Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
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Die Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR-Spektroskopie) stellt eine innovative und wirkungsvolle Methode zur Charakterisierung von Bitumen und bitumenhaltigen Bindemitteln dar. So erlaubt die FTIRCharakterisierung nicht nur eine Bewertung des Alterungsfortschritts eines Bindemittels, sondern zudem auch die Identifizierung von im Bitumen enthaltenen Additiven und Schadstoffen wie z. B. polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK), die Ableitung verschiedener physikalischer und chemischer Kennwerte sowie weiterhin eine Klassifizierung von Bindemitteln nach verschiedenen übergeordneten Eigenschaften wie der Raffinerie, dem Alterungszustand und auch der Alterungsempfindlichkeit.
The 87Sr/86Sr isotope ratio can, in principle, be used for provenancing of cement. However, while commercial cements consist of multiple components, no detailed investigation into their individual 87Sr/86Sr isotope ratios or their influence on the integral 87Sr/86Sr isotope ratio of the resulting cement was conducted previously. Therefore, the present study aimed at determining and comparing the conventional 87Sr/86Sr isotope ratios of a diverse set of Portland cements and their corresponding Portland clinkers, the major component of these cements. Two approaches to remove the additives from the cements, i.e. to measure the conventional 87Sr/86Sr isotopic fingerprint of the clinker only, were tested, namely, treatment with a potassium hydroxide/sucrose solution and sieving on a 11-µm sieve. Dissolution in concentrated hydrochloric acid/nitric acid and in diluted nitric acid was employed to determine the 87Sr/86Sr isotope ratios of the cements and the individual clinkers. The aim was to find the most appropriate sample preparation procedure for cement provenancing, and the selection was realised by comparing the 87Sr/86Sr isotope ratios of differently treated cements with those of the corresponding clinkers. None of the methods to separate the clinkers from the cements proved to be satisfactory. However, it was found that the 87Sr/86Sr isotope ratios of clinker and cement generally corresponded, meaning that the latter can be used as a proxy for the clinker 87Sr/86Sr isotope ratio. Finally, the concentrated hydrochloric acid/nitric acid dissolution method was found to be the most suitable sample preparation method for the cements; it is thus recommended for 87Sr/86Sr isotope analyses for cement provenancing.
With the aim of identifying the origin and the manufacturer of a cement, a reliable procedure that provides unambiguous results is needed. Such procedure could resolve practical issues in damage research, liability issues and forensic investigations. A substantial number of attempts for fingerprinting of building materials, including cement, has already been carried out during the last decades. Most of them were based on concentration analysis of the main elements/components. This review provides an overview of provenance studies of cement and the main approaches commonly used. Provenance studies of cement via isotope techniques are also presented and discussed as representatives of the state-of-the-art in the field. Due to the characteristic properties and the occurrence of carefully selected isotope ratios, unique fingerprints of different kinds of materials can be provided by these methods. This property has largely been explored in various scientific fields such as geo- and cosmochemistry, food forensics, archaeology, geochronology, biomedical studies, and climate change processes. However, the potential of isotope techniques in cement and concrete research for provenance studies has barely been investigated.
Therefore, the review outlines a suitable approach using isotope ratios, which could lead to reliable provenancing of cementitious materials in the future.
Ein Durchlaufkühler ist im Betrieb explodiert. Die zerborstenen Gehäuseteile aus Kunststoff führten zu einem Austreten der Kühlflüssigkeit am Betriebsort sowie zu einem Personenschaden mit Knalltrauma. Bei Funktionsprüfungen am beschädigten Gerät traten unerwartet, aber reproduzierbar Knalleffekte auf der Kupfer-Kühlschlange auf. Ein möglicher Mechanismus konnte im Labor durch Synthese von Kupferazid auf Kupferproben und Auslösung vergleichbarer Knalleffekte nachgestellt werden. Damit ist die Plausibilität des beschriebenen Schadensereignisses mit diesem oder einem ähnlich reagierenden Stoff belegt. Ein eindeutiger Nachweis darüber, dass beim aufgetretenen Schadensfall dieselbe chemische Reaktion stattgefunden hat ist nicht möglich, da die Belag-Überreste aus dem explodierten Kühlgerät für eine Analyse nicht mehr in ausreichender Menge verfügbar waren.
