لوکاس بیرچر در بیسیم خود می گوید: «لطفاً کابل را به عقب بکشید.» کابل کاوشگر او در نردبان فلزی در چاه دسترسی به عمق چهار متر گیر کرده است. بیرچر منتظر است. بیسیم او ترق صدا می دهد همکار او ساموئل بالات که در فاصله 30 متری و در چاه دسترسی بعدی دیوار حائل خم شده و انتهای دیگر کابل را نگه داشته، صدای او را شنیده است. کابل تکان می خورد و بیرچر می تواند آن را رها کند. همه چیز برای اندازه گیری آماده است.

خطر: زمانی که فولاد موجود در بتن خورده شود

در این صبح سرد ماه نوامبر، بیرچر و تیمش در حال اندازه گیری این هستند که آیا دیوار حائل 200 متری موجود در خیابان ویدباد در زوریخ-هونگ هنوز پابرجاست یا خیر. به طور خاص، آنها در حال بررسی احتمال خوردگی در فولاد تقویت‌کننده تعبیه‌شده در دیوار هستند که برای پایدارتر ساختن سازه طراحی شده است.

دیوار حائل در کافربرگ زوریخ، چندین تن خاک را در خود نگه می دارد. در بالای این دیوار تقسیم بندی ها برای اندازه گیری خوردگی فولاد قرار دارد، در حالی که جاده ای همراه با ایستگاه اتوبوس در زیر این دیوار قرار دارد. برای اطمینان از اینکه دیوار بتواند فشار خاک را تحمل کند، فولاد تقویت کننده باید محکم به فونداسیون متصل باشد. اگر خوردگی به فولاد تقویت کننده آسیب برساند، در بدترین سناریو ممکن است دیوار فرو بریزد. برای به حداقل رساندن چنین خطراتی، لوکاس بیرچر ، مهندس مکانیک و همکارانش در گروه تحقیقاتی به همراه اولی آنگست، پروفسور دوام مهندسی مواد دانشگاه فنی فدرال زوریخ، ، روشی نوآورانه را توسعه داده‌اند. روشی که آن ها را قادر می سازد تا بدون نیاز به تراشیدن یا تخریب جزئی دیواره بتونی با زحمت زیاد، محل خوردگی دقیق فولاد تقویت کننده را مشخص کنند.

بیرچر توضیح می دهد: «این کار پیش از این امکان پذیر نبوده است. در گذشته برای بررسی اینکه آیا فولاد تقویت‌کننده در سطح پشتی دیوارهای حائل نشانه‌هایی از خوردگی نشان می‌دهد یا خیر، راهی برای حذف کل لایه بتن بالای آن وجود نداشت. بیرچر در ادامه می‌گوید: «اما در این روش بازهم ممکن است دو متر جلوتر، فولاد تقویت‌کننده بیشتر خورده شده باشد.» روش جدیدی که او و همکارانش ابداع کرده‌اند متفاوت است و می‌توان از آن برای تعیین احتمال خوردگی در تمام طول دیوار حائل استفاده کرد، بدون اینکه حتی یک تکه از آن دیوار تخریب شود. به این دلیل که اندازه گیری ها از طریق لوله های فاضلابی انجام می شوند که مستقیما در کنار بخش بحرانی دیوار قرار دارند. 

با گذشت 50 سال از دوره رونق ساخت و ساز، خطر زنگ زدگی وجود دارد

مهندس بیرچر خاطرنشان می کند: «بیشتر زیرساخت ها در سوئیس و اروپای مرکزی بین سال های 1960 و 1980 ساخته شده است. دیوارهای حائل، تونل ها، پل ها، همگی این سازه های بتن مسلح می توانند در طول زمان دچار خوردگی شوند. تغییرات شیمیایی در بتن رخ می دهد و فولاد تقویت کننده آن شروع به خوردگی می کند. به طور خاص، در دیوارهای حائل که مربوط به دهه 1970 هستند اگر سنگدانه ها به اندازه کافی توسط ملات احاطه نشده باشند، ممکن است این دیوارها حاوی حفره هایی باشند که که ممکن است خوردگی فولاد تعبیه شده را افزایش دهد.

امروزه و با گذشت حدود 50 سال از دوره رونق ساخت و ساز، این خطر خوردگی در حال تبدیل شدن به یک بحران است. با این حال، شناسایی این خطر چالش برانگیز است زیرا آسیب به طور نابرابر در یک دیوار توزیع شده است. علاوه بر این، خوردگی در اعماق زمین نزدیک به پی ها و در پشت دیوار قرار دارد. بنابراین زمان آن فرا رسیده است که روشی برای بازرسی سیستماتیک، کارآمد و مقرون به صرفه سازه ها از نظر خوردگی، حتی در زیر سطح، ایجاد شود.

یک سیستم هشدار سریع مهم

روش جدید بیرچر بر اساس چیزی است که به عنوان اندازه‌گیری‌های الکتروشیمیایی شناخته می‌شود. کاوشگری که تیم او برای بازرسی دیوارهای حائل ایجاد کرده اند از دو عنصر آب بندی قابل باد کردن در طرفین و الکترودهایی در وسط تشکیل شده است. این کاوشگر از طریق یک کابل سفارشی سازی شده به دستگاه های اندازه گیری متصل می شود که نه تنها دارای اتصالات الکتریکی، بلکه لوله هایی برای هوا و آب تحت فشار دارد.

