Chemie und Prozesstechnik
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Im Jahre 2011 wurde in Deutschland nach 50 Jahren der Ausstieg aus der kommerziellen Kernenergie beschlossen. Fünf Jahre später war Deutschland mit 80.000 GWh immer noch unter den zehn größten Atomstromproduzenten. Im darauffolgenden Jahr wurden weltweit 2.500.000 GWh Atomstrom produziert. Durch die Atomstromproduktion fallen große Mengen an radioaktiven Reststoffen an, die bis zu mehrere tausend Jahre für einen vollständigen Abbau benötigen. Aus dieser Problematik geht die Debatte über den Verbleib der Reststoffe hervor. Die Endlagerung in tiefen Gesteinsschichten ist eine Lösung für das Problem. Voraussetzung ist hierbei allerdings die Gewährleistung eines dauerhaften Schutzes vor ionisierender Strahlung, die durch Verschlüsse der tiefen Gesteinsschichten in Form von Verschlussbauwerken erzielt werden sollen. Es gilt die bauliche Integrität sowie die Dichtwirkung der Verschlussbauwerke dauerhaft zu überwachen und zu prüfen, um eine langfristige Verzögerung der Radionuklidfreisetzung zu gewährleisten.
Das vorliegende Arbeitspapier stellt den Stand des Wissens und der Forschung zum Einsatz von Sensorik in Straßenbefestigungen zur Erfassung von Eingangsgrößen und Merkmalen für die Substanzbewertung zusammenfassend dar. Unter Sensorik versteht dieses Arbeitspapier ganz allgemein technische Einrichtungen, mit denen man die Werte von physikalischen Größen erfassen und zur Interpretation darstellen kann.
Die Laserinduzierte Plasmaspektroskopie (engl.: Laser-induced Breakdown Spectroscopy, kurz: LIBS) ist eine Kombination aus Laserablation mittels eines energiereichen Laser-Pulses, der Erzeugung eines Plasmas auf der zu untersuchenden Oberfläche und dem quantitativen Nachweis der Elementzusammensetzung durch spektroskopische Untersuchung der vom Plasma emittierten Strahlung. Ein LIBS-Gerät liefert dem sachkundigen Planer Daten für die Bewertung des Ist-Zustandes von Bauwerken unserer Infrastruktur durch die zweidimensionale Erfassung von Elementverteilungen. Typische Anwendungen sind die Erfassung von Chlor, Schwefel, Kohlenstoff, Natrium, Kalium und Lithium in Beton oder als – Qualitätssicherung – der Nachweis der mit einem Marker versehenen Tiefenhydrophobierung.
In Zusammenarbeit zwischen Industriepartnern und der BAM wurden ein Labor und ein mobiles LIBS-System für die Vor-Ort-Messungen entwickelt. Die Analyse erfolgt vollautomatisch. Die Ortsauflösung beträgt bis zu 0,1 mm x 0,1 mm. Es können Messflächen von 140 mm x 170 mm gescannt werden. Die Erstellung von 2D-Elementverteilungen im Beispiel unten benötigt weniger als 10 Minuten.
Die Laserinduzierte Plasmaspektroskopie (engl.: Laser-induced Breakdown Spectroscopy, kurz: LIBS) ist eine Kombination aus Laserablation mittels eines energiereichen Laser-Pulses, der Erzeugung eines Plasmas auf der zu untersuchenden Oberfläche und dem quantitativen Nachweis der Elementzusammensetzung durch spektroskopische Untersuchung der vom Plasma emittierten Strahlung. Ein LIBS-Gerät liefert dem sachkundigen Planer Daten für die Bewertung des Ist-Zustandes von Bauwerken unserer Infrastruktur durch die zweidimensionale Erfassung von Elementverteilungen. Typische Anwendungen sind die Erfassung von Chlor, Schwefel, Kohlenstoff, Natrium, Kalium und Lithium in Beton oder als – Qualitätssicherung – der Nachweis der mit einem Marker versehenen Tiefenhydrophobierung.
In Zusammenarbeit zwischen Industriepartnern und der BAM wurden ein Labor und ein mobiles LIBS-System für die Vor-Ort-Messungen entwickelt. Die Analyse erfolgt vollautomatisch. Die Ortsauflösung beträgt bis zu 0,1 mm x 0,1 mm. Es können Messflächen von 140 mm x 170 mm gescannt werden. Die Erstellung von 2D-Elementverteilungen im Beispiel unten benötigt weniger als 10 Minuten.
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.
Stahlbetontragwerke sind eine wichtige Konstruktionsweise im Bauwesen und ein wachsendes Anwendungsfeld für die Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP).
