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LIBS ein innovatives und universelles laserspektroskopisches Messverfahren zur Analyse der atomaren Zusammensetzung

Mittels der laser-induzierten Breakdown Spektroskopie (LIBS) kann direkt auf optisch zugänglichen Oberflächen von Baustoffen die Elementverteilung zweidimensional erfasst und grafisch dargestellt werden. Der Vorteil dieses präzisen Verfahrens liegt in der einfachen Probenvorbereitung, der direkten Messung auf der Oberfläche des Festkörpers und der Schnelligkeit der Messung. Die Heterogenität von Beton wird im Ergebnis, mit Hilfe eines Algorithmus, berücksichtigt. Die Konzentrationen von schädigenden Ionen lassen sich bezogen auf den Bindemittelgehalt angeben. LIBS liefert standardmäßig qualitative Werte. Durch Kalibrierung anhand von Referenzproben ist eine Quantifizierung der Ergebnisse möglich.

Bohrkern mit quantitativen Chlorverteilung in der Zementsteinmatrix
dazugehöriges Tiefenprofil

Die laser-induzierte Breakdown Spektroskopie (LIBS) ist ein Verfahren zur Untersuchung und anschliessend zweidimensionalen Darstellung der Elementverteilung an optisch zugänglichen Oberflächen von Baustoffen. Das LIBS-Verfahren beruht auf der Kombination von Plasmaerzeugung durch die Verdampfung einer kleinen Materialmenge mittels mehrerer energiereicher und sehr kurzer Laserpulse sowie einer anschliessenden Messung des Plasmas mittels der optischen Emissionsspektroskopie. Durch das Kalibrieren anhand von Referenzproben ist eine Quantifizierung der Ergebnisse möglich. Den detektierten Spektren können Elemente zugeordnet werden, wobei die jeweilige Intensität Aufschluss über deren Verteilung bzw. Gehalt in der Probe gibt, wodurch die chemische Zusammensetzung bestimmt werden kann. Nach der Auswahl einer geeigneten Messfläche werden die Messungen automatisiert durchgeführt. Die Probenoberfläche wird dabei meanderförmig abgerastert (maximale Auflösung von 0.1 x 0.1 mm). Zur Verstärkung des Cl-Signals und dem Abtransport von Staubpartikeln wird die Umgebung des Brennpunkts mit Heliumgas umspült.

LIBS-Messung an einer vorbereiteten Spritzbetonprobe (Bohrkern)

Durch das zugrundeliegende Prinzip sind grundsätzlich alle Elemente des Periodensystems zeitgleich detektierbar. Es können alle für die Zusammensetzung des Zements und der Gesteinskörnung sowie die für die Schädigungsprozesse im Beton relevanten Elemente (Chlor, Schwefel, Natrium, Kalium, Kohlenstoff und Stickstoff) erfasst und bestimmt werden. Aussagen über den Bindungszustand der chemischen Verbindungen können jedoch nicht getroffen werden.

typisches Multi-Element-Analyseergebnis einer qualitativ basierten LIBS-Messung

Sie können der Valtest AG Proben in Form von Bohrkernen oder Handstücken für die Untersuchungen zustellen. Je nach Fragestellung ist u.U. die Probegrössen entsprechend anzupassen. Für eine Beratung können Sie sich gerne bei uns melden. Im Vergleich zu beispielsweise nasschemischen Analysen entfällt bei LIBS-Untersuchungen eine aufwändige und zeitintensive Probenvorbereitung. Im Normalfall wird auf eine vorgängige Trocknung der Probe verzichtet, da dies zu unerwünschten Stofftransporten oder Mineralumbildungen führen kann. Falls die Probe durch starke Rissbildung beschädigt ist, sind gegebenenfalls vorgängige Stabilisierungsmassnahmen erforderlich, um die Durchführbarkeit der Messung zu garantieren. Auch hier ist darauf zu achten, dass durch den Klebstoff keine zusätzlichen Stoffe in die Probe eingebracht werden. Die Proben werden anschliessend portioniert. Im Normalfall geschieht dies mittels Trockenschneiden, da dadurch unerwünschte Auslaugungseffekte vermieden werden können. In Sonderfällen werden auch spezielle Kühlmittel verwendet.

Grundsätzlich können die Resultate der LIBS-Analysen unterschiedlich ausgewertet und dargestellt werden. Wenn sich die Fragestellung auf einen sehr lokalen punktförmigen Bereich der Probe bezieht oder wenn relative Unterschiede auf der Probenoberfläche interessieren, können Einzelspektren ausgewertet dargestellt und/oder miteinander verglichen werden. Ein wesentlicher Vorteil von LIBS besteht in der Möglichkeit der flächigen Darstellung der Elementverteilungen und -konzentrationen. Die Ergebnisse können dabei entweder qualitativ d.h. rein über die unterschiedlichen Signalintensitäten (relative Unterschiede) dargestellt werden oder es besteht die Möglichkeit der quantitativen Darstellung der Elementverteilung. Dies ist insbesondere für den Nachweis von Chlor im Beton sehr aufschlussreich. Hierzu bedarf es einer vorgängigen Kalibrierung an spezifischen Referenzproben. Bei der quantitativen Auswertung besteht zudem die Möglichkeit unterschiedliche Grenzwerte z.B. beim Chloridgehalt farblich unterschiedlich kodiert darzustellen.

Abb. 01: Vergleich der Spektrallinienauswertung im Bereich von 288.4 nm zwischen verschiedenen Proben und einer Referenzprobe
Abb. 02: Qualitative LIBS-Auswertung am Beispiel des Elements Kohlenstoff (C) durch Betonkarbonatisierung
Abb. 03: Bohrkern aus einer Parkhausdecke: Quantitative LIBS-Auswertung mit Einbezug eines Grenzwerts für den kritischen Chloridgehalt von 0.4 M-%/Z

Bei der quantitativen Auswertung von Proben bedarf es der vorgängigen Kalibrierung an spezifischen Referenzproben. Die regelmässige Durchführung der Kalibrierung bildet dabei ein wichtiger Punkt der Qualitätssicherung des vorliegenden Prüfverfahrens.

Kalibrierkurve mit unterschiedlichen Messzeitpunkten