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Untersuchung des Auswaschungsverhaltens von gemarkerter Hydrophobierung bei Gebäuden mit der Laser-induced Breakdown Spectroscopy

Bachelorarbeit 2013 292 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Chemieingenieurwesen

Leseprobe

Inhalt

Kurzfassung

Abstract

Danksagung

Abkürzungsverzeichnis

Formelzeichen und Einheiten

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1. Aufgabe

2. Einleitung und Ziel

3. Grundlagen
3.1 Hydrophobierungen
3.2 Oberflächenhydrophobierungen – Zusammensetzung und Wirkung
3.3 Aktuelle Prüfverfahren
3.4 Laser-induced Breakdown Spectroscopy
3.4.1. Funktionsprinzip
3.4.2. Messaufbau (4)

4. Probenvorbereitung
4.1 Hydrophobierungsmittel
4.2 Probekörper
4.2.1 Bohrkerne aus Horstwalde
4.2.2 Beton- und Mörtelprismen
4.2.3 Spritzmörtelproben
4.2.4 Massenhydrophobierung von Mörtelprismen

5. Untersuchung
5.1 Messvorbereitung
5.2 LIBS-Messung

6 Messergebnisse und Auswertung
6.1 Probenübersicht
6.1 Bohrkerne aus Horstwalde
6.2 Referenzproben: Beton- und Mörtelprismen
6.3 Spritzmörtelbohrkerne
6.4 Mörtelprismen – mit Hydrophobierung im Anmachwasser
6.4.1 Oberflächenprofile
6.4.2 Tiefenprofile
6.6 Hydrophobierungsmittel

7 Fehleranalyse
7.1 Grobe Mess-Abweichungen
7.2 Systematische Mess-Abweichungen
7.3 Zufällige Mess-Abweichung

8 Zusammenfassung

9 Schlussfolgerung und Ausblick

Glossar

Literatur- und Quellenverzeichnis

Kurzfassung

Das Forschungsziel dieser Bachelor-Thesis ist es, Erkenntnisse zu gewinnen, die dazu beitragen sollen, die Zuverlässigkeit der Qualitätssicherung von Hydrophobierungen zu erhöhen.

Eine zuverlässige Qualitätssicherung erfordert es, reliable Informationen zu allen Aspekten der Hydrophobierung eines Bauwerks zu gewinnen. Zu diesem Zweck können einem Bauwerk Probekörper entnommen und im Labor untersucht werden, zum Beispiel auf die Konzentration ihrer Hydrophobierung. Im Bauwerk kann diese Konzentration abnehmen aufgrund von Umwelteinflüssen oder elementspezifischen Prozessen. Jüngere Überlegungen führten jedoch zu der Hypothese, dass nicht nur Umwelteinflüsse zur Dekonzentration der Hydrophobierung führen können, sondern auch die Verfahren, mit deren Hilfe die Proben einem Bauwerk entnommen werden. Das kann bedeuten, dass diese Art der Qualitätssicherung die Konzentration der Hydrophobierung in einer Probe beeinflusst und somit die präzise Evaluation ihrer Wirksamkeit verhindert.

Diese Vermutung sollte im Verlauf der Forschungen verifiziert werden. Deswegen wurden verschiedene, unterschiedlich hydrophobierte Probekörper hergestellt und ihre Entnahme aus dem Bauwerk mit verschiedenen Verfahren simuliert. Vergleichsmessungen vor und nach der Entnahme sollten ergeben, inwiefern das jeweilige Entnahmeverfahren die Konzentration der Hydrophobierung beeinflusst. Die forschungspraktische Arbeit erfolgte in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin sowie auf ihrem Freigelände in Horstwalde. Als Messverfahren zur Materialanalyse wurde die Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) verwendet. Ihre Besonderheiten im Vergleich zu anderen Verfahren werden in dieser Bachelor-Thesis explizit dargestellt.

Die Materialanalyse mithilfe der LIBS und die anschließende Auswertung der Messergebnisse führten zur Feststellung, dass bei nur einer von sechs Probenreihen wahrscheinlich das Trennverfahren zur Dekonzentration der Hydrophobierung im Probekörper geführt hat. Ein möglicher Grund für die geringe Korrelation der Messdaten mit der zugrundeliegenden Hypothese ist die fehlende Standardisierung des Prüfverfahrens LIBS zu diesem Zweck. Das kann die Experimente beeinträchtigt haben in Bezug auf ihre Durchführungsobjektivität, die Reliabilität der Messungen sowie die Validität der Ergebnisse. Die Zusammenhänge zwischen den äußeren Bedingungen der Experimente und der Interpretation ihrer Messergebnisse werden ausführlich dargestellt in den Kapiteln Untersuchung, Fehleranalyse sowie in der Zusammenfassung.

Abstract

The Goal of this thesis is to gain knowledge in order to increase the quality protection of hydrophobing agents.

A reliable quality protection is supposed to acquire all necessary information about the status of the hydrophobing agent of a structure. For this purpose, samples of a structure can be extracted and analysed with regard to the concentration of their hydrophobing agent. This concentration can decrease because of environmental influences or chemical processes which are characteristic for the hydrophobing agent.

Latest hypothesis suggest that not only environmental influences can cause the deconcentration of an hydrophobing agent but also the extraction of samples as a means of analysis. Possibly, this method of quality protection influences the concentration of a sample and therefor prevents its investigator from the precisely examination of the efficiecy of an hydrophobing agent.

This supposition ought to be verified in the course of the reaseach. To this effect, various differently protected samples were compounded and their extraction were simulated by means of different methods. Comparitive analysis of a sample before and after its extration ought to reveal the correlation between the various methods of extraction and the concentration of the hydrophobing agent. All tests took place in the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin as well as on its proving ground in Horstwalde. As a method of measurement, the Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) had been utilized. Its specifics in comparison to other methods of the quality protection of hydrophobing agents are described within this thesis explicitly.

The analysis by means of the LIBS and the succeeding evaluation of its measurement results has led to the finding that only one out of six series of measurement had been possibly negatively affected by the applied method of extraction. A potential reason for the slight correlation of data and the fundamental hypothesis is the non-standardised method of measurement of the LIBS for this purpose.

Imaginably, the non-standardised procedure can interfere with the experiments with respect to their objectivity, with the reliability of the measurements as well as with the validity of their results. The coherencies between the experiment's external conditions and the interpretation of the measurements are described explicitly in the chapters Untersuchung, Fehleranalyse and Zusammenfassung.

Danksagung

Ich danke Herrn Dr. Dipl.-Ing. André Molkenthin – Geschäftsführer der Specht Kalleja und Partner Ingenieure GmbH (SKP) - der mich als Erstgutachter fachlich betreute. Des Weiteren bedanke ich mich bei den Betreuern aus dem Unternehmen SKP, Frau Dipl.-Ing. Heike Schalk und Herr Dipl.-Ing. Klaus Bienert, welche die Forschungsarbeit in jeder Beziehung zuverlässig unterstützt haben.

Weiterhin danke ich den wissenschaftlichen Mitarbeitern der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung, vor allem Herrn Dipl.-Phys. Gerd Wilsch und Herrn Sean Smith.

Besonders danke ich dem Geschäftsführer der BARG Betontechnik- und –instandsetzungs GmbH & Co. KG (BBI), Herr Dipl.-Ing. Dirk Dalichow, der mich als Ausbilder seit drei Jahren begleitet, mich geduldig unterstützt und mit seiner Erfahrung bereichert.

