Analytische Chemie
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In this communication a novel concept for pH sensing is introduced which is specifically adapted to monitor carbonation induced corrosion in concrete structures. The method is based on a ratiometric measurement principle, exploiting the pH sensitive colour switching of thymol blue in the basic pH regime and the emissive properties of two different (Zn)CdSe/ZnS core shell quantum dots. The transition point of thymol blue in a Hydrogel D4 matrix was determined to be at around pH 11.6, which fits ideally to the intended application. Next to the fundamental spectroscopic characterization of the ratiometric response, a new design for a sensor head, suitable for the incorporation into concrete matrices is presented. Toward this, a manufacturing process was developed which includes the preparation of a double layer of polymers containing either thymol blue or a quantum dot mixture inside a porous ceramic tube. Results of a proof-of-priciple performance test of the sensor head in solutions of different pH and in cement specimens are presented, with encouraging results paving the way for future field tests in concrete.
Entwicklung eines luftgekoppelten Ultraschall-Echo-Prüfverfahrens mittels fluidischer Anregung
(2020)
In vielen technischen Bereichen werden Ultraschallverfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (ZfP) eingesetzt um auf Basis der Signalstärke und der Laufzeit Einbauteile und Beschädigungen zu orten. Luftgekoppelter Ultraschall spielt bisher in kommerziellen Anwendungen vor Allem im Bauwesen eine untergeordnete Rolle, da die Differenz der akustischen Impedanzen von Luft und Festkörpern immense Verluste beim Übergang des Schallsignals hervorruft.
Im Rahmen des Promotionsvorhabens soll die Eignung eines neuartigen Anregungsprinzip untersucht werden, mit dem ein Großteil dieser Verluste vermieden werden soll. Anstelle eines Festkörpers soll mit Hilfe einer fluidischen Düse Druckluft zur Signalerzeugung eingesetzt werden. Die Impedanzverluste zwischen Aktuatormembran und Umgebungsluft entfallen daher.
Die gezielte Schallerzeugung durch einen pulsierenden Freistrahl ist weitgehend unerforscht. Es ist daher notwendig, den so erzeugten Schallpuls in der Interaktion mit dem transienten Strömungsfeld zu untersuchen. Das kompressible Medium Luft und die geringen räumlichen Dimensionen einer hochfrequenten Pulsdüse werfen darüber hinaus einige Herausforderungen hinsichtlich der eingesetzten Messtechnik auf. Hier sollen geeignete Verfahren weiterentwickelt und validiert werden, um die Eignung des fluidisch erzeugten Pulses zu überprüfen.
In diesem Vortrag werden erste Messungen an einem fluidischen Schalter mit denen an einem kommerziellen Luftultraschallprüfkopf verglichen.
Monitoring of concrete structures is of utmost importance in maintenance and preservation of infrastructure. As a part of the DFG research group CoDA (Concrete Damage Assessment by Coda Waves), the works within this PhD project aim for identification of damage sensitive parameters extracted from ultrasonic measurements obtained with embedded sensors, the determination of environmental (reversible) influences on the signal and the localisation of damaged areas. The main technique used for the detection of changes in the monitored material is the so-called Coda Wave Interferometry (CWI). It uses the later part of the ultrasonic recording for the detection of small changes in the sensed area and the calculation of a relative velocity change. Using this technique we can show that we are able to detect changes in concrete temperature with ultrasound measurements. This enables temperature correction for ultrasound monitoring with embedded sensors. The crucial point for imaging and localisation with coda waves is the calculation of the so-called sensitivity kernels. We propose the application of numerical wave simulations for the kernel calculations instead of the commonly used diffusivity equation. Using finite-difference wave modelling code from our DFG project partners we are able to calculate those Kernels and first results are shown in this presentation. The major task for the second year will be the development and implementation of the inversion algorithm as well as the preparation of validation experiments.
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.
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.
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.
The effect of particle grain sizes in different cement-based mixtures on the laser-induced plasma evolution is studied using two experimental methods: (i) temporal and spatial evolution of the laser-induced shock wave is investigated using shadowgraphy and two-dimensional plasma imaging, and (ii) temporal and spatial distribution of elements in the plasma is investigated using two-dimensional spectral imaging. This study is motivated by the interest in applying laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) for chemical analysis of concrete, and subsequently obtain information related to damage assessment of structures like bridges and parking decks. The distribution of grain sizes is of major interest in civil engineering as for making concrete different aggregate grain sizes defined by a sieving curve (64mm to 0.125 mm) are needed. Aggregates up to a size of 180 μm can be excluded from the data set, therefore only the amount of small aggregates with a grain size below 180 μm must be considered with LIBS. All components of the concrete with a grain size smaller than 0.125mm are related to the flour grain content. Tested samples consisted of dry and hardened cement paste (water-cement ratio w/z=0.5), which served as a reference. Aggregate mixtures were made by adding flour grains (size 40 μm) and silica fume (size 0.1 μm) in different ratios to cement: 10%, 30%, 50% and 60%, all combined to the remaining percentage of dry or hydrated cement. The visualization results show that a dependance in the evolution of the plasma as a function of sample grain size can be detected only in the initial stages of the plasma formation, that is, at the initial 3 μs of the plasma life. Spectral information reveals the elemental distribution of the silicon and calcium in plasma, in both neutral and ionized form. Here also, a significant effect is observed in the first 1 μs of the plasma lifetime.
Increasing traffic volume on the one hand and ageing infrastructure on the other hand have created many new challenges for maintenance and structural health monitoring of roads and bridges. In the past, many bridges and road structures have been neglected, often resulting in traffic congestion, road closure, and increased repair costs.
This research is concerned with the development of a system to improve the challenge of maintenance and early detection of damage, particularly moisture penetration and corrosion of steel reinforced concrete components. The objective is to develop a method that will also work after 30 years and longer. Many new IoT solutions are equipped with internal energy storage elements (accumulators or batteries) which are inappropriate here, since most relevant signs of concrete degradation occur after decades, where the functioning of such elements are more than questionable. The presented technology approach uses radio-frequency identification (RFID) and enables connectivity to sensors. It offers the advantage of an passive, completely independent energy supply without any energy storage components.
Since the system should be permanently embedded in concrete, it is crucial to develop a long-term stable device which is adapted to the environmental influences of the structure, e.g., long-term resistance in very alkaline environment of pH 13. In numerous experiments, the robustness of the system was tested and evaluated. Various tests with encapsulations to protect the electronics were performed, and for long-term validation different concrete specimens were instrumented with RFID-sensor-systems. Their operating time is now around two years and investigations for signs of fatigue and damage to the encapsulation and the electronics are ongoing.