Analytische Chemie
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X-rays without X-rays: Can muon tomography provide pictures from within concrete and other objects?
(2024)
Until the 1980s radiography was used to inspect civil structures in case of special demands and showed a much better resolution than other NDT techniques. However, due to safety concerns and cost issues, this method is almost never used anymore. Meanwhile, non-destructive techniques such as ultrasound or
radar have found regular, successful practical application but sometimes suffer from limited resolution and accuracy, imaging artefacts or restrictions in detecting certain features when applied to reinforced or prestressed concrete inspection.
Muon tomography has received much attention recently. Muons are particles generated naturally by cosmic rays in the upper atmosphere and pose no risk to humans. Novel detectors and tomographic imaging algorithms have opened new fields of application, mainly in the nuclear sector, but also in spectacular cases such as the Egyptian pyramids.
As a first step towards practical application in civil engineering and as a proof of concept we used an existing system to image the interior of a reference reinforced 600 kg concrete block. Even with a yet not optimized setup for this kind of investigation, the muon imaging results have been at least of similar quality compared to ultrasonic and radar imaging, potentially even better. Recently, the research was expanded to more realistic testing problems such as the detection of voids in certain structural elements. However, before practical implementation, more robust, mobile, and affordable detectors would be required as well as user-Friendly imaging and simulation software.
The talk also discusses other applications , such as volcanology, mining and geothermal exploration.
In ultrasonic testing, material and structural properties of a specimen can be derived from the time-of-flight (ToF). Using signal features, such as the first peak or envelope maximum, to calculate the ToF is error-prone in multipath arrangements or dispersive and attenuating materials, which is not the case for the signal onset. Borrowing from seismology, researchers used the Akaike information criterion (AIC) picker to automatically determine onset times. The most commonly used formulation, Maeda's AIC picker, is reassessed and found to be based on inappropriate assumptions for signals often used in ultrasonic testing and dependent on arbitrary parameters. Consequently, an onset picker for ultrasonic through-transmission measurements is proposed, based on a spectral entropy criterion (SEC) to model the signal using the AIC framework. This SEC picker takes into account the spectral properties of the ultrasonic signal and is virtually free of arbitrary parameters. Synthetic and experimental data are used to compare the performance of SEC and AIC pickers. It is shown that the accuracy of onset picking is improved for densely sampled data.
AbstractAir‐coupled ultrasonic testing (ACU) is a pioneering technique in non‐destructive testing (NDT). While contact testing and fluid immersion testing are standard methods in many applications, the adoption of ACU is progressing slowly, especially in the low ultrasonic frequency range. A main reason for this development is the difficulty of generating high amplitude ultrasonic bursts with equipment that is robust enough to be applied outside a laboratory environment. This paper presents the fluidic ultrasonic transducer as a solution to this challenge. This novel aeroacoustic source uses the flow instability of a sonic jet in a bistable fluidic switch to generate ultrasonic bursts up to 60 kHz with a mean peak pressure of 320 Pa. The robust design allows operation in adverse environments, independent of the operating fluid. Non‐contact through‐transmission experiments are conducted on four materials and compared with the results of conventional transducers. For the first time, it is shown that the novel fluidic ultrasonic transducer provides a suitable acoustic signal for NDT tasks and has potential of furthering the implementation of ACU in industrial applications.This article is protected by copyright. All rights reserved
This technical note highlights the fact that CF-LIBS algorithms work in mole fractions, while results of spectrochemical analysis are usually reported in mass fractions or mass percent. Ignoring this difference and not converting mole fractions to mass fractions can lead to errors in reported concentrations determined by the CF-LIBS method and inadequate comparison of these concentrations with certified concentrations. Here, the key points of the CF-LIBS algorithm are reproduced and the formulae for converting a mole fraction to a mass fraction and vice versa are given. Several numerical examples are also given, which show that the greater the difference between the molar mass of an individual element in a sample and the average molar mass, the greater the discrepancy between the mole and mass fractions.
Bei der Erhaltung von Stahlbetonbauwerken ist der Chloridgehalt im Beton ein wichtiger Parameter zur Festlegung geeigneter Instandsetzungsmaßnahmen. Die bisher etablierten Verfahren basieren auf der nasschemischen Analyse einer Probe, Bohrmehl oder aufgemahlener Segmente eines Bohrkerns. Das Verfahren liefert einen Chloridgehalt je Tiefensegment, was mit einer starken Homogenisierung der Probe einhergeht, wodurch detaillierte Informationen zu Chloridunterschieden im Millimeterbereich verloren gehen. Eine alternative Methode ist die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS), die nicht nur die quantitative ortsaufgelöste Bestimmung des Chloridgehalts im Bezug zur Zementmasse ermöglicht, sondern auch simultan detaillierte Informationen über die Verteilung vieler anderer chemischer Elemente liefert. Die räumliche Auflösung liegt in der Regel im Bereich von einigen Millimetern, kann aber bei Bedarf auf 0,1 mm oder weniger erhöht werden. Das neue Merkblatt B14 „Quantifizierung von Chlorid in Beton mit der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS)“ der Deutschen Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfungen (DGZfP) regelt und vereinheitlicht erstmals die zuverlässige und reproduzierbare Ermittlung des Chloridgehalts mit LIBS. In diesem Beitrag wird das Merkblatt vorgestellt und anhand praktischer Anwendungsbeispiele das Potenzial von LIBS für Fragestellungen in der Betonerhaltung verdeutlicht.
Concrete structures experience severe damage during service, for example due to pitting corrosion of rebars caused by the ingress of chlorine (Cl) into the porous concrete structure. The ingress can be monitored using laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), a recently introduced civil engineering technique used to detect Cl in concrete structures in addition to conventional wet chemistry methods. The key advantages of LIBS are high spatial resolution, which is important when analyzing heterogeneous concrete samples, as well as the almost complete absence of sample preparation. To assess LIBS as a reliable analytical method, its accuracy and robustness must be carefully tested. This paper presents the results of an interlaboratory comparison on the analysis of Cl in cement paste samples conducted by 12 laboratories in 10 countries. Two sets of samples were prepared with Cl content ranging from 0.06 to 1.95 wt% in the training set and 0.23–1.51 wt% in the test set, with additional variations in the type of cement and Cl source (salt type). The overall result shows that LIBS is suitable for the quantification of the studied samples: the average relative error was generally below 15%. The results demonstrate the true status quo of the LIBS method for this type of analysis, given that the laboratories were not instructed on how to perform the analysis or how to process the data.
Im Rahmen des Seminars "Angewandte Forschungsthemen (SAFT)" am Institut für Geowissenschaften der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel werden verschiedene geophysikalische Methoden vorgestellt, die bei der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen zum Einsatz kommen. Neben einem Überblick der Arbeiten an der BAM im Allgemeinen und dem Fachbereich im Besonderen geht es vor allem um den Einsatz von Ultraschallmethoden. Drei wesentliche Schwerpunkte werden dabei beleuchtet:
1) (Geophysikalische) Antworten auf Herausforderungen bei Ultraschall-Anwendungen
2) Material research and multi-sensory monitoring for concrete sealing structures in rock salt unterground repositories (Projekt SealWasteSafe)
und 3) Untersuchung von Spritzbeton-Probekörpern unter Tage mit Ultraschall zur Qualitätssicherung von Verschlussbauwerken.
Insgesamt werden diverse Möglichkeiten für die Geophysik für Forschung und Studierende im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen aufgezeigt.
Moisture testing and mapping
(2023)
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.