Des Weiteren möchte ich mich auch bei allen Kollegen der BBI bedanken. Sie waren stets offen für Fragen und gaben mir wertvolle Anregungen, die mir im Studium geholfen haben. Ebenso möchte ich mich bei meinen Kommilitonen bedanken, denn aufgrund der Zusammenarbeit mit ihnen, in Projekten und Lerngruppen, ergaben sich oft nützliche Erkenntnisse. Darüber hinaus möchte ich mich bei all meinen Freunden bedanken, die mich während meines Studiums unterstützt haben. Meinen Schwiegereltern danke ich besonders für die umfangreiche Unterstützung in den letzten drei Jahren sowie für die grammatikalische und syntaktische Durchsicht meiner Bachelor-Thesis.

Die abschließenden Worte widme ich meinem Ehemann Andreas Lange, der mich in den vergangenen Jahren liebevoll unterstützt hat, der mich immer wieder ermutigte und mit vielen nützlichen Tipps einen wesentlichen Teil zu dieser Arbeit beigetragen hat.

Berlin, d. 05.08.2013

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formelzeichen und Einheiten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Bild 3 - 1: Übersicht der Oberflächenschutzsysteme (4)

Bild 3 - 2: Prozess der Hydrophobierung (15)

Bild 3 - 3: Tropfen auf einem Riss einer hydrophobierten Fläche (12)

Bild 3 - 4: Karsten´sches Prüfrohr (15)

Bild 3 - 5: Interaktion Mikroplasma, Baustoffoberfläche und Umgebungsatmosphäre (7)

Bild 3 - 6: Schematischer Aufbau der LIBS-Messapparatur (4)

Bild 3 - 7: YAG-Kristall (18)

Bild 3 - 8: Echelle-Gitter (21)

Bild 3 - 9: Echelle- Anordnung (21)

Bild 3-10: Czerny-Turner Monochromat (20)

Bild 4 - 11: Probekörper in Horstwalde

Bild 4 - 12: Betonreihe aus SIL_214

Bild 4 - 13: Beton- und Mörtelprisma mit IOTES 1.000 ppm

Bild 4 - 14: Ummantelung mit Epoxidharz und Beaufschlagung mit IOTES 1.000 ppm

Bild 5 - 15: Messergebnisse aus dem ESAWIN

Bild 5 - 16: ESAWIN Messprogramm (4)

Bild 5 - 17: Benutzeroberfläche des Auswertungsprogramms des ESAWIN (4) (6)

Bild 5 - 18: Vergleich der Oberflächenprofile der Probe SIL_209_B3

Bild 6 - 19: Erläuterung der Auswertung

Bild 6 - 20: 1. Oberflächenmessung der Probe SIL_247

Bild 6 - 21: Probenvergleich mit gleicher Markerkonzentration Ag 1.000 ppm

Bild 7 - 22: Vergleich Oberflächenprofile Bohrkerne bei unterschiedlichen Temperaturen

Bild 7 - 23: Standardabweichung der Probe SIL_211_B3

Tabellenverzeichnis

Tabelle 3 - 1: Chemische Grundlagen von Silanen und Siloxanen (4)

Tabelle 3 - 2: unverdünnte Systeme (4) (6)

Tabelle 3 - 3: wässrige Systeme (4) (6)

Tabelle 4 - 4: Übersicht der Hydrophobierungsmittel und ihrer Markerkonzentrationen

Tabelle 4 - 5: Aufbau Bohrkerne aus Horstwalde

Tabelle 4 - 6: Referenzproben – Betonprismen und Mörtelprismen

Tabelle 4 - 7: Spritzmörtelbohrkerne

Tabelle 4 - 8: Stoffraumrechnung

Tabelle 6 - 9: Probenübersicht mit Hydrophobierung sowie Trennverfahren

Tabelle 6 - 10: Ergebnisse – vor und nach dem Nassschneiden

Tabelle 6 - 11: Ergebnisse – vor und nach dem Trockenschneiden

Tabelle 6 - 12: Ergebnisse – vor und nach dem Spalten

Tabelle 6 - 13: Ergebnisse der Proben mit Demonstrator und AG 1.000 ppm

Tabelle 6 - 14: Ergebnisse der Proben mit Demonstrator Ag 500 und Ag 100 ppm

Tabelle 6 - 15: Ergebnisse – vor und nach dem Nassschneiden

Tabelle 6 - 16: Ergebnisse – vor und nach dem Nassschneiden

Tabelle 6 - 17: Vergleich der Proben SIL_189.4e und SIL_209_B3

Tabelle 6 - 18: Ergebnisse – vor und nach dem Nassschneiden

Tabelle 6 - 19: Vergleich von Oberflächenmessungen der Probe SIL_209_B3

Tabelle 6 - 20: Ergebnisse – vor und nach dem Nassschneiden

Tabelle 6 - 21: Ergebnis – vor und nach dem Nassschneiden

Tabelle 6 - 22: Ergebnis – vor und nach dem Trockenschneiden

Tabelle 6 - 23: Ergebnis – vor und nach dem Spalten

Tabelle 6 - 24: Probenvergleich mit gleicher Markerkonzentration Ag 1.000 ppm

Tabelle 7 - 25: Vergleich der Oberflächenmessung

Tabelle 7 - 26: Dateispeicherungsformatierung

1. Aufgabe

Will man feststellen, wie tief Hydrophobierungsmittel in Bauwerke eindringen, so können ihnen Probekörper entnommen und mit einem Trennverfahren halbiert werden. Anschließend kann mit Analyseverfahren festgestellt werden, wie tief die Hydrophobierung in den Baustoff eingedrungen ist und wie stark sie ausgewaschen wurde aufgrund von Umwelteinflüssen oder elementspezifischen Prozessen.

Doch führen auch die verschiedenen Trennverfahren zum Auswaschen der Hydrophobierung aus dem Probekörper, und wenn ja: unterscheiden sie sich in ihrer Intensität?

Diese zentralen Fragen sollen mithilfe des Analyseverfahrens Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) untersucht und beantwortet werden. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Probekörper hergestellt und mit Hydrophobierungsmittel beaufschlagt, mit unterschiedlichen Verfahren halbiert und anschließend mit der LIBS untersucht. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Bachelor-Thesis ist folglich die Beschreibung dieser Arbeitsprozesse, die Auswertung der Messergebnisse sowie ihre Evaluation in Bezug auf die Leitfragen.

Systematik dieser Arbeit:

1. Einleitung und Ziel der Untersuchung
2. Stand der Technik: Hydrophobierungen als Oberflächenschutzsystem
3. Probekörperuntersuchung mittels LIBS
4. Quantitative und Qualitative Auswertung der Ergebnisse
5. Zusammenfassung und Fazit
6. Ausblick: Hydrophobierungen als Oberflächenschutzsystem

Das Projekt SILAMARK wird innerhalb der Fachgruppe 8.2 der BAM betreut durch Herrn Dipl. Phys. Gerd Wilsch (BAM) und Herrn Dipl.-Geo.-Phys. Ernst Niederleithinger (BAM) sowie Frau Dipl.-Ing. Heike Schalk (SKP) und Herrn Dipl. Ing. Klaus Bienert (SKP).