بیرچر و همکارانش برای اندازه گیری، کاوشگر را از طریق کابل به درون لوله فاضلاب می برند و عناصر آب بندی را به گونه ای باد می کنند که به خوبی روی دیواره های لوله قرار بگیرند. سپس آب را به ناحیه آب بندی شده پمپ می کنند. آب از سوراخ های لوله فاضلاب خارج می شود و الکترودهای موجود در کاوشگر را به زمین متصل می کند. رطوبت موجود در خاک و بتن باعث ایجاد یک اتصال الکترولیتی با فولاد موجود در دیوار حائل می شود. و این یک سلول اندازه گیری الکتروشیمیایی موضعی را تشکیل می دهد.  بیرچر توضیح می دهد: "ما از سلول اندازه گیری برای ثبت سیگنال های الکتریکی استفاده می کنیم که بسته به خوردگی یا عدم خوردگی فولاد تقویت کننده متفاوت است. واکنش های الکتروشیمیایی که روی فولاد در بتن انجام می شود سیگنال های الکتریکی قابل تشخیصی را تولید می کند."

بیرچر در حالی که داخل یک ون در خیابان ویدباددر منطقه هونگ نشسته، اولین اندازه گیری را در لپ تاپ خود آغاز می کند. نقاط قرمز روی صفحه ظاهر می شوند و یک منحنی را تشکیل می دهند: اینها نقاط احتمالی اندازه گیری شده ای هستند که بعداً در دفتر ارزیابی خواهند شد. با فشار یک دکمه توسط بیرچر، عناصر آب بندی شده دوباره هوا می گیرند. بیرچر به همکار خود بالات که هنوز در چاه دسترسی است و کابل را حرکت می‌دهد، می‌گوید: «لطفاً 25 سانتی‌متر به جلو حرکت کنید». او پاسخ می دهد: "بسیار خوب: موقعیت 31.50 است." بیرچر دوباره عناصر آب بندی را باد می کند و اندازه گیری بعدی را شروع می کند.

این تیم هر 25 سانتی متر دیوار را اندازه گیری می کند. این کار اطلاعاتی در مورد وضعیت فولاد تقویت کننده برای کل دیوار ارائه می دهد. این یک سیستم هشدار سریع برای اطلاع از خوردگی است. اگر تیم متوجه خوردگی در بخشی از دیوار حائل شود، می توان ناحیه آسیب دیده را به طور خاص تعمیر کرد. بیرچر توضیح می دهد: "در سوئیس، ما بیش از هزار کیلومتر دیوار داریم که به احتمال زیاد فولاد تقویت کنندۀ آنها فقط تا حدی دچار خوردگی شده است و این دیوارها باید تا چند دهه دیگر دوام بیاورند. بنابراین شناسایی بخش هایی که خطرآفرین هستند مهم است."

تنها چیزی که احتیاج داشتیم، یک ایده درخشان بود

تیم تالپا در حال آزمایش کاوشگر خود در خیابان ویدباد است. بیرچر می گوید که این روش کار می کند و توضیح می دهد که در پروژه های آزمایشی، امتحان شده است. با این حال هنوز بسیاری از کارهای اندازه گیری با دست انجام می شود. ما می خواهیم در آینده اندازه گیری را خودکارتر کنیم و کاوشگر بازرسی را قوی تر کنیم. این تیم در حال حاضر با مشتریان بالقوه خود در تماس است و می داند که این روش مورد تقاضا آنها است.

چیزی که نیاز داشتیم یک فن آوری کاملا جدید نبود. اندازه‌گیری‌های الکتروشیمیایی مدتی است که مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما برای ارزیابی وضعیت دیوارهای حائل عملی نبودند. بیرچر می گوید: «با این حال، ما متوجه شدیم که می توانیم وضعیت خوردگی آرماتورهای فولادی در بتن را در لوله های فاضلاب از طریق خاک مرطوب و رسانا تعیین کنیم. تنها چیزی که مورد نیاز بود یک روش جدید هوشمندانه برای وارد کردن یک سلول اندازه گیری به لوله ها، همراه با روشی برای تفسیر مقادیر اندازه گیری شده بود. بیرچر و همکارانش اکنون به این مهم دست یافته اند. اگر دیوار حائل با استفاده از روش نمونه گیری تصادفی، باز شود و مورد بررسی قرار گیرد، به چندین روز کار و یک کارگاه ساخت نیاز دارد. در مقابل روش تیم تالپا، به کمتر از یک روز زمان نیاز دارد و آنطور که با استفاده از روش نمونه گیری تصادفی سنتی انجام می شد، احتیاجی به تکیه بر نتایج تصادفی نیست.

اعضای گروه تالپا در حال راه اندازی یک استارت آپ هستند

از آنجایی که روش جدید این گروه موفقیت آمیز بوده است، در حال حاضر لوکاس بیرچر به همراه مهندس مواد فدریکو مارتینلی-اورلاندو و مهندس عمران پاتریک پفندلر در حال تأسیس یک استارت آپ به نام"بازرسی تالپا" هستند. "تالپا" نام علمی لکۀ خوردگی و زنگ زدگی است.بیرچر نه تنها از حمایت اولی آنگست، پروفسور دپارتمان مهندسی عمران، محیط زیست و ژئوماتیک برخوردار است، بلکه برای روش ابداعی خود بورسیه پیشتاز دانشگاه فنی فدرال زوریخ   را نیز دریافت کرده است. این امر به او و تیمش کمک می‌کند تا یک محصول قابل فروش را توسعه دهند و شرکت خود را تاسیس کنند .