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In civil engineering the information about the quantitative ingress of harmful species like Cl⁻, Na⁺ and SO²⁻₄ is of great interest to evaluate the remaining life time of structures. These species are triggering different damage processes like the alkali-silica reaction (ASR) or the chloride-induced corrosion of the reinforcement. For the evaluation of the heterogeneous concrete it is necessary to discriminate between the different phases mainly cement matrix and aggregates. The transport processes are only proceeding in the cement matrix therefore the measured concentrations should be regarded to the cement content. For the 2D evaluation of element distributions different multivariate cluster-algorithms like k-means and Expectation-Maximization-algorithm (EM-algorithm) have been tested. The methods are compared and different figures of merit will be presented. After phase separation non-relevant information of the aggregates can be excluded. The ingress of harmful species is then quantified using chemometrics. Due to concrete cores from a parking deck the methods have been validated and verified with standard methods of wet-chemistry.
2D evaluation of spectral LIBS data derived from heterogeneous materials using cluster algorithm
(2017)
Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is capable of providing spatially resolved element maps in regard to the chemical composition of the sample. The evaluation of heterogeneous materials is often a challenging task, especially in the case of phase boundaries. In order to determine information about a certain phase of a material, the need for a method that offers an objective evaluation is necessary. This paper will introduce a cluster algorithm in the case of heterogeneous building materials (concrete) to separate the spectral information of non-relevant aggregates and cement matrix. In civil engineering, the information about the quantitative ingress of harmful species like Cl−, Na+ and SO2−4 is of great interest in the evaluation of the remaining lifetime of structures (Millar et al., 2015; Wilsch et al., 2005). These species trigger different damage processes such as the alkali-silica reaction (ASR) or the chloride-induced corrosion of the reinforcement. Therefore, a discrimination between the different phases, mainly cement matrix and aggregates, is highly important (Weritz et al., 2006). For the 2D evaluation, the expectation-maximizationalgorithm (EM algorithm; Ester and Sander, 2000) has been tested for the application presented in this work. The method has been introduced and different figures of merit have been presented according to recommendations given in Haddad et al. (2014). Advantages of this method will be highlighted. After phase separation, non-relevant information can be excluded and only the wanted phase displayed. Using a set of samples with known and unknown composition, the EM-clustering method has been validated regarding to Gustavo González and Ángeles Herrador (2007).
Raman and laser-induced breakdown spectroscopy is integrated into a single system for molecular and elemental microanalyses. Both analyses are performed on the same ~ 0.002 mm² sample spot allowing the assessment of sample heterogeneity on a micrometric scale through mapping and scanning. The core of the spectrometer system is a novel high resolution dual arm Echelle spectrograph utilized for both techniques. In contrast to scanning Raman spectroscopy systems, the Echelle-Raman spectrograph provides a high resolution spectrum in a broad spectral range of 200-6000 cm- 1 without moving the dispersive element. The system displays comparable or better sensitivity and spectral resolution in comparison to a state-of-the-art scanning Raman microscope and allows short analysis times for both Raman and laser induced breakdown spectroscopy. The laser-induced breakdown spectroscopy performance of the system is characterized by ppm detection limits, high spectral resolving power (15,000), and broad spectral range (290-945 nm). The capability of the system is demonstrated with the mapping of heterogeneous mineral samples and layer by layer analysis of pigments revealing the advantages of combining the techniques in a single unified set-up.
Society for Applied Spectroscopy (SAS) Atomic Section Student Award.
Magnesium is a major element in the hydrosphere and biosphere and plays important roles in (bio-) geochemical and physiological cycles. Mg has three stable isotopes, 24Mg, 25Mg and 26Mg. It is due to their relatively large mass difference (~8% between) that isotope fractionation leads to slight variations of isotope amount ratios in biological, environmental and geological samples. Traditionally, isotope ratios are measured by mass spectrometric methods. Their drawbacks include the high costs for instruments and their operation, experienced operators and elaborate time-consuming chromatographic sample preparation.
Recently, optical spectrometric methods have been proposed as faster and low-cost alternative for the analysis of isotope ratios of selected elements by means of high-resolution continuum source molecular absorption spectrometry (HR-CS-MAS), and laser ablation molecular isotopic spectrometry (LAMIS).