1. Gutachter: Dr. Dipl.-Ing. André Molkenthin
2. Gutachter: Prof. Dr. Ing. Helmut Schmeitzner

Berlin, den 05.08.2013

2. Einleitung und Ziel

Betonbauwerke können lange halten, je nach Anforderung sind 50 bis 100 Jahre heutzutage normal. Während dieser Zeit sind sie Umweltbedingungen ausgesetzt, welche die Konstruktion langfristig schädigen können und dadurch ihre Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit gefährden. Viele der schädlichen Stoffe und Prozesse sind bekannt und können durch Schutzmaßnahmen begrenzt oder vermieden werden. (4)

Spezifiziert wurden diese schädlichen Stoffe und Prozesse in Expositionsklassen gemäß DIN 1045-2 und DIN EN 1992 (Eurocode 2). Die Expositionsklassen ermöglichen es, die Art und Intensität chemischer und physikalischer Exposition von Bauwerken zu unterscheiden. Aus der Expositionsklasse ergeben sich die Festigkeitsklasse und die Zusammensetzung des Betons. Demgemäß werden Oberflächenschutzsysteme angeboten, die Betonbauwerke vor umweltbedingten Schäden schützen sollen. (4)

Zu diesen Oberflächenschutzsystemen gehören die Hydrophobierungen. Zum Schutz mineralischer Baustoffe vor Wasser bestehen sie aus organischen Siliziumverbindungen bestimmter Konzentration, sie dringen in die Betonrandzone ein und bilden auf deren Oberfläche einen Schutzfilm. Will man nun wissen, ob die Hydrophobierung wirkt, so können dem Bauwerk Bohrkerne entnommen und im Labor untersucht werden. Diese Art der Qualitätssicherung ist kosten- und zeitaufwändig, darüber hinaus gibt es in der Fachwelt keinen Konsens in Bezug auf ihre Zuverlässigkeit - unabhängig von der Art der Qualitätssicherung. Daher werden Hydrophobierungen scheinbar selten eingesetzt zum Schützen, Instandhalten und Instandsetzen von Bauwerken . Aus diesem Grund erscheint es sinnvoll, die Wirtschaftlichkeit und Wirksamkeit der Qualitätssicherung von Hydrophobierungen zu erhöhen und somit auch ihre Akzeptanz am Markt.

Deswegen erforschen die folgenden Beteiligten gemeinsam ein Analyseverfahren, das die Wirksamkeit von Hydrophobierungen nahezu zerstörungsfrei, zuverlässiger und kostengünstiger untersuchen kann als herkömmliche Verfahren und die Hydrophobierung somit zu einem rentablen Oberflächenschutzsystem machen soll:

- Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM)
- Specht Kalleja und Partner Ingenieure GmbH (SKP)
- StoCretec GmbH in Kooperation mit der
- Universität Karlsruhe und dem
- Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Einerseits ist also die Art der Qualitätssicherung kostenintensiv, andererseits wird ihre Reliabilität bezweifelt. Aus diesem Grund sollen die Erkenntnisse dieser Bachelor-Thesis dazu beitragen, die Zuverlässigkeit der Qualitätssicherung von Hydrophobierungen zu erhöhen.

Zu diesem Zweck wurde die stationäre Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) als Analyseverfahren verwendet. Damit die LIBS das Hydrophobierungsmittel in der Probe erkennen kann, muss die Hydrophobierung mit einem bestimmten chemischen Element markiert werden. Dieses Element, der Marker also, wird chemisch an die Hydrophobierung gebunden und dringt mit ihr durch kapillares Saugen in den Beton. Das Markerelement wurde in vorangegangenen Untersuchungen von Forschern der Universität Karlsruhe und dem Karlsruher Institut für Technologie ermittelt.

Das Ziel der nachfolgenden Untersuchung im Rahmen dieser Bachelor-Thesis ist es, durch Vergleichsmessungen mithilfe der Laser-induced Breakdown Spectroscopy die Hypothese zu verifizieren, dass die Entnahme von Probekörpern aus einem Bauwerk eine Dekonzentration der Hydrophobierung im Probekörper bewirken kann und dadurch eine genaue Beurteilung ihrer Wirksamkeit verhindert.

3. Grundlagen

Hochwertige Baustoffe können ein Bauwerk langfristig vor Umwelteinflüssen schützen. Die Voraussetzung dafür ist jedoch ihre fachgerechte Verwendung, denn Schäden an Bauwerken entstehen oft durch falsch verwendete Materialien und nicht durch die reine Standzeit des Bauwerks sowie die damit verbundene Exposition gegenüber Umwelteinflüssen. Gut geplante und fachgerecht erstellte Bauwerke erkennt man demnach an der Qualität der verwendeten Baustoffe sowie an ihrem professionellen Einsatz. (4) (6)

Professionell errichtete Betonbauwerke haben ein dichtes Betongefüge, sodass wenig Wasser eindringt. Erreicht wird das durch einen geringen w/z-Wert des Betons sowie durch dessen hohe Verdichtung und Nachbehandlung. Zusätzlich können Oberflächen- schutzsysteme eingesetzt werden auf Basis von Epoxidharzen, Polyurethanharzen oder Kunststoffdispersionen. Der Deutsche Ausschuss für Stahlbeton (DafStb) klassifiziert sie in neun Beschichtungssysteme: (2) (4) (6)

- Hydrophobierung
- Beschichtung für nicht begeh- und befahrbare Flächen
- Beschichtung begeh- und befahrbarer Flächen
- Beschichtung als Dichtung, beziehungsweise Rissüberbrückung
- Beschichtung für begeh- und befahrbare Flächen mit starker mechanischer Belastung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3-1: Übersicht der Oberflächenschutzsysteme (4)

Hitze und Kälte, Eis und Sturm, Smog und saurer Regen: Diese beispielhaften Umwelteinflüsse verändern die Substanz von Betonbauwerken, sie schmälern ihr Aussehen und beeinträchtigen ihre Dauerhaftigkeit. Deshalb müssen moderne Oberflächen- schutzsysteme folgende Kriterien erfüllen, um ein Bauwerk dauerhaft schützen zu können: (14) (22)

- Untergrundhaftung
- UV-Beständigkeit
- Abriebfestigkeit
- Dauerhaftigkeit
- Rissüberbrückung
- Begrenzung der Diffusion von Kohlenstoffdioxid (CO2)
- Eindringen von Wasser verringern, beziehungsweise verhindern
- Eindringen von Salzen und anderen schädlichen Stoffe verhindern. (12)

Eines der Oberflächenschutzsysteme ist die Hydrophobierung. Ihre Kernfunktion besteht darin, das Eindringen von wässrigen Lösungen zu verringern. Ihr Einsatz ist aber in der Bauindustrie umstritten, denn die Wirksamkeit der Hydrophobierung ist vielen potentiellen Anwendern ebenso unklar wie ihre fachgerechte Anwendung. Es bleibt also oft fraglich, welchen Schutz eine Hydrophobierung überhaupt leisten kann, wie man sie richtig aufträgt und wie lange sie hält. Diese Unsicherheiten führen möglicherweise dazu, dass Bauwerke häufig zu spät, also erst während ihrer Instandsetzung hydrophobiert werden. Bereits entstandene Schäden, aufgrund des Fehlens dieses präventiven Oberflächenschutzes, können oft nur in geringem Maß behoben werden. (4) (8) (12) (24)

3.1 Hydrophobierungen

Der altgriechische Begriff „hydrophob“ bedeutet „wassermeidend“. In der Chemie bezeichnet dieser Begriff Stoffe, die sich nicht mit Wasser mischen und auf deren Oberfläche Wasser abperlt. Die Hydrophobierung soll also die Wasseraufnahme mineralischer Baustoffe reduzieren und mit ihr den Anteil an Schadstoffen, wie Chloride und Sulfate, die ein Bauwerk langfristig zerstören können. (23)

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Hydrophobierungsverfahren, die

- Massenhydrophobierung (innere Hydrophobierung) und die
- Oberflächenhydrophobierung (nachträgliche Hydrophobierung). (15)

