepolti nel terreno o incorporati in una struttura, questa è la tipica attività di controllo della qualità del cemento armato o applicazioni simili. La migliore modellizzazione di una griglia metallica si ottiene considerando un elevato numero di fili metallici, ma è anche importante valutare il raggio del filo metallico e la spaziatura stessa della griglia. A tal proposito si fa riferimento alla cosiddetta regola (Equal Area Rule) EAR, regola dedotta dall'osservazione empirica e descrive come la superficie totale dei fili deve essere uguale alla superficie dell’oggetto da modellare. Alcuni autori hanno studiato l’affidabilità della regola EAR comparando la radiazione di campo magnetico trasverso, generata da un cilindro nel vuoto con una corrente sulla sua superficie o illuminato da un'onda piana monocromatica trasversa magnetica e confrontato con un modello a griglia metallica. Deducendo così che il modello a griglia è compatibile con la regola EAR. Inoltre i fili troppo spessi si comportano male come quelli troppo sottili. Tutti i mezzi coinvolti sono assunti lineari ed isotropi, dispersivi, gli oggetti metallici si presume siano perfettamente conduttivi. In questa simulazione non sono state incluse le strutture fisiche sia del ricevitore che del trasmettitore, la sorgente è rappresentata da una linea di corrente ed è stato calcolato il campo elettrico incidente sul ricevitore. La propagazione degli errori numerici è contenuta, decretando il passo di discretizzazione spaziale di un fattore 10 volte più piccolo della lunghezza d’onda minima del campo elettromagnetico. La frequenza massima da considerare nella simulazione, è tre volte la frequenza centrale dell’impulso. Per evitare l’effetto di frammentazione a scala del bordo degli oggetti continui, le forme circolari sono approssimate con un numero di almeno 20 celle per il loro raggio. E’ necessario limitare lo spazio computazionale, inserendo delle forme Perfectly Matched Layer (PML) per i bordi in modalità di Absorbing Boundary Conditions (ABS), usando 10 strati e ponendo sorgenti e target almeno 15 cellule distanziate dallo strato più interno. Parte II: Il secondo argomento della tesi è dedicato all’analisi sperimentale della permettività dielettrica complessa di un generico materiale coeso. Lo studio è stato condotto per mezzo di una tecnica riflettometrica in guida d’onda a sezione rettangolare e un (Vector Network Analyzer) VNA. La frequenza di lavoro scelta è quella (Industrial, Scientific and Medical) ISM Band, cioè 2.45 GHz. L’indagine sperimentale è stata svolta presso il Laboratorio di Microonde del Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell'Università degli Studi di Roma La Sapienza. Le tecniche di spettroscopia dielettrica operanti nella banda delle microonde sono sempre più di largo impiego per la misura della permettività complessa di un campione di materiale. La conoscenza di questo importante parametro infatti può fornire informazioni sulla sua qualità e definire l'interazione del materiale e l'effetto di riscaldamento corrispondente. Una applicazione del riscaldamento a microonde, soprattutto alla ISM Band è dedicato alla manutenzione del manto stradale, infatti, riscaldando l'asfalto attraverso l'uso di microonde, è possibile effettuare riparazioni in loco di fori o fessure presenti sulla superficie stradale. Inoltre l’uso delle microonde potrebbe anche essere impiegato durante la fase di produzione, in sostituzione ai forni convenzionali usati per l'essiccazione e il riscaldamento dei leganti minerali dell’asfalto e nel riciclo della pavimentazione con l’asfalto rigenerato e bitume. Lo studio della permettività complessa del conglomerato bituminoso, posso far capire come realizzare un sistema dedicato al riscaldamento e all’analisi del sistema. Il sistema è stato sviluppato con l’uso di una guida d’onda, in particolare la WR430 con una banda di frequenze che va da 1,7 GHz a 2.6 GHz e quindi compatibile con la ISM Band. Nella guida sono stati inseriti e misurati i materiali tipici che compongono l’asfalto. Il campione viene collocato all'interno della guida d'onda e un'onda elettromagnetica viene lanciata alla porta della guida d'onda. Misurando i parametri di scattering alle porte della guida d’onda, è possibile derminare la permittività complessa del campione in misura, attraverso un algoritmo di misurazione appropriato. Per questo tipo di misura è stato impiegando il modello sviluppato dalla (National Institute of Standards and Technology) NIST, è risultato essere il più preciso per materiali non magnetici come quelli trattati in questa misura. Il sistema WR430 è stato caratterizzato facendo il confronto con misurazioni di riferimento di solidi a bassa permittività dal comportamento abbastanza piatto su tutta la banda di frequenza delle microonde. Misurazioni effettuate con sistema di guida d’onda WR90, che utilizza componenti commerciali dalla permittività nota. Il sistema è stato caratterizzato usando i seguenti materiali: PVC a bassa densità, teflon, plexiglas e policarbonato. La scelta è ricaduta su questi materiali per la facilità di preparazione del campione da inserire nella guida d’onda e la bassa permettività che rappresenta al meglio i composti granulari. Si è giunti che il confronto con i risultati ottenuti con il sistema WR430 e il sistema commerciale WR90 sono in buon accordo, le differenze percentuali tra le permittività misurate attraverso i due sistemi sono inferiori a 1%. Il passo successivo è stato quello di misurare la permettività di materiali granulari utilizzati tipicamente per asfalto autostradale, con diverse miscelazioni e inumiditi a diverso contenuto d’acqua. Le misurazioni sono state effettuate su due materiali che sono tipicamente utilizzati nel settore dell'asfalto, roccia calcarea e aggregati basaltici. Entrambi questi materiali sono stati selezionati in modo da ottenere pietre con un diametro compreso tra 2 e 4 mm. I risultati di misura ottenuti, confermano la flessibilità e l’uso pratico del sistema in possibili applicazioni nell'industria per la manutenzione stradale. I costi per produrre i componenti della guida d'onda si aggirano intorno ai € 1000, la rendono una soluzione molto competitiva e conveniente. La tecnica della spettroscopia dielettrica può essere applicata ai materiali granulari in genere, in particolare al settore agroalimentare con la misura di granaglie, farine alimentari etc