For the determination of Mg isotope ratios in selected rock reference materials, the molecular spectrum of the in-situ generated MgF and MgO molecules were studied and their results compared with MC-ICP-MS. By HR-CS-MAS, samples were dissolved by acid digestion and Mg isotopes analyzed with and without matrix. The absorption spectrum was recorded for MgF for the electronic transitions X 2Σ → A 2 Πi, and X 2Σ → B 2Σ+. In the case of LAMIS, we investigated the MgF molecule for the electronic transition A 2Πi → X 2Σ, as well as direct analysis by the MgO molecule for the electronic transition A 1Π+ → X 1Σ. The MgF and MgO spectra are described as the linear combination of their isotopic components or isotopologues: 24MgF, 25MgF, and 26MgF for the MgF and 24MgO, 25MgO, and 26MgO for the MgO. The isotope analysis was done by deconvolution of the MgF spectrum by partial least square regression (PLS) calibrated with enriched isotope spikes. Results were accurate with precisions ranging between 0.2 ‰ and 0.8 ‰ (2 SD, n= 10) for HR-CS-GFMAS. No statistically significant differences were observed for samples w/o matrix extraction. On the other hand, LAMIS allows the direct analysis of solid samples with the extended possibility of direct analysis, however the precision is lower due the lack of solid isotopic calibration standards.
Calibration-Free Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (CF-LIBS) has been proposed several years ago as an approach for quantitative analysis of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy spectra. Recently developed refinement of the spectral processing method is described in the present work. Accurate quantitative results have been demonstrated for several metallic alloys. However, the degree of accuracy that can be achieved with Calibration-Free Laser-Induced Breakdown Spectroscopy analysis of generic samples still needs to be thoroughly investigated. The authors have undertaken a systematic study of errors and biasing factors affecting the calculation in the Calibration-Free Laser-Induced Breakdown Spectroscopy spectra processing. These factors may be classified in three main groups: 1) experimental aberrations (intensity fluctuations and inaccuracy in the correction for spectral efficiency of a detection system), 2) inaccuracy in theoretical parameters used for calculations (Stark broadening coefficients and partition functions) and 3) plasma non-ideality (departure from thermal equilibrium, spatial and temporal inhomogeneities, optical thickness, etc.). In this study, the effects of experimental aberrations and accuracy of spectral data were investigated, assuming that the analytical plasma is ideal. Departure of the plasma conditions from ideality will be the object of future work. The current study was based on numerical simulation. Two kinds of metallic alloys, iron-based and aluminum-based, were studied. The relative weight of the error contributions was found to depend on the sample composition. For the here-investigated samples, the experimental aberrations contribute to the overall uncertainty on the quantitative results more than theoretical parameters. The described simulation method can be applied to the Calibration-Free Laser-Induced Breakdown Spectroscopy analysis of any other kind of sample.
Die vorstehend dargestellten Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
• Mit dem für die mechanische Vorschädigung entwickelten Versuchsstand und gewählten Prüfregime können die für die ermüdungsinduzierte Schadensevolution typische stabilisierende und stabile Phase in der auf Zug beanspruchten Betonrandzone gut abgebildet werden. So wurde dort zum Beispiel, ausgehend von dem hier gewählten praxisnahen Belastungsregime, mit Ultraschall in der Ruhephase durch das Trockenschwingen ein maximaler Abfall des relativen dynamischen E-Moduls von ca. 8 - 10 % ermittelt.
• Mit aufbauenden kapillaren Aufsaugversuchen wurde gezeigt, dass die erzeugte Betondegradation zu einer moderaten Erhöhung der Aufnahme des Prüfmediums führt.
• Zur Bewertung der Auswirkungen einer alleinigen Vorschädigung (Trockenschwingen) auf die schädigende AKR mittels Performance-Prüfung ist die Klimawechsellagerung aufgrund der einseitigen Tausalzbeaufschlagung am besten geeignet. Die hier ermittelten Dehnungsverläufe lassen auf einen moderaten Einfluss der mechanischen Vorschädigung auf die AKR schließen.
• Die zusätzlich im Kontext der Nasschwingversuche durchgeführten 60°C Betonversuche zeigen, dass die zyklische Beanspruchung vor und nach dem Aufbringen der Tausalzlösung die schädigende AKR gleichfalls moderat erhöht.
In derzeit laufenden ergänzenden Untersuchungen wird der separate Einfluss der ermüdungsinduzierten Rissbildung auf die schädigende AKR an homogen, stärker geschädigten Prüfkörpern mit einem hohen inneren AKR-Schädigungspotenzial im 60°C Betonversuch grundhaft analysiert. Zusätzlich wird gegenwärtig der Einfluss der degradierten Betonrandzone auf die Dehnungsverteilung an großformatigen Prüfkörpern
über die Höhe im 40°C Betonversuch vertiefend für die makroskopische Modellierung untersucht.
