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Organisationseinheit der BAM
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz vermehrt AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken aufgetreten. Ursächlich hierfür ist die Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnung. Dies führt bei gleichzeitiger Anwesenheit von Wasser infolge der Exposition der Fahrbahndecke und des alkalischen Milieus durch den Einsatz alkalireicher Portlandzemente bei der Betonherstellung zu einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR). 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 sind hierbei der relativ hohe prüftechnische Aufwand und die eingeschränkte Ortsauflösung. Der alternative Einsatz von LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) eröffnet in diesem Kontext neue Möglichkeiten. So wird in diesem Beitrag anhand von Bohrkernen aus einem repräsentativen AKR-geschädigten BAB-Abschnitt exemplarisch die Vorgehensweise bei der LIBS-Analyse zur Ermittlung der Na- und Cl-Verteilung an vertikalen Schnittflächen von Bohrkernen aufgezeigt. Da der Tausalzeintrag primär über den Zementstein erfolgt, wurde der verfälschende Na-Grundgehalt der Gesteinskörnung mittels eines Ausschlusskriteriums (Ca-Gehalt) eliminiert. Vergleichend durchgeführte Cl-Mappings mit Mikroröntgenfluoreszenzanalyse sowie nasschemische Analysen belegen die Güte der durchgeführten LIBS-Messungen. Allerdings bedarf es bei der quantitativen Ermittlung des Natriumgehaltes in der Betonfahrbahndecke noch weitergehender Untersuchungen.
2D evaluation of spectral LIBS data derived from heterogeneous materials using cluster algorithm
(2017)
Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is capable of providing spatially resolved element maps in regard to the chemical composition of the sample. The evaluation of heterogeneous materials is often a challenging task, especially in the case of phase boundaries. In order to determine information about a certain phase of a material, the need for a method that offers an objective evaluation is necessary. This paper will introduce a cluster algorithm in the case of heterogeneous building materials (concrete) to separate the spectral information of non-relevant aggregates and cement matrix. In civil engineering, the information about the quantitative ingress of harmful species like Cl−, Na+ and SO2−4 is of great interest in the evaluation of the remaining lifetime of structures (Millar et al., 2015; Wilsch et al., 2005). These species trigger different damage processes such as the alkali-silica reaction (ASR) or the chloride-induced corrosion of the reinforcement. Therefore, a discrimination between the different phases, mainly cement matrix and aggregates, is highly important (Weritz et al., 2006). For the 2D evaluation, the expectation-maximizationalgorithm (EM algorithm; Ester and Sander, 2000) has been tested for the application presented in this work. The method has been introduced and different figures of merit have been presented according to recommendations given in Haddad et al. (2014). Advantages of this method will be highlighted. After phase separation, non-relevant information can be excluded and only the wanted phase displayed. Using a set of samples with known and unknown composition, the EM-clustering method has been validated regarding to Gustavo González and Ángeles Herrador (2007).
For the damage assessment of reinforced concrete structures the quantified ingress profiles of harmful species like chlorides, sulfates and alkali need to be determined. In order to provide on-site analysis of concrete a fast and reliable method is necessary. Low transition probabilities as well as the high ionization energies for chlorine and sulfur in the near-infrared range makes the detection of Cl I and S I in low concentrations a difficult task. For the on-site analysis a mobile LIBS-system (k = 1064 nm, Epulse ≤ 3 mJ, t = 1.5 ns) with an automated scanner has been developed at BAM. Weak chlorine and sulfur signal intensities do not allow classical univariate analysis for process data derived from the mobile system. In order to improve the analytical performance multivariate analysis like PLS-R will be presented in this work. A comparison to standard univariate analysis will be carried out and results covering important parameters like detection and quantification limits (LOD, LOQ) as well as processing variances will be discussed (Allegrini and Olivieri, 2014 [1]; Ostra et al., 2008 [2]). It will be shown that for the first time a low cost mobile system is capable of providing reproducible chlorine and sulfur analysis on concrete by using a low sensitive system in combination with multivariate evaluation.