TY - JOUR A1 - Völker, Tobias A1 - Millar, Steven A1 - Strangfeld, Christoph A1 - Wilsch, Gerd T1 - Identification of type of cement through laser-induced breakdown spectroscopy N2 - The composition of concrete determines its resistance to various degradation mechanisms such as ingress of ions, carbonation or reinforcement corrosion. Knowledge of the composition of the hardened concrete is therefore helpful to assess the remaining service life of an existing structure or evaluate the damage observed during inspections. For example, for most existing concrete structures the type of cement originally used is not known and must therefore be determined afterwards. This paper presents a preliminary study on the application of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) to identify the type of cement. For this purpose, ten different types of cement were investigated. For every type, three cement paste prisms were produced: (i) prisms dried, ground and pressed into tablets, (ii) prisms dried and (iii) prisms untreated. LIBS measurements were performed with a diode-pumped low energy laser (1064 nm, 3 mJ, 1.5 ns, 100 Hz) in combination with two compact spectrometers which cover the UV and NIR spectral range. A reduced subset of spectral features was used to build a classification model based on linear discriminant analysis. The results show that the classification of homogenized pressed cement powder samples provides a high accuracy, however, factors such as a different sample matrix and moisture content can affect the accuracy of the classification. The study demonstrates that LIBS is a promising tool to identify the type of cement. KW - Spectroscopy KW - LIBS KW - Cement KW - Classification KW - Identification PY - 2020 U6 - https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120345 VL - 258 SP - 120345 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-51157 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Millar, Steven A1 - Gottlieb, Cassian A1 - Wilsch, Gerd A1 - Günther, Tobias A1 - Völker, Tobias T1 - Chemische Zustandsanalyse von Stahlbetonbauwerken mit der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) N2 - Die chemische Analyse von Beton gehört bei der Ermittlung des Ist-Zustandes von Stahl- und Spannbetonbauwerken zu den grundlegenden Untersuchungen bei der Zustandserfassung. Der tiefenabhängige Chloridgehalt sowie der Karbonatisierungsfortschritt müssen bei der Bewertung des Ist-Zustandes, beim Instandsetzungsbedarf und ggf. bei der Planung eines erforderlichen Instandsetzungskonzeptes mit einbezogen werden. Seit Mitte der 1990er Jahre wird an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (engl. Laser-induced Breakdown Spectroscopy) – kurz LIBS – stetig für die chemische Analyse von Beton weiterentwickelt. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Forschung/ Technik und der Normungsarbeit präsentiert, sowie zukünftig mögliche Anwendungen vorgestellt. Mit den aktuellen LIBS-Systemen (mobiles LIBS-System sowie kommerziell erhältliche Laborsysteme) ist es möglich den Chloridgehalt ortsaufgelöst in wenigen Minuten zu quantifizieren, sogenannte Elementlandkarten zu erstellen und somit die Elementverteilung innerhalb des Betons zu visualisieren. Durch das Scannen eines Bohrkernquerschnittes und der simultanen Erfassung von mehreren Elementen mit einer Messung, ist es zudem möglich, die Gesteinskörnung in den Messdaten zu identifizieren und den Chloridgehalt auf die Zementsteinmatrix zu beziehen. Fehlerquellen aus der Umrechnung der betonbezogenen Chloridgehalte können dadurch minimiert werden. Neben den Grundlagen von LIBS werden vor allem aktuelle Praxisbeispiele vorgestellt, die die aktuellen Möglichkeiten des Verfahrens veranschaulichen. T2 - 9. Kolloquium Parkbauten CY - Esslingen, Germany DA - 04.02.2020 KW - LIBS KW - Chemische Analyse KW - Spektroskopie KW - Beton PY - 2020 UR - https://elibrary.narr.digital/article/99.125005/kpb202010305 SN - 2510-7763 VL - 9 IS - 1 SP - 305 EP - 319 AN - OPUS4-50615 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Millar, Steven A1 - Gottlieb, Cassian A1 - Sankat, Nina A1 - Wilsch, Gerd A1 - Kruschwitz, Sabine T1 - Chlorine determination in cement-bound materials with Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) – A review and validation N2 - The determination of chloride is still one of the main tasks for the evaluation of reinforced concrete structures. The corrosion of the reinforcement induced by the penetrating chlorides is the dominant damage process affecting the lifetime of concrete structures. In the recent years different research groups demonstrated that LIBS can be a fast and reliable method to quantify chlorine in cement-bound materials. Because chlorine in concrete can only occur as solved ions in the pore solution or bound in