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Quantifizierung von Chloriden in zementbasierten Feststoffen durch orts- und zeitaufgelöste Messung von Molekülemissionen in der laserinduzierten Plasmaspektroskopie

  • Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Anwendung des sogenannten Molekül-LIBS Verfahrens, einem neuartigen Ansatz der Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), um den Nachweis für Lochkorrosion auslösende Chloride in Betonbauwerken, die z.B. durch Streusalze im Winter eingetragen werden, zu optimieren. Die potentiometrische Titration als Standardverfahren zur Chloridbestimmung in der Baustoffanalytik weist neben einem hohen Kosten- und Zeitaufwand den entscheidenden Mangel auf, dass die Bestimmung der Chloridkonzentration auf die Gesamtmasse des Betons bezogen wird und nicht wie in der europäischen Norm EN 206 gefordert auf den Zementanteil. Die bildgebenden Möglichkeiten von LIBS zur Phasentrennung des Betonserfüllen diese Forderung. LIBS wurde bereits 1998 von der BAM in der Baustoffanalytik eingesetzt, allerdings erfordert der Nachweis von Chloriden mit LIBS eine teure Heliumspülung und Spektrometer außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, um atomare Emissionen von Chlor zu detektieren. Der Ansatz von Molekül-LIBS besteht darin, dass die Emission chloridhaltiger Molekülradikale, die sich in der Abkühlphase des laserinduzierten Plasmas bilden, zur Quantifizierung genutzt werden. Die Vorteile gegenüber dem konventionellen LIBSVerfahren sind die Emission im sichtbaren Spektralbereich und die Anwendbarkeit ohne Edelgasspülung. In dieser Arbeit wird zudem der Einfluss der experimentellen Komponenten auf das Zeitverhalten der relevanten Molekülemissionen untersucht, Signalschwankungen durch Plasmafluktuationen werden deutlich reduziert und für eine umfassende Plasmaanalytik wird die Molekülbildung auf atomistischen Maßstäben simuliert und mit Standardverfahren verglichen. In Simultanmessungen werden atomare und molekulare Cl-Emission direkt verglichen und die Quantifizierung durch Datenzusammenführung optimiert. Molekül-LIBS wird zu einem quantifizierenden und bildgebenden Verfahren erweitert, das Chloride ohne Edelgasspülung detektieren kann.
  • This dissertation presents the application of the molecular LIBS method, a novelapproach of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), to optimize the detection of pitting chlorides in concrete structures, which are e.g. contaminated bydeicing salt in winter. Potentiometric titration as the standard method for chloride determination in building material analysis is costly and time-consuming. Ithas the decisive disadvantage that the determination of chloride concentrationis based on the total mass of the concrete and not on the cement content asrequired by the European standard EN 206. The imaging capabilities of LIBS forphase separation of the concrete meet this requirement. LIBS was already usedby BAM in 1998 in building material analysis, but the detection of chlorides withLIBS requires expensive helium purging and spectrometers outside the visiblespectral range to detect emissions of atomic chlorine. The approach of molecular LIBS is to quantify the emission of chloride-containing molecular radicalsformed during the cooling phase of the laser-induced plasma. The advantagescompared to conventional LIBS method are the emission in the visible spectralrange and the applicability without noble gas purging. In this thesis the influenceof the experimental components on the time behaviour of the relevant molecularemission bands is investigated, signal deviations due to plasma fluctuations aresignificantly reduced and for plasma analysis the molecular formation is simulated on atomistic scales and compared with standard methods. In simultaneousmeasurements, atomic and molecular Cl emission are directly compared and the quantification is optimized by data combination. Molecular LIBS will be extended to a quantifying and imaging method that can detect chlorides withoutnoble gas purging.

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Metadaten
Author:Thomas Dietz
URN:urn:nbn:de:kola-20513
Referee:Stefan Wehner, Georg Ankerhold
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2020/05/19
Date of publication:2020/05/20
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2020/05/12
Release Date:2020/05/20
Number of pages:ix, 51
Comment:
Kumulative Dissertation, ohne die darin enthaltenen Aufsätze.
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Physik
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