Die Massenhydrophobierung von Beton geschieht bereits bei seiner Herstellung. Die Betonmischung wird mit Fettsäuren versetzt, zum Beispiel Stearin- und Ölsäure, die mit den Alkalien des Betons wasserabweisende Reaktionsprodukte bilden. Zugesetzt werden auch siliziumorganische Stoffe und Wachse, welche die Kapillaren des Betons mit einem wasserabweisenden Film auskleiden. Andere hydrophobe Stoffe können die Betonrandzone ebenfalls imprägnieren, beispielsweise Harze. (15)

Die Oberflächenhydrophobierung von Beton geschieht nach seiner Herstellung. Das Hydrophobierungsmittel kann je nach Zusammensetzung auf die Betonoberfläche gesprüht, gerollt oder gestrichen werden. Es besteht aus siliziumorganischen Verbindungen, wie zum Beispiel Silane oder Siloxane. Sie bedecken die Poren- und Kapillaroberflächen des Betons, ohne sie zu verstopfen, verringern dadurch deren Durchmesser und machen sie wasserabweisend. Somit wird der Eintrag von Schadstoffen in das Bauwerk reduziert. Dennoch bleibt die Diffusionsfähigkeit des Baustoffes erhalten, sodass Feuchtigkeit vom Bauwerk an seine Umgebung abgegeben werden kann. (3) (12) (15)

Kapillarität

Der Begriff Kapillarität bezeichnet das besondere Verhalten von Flüssigkeiten beim Kontakt mit Hohlräumen auf Feststoffen. In diesen Hohlräumen, zum Beispiel in Poren oder Kapillaren, bewegen sich Moleküle einer Flüssigkeit entgegengesetzt der Schwerkraft. Der Grund dafür ist die unterschiedliche Oberflächen- und Grenzflächenspannung zwischen dem Feststoff und der Flüssigkeit, deren Moleküle im Baustoff steigen müssen, um den Spannungsunterschied mit dem Feststoff auszugleichen. (4) (15) (28) (29)

Wie hoch die Hydrophobierung steigt, also wie tief sie eingesaugt wird, hängt von vielen Faktoren ab, zum Beispiel von ihrer Viskosität sowie von der Porengröße des mineralischen Baustoffs. Der Prozess der Kapillarität transportiert also Flüssigkeit in das Bauteil, zum Beispiel Wasser und in ihm gelöste Schadstoffe. Sie gefährden somit die Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit des Bauwerks. Das Hydrophobierungsmittel folgt den Effekten der Kapillarität und nutzt sie in positivem Sinn, indem es die oberflächlichen Hohlräume des Baustoffs mit wasserabweisenden Verbindungen besetzt, dadurch den Schadstoffeintrag verringert und die Gebrauchstauglichkeit des Bauwerks erhält. (4) (15) (28) (29)

3.2 Oberflächenhydrophobierungen – Zusammensetzung und Wirkung

Seit den 90er Jahren werden Hydrophobierungen aus siliziumhaltigen Silanen und Siloxanen eingesetzt. Das Molekülgerüst dieser Silan- und Siloxanverbindungen besteht aus einem Siliziumatom (rot) und vier Wasserstoffatomen (weiß) in unterschiedlicher Anordnung. Sie können durch chemische Reaktion mit anderen Elementen verbunden werden. (4) (8)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3 - 1: Chemische Grundlagen von Silanen und Siloxanen (4) (25) (26) (27)

Beide Verbindungen bestehen aus Zwittermolekülen, das bedeutet: Diese Moleküle sind zu einem Teil hydrophob, also wasserabweisend, zum anderen Teil hydrophil, also wasserliebend. Der hydrophile Teil des Moleküls ist der mineralischen Baustoffoberfläche zugewandt, er bindet sich an sie. Der hydrophobe Teil des Moleküls richtet sich entgegengesetzt der Oberfläche des Hohlraums und bildet, durch die Verbindung mit anderen Silizium-Molekülen, eine Schutzschicht auf der Bauteiloberfläche. (4) (12) (25) (26)

Silane (Alkoxysilane)

Betrachtet man Silane als Stoffkomplex, so existieren verzweigte iso-, neo-, cyclo- sowie unverzweigte n-Silane. Der Unterschied zwischen ihnen besteht in der unterschiedlichen Zahl ihrer Silizium- und Wasserstoffatome, die in Reihen, Gittern oder Ringen angeordnet sind. (4) (8) (25)

Die Nomenklatur [1] der Silane beruht folglich auf der Anzahl und Position der Siliziumatome im Molekül. Ein Silan mit einem Siliziumatom wird als Monosilan (SiH4) bezeichnet. Bis zu einer Zahl von vier Siliziumatomen sind diese Verbindungen instabil und können sich an der Luft entzünden, indem das Silan mit dem Sauerstoff der Luft zu Siliziumoxid und Wasser reagiert. Erst ab einer Kettenlänge von fünf Siliziumatomen (Pentasilan) ist das Silan stabil und damit gefahrlos zu gebrauchen. Mit zunehmender Kettenlänge ändert sich also die Reaktionsfreudigkeit des Silans, die anschaulich wird anhand der Veränderung seines Aggregatzustandes: die instabilen Monosilane sind gasförmig, die Trisilane jedoch, bis hin zu den Tetrasilanen, sind flüssig. (4) (8) (25)

Wird eine siliziumorganische Verbindung auf eine Betonoberfläche aufgetragen, dringt sie durch den Kapillareffekt in die Betonrandzone ein. Die Feuchtigkeit im Bauteil sowie beigefügte Katalysatoren bewirken die Polymerisation[2]: aus kurzkettigen, monomeren Silanverbindungen werden langkettige Polymere. Die Endprodukte sind Triethoxysilane. Erkennbar wird das anhand eines dünnen schmierigen Films, welcher nach der Applikation der Hydrophobierung auf der Baustoffoberfläche entsteht. Demnach beeinflusst der Grad der Feuchtigkeit im Bauwerk die Wahl des Hydrophobierungsystems: (4) (8) (25)

- viel Feuchtigkeit im Bauwerk - unverdünnte Silanverbindungen

- wenig Feuchtigkeit - verdünnte Silanverbindungen. (4) (8) (25)

Will man nun einen schützenden Silanfilm aus Silizium und Wasser erzeugen, so muss seine Konsistenz möglichst homogen sein, doch grundlegend kann man die beiden Elemente nicht homogenisieren. Deutlich wird das im Experiment: mischt man das siliziumbasierende Silan mit Wasser, so setzt es sich bereits nach wenigen Minuten am Boden des Gefäßes ab. Wie lassen sich nun stabile wässrige Silanverbindungen erzeugen? Beispielweise kann man durch Rühren des Gemisches die Grenzspannung zwischen den Elementen soweit verringern, dass sich das Silan partikelartig im Wasser verteilt. Eine dauerhafte Homogenisierung von Silan mit anderen Stoffen und Elementen erreicht man jedoch nur durch die Zugabe von Emulgatoren, Katalysatoren, Konservierungs- und Lösungsmitteln. (4) (6) (12)

Der Konzentrationsgrad von Lösungsmitteln ist ein Kriterium, nach dem Hydrophobierungsmittel unterschieden werden. Unverdünnte Systeme werden demnach lösungsmittelfrei auf die Oberfläche appliziert. Verdünnte Systeme sind mit Lösungsmitteln unterschiedlicher Konzentration angereichert. (4) (6)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3 - 2: unverdünnte Systeme (4) (6)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3 - 3: wässrige Systeme (4) (6)

