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Fachtagung Bauwerksdiagnose 2016 – Poster 12
1 Lizenz: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
Mobiles LIBS-System
zur Cl--Analyse an einer
Stahlbeton-Hohlkastenbrücke
Steven MILLAR 1
, Thorsten EICHLER 1
, Gerd WILSCH 1
, Cassian GOTTLIEB 1
,
Christian Bohling 2
, André MOLKENTHIN 3
1 BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin, [email protected]
2 SECOPTA GmbH, Berlin, [email protected]
3 Specht, Kalleja & Partner GmbH, Berlin, [email protected]
Kurzfassung
Das Ziel der Untersuchungen war es, die Bereiche an der Stahlbeton-Hohlkastenbrücke zu
lokalisieren, die dem höchsten Salzangriff (Chlorid) ausgesetzt sind. Die Ergebnisse bilden
die Grundlage für die spätere Entnahme der Bohrkerne und eine optimale Prognose zur
Restlebensdauer des Bauwerks. Die Leistungsfähigkeit des mobilen LIBS-Systems in rauen
klimatischen Bedingungen sollte demonstriert werden.
Brücken aus Stahlbeton die der Einwirkung von Meerwasser ausgesetzt sind,
müssen in regelmäßigen Intervallen auf Chlorid-Eintrag untersucht werden. Dafür werden
nach aktuellem Stand der Technik Bohrkerne oder Bohrmehlproben am Bauwerk
entnommen und im Labor nasschemisch untersucht. Für die Bestimmung der Chlorid-
Gehalte in Beton kommt die potentiometrische Titration zum Einsatz, die in Deutschland
im Heft 401 der DAfStb geregelt ist.
Die Lage der Entnahmestellen wird vom begutachtenden Ingenieur subjektiv
gewählt. Welche Bereiche einer Brücke am ehesten einem Salzangriff ausgesetzt sind, sind
dabei weitestgehend ungeklärt. Zudem muss jede Brücke, hinsichtlich der Exposition,
individuell betrachtet werden. Mit dem mobilen LIBS-System sollte deshalb ermittelt
werden, an welchen Stellen die beschriebenen Entnahmen vorgenommen werden sollten.
Dafür wurde ein Brückenelement (Länge = ca. 45 m) exemplarisch ausgewählt.
Um eine möglichst umfangreiche Aussage über die Salz-Gehalte an den
Betonoberflächen erzielen zu können, wurden insgesamt 23 Messflächen an dem
ausgewählten Brückensegment abgescannt. Die Flächen verteilen sich auf den Kragarm,
den oberen Stegbereich, den unteren Stegbereich (alle mit Orientierung in Richtung der
Nordsee) und die Bodenplatte. Die Größe einer Fläche wurde mit 100 mm × 100 mm
festgelegt und mit einer Auflösung von 2,0 mm × 2,0 mm gemessen. Bei einer
Messfrequenz von 50 Hz wurde je Fläche eine Messzeit von ca. 10 min benötigt. Das
Umsetzen des Untersichtgerätes, auf dem das mobile LIBS-System positioniert wurde,
sowie die Anbringung des Scanners dauerten pro Messfläche maximal 25 min. Die Ergebnisse der Messungen sind auf dem Poster dargestellt. Die höchsten
Chloridkonzentrationen wurden im oberen Bereich des Steges detektiert. An den
horizontalen Flächen wurde eine vergleichsweise geringe Chlorid-Belastung ermittelt.
www.bam.de
Mobiles LIBS-System zur Cl--Analyse an einer Stahlbeton-Hohlkastenbrücke
S. Millar1, G. Wilsch1, T. Eichler1, C. Gottlieb1, C. Bohling2, A. Molkenthin3
Laser-induzierte Breakdown Spektroskopie (LIBS) - Prinzip
Ein gepulster Laserstrahl wird mit Hilfe von Linsen auf eine Probenoberfläche fokussiert. Durch die hohe Energiedichte (> 2 GW/cm²) im Fokus werden geringe Mengen (typisch sind einige μg) des Baustoffes verdampft und ein Plasma erzeugt. Die emittierte Strahlung wird über eine optische Faser zu einem Spektrometer mit angeschlossener CCD-Kamera geleitet. Die Analyse der Strahlung liefert quantitative Aussagen über die Elementverteilung. Die Heterogenität des Beton wird durch ortsaufgelöste Messung mittels Scanner berücksichtigt.