salts or hydrated cement phases, the detected emission of chlorine can be correlated with the chloride concentration determined e.g. with potentiometric titration. This work inter alia describes the production of reference samples and possible side effects during the production process. Due to transport processes in the porous matrix of the cement a misinterpretation of the concentrations is possible. It is shown how to overcome these effects and higher precisions of the single measurements can be realised. Using the calibration method, blank sample method and noise method, three different ways of calculating the limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ) are compared. Due to the preparation of the reference samples a precision of the whole calibration model of sx0 = 0.023 wt% is determined. The validation of the model is based on different test sets, which are varying in their composition (different Cl-salts, water-to-cement ratios and additives). The determined mean error of the validation is 0.595 ± 0.063 wt%, which is comparable to standardised methods like potentiometric titration, direct potentiometry or photometry (0.40 ± 0.06 wt%) [1]. KW - LIBS KW - Chlorine KW - Cement KW - Calibration KW - Validation PY - 2018 U6 - https://doi.org/10.1016/j.sab.2018.05.015 SN - 0584-8547 VL - 147 IS - September SP - 1 EP - 8 PB - Elsevier B.V. CY - Amsterdam AN - OPUS4-46558 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gulikers, J. A1 - Millar, Steven A1 - Wilsch, Gerd T1 - Practical application of Laser Induced Breakdown Spectroscopy for determinafion of the chioride content in concrete structures N2 - This paper will address the relevance of chloride measurements in practice for durability condition assessment and a description of the working principle of LIBS will be given. Examples of chloride profiles obtained by the common wet chemical analysis will be shown and compared with results from LIBS measurements as to demonstrate the accuracy of the LIBS-technique. The latter will be supported by clear graphs. In addition examples on the extra information resulting from measurements performed with LIBS for improvement of condition assessment and prediction will be shown. T2 - CONFERENCE IN HONOR OF Centennial of LABORATORY OF CONSTRUCTION MATERIALS CY - Lausanne, Switzerland DA - 19.08.2018 KW - LIBS KW - Concrete KW - Chloride KW - Condition assesment PY - 2018 SP - 80 EP - 83 CY - Lausanne AN - OPUS4-47108 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Millar, Steven A1 - Kruschwitz, Sabine A1 - Wilsch, Gerd T1 - Determination of total chloride content in cement pastes with laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) N2 - The presented work discusses the accuracy of Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) in determining the total chloride content in cement pastes. LIBS as an emission spectroscopy method is used to detect simultaneously several elements present in cement-based materials. By scanning surfaces the variability in the spatial distribution of elements can be visualised. However, for a quantification of the results, studies are necessary to characterise possible influences due to the wide variation of the chemical compositions in which cement can occur. It is shown how the calibration can be done, how the calibration samples were produced, and which statistical parameters are necessary to describe the precision of the regression. The performance of LIBS is estimated by detecting chloride in validation samples. Therefore, 55 samples and 7 ets with changing mix ompositions were produced. The presented study deals with possible influences of different mix compositions, ncluding different cations of chloride, varying w/c-ratios and the artial replacement of Portland cement with last furnace slag (50% BFS) and limestone (30% LS). Comparing the LIBS results with otentiometric titration, n accuracy of±0.05 wt%/total has been determined. KW - Spectroscopy KW - LIBS KW - Chloride KW - Quantification KW - Cement PY - 2019 U6 - https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.12.001 SN - 0008-8846 VL - 117 IS - March SP - 16 EP - 22 PB - Elsevier CY - Amsterdam AN - OPUS4-47059 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Molkenthin, André A1 - Wilsch, Gerd A1 - Millar, Steven T1 - Sofortige Chloridbestimmung am Bauwerk mit LIBS N2 - Alle bislang angewendeten Verfahren zur Chloridbestimmung in Beton- und Stahlbetonbauwerken arbeiten über die Entnahme von Probenmaterial und dessen Analyse unter Laborbedingungen. Diese Methodik erfordert Zeit und generiert erhöhte Aufwendungen. Prüfverfahren, die direkt und zuverlässig solche Untersuchungen am Bauteil oder Bauwerk vornehmen können, standen bislang nicht zur Verfügung. Eine bereits in früheren Kolloquien vorgestellte Methode