Die nachfolgende Abbildung 3-2 verdeutlicht den chemischen Prozess der Hydrophobierung. Auf der linken Seite sieht man den unbehandelten Beton mit seinen Siliziumverbindungen und den reaktionswilligen Hydroxy-Gruppen (OH-Gruppen). Die Hydroxy-Gruppen können H2O-Verbindungen aufnehmen, das Bauteil mit Wasser sättigen und damit schädliche Stoffe eintragen. Auf der rechten Seite der Abbildung sieht man den hydrophobierten Beton. Seine materialimmanenten Siliziumverbindungen reagieren unter Abspaltung von Wasser mit den Silizium-Molekülen der Hydrophobierung zu Silikonharz. Der wasserabweisende Effekt entsteht, weil sich die hydrophoben Molekülteile des Silikonharzes auf der Betonoberfläche nach außen richten und dadurch den Schadstoffeintrag verhindern. (15)

3.3 Aktuelle Prüfverfahren

Derzeit gibt es folgende zertifizierte Verfahren, um die Eindringtiefe, Konzentration und Wirksamkeit hydrophobierter mineralischer Baustoffe nachzuweisen:

- Abperleffekt
- Karsten´sches Prüfrohr
- Nass-Prüfung
- Saug- und Wirkstoffprofile
- Hydrophobierungsmessgerät (HDBMG-02)
- Multiring-Elektroden
- Infrarot-Spektroskopie (IR-Spektroskopie)
- Inverse Chromatographie

Abperleffekt

Oberflächenuntersuchungen von hydrophobierten mineralischen Baustoffen mithilfe des Abperleffektes von Wasser sollen Aufschluss geben über die Wirksamkeit der Hydrophobierung: Perlt Wasser von der Oberfläche ab, so wird daraus geschlussfolgert, dass die Hydrophobierung des Baustoffs wirksam ist. Jedoch kann keine zuverlässige Aussage zur Qualität und Wirksamkeit einer Hydrophobierung getroffen werden - weder über ihre Tiefenwirkung und ihren Wirkstoffgehalt, noch zu ihrer Alkalibeständigkeit. Das bedeutet, es existiert bisher kein monokausaler Zusammenhang zwischen der Abnahme des Abperleffektes und der Wirksamkeit der Hydrophobierung. Hypothesen zur UV-Unbeständigkeit der Hydrophobierungsmittel und die damit verbundene Abnahme des Abperleffektes stützen diese Auffassung. Das heißt: obwohl der Abperleffekt aufgrund von UV-Strahlung abnimmt, kann der innenliegende Bereich des Bauteils dennoch hydrophobiert sein. Der Abperleffekt scheint demnach kein geeignetes Maß zu sein für die Wirksamkeit von Hydrophobierungen. (12) (15)

Karsten´sches Prüfrohr

Oberflächenuntersuchungen mithilfe des Karsten´schen Prüfrohres ermitteln das kapillare Saugverhalten von hydrophobierten Bauwerksoberflächen. Das Prüfrohr wird an die Oberfläche geklebt und mit einer definierten Menge Wasser gefüllt. Der Baustoff nimmt das Wasser auf, die Menge wird zeitlich gemessen. Der Prüfer braucht Erfahrung, da mit diesem Verfahren allgemein nichts ausgesagt werden kann über die wasserabweisenden Eigenschaften verschiedener mineralischer Baustoffe, denn: Betonbauteile sind inhomogen, woraus folgt, dass sich die aufgenommene Wassermenge ungleichmäßig über und in der Bauteilfläche verteilt. Des Weiteren können organische und anorganische Verschmutzungen des Bauteils hydrophobe Eigenschaften besitzen. Diese Verschmutzungen führen zu Messergebnissen aufgrund unspezifischer Voraussetzungen, sie verhindern folglich eine präzise Beurteilung der Wirksamkeit der Hydrophobierung. (12) (15)

Nass-Prüfung

Die Nassprüfung ist ein visuelles Analyseverfahren. Eine Probefläche wird mit einem Meißel freigelegt und mit Wasser benetzt – die hydrophobierte Zone zeichnet sich hell ab, der wassergetränkte Bereich ist dunkel. Vor der Prüfung müssen die Zeitangaben des Herstellers zur Entfaltung der Wirksamkeit der Hydrophobierung beachtet werden. (8) (15)

Saug- und Wirkstoffprofile

Dieses quantitative Analyseverfahren wird meist an Referenzproben im Labor angewendet. Die Proben bestehen aus dem gleichen Beton wie die Bauteile. Sie werden in die Hydrophobierung gestellt oder mit ihr beaufschlagt. Das Gewicht der Proben wird überwacht, denn mithilfe von Vergleichsmessungen des Gewichts der Proben vor und nach der Hydrophobierung soll festgestellt werden, wieviel Hydrophobierungsmittel in die Probe eingedrungen ist. Aus der eingedrungenen Menge schließt man auf die Wirksamkeit der Hydrophobierung. (8)

Hydrophobierungsmessgerät (HDBMG – 02)

Mit diesem Messgerät soll die Qualität der Hydrophobierung mineralischer Oberflächen beurteilt werden - gemäß ZTV-Ing - Teil 3. Vier elektrolytgetränkte Schwämme werden am Betonbauteil befestigt, anschließend wird die elektrische Leitfähigkeit der Hydrophobierung über einen Zeitraum von 90 Minuten gemessen. Durchbricht die Elektrolytflüssigkeit die Hydrophobierung, so fließt ein Strom, der mit dem Messgerät aufgenommen wird. Die Daten können anschließend ausgewertet und ausgedruckt werden. Je höher die Leitfähigkeit der Hydrophobierung, desto mehr Fehlstellen hat die Hydrophobierungsschicht. Anhand von Vergleichskurven soll mit diesem Gerät eine qualitative Aussage zur Wirksamkeit der Hydrophobierung getroffen werden. (10) (35)

Multiring-Elektroden (13)

Mithilfe von Multiring-Elektroden im Beton wird, aufgrund von Widerstandsmessungen, ein tiefenabhängiges Feuchteprofil erstellt. Anhand dieses Feuchteprofils untersucht man die Wirksamkeit, Dauerhaftigkeit und Eindringtiefe der Hydrophobierung. An einem wassergesättigten Beton wurden Widerstände von 100 bis 1.000 Ohm gemessen, an ausgetrocknetem Beton betrugen sie bis zu 1.000.000 Ohm. Nach der Applikation von Hydrophobierungsmitteln auf Silanbasis wurde festgestellt, dass sich der Widerstand im Bauteil von der Betonrandzone bis zum Kern vergrößert. Der höhere Widerstand resultiert aus dem geringeren Wasseranteil im Baustoff – daraus schließt man auf die Wirksamkeit der Hydrophobierung: je weniger Wasser im Bauteil ist, desto höher ist der gemessene Widerstand und umso wirksamer ist die Hydrophobierung.

Multiring-Elektroden (8)

Die Infrarot-Spektroskopie ist ein quantitatives Analyseverfahren. Der hydrophobierten Oberfläche werden Bohrkerne entnommen und bis zu einem Zentimeter schrittweise abgefräst, das entstandene Pulver wird in einem Klimaschrank getrocknet. Im Anschluss wird das Pulver zu Presslingen geformt und mit der IR-Spektroskopie auf seine Bestandteile untersucht. Anhand der Untersuchungsergebnisse soll die Konzentration der Hydrophobierung ermittelt werden. Aus der Konzentration der Hydrophobierung schließt man auf ihre Wirksamkeit.

Inverse Chromatographie (8)

Die inverse Chromatographie wird im Labor angewendet. Mit ihrer Hilfe untersucht man das Reaktionsverhalten und die Reaktionsdauer von Hydrophobierungsmitteln auf Silan- und Siloxanbasis. Das Hydrophobierungsmittel wird auf einen zementstoffgebundenen Werkstoff appliziert. Untersucht wird nun die Dauer der Hydrolyse der Silane und Siloxane zu Polymeren unter Abspaltung von Ethanol. Aus der Dauer der Hydrolyse schließt man auf die Zeit, welche die Hydrophobierung braucht, um Wirksam zu werden.

Zusammenfassung

Die vorgestellten Methoden zur Qualitätssicherung von Oberflächenhydrophobierungen analysieren unterschiedliche Aspekte des Prozesses der Hydrophobierung, beispielsweise ihre Struktur, Konzentration und Eindringtiefe sowie ihre Wirkung, dass Abbauverhalten der Wirkstoffe und deren Reaktionsverhalten. Deswegen müssen zur Untersuchung einer Probe unter Umständen mehrere Analyseverfahren angewendet werden, um die gewünschten Erkenntnisse zu erhalten, weil zurzeit keine Methode existiert, mit der alle Untersuchungsgegenstände ganzheitlich analysiert werden können. Das macht die Qualitätssicherung von Oberflächenhydrophobierungen zeit- und kostenintensiv.

Im Vergleich zu den vorgestellten Verfahren zur Qualitätssicherung von Hydrophobierungssystemen soll die Laser-induced Breakdown Spectroscopy eine Verfahrensweise möglich machen, die den Zeit- und Kostenaufwand minimiert, indem sie die Eindringtiefe der Hydrophobierung sowie ihre Konzentration und Dauerhaftigkeit im Baustoff zuverlässig bestimmen kann. Die LIBS scheint daher ein geeignetes Mittel zur Qualitätssicherung von Hydrophobierungssystemen zu sein. Langfristig soll diese Untersuchungsmethode auch am Ort des Bauwerks möglich sein. Dieses mobile System soll wirtschaftlicher sein, als laborgestützte Untersuchungsmethoden.

3.4 Laser-induced Breakdown Spectroscopy

Laser-induced Breakdown Spectroscopy bedeutet übersetzt „Laserinduzierte Plasma- spektroskopie“. Mithilfe eines Laserstrahls wird auf der Oberfläche von Probekörpern ein Plasma erzeugt, dessen Elektronen Licht emittieren. Dieses Licht wird anschließend spektroskopisch untersucht. Es handelt sich somit um ein Laser-spektroskopisches Verfahren zur Analyse der Zusammensetzung von Proben aus festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen. (1) (4) (16)

3.4.1. Funktionsprinzip

Der fokussiert gepulste Laser strahlt Lichtquanten auf den Probekörper. Übersteigt die Intensität des Lasers einen Grenzwert, verdampft Material an der Oberfläche des Probekörpers und erzeugt ein Plasma[3]. Dieses Plasma dehnt sich aus und erzeugt Schallwellen, die während der Messung durch ein Knacken zu hören sind. Das Plasma erreicht Temperaturen von circa 1.000 Kelvin[4], wodurch vor allem die äußeren Elektronen in den Atomen angeregt werden und auf ein höheres Energieniveau springen. Zwischen den Laserimpulsen kühlt das Plasma ab und kollabiert. Aufgrund dieser Abkühlung fallen die Elektronen auf ihr ursprüngliches Energieniveau zurück und emittieren dabei Licht. Mithilfe von Glasfaserkabeln wird dieses Licht an ein Spektrometer weitergeleitet und dort mithilfe von Spiegeln und Prismen in seine Wellenlängen zerlegt. Dieses Spektrum wird an eine CCD-Kamera[5] übertragen, welche die Lichtsignale in elektronische Signale umwandelt. (4) (6) (7)

3.4.2. Messaufbau (4)

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Bild 3-6: Schematischer Aufbau der LIBS-Messapparatur (4)

Die LIBS-Messanlage besteht aus folgenden Komponenten:

ND: YAG Pulslaser (Typ Big Sky CFR-400)

Der Nd:YAG-Pulslaser (Neodym-dotierter Yttrium- Aluminium-Granat-Pulslaser) emittiert mithilfe eines YAG- Kristalls infrarote Strahlung der Wellenlänge 1064 nm. Diese Strahlung wird in Impulsen der Frequenz 7 ns abgegeben, ihre maximale Energie beträgt 400mJ[6]. Mithilfe einer Linse der Brennweite 500 mm wird der Laserstrahl auf den Durchmesser 1 mm fokussiert. Dadurch wird auf der Probenoberfläche ein Plasma der Energiedichte > 26 W/cm² erzeugt. Weiterhin ist der Laser mit einer Kühl- und Steuerungseinheit ausgerüstet. (4) (5) (30)

Automatischer Positionstisch (ISEL [7] )

Das verwendete LIBS-Messsystem ist ein stationäres System. Für Messungen von Linien und Flächen einer Probe werden deren Richtungsreferenzpunkte x und z mithilfe der Steuerungssoftware eingegeben und mit dem Verfahrtisch angefahren. (4)

Gasspülen

Das Plasma wird mit Helium umspült, um die Genauigkeit der Emissionsmessung zu erhöhen, indem es die Umgebungsluft verdrängt und die elementspezifischen Signale verstärkt. Weiterhin schützt Helium das Plasma vor Verunreinigungen, wie zum Beispiel Staub, denn diese Verunreinigungen können die Glasfaserkabel schädigen und somit die Messergebnisse beeinflussen. Der Heliumdruck muss fünf Liter pro Minute betragen, denn nur mit diesem Volumen wurden in vorangegangenen Untersuchungen konstante Emissionsmaxima erreicht. (4) (5)

Absaugen

Eine Absaugvorrichtung wurde neben dem Messkopf installiert. Sie soll verhindern, dass die Spektralmessung durch zirkulierende Partikel beeinflusst wird, deswegen entzieht sie der Umgebungsluft Staub und herausgeschossenes Material. (4)

Glasfaserkabel, Spektrograph mit CCD-Kamera

Mithilfe der Glasfaserkabel wird die Photonenemission der Plasma-Elektronen vom Messkopf zum Echelle Spektrographen (ESA 3000) übertragen. Der Spektrograph enthält Spiegel und Prismen, welche die Strahlung in die gewählten Wellenlängenbereiche zerlegen. Die Strahlung kann auch zum Monochromator mit Czerny-Turner-Anordnung (Spectra-Pro-150) mit angeschlossener Andor iDUS CCD-Kamera (DV 420A) übertragen werden. (4) (7)

Der wesentliche Unterschied zwischen beiden Systemen besteht in der Zerlegung des Lichts. Der ESA 3000 arbeitet mit einem Gitter und einem Prisma. An den Furchen des Gitters wird das Licht reflektiert und gebeugt, dadurch entsteht ein überlappendes Spektrum. Mithilfe des Prismas oder eines weiteren Echelle-Gitters[8] wird dieses Spektrum sortiert und hochauflösend zwei-dimensional ablesbar dargestellt. (4) (6) (7)

Der Echelle Spektrograph (ESA 3000) kann das visuelle Spektrum von 200 bis 780 nm darstellen. Mithilfe einer CCD-Kamera werden die Daten aufgenommen, an den Steuerrechner weitergeleitet und dort in Echtzeit gespeichert. (4) (6) (21)

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Bild 3-9: Echelle- Anordnung (21) Bild 3-10: Czerny-Turner Monochromat (20)

Der Monochromator (Czerny-Turner-Anordnung) hingegen hat ein drehbares Gitter, mit dem einzelne Wellenbereiche der Größe von 60 nm nacheinander erfasst werden können. Das Wellenspektrum umfasst 180 bis 1.000 nm. Diese Anordnung mit CCD-Kamera wird im mobilen LIBS-System verwendet. (4) (6)

Steuerungs- und Auswertungsrechner

Mithilfe des Steuerungs- und Auswertungsrechners wird der Messvorgang konfiguriert und der Verfahrtisch (ISEL) gesteuert. Die Spektraldaten werden in elektronische Daten umgewandelt und in Echtzeit gespeichert. Dadurch können die Messergebnisse sofort ausgewertet werden. (4) (5) (6)

4. Probenvorbereitung

Untersucht werden soll die Dekonzentration des Hydrophobierungsmittels an Betonoberflächen aufgrund von Probenentnahmen und deren Zerlegung. Für diese Arbeit wurden Oberflächen- und Tiefenprofile von 37 strukturell unterschiedlichen Probekörpern mittels LIBS in Echelle- Anordnung untersucht und anschließend mit ESAWIN ausgewertet.

4.1 Hydrophobierungsmittel

Das Hydrophobierungsmittel Demonstrator besteht aus den Silanen Iso-Octyltriethoxysilan (IOTES) und 4-Aminobutyltriethoxysilan (4 – ABTES). Mithilfe von Ethanol reagieren diese Silane mit dem Marker Silbertrifluoracetat (AgF3C2O2). Laut StoCretec soll das Hydrophobierungsmittel zehn Millimeter tief eindringen, jedoch ist es ohne Zusatzmittel mit dem LIBS nicht nachweisbar, da keine brauchbaren Unterschiede zwischen den Bestandteilen der Hydrophobierung und des Betons existieren. (4) (6) (9)

In vorangegangenen Untersuchungen wurden die Elemente Kobalt, Nickel, Jod, Silber, Gold sowie Lithium auf ihre Eignung als Marker untersucht, das heißt, vor allem auf ihre Signalstärke. Die stärksten Signale wurden mit Gold und Silber gemessen. Aus ökonomischen Gründen entschied man sich jedoch für Silber, das als Marker mit dem Hydrophobierungsmittel verbunden wurde und laut Hersteller in die Betonrandzone eindringt. (4) (6) (9)

In Kontakt mit dem Laserstrahl emittiert das Silber im Plasma Lichtspektren charakteristischer Wellenlängen von 328 und 338 nm. Anhand dieses Silbermarkers kann also die Eindringtiefe der Tiefenhydrophobierung gemessen werden. (6)

Die Hydrophobierungsmittel Demonstrator und IOTES mit Silbermarker wurden ausschließlich zur Untersuchung mit der LIBS entwickelt.

Es gibt Demonstrator und IOTES mit folgenden Silberkonzentrationen:

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Tabelle 4 - 4: Übersicht der Hydrophobierungsmittel und ihrer Markerkonzentrationen

4.2 Probekörper

Folgende Probekörper wurden untersucht:

- 17 Bohrkerne aus den Probekörpern in Horstwalde
- 4 Beton- und 4 Mörtelprismen (Referenzproben aus Horstwalde)
- 4 Spritzmörtelbohrkerne
- 3 Mörtelprismen mit Hydrophobierung im Anmachwasser

Die Probekörper unterscheiden sich in ihrer Form, Betonrezeptur sowie in ihrer Festigkeitsklasse und dem w/z-Wert.

4.2.1 Bohrkerne aus Horstwalde

Auf dem Freigelände der BAM in Horstwalde wurden im Mai 2012 sechs Probekörper hergestellt. Sie bestehen aus unterschiedlichen Betonrezepturen, Druckfestigkeitsklassen und w/z-Werten. Auf den Probekörpern wurden im September 2012 Bereiche festgelegt und mit identischem Hydrophobierungsmittel unterschiedlicher Markerkonzentration beaufschlagt. Aus diesen hydrophobierten Flächen der Probekörper wurde jeweils ein Bohrkern mit einem Durchmesser von vier Zentimetern entnommen. Die Bohrkerne wurden sofort nach der Entnahme getrocknet, beschriftet und in Frischhaltefolie verpackt, um Verunreinigungen zu verhindern.

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Bild 4 -12: Betonreihe aus SIL 214

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Tabelle 4 - 5: Aufbau Bohrkerne aus Horstwalde

Zusätzlich wurden Referenzproben zu diesen Bohrkernen erstellt, indem Betonprismen und Mörtelprismen aus Rückstellplatten der Betone mit dem Hydrophobierungsmittel IOTES beaufschlagt wurden. Des Weiteren wurden Spritzmörtelbohrkerne mit IOTES Ag 1.000 ppm beaufschlagt. Außerdem wurde eine Mörtelprismenreihe hergestellt, deren Anmachwasser zum Teil durch das Hydrophobierungsmittel ersetzt wurde.

4.2.2 Beton- und Mörtelprismen

Die Beton- und Mörtelprismen wurden mit Epoxidharz ummantelt. Beaufschlagt wurden die Proben mit IOTES sowie dem Silbermarker der Konzentrationen 1.000 ppm, 500 ppm und 100 ppm.

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Tabelle 4 - 6: Referenzproben – Betonprismen und Mörtelprismen

4.2.3 Spritzmörtelproben

Vier Spritzmörtelbohrkerne mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Länge von 152 mm wurden aus Platten[10] entnommen, horizontal halbiert und anschließend mit Hydrophobierungsmittel beaufschlagt. Die Seitenflächen der Probekörper wurden so mit einer Epoxidharzbeschichtung ummantelt, dass nur die Schnittfläche die Hydrophobierung aufnimmt. Nach einer Erhärtungsphase von 16 Stunden wurden die Proben mit Klebeband umwickelt. Am Folgetag wurde eine definierte Menge IOTES 1.000 ppm auf die Probekörper appliziert.

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Bild 4 - 14: Ummantelung mit Epoxidharz und Beaufschlagung mit IOTES 1.000 ppm

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Tabelle 4 - 7: Spritzmörtelbohrkerne

Die Probekörper mussten zweimal hydrophobiert werden, weil die Hydrophobierung beim ersten Versuch unter dem Klebeband ausgelaufen ist. Insgesamt wurden im Mittel 19,20 g Hydrophobierungsmittel je Bohrkern aufgetragen. Die überschüssige Hydrophobierung wurde abgegossen. Insgesamt haben die Proben an der Schnittfläche im Mittel 3,33 g Hydrophobierungsmittel aufgenommen.

4.2.4 Massenhydrophobierung von Mörtelprismen

Zu den oben genannten Proben wurde eine Mörtelprismen-Reihe angefertigt. Ihr Anmachwasser wurde teilweise ersetzt durch die Hydrophobierung Demonstrator Ag 1.000 ppm auf Grundlage einer Stoffraumrechnung. In Oberflächen- und Tiefenprofilen der Proben sollte die Dekonzentration der Hydrophobierung untersucht werden.

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Tabelle 4 - 8: Stoffraumrechnung

5. Untersuchung

Für die Untersuchung des Auswaschungsverhaltens der Hydrophobierung wurden alle Proben mit folgenden Verfahren halbiert:

1. Trockenschneiden
2. Nassschneiden
3. Spalten.

Um einen reliablen Soll-Ist-Vergleich zu erhalten, wurden die Probenoberflächen vor und nach dem Schneiden mit der LIBS gemessen, um anschließend ihre Silberkonzentrationen zu vergleichen und auszuwerten.

Die Oberflächenprofile bestehen aus fünf Messreihen im Abstand von zwei Millimetern. Auf jeder Messreihe werden 12 Messpunkte erzeugt. Der Laser liefert je Messreihe erst ab dem dritten Messpunkt eindeutige Ergebnisse, deswegen werden die ersten zwei Messpunkte nicht berücksichtigt. Daraus ergeben sich je Oberflächenprofil 50 Messpunkte. Jedem Messpunkt wird eine Standardabweichung vom System zugewiesen, sie entspricht der Schwankungsbreite um ihren Erwartungswert. Anschließend wird mithilfe des Auswertungsprogramms ESAWIN aus jeder Messreihe und deren Standardabweichung der Mittelwert gebildet.

