Chemie und Prozesstechnik
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Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a spectroscopic method for the analysis of the chemical composition of sample materials. Generally, the measurement of all elements of the periodic table is possible. In particular, light elements such as H, Li, Be, S, C, O, N and halogens can be measured. Calibration with matrix-matching standards allows the quantification of element concentrations. In combination with scanner systems, the two-dimensional element distribution can be determined. Even rough surfaces can be measured by online adjustment of the laser focus. LIBS can also be used on-site with mobile systems. Hand-held systems are available for point measurements.
Common applications include the investigation of material deterioration due to the ingress of harmful ions and their interaction in porous building materials. Due to the high spatial resolution of LIBS and the consideration of the heterogeneity of concrete, the determination of precise input parameters for simulation and modelling of the remaining lifetime of a structure is possible. In addition to the identification of materials, it is also possible to assess the composition for example of hardened concrete, which involves the cement or aggregate type used. Other important fields of application are the detection of environmentally hazardous elements or the material classification for sorting heterogeneous material waste streams during dismantling. Non-contact NDT for “difficult to assess” structures as an example application through safety glass or in combination with robotics and automation are also possible.
In this work, an overview of LIBS investigations on concrete is given based on exemplary laboratory and on-site applications.
This contribution summarizes actual developments and draft fundamental teaching topics in the field of nondestructive testing in civil engineering (NDT-CE). It is based on the first memorandum on teaching and research in the field of NDT-CE at German speaking universities and provides an overview of the academic education and highlights possible focuses, especially in teaching but also takes into account noteworthy developments and topics in research in the field of NDT-CE.
Suggestions are given for the development and advancement of the teaching curricula in regards to a comprehensive and sound professional education of students in civil engineering and adjacent disciplines.
Laser Induced Breakdown Spectroscopy – A Tool for Imaging the Chemical Composition of Concrete
(2022)
One of the most common causes of damage is the ingress of harmful ions into the concrete, which can lead to deterioration processes and affect structural performance. Therefore, the increasingly aging infrastructure is regularly inspected to assess durability. Regular chemical analysis can be useful to determine the extent and evolution of ion ingress and to intervene in a timely manner. This could prove more economical than extensive repairs for major damage, particularly for critical infrastructure. In addition to already established elemental analysis techniques in civil engineering such as potentiometric titration or X-ray fluorescence analysis, laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) can provide further important complementary information and benefits. The possibilities of LIBS are demonstrated using the example of a drill core taken from a parking garage.
The development of prevention methods and the detection of moisture related damages in buildings and transport infrastructure at an early stage are current issues in the field of non-destructive testing in civil engineering.
Especially the subject of partial saturation requires further research since it is more likely to occur than full saturation of the material. In fact, partial saturation in porous media is even more complicated because both fully and partly saturated pores (i.e. pores in which the surfaces are covered with thin water layers) are present.
As the non-destructive method nuclear magnetic resonance (NMR) enables the measurement and quantification of relative low moisture contents, it is suitable for the investigation of partly saturated porous building materials. Nevertheless, the differentiation between partly and fully saturated pores is still a challenge. Therefore, in this study, we investigate two sandstones types (Bozanov and Schönbrunner sandstone) at various defined saturation states by using NMR. Furthermore, we measure the relative humidities within the samples and compute the water layer thicknesses (WLT) along the pore walls of all pore sizes to calculate the corresponding degree of pore saturation. To finally assign the NMR signals to pore sizes and to differentiate between partly and fully saturated pores, the water content distribution obtained from the WLT calculation is used for calibration of the relaxation-time distribution. In this extended abstract, selected results only for Schönbrunner sandstone are presented.
Since nuclear magnetic resonance with focus on 1H protons is highly sensitive to pore filling fluids, it is nowadays often applied for the investigation of porous media. Mainly in materials research and especially in the field of non-destructive testing in civil engineering it is increasingly used. Scientific questions about and based on NMR meanwhile cover a broad spectrum. To give an overview, we have reviewed various studies dealing with the determination of moisture contents and parameters such as the pore-size distribution, surface relaxivity, porosity, etc. In some papers, the monitoring of moisture transport in connection with degradation processes or admixtures was the main objective. In other papers, NMR was used for pore space analysis or even applied on site to assess the state of conservation of cultural heritage. Building materials that have been investigated in the presented studies are for example cement, concrete, woods, sandstones etc. In this paper, short descriptions and the significant results of the reviewed articles are summarized and their measurement problems and discrepancies are pointed out. A special feature of this review article is the concise tabular compilation of determined 𝑇1 and 𝑇2 relaxation times, as well as of surface relaxivity values for various materials and components. Finally, relevant aspects are summed up and conclusions about the increasing potential of NMR relaxometry for investigations of porous building materials are drawn, followed by an outlook about future applications and the need for technical development.
Integration of fibre reinforcement in high-performance cementitious materials has become widely applied in many fields of construction. One of the most investigated advantages of steel fibre reinforced concrete (FRC) is the deceleration of crack growth and hence it’s improved sustainability due to e.g. decrease of permeability of concrete by aggressive substances. Additional benefits are associated with the structural properties of FRC, where fibres can significantly increase the ductility and the tensile strength of concrete. In some applications, such as tunnel linings or industrial slabs, it is even possible to entirely replace the conventional reinforcement, leading to significant logistical and environmental benefits. Fibre reinforcement can, however, have critical disadvantages and even hinder the performance of concrete, since it can induce an anisotropic material behaviour of the mixture if the fibres are not appropriately oriented. For a safe use of FRC in the future, reliable non-destructive methods need to be identified to assess the fibres’ orientation in hardened concrete. In this study, ultrasonic material testing, electrical impedance testing, and X-ray computer tomography have been investigated for this purpose using specially produced samples with biased or random fibre orientations. This paper demonstrates the capabilities of each of these NDT techniques for fibre orientation measurements and draws conclusions based on these results about the most promising areas for future research and development using these techniques.
The moisture content of screed samples is monitored by means of embedded sensors. Relative humidity sensors and multi-ring-electrodes are used to measure the spatial moisture distribution during desorption. Based on the humidity data and the pore volume distribution, the moisture and the water layer thickness within the pore space are predicted.
Slit shape as well as cylindrical pores are evaluated. Finally, the measured real part of the electrical impedance and the calculated water layer thickness are correlated. Based on the available data, a significant trend change of the impedance is documented at a water layer thickness of approximately 3 nm. This water layer thickness corresponds to a relative humidity of 88.3%.
Leitungswasserschäden nahmen im Jahr 2016 mit rund 2,6 Milliarden Euro den größten Posten bei Gebäudeversicherungen ein. Die Bestimmung und Lokalisierung des Schadensausmaßes ist dabei ein erster wichtiger Schritt, um die erforderlichen Sanierungsarbeiten abschätzen und effizient vornehmen zu können. Hierfür sind Radar und Neutronensonden bereits etablierte Verfahren. Für verlässliche Aussagen zum quantitativen Feuchtegehalt eines Baustoffes werden jedoch zerstörende Sondierungsbohrungen zur Kalibrierung der aufgenommenen Daten benötigt. Dieser hohe zeitliche und finanzielle Aufwand soll zukünftig durch den parallelen Einsatz der genannten Messverfahren verhindert werden. In der durchgeführten Studie wurden Estrichprobekörper auf Zement- und Anhydritbasis mit variablen Dicken und Festigkeiten hergestellt und deren Austrocknung mit Radar und Neutronensonde über einen Zeitraum von 90 Tagen beobachtet. Als Referenzverfahren zur Ermittlung des Feuchteverlaufs dienten die gravimetrische Darr- und chemische Calcium-Carbid-Methode, welche an kleineren Schwesterproben der gleichen Charge angewendet wurden. Kontinuierliche Wägungen der größeren Probekörper gaben hierbei Aufschluss über den durch Austrocknung schwindende Wasseranteil. Aus dem aufgenommen Radardatensatz konnten anschließend markante Signalmerkmale im Zeit- und Frequenzbereich extrahiert und deren Zusammenhang zum Feuchtegehalt der Estrichtypen untersucht werden. Hierbei wurden gängige Methoden aus der Literatur zur Feuchtemessung mit Radar angewandt, wobei die Kombination dieser und das Hinzuziehen der Neutronensonde mittels Datenfusion zu einem höheren Informationsgehalt beiträgt. Somit kann eine zerstörungsfreie Quantifizierung des Feuchteschadens an schwimmenden Fußbodenaufbauten vorgenommen werden
Leitungswasserschäden nahmen im Jahr 2016 mit rund 2,6 Milliarden Euro den größten Posten bei Gebäudeversicherungen ein. Die Bestimmung und Lokalisierung des Schadensausmaßes ist dabei ein erster wichtiger Schritt, um die erforderlichen Sanierungsarbeiten abschätzen und effizient vornehmen zu können. Hierfür sind Radar und Neutronensonden bereits etablierte Verfahren. Für verlässliche Aussagen zum quantitativen Feuchtegehalt eines Baustoffes werden jedoch zerstörende Sondierungsbohrungen zur Kalibrierung der aufgenommenen Daten benötigt. Dieser hohe zeitliche und finanzielle Aufwand soll zukünftig durch den parallelen Einsatz der genannten Messverfahren verhindert werden.
In der durchgeführten Studie wurden Estrichprobekörper auf Zement- und Anhydritbasis mit variablen Dicken und Festigkeiten hergestellt und deren Austrocknung mit Radar und Neutronensonde über einen Zeitraum von 90 Tagen beobachtet. Als Referenzverfahren zur Ermittlung des Feuchteverlaufs dienten die gravimetrische Darr- und chemische Calcium-Carbid-Methode, welche an kleineren Schwesterproben der gleichen Charge angewendet wurden. Kontinuierliche Wägungen der größeren Probekörper gaben hierbei Aufschluss über den durch Austrocknung schwindende Wasseranteil.
Aus dem aufgenommen Radardatensatz konnten anschließend markante Signalmerkmale im Zeit- und Frequenzbereich extrahiert und deren Zusammenhang zum Feuchtegehalt der Estrichtypen untersucht werden. Hierbei wurden gängige Methoden aus der Literatur zur Feuchtemessung mit Radar angewandt, wobei die Kombination dieser und das Hinzuziehen der Neutronensonde mittels Datenfusion zu einem höheren Informationsgehalt beiträgt. Somit kann eine zerstörungsfreie Quantifizierung des Feuchteschadens an schwimmenden Fußbodenaufbauten vorgenommen werden
Zahlreiche Schädigungsprozesse in Baustoffen stehen im engen Zusammenhang mit Feuchteeintrag und Feuchtetransport. Als Beispiel sind die schädigende Alkali-Kieselsäurereaktion (AKR) von Beton sowie Frost-Tauwechsel induzierte Gefügeschäden genannt. Zur zerstörungsfreien, ortsaufgelösten Feuchtemessung eignet sich die im Bereich der Geophysik etablierte, aber im Bauingenieurwesen noch wenig verbreitete, Messmethode der Nuklear Magnetischen Resonanz (NMR). Unter Verwendung der NMR-Relaxometrie sind sowohl Aussagen zum Feuchtegehalt und dessen räumliche Verteilung als auch die Charakterisierung der Porengrößen möglich, die das Transportverhalten eines porösen Materials maßgeblich beeinflussen.
Zur Erfassung der Mikro- und Mesoporen in Baustoffen ist dabei die Auflösung von kurzen T2 Relaxationszeiten unabdingbar. Bisher ist es mit gängigen NMR-Laborgeräten nur begrenzt möglich, solche kurzen T2-Zeiten schichtselektiv zu erfassen. Vor diesem Hintergrund wurde ein speziell für die Messung an mineralischen Baustoffen optimierter NMR-Tomograph beschafft. Dieser ermöglicht sowohl schichtselektive Messungen von Bohrkernen mit Durchmessern von bis zu 70 mm als auch bildgebende Untersuchungen an Proben mit Durchmessern ≤ 40 mm.
Erste Untersuchungsergebnisse an Sandstein, Tuffstein und Beton zeigen die Leistungsfähigkeit des neuen NMR-Tomographen zur Erfassung der porengrößenspezifischen Feuchteverteilung. In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse verschiedenartiger Laborversuche exemplarisch dargestellt.
Für Sandsteine mit unterschiedlichsten Porengrößenverteilungen wurden mit dem neuen NMR-Tomographen und einem herkömmlichen NMR-System vergleichbare T2 Zeitenverteilungen ermittelt. Am sehr heterogenen Tuffstein konnten unterschiedlich poröse (und feuchte) Bereiche räumlich aufgelöst werden. Im Beton ließ sich der Feuchtetransport im Zementstein porengrößenspezifisch, schichtselektiv und zeitlich aufgelöst verfolgen.
Die bisher gewonnenen Ergebnisse zeigen das breite Anwendungsspektrum des neuen NMR Tomographen auf und ermöglichen ein besseres Verständnis des Feuchtetransports und der oft damit einhergehenden Schädigungsprozesse in Baustoffen.