Die vorstehend dargestellten Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
• Mit dem für die mechanische Vorschädigung entwickelten Versuchsstand und
gewählten Prüfregime können die für die ermüdungsinduzierte Schadensevolution
typische stabilisierende und stabile Phase in der auf Zug beanspruchten
Betonrandzone gut abgebildet werden. So wurde dort zum Beispiel, ausgehend
von dem hier gewählten praxisnahen Belastungsregime, mit Ultraschall in der
Ruhephase durch das Trockenschwingen ein maximaler Abfall des relativen
dynamischen E-Moduls von ca. 8 - 10 % ermittelt.
• Mit aufbauenden kapillaren Aufsaugversuchen wurde gezeigt, dass die erzeugte
Betondegradation zu einer moderaten Erhöhung der Aufnahme des Prüfmediums
führt.
• Zur Bewertung der Auswirkungen einer alleinigen Vorschädigung (Trockenschwingen)
auf die schädigende AKR mittels Performance-Prüfung ist die Klimawechsellagerung
aufgrund der einseitigen Tausalzbeaufschlagung am besten
geeignet. Die hier ermittelten Dehnungsverläufe lassen auf einen moderaten
Einfluss der mechanischen Vorschädigung auf die AKR schließen.
• Die zusätzlich im Kontext der Nasschwingversuche durchgeführten 60°C Betonversuche
zeigen, dass die zyklische Beanspruchung vor und nach dem Aufbringen
der Tausalzlösung die schädigende AKR gleichfalls moderat erhöht.
In derzeit laufenden ergänzenden Untersuchungen wird der separate Einfluss der ermüdungsinduzierten
Rissbildung auf die schädigende AKR an homogen, stärker geschädigten
Prüfkörpern mit einem hohen inneren AKR-Schädigungspotenzial im 60°C
Betonversuch grundhaft analysiert. Zusätzlich wird gegenwärtig der Einfluss der degradierten
Betonrandzone auf die Dehnungsverteilung an großformatigen Prüfkörpern
über die Höhe im 40°C Betonversuch vertiefend für die makroskopische Modellierung
untersucht.
Der Vortrag stellt einige aktuelle Herausforderungen für die Prozessanalytik und mögliche Antworten vor.
Gepulste Raman-Spektrometer akkumulieren das Raman-Signal mit Hilfe schneller optischer Schalter im Picosekunden-Bereich, bevor langlebigere Fluoreszenzanregung entsteht. Damit lassen sich stark fluoreszierende Materialien untersuchen, die bislang nicht zugänglich sind. Eine weitere interessante Entwicklung ist etwa die Shifted excitation Raman difference spectroscopy (SERDS) die besonders für biologische Anwendungen interessant ist.
Flexible, modulare Produktionsanlagen stellen einen vielversprechenden Ansatz für die kontinuierliche Produktion von Fein- und Spezialchemikalien dar. In einem EU-Projekt wird derzeit die Feldintegration eines Online-NMR-Sensormoduls als smartes Modul für die Prozesskontrolle vorangebracht. Dieses Modul basiert auf einem kommerziell erhältlichen Niederfeld-NMR-Spektrometer, welche zurzeit für die Anwendung im Laborbereich erhältlich ist. Für die Feldintegration wurde ein ATEX-zertifiziertes, explosionsgeschütztes Gehäuse entwickelt sowie Automationsschemen für den unbeaufsichtigten Betrieb und für die spektrale Datenauswertung erstellt.
Eine sehr gut anwendbare analytische Messtechnik zur Kontrolle der elementaren Zusammensetzung von verschiedensten Materialien ist die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS, engl. LIBS - Laser-induced Breakdown Spectroscopy). Bei der LIBS wird ein kurz gepulster Laser auf eine Probe fokussiert, um ein Leuchtplasma zu erzeugen. Das dabei erzeugte Atomemissionsspektrum ermöglicht eine qualitative und quantitative Analyse der Zusammensetzung der Probe bezüglich praktisch aller Elemente des Periodensystems. In einem aktuellen Projekt wird diese Methode neben anderen zur Online-Analyse von Ackerböden für die ortsspezifischer Bewirtschaftung (Precision Agriculture) weiterentwickelt und bewertet.