Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a combination of laser ablation and optical emission spectroscopy. Due to the possibility of direct measurements on the sample surface with a minimum of sample preparation investigations of building materials can be conducted quite fast. In combination with a scanning technique (translation stage or scanning mirrors head) 2D element distributions of harmful species like chlorides and alkalis are evaluated with a sub-mm resolution. By scanning a surface of typically 100 mm x 100 mm the heterogeneity of the material may be considered. LIBS is capable to identify hot spots in element concentration with a resolution of 0.1 mm or even smaller. A LIBS-system for the on-site application on building materials is, in cooperation with system developers and companies which will use this technique for investigation on real structures, under test at BAM. We present an example. Further work will focus on providing guidelines to establish LIBS as a standard procedure for chemical investigations of building materials.
A laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) system was combined with the Gas Tungsten Arc (TIG) Welding process for the in situ monitoring of chemical compositions in austenitic stainless steels during welding. The purpose of this project is to develop a prototype of an online chemical composition control system for welding applications. One of the use cases of this new LIBS-based measurement system can be the controlling of potentially dangerous emissions during the welding process in order to improve the working safety conditions.
Time- and space-resolved in situ LIBS measurements of chemical compositions during TIG-welding
(2017)
An in situ monitoring of chemical compositions in the weld pool and the heat affected zone (HAZ) can enable the control of the welding process through the regulation of the welding parameters, and thus can prevent possible weld defects.
The most critical parameter for hot cracking -from a metallurgical point of view- is the chemical composition of the weld pool.
Chemical composition can be measured and quantified during the welding process with the LIBS technique having the appropriate calibration measurements.
The Tungsten Inert Gas (TIG) welding process was combined with a Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) system for the in situ measurement of chemical compositions in austenitic stainless steels. The main aim of this project was the development of a prototype for a real-time chemical composition analysis system for welding applications. In principle, the measurement of the weld pool composition allows governing the weld pool solidification behaviour by controlling the welding parameters. This control loop allows avoiding weld defects.
Chemical compositions of the weld seam is from a metallurgical point of view the most critical parameter for the occurrence of weld defects. Additionally, this new LIBS-based measurement system can be used for the monitoring and controlling of potentially dangerous emissions during the welding process in order to improve the working safety conditions. Preliminary investigations show that the chemical composition measurement of welds with LIBS is possible during and after welding.
For concrete production aggregates, cement and water are mixed together and after 28 days of hydration a porous and multiphase material is formed. To consider the heterogeneity of concrete a 2D scanning system is used. The coarse aggregates (limit > 2 X d ) can be excluded. laser spot The remaining content is a mixture of flour grains and cement particles (micro heterogeneity). Harmful species like chlorides may penetrate together with water through the capillary pore space. A quantification of Cl regarding to the cement content only (European standard EN 206) is necessary for the damage assessment. A LIBS system operating with a NdCr:YAG laser (pulse energy of 3 mJ, a wavelength of 1064 nm, a pulse width of 1.5 ns, a repetition rate of 100 Hz) and two Czerny-Turner spectrometer (UV and NIR range) have been used.
Concrete is a multiphase material made of cement, aggregates and water. The heterogeneity of concrete is a result of mixing aggregates (grain size between 0.125 mm to 32 mm) and cement (grain size < 0.04 mm) together. There are always aggregates with a grain size below 0.125 mm (flour grains) therefore the cement matrix is always a mixture of these small particles. Different grain size distributions by making concrete are important to ensure the needed density and com-pressive strength. In order to estimate the remaining lifetime of concrete structures the quantification of element concentra-tions of alkali and chlorides regarding to the cement matrix only (1/3 of the total mass), is a major concern in civil engineer-ing. Due to two-dimensional scanning with LIBS the coarse aggregates can be evaluated and excluded from the analysis. In the case of particles (flour grains and cement) smaller than the laser spot size, the microscopic hetero-geneity influences the laser-plasma interaction and has therefore an impact on the results. In this study the influence of the micro-heterogeneity and the impact on the laser-material interaction is examined. The effect of changing ratios between cement particles and aggregate particles in the laser-induced plasma has been analyzed (see figure 1, right). Therefore, different samples with defined grain sizes are prepared and the obtained distributions were analyzed with x-ray diffraction (XRD). For the LIBS measurements, an automated system that operates with a low energy NdCr:YAG laser (pulse energy of 3 mJ, a wavelength of 1064 nm, a pulse width of 1.5 ns, a repetition rate of 100 Hz) and a NIR Czerny-Turner spectrometer has been used.
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.
Die Probenpräparation ist ein Teil im Prozess der Baustoffuntersuchung und muss dementsprechend sorgfältig geplant werden. Die Probenpräparation ist letztendlich der Grundstein für alle folgenden Untersuchungen, somit wirken sich alle hier getroffenen Entscheidungen direkt auf die Qualität der Ergebnisse aus.
Die vorstehend dargestellten Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
• Mit dem für die mechanische Vorschädigung entwickelten Versuchsstand und gewählten Prüfregime können die für die ermüdungsinduzierte Schadensevolution typische stabilisierende und stabile Phase in der auf Zug beanspruchten Betonrandzone gut abgebildet werden. So wurde dort zum Beispiel, ausgehend von dem hier gewählten praxisnahen Belastungsregime, mit Ultraschall in der Ruhephase durch das Trockenschwingen ein maximaler Abfall des relativen dynamischen E-Moduls von ca. 8 - 10 % ermittelt.
• Mit aufbauenden kapillaren Aufsaugversuchen wurde gezeigt, dass die erzeugte Betondegradation zu einer moderaten Erhöhung der Aufnahme des Prüfmediums führt.
• Zur Bewertung der Auswirkungen einer alleinigen Vorschädigung (Trockenschwingen) auf die schädigende AKR mittels Performance-Prüfung ist die Klimawechsellagerung aufgrund der einseitigen Tausalzbeaufschlagung am besten geeignet. Die hier ermittelten Dehnungsverläufe lassen auf einen moderaten Einfluss der mechanischen Vorschädigung auf die AKR schließen.
• Die zusätzlich im Kontext der Nasschwingversuche durchgeführten 60°C Betonversuche zeigen, dass die zyklische Beanspruchung vor und nach dem Aufbringen der Tausalzlösung die schädigende AKR gleichfalls moderat erhöht.
In derzeit laufenden ergänzenden Untersuchungen wird der separate Einfluss der ermüdungsinduzierten Rissbildung auf die schädigende AKR an homogen, stärker geschädigten Prüfkörpern mit einem hohen inneren AKR-Schädigungspotenzial im 60°C Betonversuch grundhaft analysiert. Zusätzlich wird gegenwärtig der Einfluss der degradierten Betonrandzone auf die Dehnungsverteilung an großformatigen Prüfkörpern
über die Höhe im 40°C Betonversuch vertiefend für die makroskopische Modellierung untersucht.