A Dielectric Loaded Resonator for the Measurement of the Complex Permittivity of Dielectric Substrates

A new configuration of dielectric-loaded resonator (DR), particularly versatile for the complex permittivity measurement of substrates for microwave circuits, even in the presence of back metal plates, is shown here. To test this technique in a wide interval of the values of the complex permittivity, the versatility of 3-D printing is exploited to print samples with different densities, thus artificially changing the effective permittivity in the interval (1.7-3.1) for the real part and (0.02-0.06) for the imaginary part. The designed resonator, tuned at -12 GHz, is experimentally validated by the comparison of measurements obtained on these samples with a split ring resonator (SRR) and standard transmission/reflection waveguide methods. Then, the versatility of the designed resonator is shown in the characterization of FR4-fiberglass and Kapton polyimide samples

An Upgraded Transverse Electromagnetic Parallel Plates for Dielectric Measurement

A new version of transverse electromagnetic parallel plates with irregular plates’ width and plate separation has been developed for dielectric measurement. The separations between the plates are supported by four rectangular Teflon block and 1 mm of groove is proposed at the center of the upper plate to maintain the measurement repeatability. The groove enables the samples which are slightly higher than 2 cm to be fitted well between the plates without introducing extra force to the plates. Theperformance of both parallel plates has been compared in the frequency range from 100 MHz to 1.1 GHz. It is found that the upgraded parallel plate offers better return loss and insertion loss above 500 MHz compared to the previous parallel plate. It is reported from this work that the return loss of the parallel plate must be lower than -15 dB in order to achieve accurate dielectric constant. However, the insertion loss of the parallel plates does not influence the real permeability significantly. The upgraded TEM parallel plateproduces a consistent reading with a standard deviation of less than 0.05 above frequency 200 MHz. The dielectric measurement of Polypropylene (PP) has proven the capability of this upgraded TEM parallelplate

High Frequency Characterization of Carbon Nanotube Networks for Device Applications

This work includes the microwave characterization of carbon nanotubes (CNTs) to design new CNTs-based high frequency components. A novel developed method to extract the electrical properties over a broad microwave frequency band from 10 MHz to 50 GHz of carbon nanotubes (CNTs) in a powder form is performed. The measured scattering parameters (S-parameters) with a performance network analyzer are compared to the simulated one obtained from an in-house computed mode matching technique (MMT). An optimized first order gradient method iteratively changes the unknown complex permittivity parameters to map the simulated S-parameters with the measured one until convergence criteria are satisfied. The mode matching technique accurately describes waveguide discontinuities as both propagating and evanescent modes are considered allowing an error less than 5% on the extracted permittivity over a broad frequency range. The very large values obtained at low frequencies of carbon nanotubes permittivity are explained theoretically and experimentally based on the percolation theory. The powder composed of semiconducting and conducting CNTs illuminated by an electromagnetic field is seen as series of nano-resistance-capacitance which significantly increase the real and imaginary parts of the complex effective permittivity until the percolation threshold is reached. Based on experimental results different CNTs-based composites material are engineered to design novel microwave components for possible electromagnetic compatibility (EMC) applications. As the extraordinary properties of the carbon nanotubes exist along their axis, the second part of this work is oriented on the alignment and the deposition of carbon nanotubes using a dielectrophoresis (DEP) technique. Micro/nano-electrodes are fabricated using a lift-off process consisting of photo-lithography and electron-beam lithography techniques where the carbon nanotubes suspended in an aqueous solution are attracted in the gap between the electrodes by applying an AC bias voltage. After burning the conducting carbon nanotubes an observed photocurrent with aligned semiconducting CNTs is used to develop high frequency photo-device prototypes

