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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.
Die Laser induzierte Breakdown Spektroskopie (LIBS) bietet für die Analyse heterogener, mineralischer Baustoffe, wie z. B. Beton, deutliche Vorteile gegenüber konventionellen Methoden. Sie ermöglicht neben der Quantifizierung von Elementgehalten und -verteilungen im Baustoff auch die Differenzierung von Elementkonzentrationen innerhalb einzelner Phasen im Baustoff. So können beispielsweise die für die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) interessanten Natriumkonzentrationen bestimmt und hinsichtlich ihrer Verteilung aufgelöst werden. Es lassen sich Natriumgehalte, welche sich in der Gesteinskörung befinden, separat von denen der Betonmatrix bestimmen. Der vorliegende Artikel befasst sich mit den Vor- und Nachteilen von LIBS als alternative Methode für die chemische Analyse von Baustoffen. Anhand von Beispielen aus der Praxis wird der derzeitige Stand der Technik dargestellt und ein Vergleich mit etablierten Messmethoden vorgenommen. Compared to conventional methods the Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) provides significant advantages for analysis of heterogeneous, mineral building materials as e.g. concrete. Besides providing the possibility to quantify element concentrations and distributions in building materials, this technique enables also to differentiate concentrations within different phases of the material. It is possible to determine sodium concentrations and distribution directly, which e.g. is important when regarding Alkali-Silica-Reaction (ASR). Sodium contents provided by the aggregates can be distinguished from those provided by the concrete matrix. The present article is concerned with the advantages and disadvantages of LIBS as alternative method for chemical analysis of building materials. On the basis of samples from practice the current state of the art is shown and different measurement techniques will be compared.
Der große Vorteil der vorgestellten Methode liegt in der quasi on-line Bereitstellung der Ergebnisse und in der Möglichkeit des Einsatzes direkt am Bauwerk. Die vorliegenden Meßergebnisse zeigen den erfolgreichen Einsatz von LIBS zur Messung der Betonzusammensetzung. Eine Unterscheidung von Zementen gelingt durch die Einordnung der Meßwerte ins Dreistoffdiagramm.
Neue kleine Laser, handliche Echellespektrographen und neuartige Lichtleiter lassen sich zu mobilen LIBS-Apparaturen kombinieren, die eine Messung undAuswertung vor Ort ermöglicht.
New possibilities for concrete analysis 4.0 with the Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)
(2020)
In civil engineering the damage assessment of concrete infrastructures is an important task to monitor and ensure the estimated life-time. The aging of concrete is caused by different damage processes like the chloride induced pitting corrosion of the reinforcement. The penetration depth and the concentration of harmful species are crucial factors in the damage assessment. As a highly cost and time-consuming standard procedure, the analysis of concrete drill cores or drilling by wet-chemistry is widely used. This method provides element concentration to the total mass as aggregates and binder are homogenized. In order to provide a method that is capable to detect the element concentration regarding the cement content only, the laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) will be presented. The LIBS method uses a focused pulsed laser on the sample surface to ablate material. The high-power density and the laser-material interaction causes a laser-induced plasma that emits elemental and molecular line emission due to energy transition of the excited species in the plasma during the cooling phase.
As each element provides element-specific line emission, it is in principle possible to detect any element on the periodic table (spectroscopic fingerprint) with one laser shot. In combination with a translation stage the sample under investigation can be spatially resolved using a scan raster with a resolution up to 100 µm (element mapping). Due to the high spatial resolution, the element distribution and the heterogeneity of the concrete can be evaluated. By using chemometrics the non-relevant aggregates can be excluded from the data set and the element concentration can be quantified and referred to a specific solid phase like the binding matrix (cement) only. In order to analyze transport processes like diffusion and migration the twodimensional element distributions can provide deep insight into the transport through the pore space and local enrichments of elements. As LIBS is a multi-elemental method it is also possible to compare the ingress and transport process of different elements like Cl, Na, K, S, C, and Li simultaneously and evaluate cross-correlations between the different ions. Furthermore, the element mapping allows to visualize the transport along cracks. This work will show the state of the art in terms of hardware and software for an automated LIBS system as well as different application for a concrete analysis 4.0. Focus will be the application of LIBS for a fast concrete analysis.