Zur Sicherung der Tragsicherheit, strukturellen Integrität, Bestimmung von Geometrien und zur Detektion konstruktiver Elemente wie z.B. Bewehrung, Verankerungen und Spannkanälen besitzen zerstörungsfreie Prüfverfahren in diesem Bereich inzwischen große Relevanz. Durch den bislang erreichten Fortschritt in der Forschung und Entwicklung haben moderne akustische und elektromagnetische Verfahren eine beachtliche Leistungsfähigkeit erreicht. Von Geräteherstellern sind diese in kommerziellen Produktserien umgesetzt worden und finden eine zunehmend breite Anwendung in der Praxis. In einigen anderen Anwendungsgebieten, in denen die ZfP bereits fester Bestandteil von Überwachungen ist, wie z.B. im Maschinenbau und insbesondere in der Kerntechnik und der Luftfahrt, existieren umfangreiche Qualitätssicherungssysteme für die konforme Anwendung und zuverlässige Einbeziehung der ZfP. Dem relativ jungen Entwicklungsstadium moderner ZfP für Stahlbetonbauteile entsprechend müssen solche Konzepte im Bauwesen erst noch entwickelt bzw. implementiert werden.
Dementsprechend hat sich der Unterausschuss Qualitätssicherung (UA- S) des Fachausschusses ZfP im Bauwesen (ZfPBau) die Definition und Verbesserung der Qualität von ZfP-Anwendungen sowie insbesondere die verfahrensunabhängige Standardisierung von Prüfprozeduren und statistische Absicherung der Prüfergebnisse zum Ziel gemacht.
Die aktuellen Arbeitsfelder beinhalten die Entwicklung praxisgerechter Konzepte für Prüfprozeduren und deren Erprobung in einem Ringversuch sowie die Konzeption von Testkörpern hinsichtlich unterschiedlicher Aspekte wie Parameterstudien, Validierung, Kalibrierung und Simulation. Dabei werden Ansätze anderer Branchen durchaus einbezogen, die Anpassung an die spezifischen Bedürfnisse und Gegebenheiten des Bauwesens wird jedoch als wesentlich angesehen und stellt somit eine wichtige Vorgabe dar.
Da die Tätigkeiten nicht auf einzelne Verfahren begrenzt sind, müssen generelle Vorgehensweisen entwickelt werden, die sich auf die jeweiligen Verfahren konkretisieren lassen. Der Vortrag gibt hierzu erste Einblicke in die Arbeit des Ausschusses.
Schädigungen durch Korrosion der Bewehrung von Stahlbetonbauwerken unserer Infrastruktur sind u. a. mit dem Eindringen von Chloriden aus Tausalzen oder Meereswasser verbunden. In den Regelwerken sind daher Grenzwerte für den maximal zulässigen Chlorid-Gehalt deiniert. Die Einhaltung dieser Grenzwerte wird in der Praxis über die Entnahme von Bohrmehl oder die Entnahme von Bohrkernen überwacht. Die Bohrkerne werden in Zylindersegmente von meist zwei cm Höhe geschnitten, dann gemahlen und mit Säure aufgeschlossen. Das Bohrmehl aus verschiedenen Tiefenabschnitten kann direkt mit Säure aufgeschlossen werden. Der Chlorid-Gehalt im Aufschluss wird dann meist mittels Potentiometrischer Titration bestimmt. Dieses Vorgehen ist mit einem hohen Zeit- und Personalaufwand verbunden. Die Information über die Heterogenität des Betons geht dabei aufgrund der Homogenisierung bei der Probenvorbereitung oder bei der Entnahme von Bohrmehl verloren. Der Chlorid-Gehalt wird in der homogenisierten Betonprobe (Zement, Wasser und Gesteinskörnung) analysiert und die Werte bezogen auf den Beton angegeben. Demgegenüber sind die Grenzwerte des maximal zulässigen Chlorid-Gehaltes auf den Zement bezogen. Da die Rezeptur des Betons fast nie verfügbar ist, wird die Umrechnung vom Gehalt bezogen auf den Beton zum Gehalt bezogen auf den Zement über eine zusätzliche Analyse oder durch Abschätzung durchgeführt.
Als Ergänzung zum Standardverfahren wurde in der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung das LIBS- Verfahren (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) für die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von Baustofen im Labor seit einigen Jahren erfolgreich eingesetzt. In einem vom Bundeswirtschatsministerium geförderten Projekt sollten die sich ergänzenden Kompetenzen eines Forschungspartners (BAM), eines Geräteherstellers (SECOPTA analytics GmbH) und eines potentiellen Anwenders (Ingenieurbüro Specht, Kalleja und Partner) in die Entwicklung eines mobilen LIBS Gerätes (BauLIBS) eingehen. Dieser Artikel stellt das Messprinzip und seine wesentlichen Vorteile vor, gibt einen Überblick über das entwickelte mobile LIBS-Gerät und seine Leistungsparameter.
Anschließend werden einige erfolgreiche Anwendungsbeispiele zur Untersuchung von Schädigungsprozessen direkt an der Beton-Infrastruktur vorgestellt und ein Ausblick auf zuküntige Entwicklungen gegeben. Das BauLIBS-Gerät liefert dem sachkundigen Planer Daten für die Bewertung des Istzustandes von Bauwerken unserer Infrastruktur durch die zweidimensionale Erfassung von Elementverteilungen. Typische Anwendungen sind die Erfassung von Chlor, Schwefel, Kohlenstof, Natrium, Kalium und Lithium in Beton oder als Qualitätssicherung der Nachweis der mit einem Marker versehenen Tiefenhydrophobierung.