Assessment of air void content of asphalt using dielectric constant measurements by GPR and with VNA

For several years, Ground Penetrating Radar (GPR) has been used in Finland to evaluate the air void content of asphalt pavements. Air void content is an important quality measure of pavement condition for both old and new asphalt pavements. The objective is to investigate if the existing GPR technique and application employed in Finland is sufficiently accurate to be used as a quality control tool in assessing the compaction of newly laid asphalt pavements. The work comprised field and laboratory experiments and a review of the existing PANK calibration method for the GPR measurements. Field experiments were conducted in the summer of 2013 on highways Vt3 and Vt12, near the City of Tampere. The test roads were paved with SMA16 using an approx. 40 mm thick layer of new asphalt. Roads were measured with GPR several times during the fall of 2013. A total of 36 cores and 2 slabs were obtained from the roads and tested in the laboratory with a Vector Network Analyzer. Measurements were done with a 7 to 17 GHz transmission configuration to measure the reference dielectric constant of the asphalt mixture. A major finding is that the PANK calibration method for the GPR inadvertently reduces observed density variations and may introduce a systematic bias. This makes pavements appear to be more homogenous and dense than they actually are according to conventional measurements.Maatutkaa (Ground Penetrating Radar, GPR) on käytetty Suomessa pitkään asfalttipäällysteiden tyhjätilan määrittämiseen. Tyhjätila on tärkeä kriteeri sekä uusien että vanhojen asfalttipäällysteiden laadun selvittämisessä. Tavoitteena on tutkia, onko Suomessa tällä hetkellä käytössä oleva GPR-tekniikka ja sen soveltaminen tarpeeksi tarkkaa uusien asfalttipäällysteiden tiiveyden mittaamiseen. Työ koostui kenttä- ja laboratoriotutkimuksista sekä GPR-mittausten kalibrointiin käytetyn PANK-kalibraatiomallin arvioinnista. Kenttäkokeet suoritettiin kesällä 2013 Tampereen lähellä valtateillä 3 ja 12. Teiden päällyste oli tyyppiä SMA16, ja uuden asfalttikerroksen paksuus oli 40 mm. Tiet mitattiin 1 GHz maatutkalla useita kertoja syksyn 2013 aikana. Teiltä otettiin 36 poranäytettä ja 2 laattanäytettä, jotka testattiin laboratoriossa vektoripiirianalysaattorilla. Asfalttiseoksen dielektrisyysvakio mitattiin 7-17 GHz läpimittauskonfiguraatiolla vertailuarvojen saamiseksi. Tärkein havainto oli se, että PANK-kalibraatiomallin käyttö maatutkamittauksissa vähentää havaittuja tiheyden vaihteluita ja saattaa lisätä systemaattisen virheen mittauksiin. Tämä saa päällysteet näyttämään tasalaatuisemmilta ja tiiviimmiltä kuin mitä ne oikeasti ovat

Microwave detection of surface breaking cracks in metallic structures under heavy corrosion and paint

We live in the world of aging infrastructures . In this environment, critical and heavily utilized infrastructure, i.e. ships, planes, bridges, etc., are operating at or beyond their designed age. Replacement is no longer an option and retirement for cause is the current approach to maintenance and replacement. Consequently, there is an ever-increasing demand for efficient and robust nondestructive evaluation (NDE) methods that can determine the physical health of these structures. Large structures, which are primarily made of metals, either steel or aluminum, are susceptible to high-stress cracking and corrosion. Stress-induced cracks in heavily corroded steel, used in bridges, railroads, storage tanks, etc., are extremely difficult to detect. Current methods have limitations that render inspection to take longer either than it should or risk not detecting an existing crack. Microwave signals readily penetrate through dielectric materials such as paint and corrosion byproducts (i.e., rust), while conducting materials (i.e., metals) strongly reflect microwave signals. Therefore, interrogating a metal surface for surface-breaking cracks is readily possible even in the presence of a relatively thick layer of corrosion or paint. Normally, surface-breaking cracks are very small and the perturbations they cause to an irradiating microwave signal are small in amplitude unless the detection is performed very close to the surface. In this thesis, the implementation of a microwave imaging system that utilizes a synthetic aperture radar (SAR) approach to detect surface-breaking cracks in metallic structures under heavy corrosion and corrosion preventive paints is investigated. The resulting SAR images were analyzed and compared to numerical simulations to identify real-world capabilities and theoretical limitations --Abstract, page iii