Schnelle ortsaufgelöste Chloridbestimmung mit der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS)
(2020)
Im Zuge der Ist-Zustandserfassung von Stahl- und Spannbetonbauwerken spielt die chemische Analyse von Beton eine zentrale Rolle. Durch den externen Eintrag von schädigenden Substanzen wie Chlorid oder Alkalien aus Tausalzen oder Meerwasser, kann u.U. der Beton und/oder die Stahlbewehrung angegriffen werden. Bei Überschreitung kritischer korrosionsauslösender Chloridgehalte, z.B. bei Stahlbeton 0,4 M.-% (bzw. 0,5 M.-%) und Spannbeton 0,2 M.-% bezogen auf den Zement, erhöht sich das Risiko für eine Chlorid-induzierte Korrosion. Für die Beurteilung eines Instandsetzungsbedarfs und, sofern notwendig, der Erarbeitung eines Instandsetzungskonzeptes muss nach der Rili-SIB1 ein sachkundiger Planer herangezogen werden. Standardmäßig werden für die chemische Analyse Bohrkerne bzw. Bohrmehlproben aus dem zu untersuchenden Bauwerk entnommen und nach aufwendiger Probenvorbereitung nasschemisch analysiert (nach DAfStb Heft 401 oder DIN 14629). Dabei wird der Gesamtchloridgehalt bezogen auf die Einwaage angegeben. Eine Umrechnung auf den Zementgehalt erfolgt i.d.R. durch Schätzwerte. Der Einsatz der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) wird seit Mitte der 90er Jahren an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung erforscht, um den Chloridgehalt durch eine ortsaufgelöste Elementanalyse an einer Betonprobe möglichst genau zu ermitteln. Die zweidimensionale LIBS-Messung mit einer lateralen Auflösung von 100 µm x 100 µm erlaubt die Berücksichtigung der Heterogenität von Beton. Dabei lassen sich die Bindemittelmatrix und die Gesteinskörnung separat betrachten, wodurch sich die Aussagekraft der Ergebnisse und somit die Sicherheit der chemischen Zustandserfassung erhöht. Durch die stetige Weiterentwicklung von Komponenten wie Laser, Spektrometer und analytischer Auswerteroutinen sind mittlerweile automatisierte Systeme für die schnelle LIBS-Analyse auf dem Markt verfügbar. In diesem Vortrag wird der aktuelle Stand der Technik anhand von Praxisbeispielen präsentiert und entscheidende Vorteile gegenüber dem Standardverfahren herausgestellt. Aufgrund der Möglichkeit für eine simultane Multielementanalyse mit LIBS werden weitere Anwendungen, wie z.B. die Ermittlung der Karbonatisierungstiefe, Untersuchungen von Transportprozessen, Chlorideintrag entlang von Rissen oder Untersuchungen von Elementverteilungen im Kontext einer AKR vorgestellt.
A joint project of partners from industry and research institutions for the research and construction of an analysis system for an automated, sensor-supported sorting of construction and demolition waste will be presented. This is intended to supplement or replace the previously practiced manual sorting, which harbors many risks and dangers for the staff and only enables obvious, visually detectable differences for separation. The method of laser-induced breakdown spectroscopy is to be used in combination with hyperspectral sensors. Due to the jointly processed information (data fusion), this should lead to a significant improvement in the separation of types. In addition to the sorting of different materials (concrete, main masonry building materials, organic components, glass, etc.), impurities such as SO3-containing building materials (gypsum, aerated concrete, etc.) could also be detected and separated.
The subsequent recycling and sales opportunities are examined, such as the use of recycled aggregates in concrete, the recycling of building materials containing sulphate as a gypsum substitute for the cement industry or the agglomeration of synthetic lightweight aggregates for lightweight concrete or as a substrate for green roofs. At the same time, it is investigated whether soluble components (sulfates, heavy metals, etc.) can be detected by LIBS without a wet chemical analysis and what impact the recycling materials have on the environment.
The entire value chain is examined using the example of the Berlin location in order to minimize economic / technological barriers and obstacles on a cluster level and to sustainably increase the recovery and recycling rates.
In a joint project of partners from industry and research, the automated recycling of construction and demolition waste (CDW) is investigated and tested by combing laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) and near-infrared (NIR) spectroscopy. Joint processing of information (data fusion) is expected to significantly improve the sorting quality of various materials like concrete, main masonry building materials, organic components, etc., and may enable the detection and separation of impurities such as SO3-cotaining building materials (gypsum, aerated concrete, etc.). The project focuses primarily on the Berlin site to analyze the entire value chain, minimize economic/technological barriers and obstacles at the cluster level, and sustainably increase recovery and recycling rates. First measurements with LIBS and NIR spectroscopy show promising results in distinguishing various material types and indicate the potential for a successful combination. In addition, X-ray fluorescence (XRF) spectroscopy is being performed to obtain more information about the quantitative elemental composition of the different building materials. Future work will apply the developed sorting methodology in a fully automated measurement setup with CDW on a conveyor belt.
Closed material cycles and unmixed material fractions are required to achieve high recovery and recycling rates in the building industry. The growing diversity of construction and demolition waste is leading to increasing difficulties in separating the individual materials. Manual sorting involves many risks and dangers for the executing staff and is merely based on obvious, visually detectable differences for separation. An automated, sensor-based sorting of these building materials could complement or replace this practice to improve processing speed, recycling rates, sorting quality, and prevailing health conditions.
A joint project of partners from industry and research institutions approaches this task by investigating and testing the combination of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) and visual (VIS)/ near-infrared (NIR) spectroscopy. Joint processing of information (data fusion) is expected to significantly improve the sorting quality of various materials like concrete, main masonry building materials, organic components, etc., and may enable the detection and separation of impurities such as SO3-containing building materials (gypsum, aerated concrete, etc.). Focusing on Berlin as an example, the entire value chain will be analyzed to minimize economic/technological barriers and obstacles at the cluster level and to sustainably increase recovery and recycling rates.
First LIBS measurements show promising results in distinguishing various material types. A meaningful validation shall be achieved with further practical samples. Future works will investigate the combination of LIBS and VIS/NIR spectroscopy in a fully automated measurement setup with conveyor belt speeds of 3 m/s.