Beispiel LIBS-System
Motivation
Das Ziel der Untersuchungen war es, die Bereiche an der Stahlbeton-Hohlkasten-brücke zu lokalisieren, die dem höchsten Salzangriff (Chlorid) ausgesetzt sind. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die spätere Entnahme der Bohrkerne und eine optimale Prognose zur Rest-lebensdauer des Bauwerks. Die Leistungsfähigkeit des mobilen LIBS-Systems in rauen klimatischen Bedingungen sollte demonstriert werden.
Messungen
Insgesamt wurden 23 Messflächen an einem 45 m langem Brückensegment auf ihre Chlorid-Belastung untersucht. Die Flächen von 100 mm x 100 mm wurden mit einer Auflösung von 2 mm x 2 mm gescannt. Mit einer Pulsfrequenz von 50 Hz dauerte eine Messung ca. 10 Minuten. Die Untersuchungen erfolgten in vier Bereichen: Kragarm, Stegoben, Stegunten und Bodenplatte.
Links oben: Übersichtsfoto der an der Nordsee gelegenen Stahlbeton-Hohlkastenbrücke Rechts oben: Panoramabild des untersuchten Brückensegmentes Links unten: Das mobile LIBS-System im Einsatz. Der Laserkopf mit dem dazugehörigen Scansystem wurden mit Druckluft über Kopf an dem Kragarm befestigt Rechts unten: Skizze des Brückensegmentes und Lage der 23 Messflächen
Links: Quantitative Visualisierung der Cl- Verteilung der Messfläche MF1-KA Mitte: Quantitative Cl- Konzentration in M.-% über die Höhe der Messfläche MF1-KA Rechts: Übersicht der Cl- Verteilung am Brückensegment in Abhängigkeit vom Bereich und der Lage der Messflächen
Ergebnisse und Ausblick Um einen Überblick über die Chlorid-Exposition in Abhängigkeit von der Lage zu bekommen, wurden die Ergebnisse der Messungen in dem Diagramm links zusammengefasst dargestellt. Die höchsten Chloridkonzentrationen wurden im oberen Bereich des Steges detektiert. An den horizontalen Flächen wurde eine vergleichsweise geringe Chlorid-Belastung ermittelt. Um die Ergebnisse zu verifizieren, werden zu einem späteren Zeitpunkt an den Messstellen Bohrkerne entnommen und im Labor mit LIBS untersucht. So kann eine Korrelation zwischen den an der Oberfläche ermittelten Konzentrationen und dem Volumenwert bestimmt werden.
Das Verbundforschungsprojekt BauLIBS wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft (BMWi) gefördert. Weiterhin bedanken wir uns bei unseren Partnern Secopta GmbH und Specht, Kalleja & Partner GmbH für die erfolgreiche Zusammenarbeit.. 1 BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -rüfung, 12205 Berlin, E-Mail: [email protected] 2 SECOPTA GmbH, 12459 Berlin, Deutschland 3 Specht, Kalleja & Partner GmbH, 10589 Berlin, Deutschland
Kragarm
Stegoben
Stegunten
Bodenplatte
0
20
40
60
80
100
0,0 1,0 2,0 3,0
Höh
e in
mm
Chlorid in M.-%/verdampftes Volumen
Linienmittelwerteinfache Standardabweichung
øCl- = 0,72 M.-%
Breite in mm
Höh
e in
mm
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
8 15 20 26 33 40
Chlo
r in
M.-
%/
verd
ampf
tes
Volu
men
Lage in m
KragarmSteg, obenSteg, untenBodenplatte