der Laser-induzierten Breakdown Spektroskopie wurde innerhalb eines aktuellen Forschungsvorhabens so weiter entwickelt, dass mit Hilfe eines neuartigen mobilen und kompakten Analysegerätes die Chloridwerte nun direkt und unmittelbar auf den Betonflächen bestimmt werden können. T2 - 8. Kolloquium Parkbauten CY - Ostfildern/Stuttgart, Germany DA - 23.01.2018 KW - Parkbauten KW - Chlorid KW - Mobiles LIBS PY - 2018 SP - 231 EP - 236 AN - OPUS4-46811 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Wilsch, Gerd A1 - Gottlieb, Cassian A1 - Günther, Tobias A1 - Millar, Steven ED - Forde, Mike T1 - Application of laser induced breakdown spectroscopy N2 - A big part of the infrastructure is made of concrete, which is a multiphase system made of cement, aggregates, water and pores. Concrete is often used in combination with steel as reinforced concrete. Environmental influences, especially the ingress of harmful ions in combination with the ingress of water, trigger different damage processes which reduce the designed lifetime of a structure. The ingress of chlorides from de-icing salt or sea water leads to corrosion of the reinforcement. In addition, the carbonation of the concrete may trigger the corrosion of the reinforcement. The ingress of alkalis from deicing salts may cause the expansion of the amorphous silica aggregates (alkali-silica reaction) through formation of a swelling gel of calcium silicate hydrate if water is present. The ingress of sulphates may cause spalling of the concrete surface due to ettringite formation. For the standard procedure in civil engineering cores are taken, cut in slices, grinded and the obtained homogenized powder is solved in acid and investigated by standard procedures. BAM has developed the LIBS technique for the 2D evaluation of the chemical composition of concrete. The technique is established for automated laboratory use with high numbers of samples to investigate transport processes of harmful species (Cl-, CO2 , SO4 2-and alkalis) in concrete. Information about ingress depth and the quantitative values are important to estimate the remaining lifetime of the infrastructure. LIBS is a surface technique. To get information about the ingress depth, a drill core has to be taken and cut in the middle. The measurements are carried out at the cross section. The main advantages of LIBS are the direct measurement on the surface of the concrete, fast analysis (sample rate 100 Hz) with a spatial resolution of up to 100 µm, the consideration of the heterogeneity of the concrete and the possibility of automated measurements which save a lot of manpower and time. As an example the investigation of ingress profiles for standard diffusion and migration tests in civil engineering takes hours in comparison to just a few minutes using LIBS. At the same time a 2D-evaluation provides information about hot spots of elemental concentration which may not be found by standard methods. The state of the art of LIBS technique for applications in civil engineering will be presented, including typical results of 2D investigation of concrete in laboratory. The performance is also demonstrated by examples for onsite applications using a mobile LIBS system. The road map to standardization is presented as well. T2 - Structural Faults + Repair-2018 CY - Edinburgh, UK DA - 15.05.2018 KW - Sulphate KW - Chloride KW - Concrete KW - LIBS PY - 2018 SN - 0-947644-86-5 U6 - https://doi.org/10.25084/sfr.2018.0030 SP - 1 EP - 7 PB - University of Edinburgh CY - Edinburgh AN - OPUS4-46947 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Weise, Frank A1 - Millar, Steven A1 - Wilsch, Gerd T1 - Analyse des Tausalzeintrags in Fahrbahndeckenbetone mit neuartiger Prüftechnik T1 - Analysis of De-icing Salt in Concrete Pavement with a new type of Test Technology N2 - In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz vermehrt AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken aufgetreten. Ursächlich hierfür ist die Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnung. Dies führt bei gleichzeitiger Anwesenheit von Wasser infolge der Exposition der Fahrbahndecke und des alkalischen Milieus durch den Einsatz alkalireicher Portlandzemente bei der Betonherstellung zu einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR). Zusätzlich wird der AKR-Schädigungsprozess in Betonfahrbahndecken durch den externen Tausalzeintrag (primär NaCl) im Winter begünstigt. Vor diesem Hintergrund kommt der Ermittlung des Tausalzeintrags in den Fahrbahndeckenbeton eine große Bedeutung zu. Die Analyse des Tausalzeintrags erfolgte bisher ausschließlich nasschemisch an gemahlenen Bohrkernsegmenten. Nachteilig sind hierbei der relativ hohe prüftechnische Aufwand und die eingeschränkte Ortsauflösung. Der alternative Einsatz von LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) eröffnet in diesem Kontext neue Möglichkeiten. So wird in diesem Beitrag anhand von Bohrkernen aus einem repräsentativen AKR-geschädigten BAB-Abschnitt exemplarisch die Vorgehensweise bei der LIBS-Analyse zur Ermittlung der Na- und Cl-Verteilung an vertikalen Schnittflächen von Bohrkernen aufgezeigt. Da der Tausalzeintrag primär über den Zementstein erfolgt, wurde der verfälschende Na-Grundgehalt der Gesteinskörnung mittels eines Ausschlusskriteriums (Ca-Gehalt) eliminiert. Vergleichend durchgeführte Cl-Mappings mit Mikroröntgenfluoreszenzanalyse sowie nasschemische Analysen belegen die Güte der durchgeführten LIBS-Messungen. Allerdings bedarf es bei der quantitativen Ermittlung des Natriumgehaltes in der Betonfahrbahndecke noch weitergehender Untersuchungen. N2 - Analysis of the intrusion of de-icing salt into concrete pavements by a novel test method In recent years the German motorway network has seen an increase in the occurrence of damage in concrete pavements. This has been caused by the use of alkali-sensitive aggregates. Given the exposure of the concrete pavement to water and the alkaline environment caused by the use of Portland cement during concrete mixing, this environment can lead to an alkali-silica reaction (ASR) process. This ASR-damage process in concrete pavements is further exacerbated by the external application of de-icing salt in winter. Against this background, the evaluation of the intrusion of de-icing salt becomes of great importance. Until now, the analysis of the intrusion of de-icing salt was carried out in a wet-chemistry process on finely ground segments of drilling cores. The disadvantages of this method are the relatively arduous testing process and the limited depth resolution. The alternative application of LIBS (laser-induced breakdown spectroscopy) offers new possibilities in this context. In this paper, the procedure for the LIBS analysis of sodium and chloride distribution on vertical cut surfaces of drilling cores taken from representative ASR-damaged concrete pavements is presented. Because the intrusion of de-icing salt takes place primarily in the cement matrix, the distorting effect of the sodium content in the aggregates was eliminated by an exclusion criteria (namely, the calcium content). The comparable chloride mappings by micro X-ray fluorescence spectroscopy and wet-chemical analysis confirm the quality of the LIBS measurements. However, additional investigations are necessary for the quantitative analysis of sodium content in concrete pavements. KW - Betonfahrbahndecke KW - Alkali-Kieselsäure-Reaktion KW - Tausalz KW - LIBS KW - MRFA KW - Nasschemie KW - ZfP PY - 2018 U6 - https://doi.org/10.1002/best.201800033 SN - 0005-9900 SN - 1437-1006 VL - 113 IS - 9 SP - 656 EP - 666 PB - Wilhelm Ernst & Sohn, Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG CY - Berlin AN - OPUS4-46171 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Völker, Tobias A1 - Gottlieb, Cassian A1 - Kapteina, Gesa A1 - Wilsch, Gerd A1 - Millar, Steven A1 - Reichling, Kenji T1 - Neues DGZfP-Merkblatt B14: Quantifizierung von Chlorid in Beton mittels LIBS N2 - Bei der Erhaltung von Stahlbetonbauwerken ist der Chloridgehalt im Beton ein wichtiger Parameter zur Festlegung geeigneter Instandsetzungsmaßnahmen. Die bisher etablierten Verfahren basieren auf der nasschemischen Analyse einer Probe, Bohrmehl oder aufgemahlener Segmente eines Bohrkerns. Das Verfahren liefert einen Chloridgehalt je Tiefensegment, was mit einer starken Homogenisierung der Probe einhergeht, wodurch detaillierte Informationen zu Chloridunterschieden im Millimeterbereich verloren gehen. Eine alternative Methode ist die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS), die nicht nur die quantitative ortsaufgelöste Bestimmung des Chloridgehalts im Bezug zur Zementmasse ermöglicht, sondern auch simultan detaillierte Informationen über die Verteilung vieler anderer chemischer Elemente liefert. Die räumliche Auflösung liegt in der Regel im Bereich von einigen Millimetern, kann aber bei Bedarf auf 0,1 mm oder weniger erhöht werden. Das neue Merkblatt B14 „Quantifizierung von Chlorid in Beton mit der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS)“ der Deutschen Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfungen (DGZfP) regelt und vereinheitlicht erstmals die zuverlässige und reproduzierbare Ermittlung des Chloridgehalts mit LIBS. In diesem Beitrag wird das Merkblatt vorgestellt und anhand praktischer Anwendungsbeispiele das Potenzial von LIBS für Fragestellungen in der Betonerhaltung verdeutlicht. KW - LIBS KW - Chlor KW - Chlorid KW - Beton KW - Bauwerksdiagnostik PY - 2024 U6 - https://doi.org/10.1002/best.202400014 SP - 1 EP - 7 AN - OPUS4-60005 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -