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Die Kombination aus hoher Korrosionsbeständigkeit und guten mechanischen Eigenschaften von Duplexstählen (DSS) ist auf ihre chemische Zusammensetzung und das ausgewogene Phasenverhältnis von Ferrit (α) und Austenit (γ) zurückzuführen.
Viele industrielle Anwendungen erfordern eine stoffschlüssige Verbindung von DSS. Das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) ist relativ einfach zu handhaben, benötigt nur wenig Platz und ermöglicht ein automatisiertes Schweißen, mit sehr hoher Reproduzierbarkeit und ist daher hervorragend zum Schweißen von DSS.
Während der Erstarrung dieser Dualphasenstähle kann es zu kritischen Phasenverhältnissen von α und γ kommen, was zu Erstarrungsrissen, Korrosionsanfälligkeit, geringerer Duktilität und kritischen Festigkeitswerten führt. Um die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu erhalten, muss daher die α/γ-Verteilung zuverlässig vorhergesagt werden. Dies geschieht in der Regel mit Hilfe des WRC1992-Diagramms. Die Vorhersagegenauigkeit des Ferritgehalts in diesem Diagramm ist jedoch meist nicht genau genug und muss daher optimiert werden. Daher ist es notwendig, selbst kleinste Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung des Schweißguts idealerweise während des Schweißens zu überwachen. Dies wird in diesen Experimenten mit Hilfe der laser-induzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) durchgeführt. Ein großer Vorteil dieser Technik ist die hochgenaue zeit- und ortsaufgelöste Messung der chemischen Zusammensetzung während des Schweißens. In vorherigen Arbeiten wurde bereits die chemische Zusammensetzung im Schweißgut und der WEZ quantifiziert. In der präsentierten Untersuchung wird der Einfluss einzelner Elemente, wie Nb und Cu, auf das resultierende Schweißmikrogefüge untersucht.
The combination of high corrosion resistance and good mechanical properties of duplex steels (DSS) is due to their chemical composition and the balanced phase ratio of ferrite (α) and austenite (γ).
Many industrial applications require a material joint of DSS. Tungsten inert gas (TIG) welding is relatively easy to use, requires little space and allows automated welding, with very high reproducibility and is therefore excellent for welding DSS.
During solidification of these steels, critical phase ratios of α and γ can occur, leading to solidification cracking, susceptibility to corrosion, lower ductility, and critical strength values. Therefore, to obtain the desired material properties, the α/γ distribution must be reliably predicted. This is usually done using the WRC1992 diagram. However, the prediction accuracy of the ferrite content in this diagram is usually not accurate enough and must therefore be optimized. It is therefore necessary to monitor even the smallest changes in the chemical composition of the weld metal, ideally during welding. This is done in these experiments using Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). A major advantage of this technique is the highly accurate time- and spatially-resolved measurement of chemical composition during welding. Previous work has quantified the chemical composition in the weld metal and heat affected zone. In the presented study, the influence of individual elements, such as Nb and Cu, on the resulting weld microstructure is investigated.
In construction and demolition waste (CDW) recycling, the preference to date has been to apply simple but proven techniques to sort and process large quantities of construction rubble in a short time. This contrasts with the increasingly complex composite materials and structures in the mineral building materials industry. An automated, sensor-based sorting of these building materials could complement or replace the practice of manual sorting to improve processing speed, recycling rates, sorting quality, and prevailing health conditions for the executing staff.
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) with near-infrared (NIR) spectroscopy and visual imaging. Joint processing of information (data fusion) is expected to significantly improve the sorting quality of CDW, and may enable the detection and separation of impurities such as SO3-cotaining building materials (gypsum, aerated concrete, etc.)
We present current advances and results about the methodological development combining LIBS with NIR spectroscopy and visual imaging. Here, applying data fusion proves itself beneficial to improve recognition rates. In the future, a laboratory prototype will serve as a fully automated measurement setup to allow real-time classification of CDW on a conveyor belt.
Die Kombination aus hoher Korrosionsbeständigkeit und guten mechanischen Eigenschaften von Duplexstählen (DSS) ist auf ihre chemische Zusammensetzung und das ausgewogene Phasenverhältnis von Ferrit (α) und Austenit (γ) zurückzuführen.
Viele industrielle Anwendungen erfordern eine stoffschlüssige Verbindung von DSS. Das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) ist relativ einfach zu handhaben, benötigt nur wenig Platz und ermöglicht ein automatisiertes Schweißen, mit sehr hoher Reproduzierbarkeit und ist daher hervorragend zum Schweißen von DSS.
Während der Erstarrung dieser Dualphasenstähle kann es zu kritischen Phasenverhältnissen von α und γ kommen, was zu Erstarrungsrissen, Korrosionsanfälligkeit, geringerer Duktilität und kritischen Festigkeitswerten führt. Um die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu erhalten, muss daher die α/γ-Verteilung zuverlässig vorhergesagt werden. Dies geschieht in der Regel mit Hilfe des WRC1992-Diagramms. Die Vorhersagegenauigkeit des Ferritgehalts in diesem Diagramm ist jedoch meist nicht genau genug und muss daher optimiert werden. Daher ist es notwendig, selbst kleinste Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung des Schweißguts idealerweise während des Schweißens zu überwachen. Dies wird in diesen Experimenten mit Hilfe der laser-induzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) durchgeführt. Ein großer Vorteil dieser Technik ist die hochgenaue zeit- und ortsaufgelöste Messung der chemischen Zusammensetzung während des Schweißens. In vorherigen Arbeiten wurde bereits die chemische Zusammensetzung im Schweißgut und der WEZ quantifiziert. In der präsentierten Untersuchung wird der Einfluss einzelner Elemente, wie Nb und Cu, auf das resultierende Schweißmikrogefüge untersucht.
Geschlossene Materialkreisläufe und sortenreine Materialfraktionen sind erforderlich, um hohe Verwertungs und Recyclingquoten in der Bauindustrie zu erreichen Beim Recycling von Bau und Abbruchabfällen wurden bisher bevorzugt einfache, aber bewährte Techniken eingesetzt, um große Mengen Bauschutt in kurzer Zeit zu verarbeiten Dies steht im Gegensatz zu den immer komplexer werdenden Verbundwerkstoffen in der Mineralbaustoffindustrie Die aktuell oft praktizierte händische Klaubung bürgt viele Risiken und Gefahren für das ausführende Personal und basiert lediglich auf offensichtlichen, visuell erkennbaren Unterschieden zur Trennung Eine automatisierte, sensorgestützte Sortierung dieser Baustoffe könnte diese Praxis ergänzen oder ersetzen, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit, die Recyclingraten, die Sortierqualität und die vorherrschenden Gesundheitsbedingungen zu verbessern.
Geschlossene Materialkreisläufe und sortenreine Materialfraktionen sind erforderlich, um hohe Verwertungs und Recyclingquoten in der Bauindustrie zu erreichen Beim Recycling von Bau und Abbruchabfällen wurden bisher bevorzugt einfache, aber bewährte Techniken eingesetzt, um große Mengen Bauschutt in kurzer Zeit zu verarbeiten Dies steht im Gegensatz zu den immer komplexer werdenden Verbundwerkstoffen in der Mineralbaustoffindustrie Die aktuell oft praktizierte händische Klaubung bürgt viele Risiken und Gefahren für das ausführende Personal und basiert lediglich auf offensichtlichen, visuell erkennbaren Unterschieden zur Trennung Eine automatisierte, sensorgestützte Sortierung dieser Baustoffe könnte diese Praxis ergänzen oder ersetzen, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit, die Recyclingraten, die Sortierqualität und die vorherrschenden Gesundheitsbedingungen zu verbessern.
Die Kombination aus hoher Korrosionsbeständigkeit und guten mechanischen Eigenschaften von Duplexstählen (DSS) ist auf ihre chemische Zusammensetzung und das ausgewogene Phasenverhältnis von Ferrit (α) und Austenit (γ) zurückzuführen.
Viele industrielle Anwendungen erfordern eine stoffschlüssige Verbindung von DSS. Das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) ist relativ einfach zu handhaben, benötigt nur wenig Platz und ermöglicht ein automatisiertes Schweißen, mit sehr hoher Reproduzierbarkeit und ist daher hervorragend zum Schweißen von DSS.
Während der Erstarrung dieser Dualphasenstähle kann es zu kritischen Phasenverhältnissen von α und γ kommen, was zu Erstarrungsrissen, Korrosionsanfälligkeit, geringerer Duktilität und kritischen Festigkeitswerten führt. Um die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu erhalten, muss daher die α/γ-Verteilung zuverlässig vorhergesagt werden. Dies geschieht in der Regel mit Hilfe des WRC1992-Diagramms. Die Vorhersagegenauigkeit des Ferritgehalts in diesem Diagramm ist jedoch meist nicht genau genug und muss daher optimiert werden. Daher ist es notwendig, selbst kleinste Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung des Schweißguts idealerweise während des Schweißens zu überwachen. Dies wird in diesen Experimenten mit Hilfe der laser-induzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) durchgeführt. Ein großer Vorteil dieser Technik ist die hochgenaue zeit- und ortsaufgelöste Messung der chemischen Zusammensetzung während des Schweißens. In vorherigen Arbeiten wurde bereits die chemische Zusammensetzung im Schweißgut und der WEZ quantifiziert. In der präsentierten Untersuchung wird der Einfluss einzelner Elemente, wie Nb und Cu, auf das resultierende Schweißmikrogefüge untersucht.
Various industrial applications require the joining of DSS components. Tungsten Inert Gas (TIG) welding is particularly well-suited for this purpose due to the ability to achieve highly reproducible automated welds. However, during solidification of the weld pool, critical phase ratios of ferrite (α) and austenite (γ) may occur, leading to solidification cracking, increased corrosion susceptibility, lower ductility and critical strength values. Hence, in order to achieve the desired material characteristics, it is crucial to accurately predict the α/γ phase ratio within the weld. Conventionally, the WRC-1992 diagram is employed for this purpose. In our study, we used Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) to track alterations in the chemical composition of the weld metal on the surface throughout the welding process. One significant benefit of this method is its capability to provide precise and real-time measurements of chemical compositions during welding, both temporally and spatially. In previous investigations, we could develop routines to quantify the measurement of chemical compositions within the weld metal and the Heat-Affected Zone (HAZ). The conducted research focuses on examining the alterations in chemical concentrations of specific alloying elements, namely Cu and Mn as γ-forming elements, and Nb and Cr as α-forming elements, during welding. These changes are measured in real-time using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). To achieve this, both the ferrite number, determined through magnetic-inductive techniques, and the weld microstructure are analyzed. Through image-analytical methods, a correlation is established between the microstructure and the LIBS data obtained.
Die Kombination aus hoher Korrosionsbeständigkeit und guten mechanischen Eigenschaften von Duplexstählen (DSS) ist auf ihre chemische Zusammensetzung und das ausgewogene Phasenverhältnis von Ferrit (α) und Austenit (γ) zurückzuführen.
Viele industrielle Anwendungen erfordern eine stoffschlüssige Verbindung von DSS. Das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) ist relativ einfach zu handhaben, benötigt nur wenig Platz und ermöglicht ein automatisiertes Schweißen, mit sehr hoher Reproduzierbarkeit und ist daher hervorragend zum Schweißen von DSS.
Während der Erstarrung dieser Dualphasenstähle kann es zu kritischen Phasenverhältnissen von α und γ kommen, was zu Erstarrungsrissen, Korrosionsanfälligkeit, geringerer Duktilität und kritischen Festigkeitswerten führt. Um die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu erhalten, muss daher die α/γ-Verteilung zuverlässig vorhergesagt werden. Dies geschieht in der Regel mit Hilfe des WRC1992-Diagramms. Die Vorhersagegenauigkeit des Ferritgehalts in diesem Diagramm ist jedoch meist nicht genau genug und muss daher optimiert werden. Daher ist es notwendig, selbst kleinste Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung des Schweißguts idealerweise während des Schweißens zu überwachen. Dies wird in diesen Experimenten mit Hilfe der laser-induzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) durchgeführt. Ein großer Vorteil dieser Technik ist die hochgenaue zeit- und ortsaufgelöste Messung der chemischen Zusammensetzung während des Schweißens. In vorherigen Arbeiten wurde bereits die chemische Zusammensetzung im Schweißgut und der WEZ quantifiziert. In der präsentierten Untersuchung wird der Einfluss einzelner Elemente, wie Nb und Cu, auf das resultierende Schweißmikrogefüge untersucht.
Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a spectroscopic method for detecting the chemical composition of optically accessible surfaces. In principle, the measurement of all elements of the periodic table is possible. System calibrations allow 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. To detect element ingress into the concrete, typically cores are taken, cut in half, and LIBS measurements are performed on the cross-section. The high spatial resolution as well as the simultaneous multi-element analysis enables a separate evaluation of the binder-matrix and aggregates. Therefore, the element concentrations can be determined directly related to the cement paste. LIBS measurements are applicable in the laboratory, on-site and also over a distance of several meters.
Common applications include the investigation of material deterioration due to the ingress of harmful ions and their interaction in porous building materials. LIBS is able to provide precise input parameters for simulation and modelling of the remaining lifetime of a structure. Besides the identification of materials, also their composition can be determined on hardened concrete, such as the type of cement or type of aggregate. This also involves the identification of environmentally hazardous elements contained in concrete. Another possible application is the detection of the composition of material flows 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.
This work presents the state of the art concerning LIBS investigations on concrete by showing exemplary laboratory and on-site applications.
LIBS ConSort: Development of a sensor-based sorting method for constuction and demolition waste
(2023)
Closed material cycles and unmixed material fractions are required to achieve high recovery and recycling rates in the building industry. In construction and demolition waste (CDW) recycling, the preference to date has been to apply simple but proven techniques to process large quantities of construction rubble in a short time. This is in contrast to the increasingly complex composite materials and structures in the mineral building materials industry. 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) with near-infrared (NIR) spectroscopy and visual imaging. 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.) 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. We present current advances and results about the test stand development combining LIBS with NIR spectroscopy and visual imaging. In the future, this laboratory prototype will serve as a fully automated measurement setup to allow real-time classification of CDW on a conveyor belt.
The high corrosion resistance and good mechanical properties of duplex stainless steel (DSS) are due to its special chemical composition, which is a balanced phase ratio of ferrite (α) and austenite (γ). Many industrial applications require the integration of DSS components. For this, tungsten inert gas welding (TIG) is an excellent choice, as it allows an automated operation with high reproducibility. However, when the weld pool solidifies, critical ratios of α- and γ- phases can occur, which leads to solidification cracking, increased susceptibility to corrosion, and a decrease in ductility and critical strength. Previous studies have shown that these defects can be caused by the accumulation of manganese and chromium in the heat affected zone (HAZ), and this accumulation can be detected using LIBS.
Unlike conventional LIBS analyses, which requires reference samples to generate a calibration curve, calibration-free LIBS (CF-LIBS) can determine the chemical composition solely from the emission spectrum of the plasma. Numerous publications show that CF-LIBS is a fast and efficient analytical method for quantitative analysis of metal samples.
We present the results of in situ CF-LIBS analysis during TIG DSS welding. Using a new approach, it is possible to quantitatively determine the chemical composition of the weld metal directly in the welding process. The results of the CF-LIBS analysis are compared with the results of the calibration-based PLS analysis and reasonable agreement is found. Thus, the CF-LIBS method offers the significant advantage of quickly measuring in situ the concentrations of the main alloying elements that prevent the formation of welding defects, without the tedious calibration procedure.
Beim Recycling von Bau- und Abbruchabfällen werden bisher bevorzugt einfache, aber bewährte Techniken eingesetzt, um große Mengen an Bauschutt in kurzer Zeit zu verarbeiten. Dies steht im Gegensatz zu den immer komplexer werdenden Verbundwerkstoffen und Strukturen in der Mineralbaustoffindustrie. Die manuelle Sortierung birgt viele Risiken und Gefahren für das ausführende Personal und basiert lediglich auf offensichtlichen, visuell erkennbaren Unterschieden zur Trennung. Eine automatisierte, sensorgestützte Sortierung dieser Baustoffe könnte diese Praxis ergänzen oder ersetzen, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit, die Recyclingquoten, die Sortierqualität und die gesundheitlichen Bedingungen zu verbessern.
Ein gemeinsames Projekt von Partnern aus Industrie und Forschungseinrichtungen nähert sich dieser Aufgabe, indem es die Kombination von Laser-induzierter Breakdown-Spektroskopie (LIBS) und VIS/NIR-Spektroskopie untersucht und testet. Durch die gemeinsame Verarbeitung der Informationen soll die Sortierqualität verschiedener Materialien wie Beton, Hauptmauerwerksbaustoffe, organische Bestandteile usw. deutlich verbessert werden. Darüber hinaus könnten Verunreinigungen wie SO3-haltige Baustoffe (Gips, Porenbeton usw.) erkannt und getrennt werden.
Wir stellen aktuelle Fortschritte und Ergebnisse der Entwicklung eines Prüfstands vor, der LIBS mit NIR-Spektroskopie und visueller Bildgebung kombiniert. In Zukunft wird dieser Laborprototyp als vollautomatischer Messaufbau dienen, um eine Echtzeitklassifizierung von Bau- und Abbruchabfällen auf einem Förderband zu ermöglichen.
Measurement of hydrogen concentration in steel using Laser-induced Breakdown spectroscopy (LIBS)
(2023)
Currently, the ISO 3690 standard requires a thermal activation of the diffusible hydrogen in weld metal for the subsequent ex situ concentration measurement by TDS. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) would offer a time and spatially resolved, almost non-destructive, measurement of hydrogen at surfaces. We could already show that this analysis technique allows for highly accurate in situ measurements of chemical compositions of e.g. Mn, Cr and Ni during welding e.g. in the melt pool, the weld metal or the heat affected zone. For quantitative LIBS measurements of hydrogen in steel, certified reference materials with different hydrogen concentrations were used for calibration.
There is a significant problem in welding steels: A critical combination of diffusible hydrogen, hardness microstructure and weld residual stresses can cause cold cracks to form in the weld microstructure. We investigated hydrogen in steels, which was loaded either electrochemically or with high-pressure hydrogen gas. Subsequently, various experiments were conducted to verify the feasibility of hydrogen measurements with LIBS. For example, depth profiles of hydrogen distribution could be obtained. Furthermore, samples were water jet cut and a line scan was made over the cross section to obtain a spatially resolved representation of the hydrogen. Total hydrogen concentrations were determined using carrier gas hot extraction. Our results show that LIBS is a promising technique for time and spatially resolved measurement of hydrogen in steels.
Duplex stainless steels (DSS) are frequently used, especially in applications requiring high strength combined with high corrosion resistance in aggressive media. Examples include power plant components and maritime structures. During welding of these steels, local variations in chemical composition can occur. This results in ferritization of the material and negatively affects the mechanical properties of the components. In this work, tungsten inert gas (TIG) welding experiments were performed with DSS. Chemical composition analysis was realized in situ by using Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). The aim of the work is to quantitatively measure the chemical composition in the weld seam of various DSS and to identify possible influences of welding parameters on the microstructure of the material. The chemical concentrations of the main alloying elements Cr, Ni, Mn on the surface of the sample during the welding process and the cooling process were measured. Mn and Ni are austenite stabilizers and their content increases during welding by using certain high alloyed filler material. Spectra were recorded every 1.3 s at a spacing of approximately 2 mm. During the cooling process the location of the measurement was not changed. The LIBS method is proofed to be suitable for the quantitative representation of the chemical compositions during the welding process.
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.
Nichtrostende Duplexstähle (DSS) werden häufig verwendet, insbesondere bei Anwendungen, die eine hohe Festigkeit in Verbindung mit einer hohen Korrosionsbeständigkeit in aggressiven Medien erfordern. Beispiele hierfür sind Kraftwerkskomponenten und maritime Anwendungen. Beim Schweißen dieser Stähle kann es zu lokalen Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung kommen. Dies führt zu einer Ferritisierung des Werkstoffs und beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften der Bauteile. In dieser Arbeit wurden Versuche zum Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) mit DSS durchgeführt. Die Analyse der chemischen Zusammensetzung wurde in situ mit Hilfe der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) durchgeführt. Ziel der Arbeit ist es, die chemische Zusammensetzung in der Schweißnaht verschiedener DSS quantitativ zu messen und mögliche Einflüsse der Schweißparameter auf die Mikrostruktur des Werkstoffs zu ermitteln. Gemessen wurden die chemischen Konzentrationen der Hauptlegierungselemente Cr, Ni, Mn auf der Oberfläche der Probe während des Schweißprozesses und des Abkühlungsprozesses. Mn und Ni sind Austenitstabilisatoren, deren Gehalt beim Schweißen durch die Verwendung bestimmter hochlegierter Schweißzusatzwerkstoffe zunimmt. Die Spektren wurden alle 1,3 s in einem Abstand von etwa 2 mm aufgezeichnet. Während des Abkühlungsprozesses wurde der Ort der Messung nicht verändert. Die LIBS-Methode eignet sich nachweislich zur quantitativen Darstellung der chemischen Zusammensetzungen während des Schweißvorgangs.
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 main application of LIBS in civil engineering is the detection of harmful ions in concrete, which can penetrate the component through the porous concrete structure. The advantages of LIBS over standard methods are the possibility of multi-element analysis, measurement speed, spatially resolved measurements, and minimal sample preparation. The spatially resolved measurements of LIBS allow the assessment of the heterogeneity of the concrete by measuring separately the chemical composition of the aggregates and the binder matrix. The latter is particularly relevant because the determined elemental distribution can be directly related to the binder matrix. This is not possible with standard methods, since the material is homogenized to powder during sample preparation stage and the determined concentration is thus related to the total mass. In addition to the use of LIBS for the specific analysis of individual harmful ions, LIBS can also be used to estimate the concrete composition and thus determine, for example, the type of cement used. Corresponding information are relevant for the estimation of the remaining service life and for the preparation of a maintenance concept. In recent years, LIBS has been increasingly used in civil engineering. Currently, however, it is primarily used in research institutions and only occasionally in building materials laboratories. Special commercial devices have also been developed, which greatly simplify the application due to the high degree of automation. Mobile LIBS systems allow on-site application. A central point, which limits the use of LIBS in the commercial sector, is the lack of norms and standards. Therefore, within the framework of a project funded by the German government, work has been carried out on the preparation of a leaflet on quantitative chlorine determination in concrete, which will be published this year. In interlaboratory comparisons the robustness and accuracy for the practical application was demonstrated. LIBS also has great potential in the recycling of construction waste in conjunction with hyperspectral sensors. This issue is currently being addressed in a national project. During the presentation, the state of the art of LIBS in civil engineering will be presented, next steps will be discussed, and future challenges will be outlined.
LIBS is a complementary method to XRF and can detect all elements without the need for vacuum conditions. Automated systems are already commercially available capable of scanning surfaces with a resolution of up to 0.1 mm within a few minutes. In addition to possible applications in R&D, LIBS is also used for practical applications in building materials laboratories and even on-site.
In view of ageing infrastructure facilities, a reliable assessment of the condition of concrete structures is of increasing interest. For concrete structures, the ingress of potential harmful ions is affecting the serviceability and eventually structural performance. Pitting corrosion induced by penetrating chlorides is the dominant deterioration mechanism. Condition assessment based on frequently performed chloride profiling can be useful to identify the extent and evolution of chloride ingress. This could prove to be more economical than extensive repairs, especially for important infrastructure facilities.
Currently the most common procedure for determining the chloride content is wet chemical analysis with standard resolution of 10 mm. The heterogeneity is not considered. LIBS is an economical alternative for determining the chloride content at depth intervals of 1 mm or less. It provides 2D distributions of multiple elements and can locate spots with higher concentrations. The results are directly correlated to the mass of binder and can also be performed on-site with a mobile LIBS-System.
The application of a LIBS-system is presented. Calibration is required for quantitative analysis. Concrete cores were drilled, sliced and analyzed to determine the 2D-distribution of harmful elements. By comparing the chloride ingress and the carbonation, the interaction of both processes can be visualized in a measurement that takes less than 10 minutes for a 50 mm x 100 mm drill core.
A leaflet on the use of LIBS for the chloride ingress assessment has been completed.