Microplastic particles are currently detected in almost all environmental compartments. The results of detection vary widely, as a multitude of very different methods are used with very different requirements for analytical validity.
In this work four thermoanalytical methods are compared and their advantages and limitations are discussed. One of them is thermal extraction-desorption gas chromatography mass spectrometry (TED-GC/MS), an analysis method for microplastic detection that has become established in recent years. In addition, thermogravimetric analysis coupled with Fourier-transform infrared spectroscopy (TGA-FTIR) and mass spectrometry (TGA-MS) were applied, two methods that are less common in this field but are still used in other research areas. Finally, microscale combustion calorimeter (MCC) was applied, a method not yet used for microplastic detection.
The presented results are taken from a recently published interlaboratory comparison test by Becker et al. (2020). Here a reference material consisting of suspended matter and specified added polymer masses was examined, and only the results of the recoveries were presented. In the present paper, however, the results for the individual polymers are discussed in detail and individual perspectives for all instruments are shown.
It was found that TED-GC/MS is the most suitable method for samples with unknown matrix and unknown, variable kinds and contents of microplastic. TGA-FTIR is a robust method for samples with known matrix and with defined kinds of microplastic. TGA-MS may offer a solution for the detection of PVC particles in the future. MCC can be used as a very fast and simple screening method for the identification of a potential microplastic load of standard polymers in unknown samples.
Today, in scientific events often a certain separation between researchers from laboratories with highly sophisticated equipment and those from less privileged laboratories can be observed. It is not an uncommon situation that results presented at conferences are rubbished or ridiculed because the investigator only used low-end analytical methods.
The assessment of the study is then biased based on the equipment, regardless of the actual quality of the study.
Analyse des Tausalzeintrages in Fahrbahndeckenbetone im Kontext der Alkali-Kieselsäure-Reaktion
(2018)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz (BAB-Netz) vermehrt AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken aufgetreten, die zum Teil zu einer Halbierung ihrer geplanten Nutzungsdauer von 30 Jahren führte. Ursächlich hierfür ist die Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnung, die bei gleichzeitiger Anwesenheit von Wasser infolge der Exposition der Fahrbahndecke und dem alkalischen Milieu durch den Einsatz alkalireicher Portlandzemente bei der Betonherstellung zu einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) führt. 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 ist hierbei die fehlende differenzierte Betrachtung des Natriumgehaltes im Zementstein und in der Gesteinskörnung. Der alternative Einsatz von LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) eröffnet in diesem Kontext neue Möglichkeiten. So wird in diesem Beitrag an Hand von Bohrkernen aus einem AKR-geschädigten BAB-Abschnitt exemplarisch die Vorgehensweise bei der LIBS-Analyse zur Ermittlung der Na- und interagierenden Cl-Verteilung an vertikalen Schnittflächen des Bohrkerns aufgezeigt. Da der Tausalzeintrag primär über den Zementstein erfolgt, wurde der verfälschende Na-Grundgehalt der Gesteinskörnung mittels Zementsteinkriteriums (Nutzung unterschiedlichen Ca-Gehalts in Zementstein und Gesteinskörnung) eliminiert. Vergleichend durchgeführte Cl-Mappings mit Mikroröntgenfluoreszenzanalyse (MRFA) belegen die Güte der durchgeführten LIBS-Messungen.
Aber auch bei der Verifizierung der Übertragbarkeit der Ergebnisse der zum Ausschluss reaktiver Gesteinskörnung bei Neubau und Erneuerung im BAB-Netz eingesetzten Performanceprüfungen mit externem Alkalieintrag auf Praxisverhältnisse hat sich das LIBSVerfahren bewährt. So wurde festgestellt, dass die mit NaCl-Lösung beaufschlagten Laborprüfkörper aus einem repräsentativen Fahrbahndeckenbeton bei der Klimawechsellagerung (KWL) über ihre gesamte Höhe von 10 cm einen Eintrag von Na und Cl erfahren. Weiterhin konnte im Gegensatz zu bisherigen Annahmen erstmals mit LIBS und Nasschemie gezeigt werden, dass die Frost-Tauwechsel-Phase bei der KWL zu keinem erhöhten Tausalzeintrag führt.