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Bild 5-15: Messergebnisse aus dem ESAWIN

Mit diesen Werten konnte die Silberkonzentration im Probeköper vor und nach dem Schneide-, beziehungsweise Spaltvorgang berechnet werden. Anschließend wurden die Tiefenprofile gemessen und ausgewertet. Die Messungen bestanden aus zehn Messreihen im Abstand von einem Millimeter mit jeweils 12 Messpunkten. Sie sollten Aufschluss darüber geben, wie tief die Hydrophobierung in die Probe eingedrungen ist und ob die einzelnen Trennverfahren eine Dekonzentration der Hydrophobierung bewirkt haben.

5.1 Messvorbereitung

Zu Beginn der Messung werden die Wellenlängenbereiche ausgewählt, die untersucht werden sollen. Sie sind in standardisierten ROI-Files (R egion O f I nterest) hinterlegt. Für die nachfolgenden Untersuchungen wurde das ROI-File Co_Ni_Ag.roi (Kobalt, Nickel und Silber) gewählt. Im Anschluss gibt man die Parameter der Kamera-Einstellung ein sowie die Anzahl der Messpunkte und die Probenbezeichnung (siehe Abbildung 5-16). (4) (6)

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Bild 5 - 16: ESAWIN Messprogramm (4)

Nach dem Messen wurden die Daten in das Auswertungsprogramm des ESAWIN übertragen und Silber der Wellenlänge 328 nm ausgewählt (gelbe Umrandung). Links wird das Profil der Messreihen und Messpunkte angegeben (rote Umrandung). Die höchste Intensität wird im oberen Feld mittels Amplitude dargestellt (blaue Umrandung). Im unteren Bereich wird ein Tiefenprofil dargestellt, welches bei Oberflächenprofilen nicht berücksichtigt wird (grüne Umrandung). Unter dem Tiefenprofil wird der absolute Mittelwert je Messreihe und Fläche sowie die dazugehörige Standardabweichung dargestellt (schwarze mrandung). (4) (6)

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Bild 5-17: Benutzeroberfläche des Auswertungsprogramms des ESAWM (4) (6)

Nachdem dem Auswerten und Speichern der Messdaten wurde für jedes Oberflächenprofil ein Diagramm erstellt, in dem die Intensität je Messreihe ablesbar ist. Aus dieser Intensität wird auf die Konzentration des Silbermarkers geschlossen. Nach dem Nassschneiden, Trockenschneiden oder Spalten wurde ein zweites Oberflächenprofil-Diagramm erstellt und ausgewertet. Mithilfe beider Diagramme wurde die Differenz der Silbermarkerkonzentration zwischen beiden Oberflächenprofilen berechnet und im folgenden Diagramm dargestellt:

5.2 LIBS-Messung

Vor jeder Messung wurden die Proben mit Druckluft gereinigt, um Staub und loses Material von der Oberfläche zu entfernen und so die Messgenauigkeit zu erhöhen.

Die Proben werden unterschieden gemäß den Gruppen in Kapitel 4.2:

- 17 Bohrkerne aus den Probekörpern in Horstwalde
- 4 Beton- und 4 Mörtelprismen (Referenzproben aus Horstwalde)
- 4 Spritzmörtelbohrkerne
- 3 Mörtelprismen mit Hydrophobierung im Anmachwasser

Nur Ergebnisse innerhalb dieser Gruppen sind vergleichbar aufgrund definierter Eigenschaften der Proben in Bezug auf Beton- und Mörtelrezeptur, w/z-Wert und Hydrophobierungsmittel.

Für die Messung wurden die Proben auf dem ISEL-Verfahrtisch im Abstand von einem Millimeter zum Messkopf mithilfe einer Abstandsschablone eingestellt. Anschließend wurden die im Kapitel 5.1 vorgestellten Werte eingegeben und die Proben untersucht. Die Probenoberflächen wurden mit dem ESAWIN analysiert und mithilfe Microsoft Excel in Tabellen und Diagramme ausgewertet.

6 Messergebnisse und Auswertung

In der folgenden Tabelle 6-9 sind alle Proben aufgeführt sowie das verwendete Hydrophobierungsmittel und das Trennverfahren.

6.1 Probenübersicht

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Tabelle 6 - 9: Probenübersicht mit Hydrophobierung sowie Trennverfahren

Mithilfe des Programms ESAWIN wurden alle Proben vor und nach den verschiedenen Schneide- und Spaltverfahren analysiert und anschließend mit Excel ausgewertet – siehe Anhang Seite vi.

Die folgenden Tabellen zeigen die Ergebnisse (w.E. – willkürliche Einheit) der Vergleichsmessungen zwischen zwei Oberflächenprofilen einer Probe sowie ihre statistische Auswertung. Die Differenz zwischen den Messergebnissen der Oberflächenprofile zeigt die Intensitätsveränderung des Silbermarkers und folglich die Konzentrationsänderung der Hydrophobierung einer Probe.

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Bild 6-19: Erläuterung der Auswertung

Negative Differenzwerte deuten auf einen Intensitätsanstieg des Markers auf der Oberfläche hin – das sollte jedoch bei validen A/B-Messungen ausgeschlossen sein. Folgende Umstände können diesen Anstieg verursacht haben:

Grundlegend wird vermutet, dass eine Depositionierung des Lasers oder der Probe den Anstieg der Silberintensität in den Vergleichsmessungen verursachte. Diese Positionsveränderungen hätten zur Folge, dass eine abweichende Oberfläche untersucht worden ist. Diese Oberfläche könnte mehr Hydrophobierung aufgenommen haben und hätte folglich eine höhere Konzentration des Silbermarkers in den Messungen ergeben.

Das abweichende Oberflächenprofil ist für die Vergleichsmessung nicht valide. Es kann aufgrund der folgenden Umstände entstanden sein:

- Die Proben wurden am Verfahrtisch verschoben, dadurch wurde die Position der Probenoberfläche zum Laser verändert.
- Hohe Labortemperaturen führten zur Ausdehnung der Materialen der Messinstrumente des LIBS-Systems und veränderten folglich die Position des Lasers.
- Untersuchungen durch Dritte, außerhalb des Projektes zwischen den Vergleichsmessungen, führten zu veränderten Einstellungen des sensiblen Messsystems. Dadurch kann die Position des Lasers verändert worden sein.

6.1 Bohrkerne aus Horstwalde

Die nachfolgenden Tabellen unterscheiden sich in:

- Probenart und dem

- Schneideverfahren (Nass-, Trockenscheiden oder Spalten).

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Tabelle 6 - 10: Ergebnisse – vor und nach dem Nassschneiden

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Tabelle 6 - 11: Ergebnisse – vor und nach dem Trockenschneiden

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Tabelle 6 - 12: Ergebnisse – vor und nach dem Spalten

Die Tabellen 6-10 bis 6-12 zeigen die Ergebnisse der Oberflächenmessung an den Bohrkernen aus Horstwalde vor und nach dem Trennen mit unterschiedlichen Verfahren.

Erwartung :

Zu Beginn der Messung wurde vermutet, dass

1 die Proben, die mit Ag 1.000 ppm beaufschlagt wurden, die höchste Konzentration in den Messreihen aufweisen.
2 die Proben mit Ag 100 ppm eine geringere Konzentration aufweisen, als die Proben mit Ag 500 ppm.
3 Die Proben ohne Hydrophobierungsmittel kein Silber enthalten - ihr Konzentrationswert sollte den Wert Eins ergeben
4 das Trennverfahren Nassschneiden die Proben am stärksten auswäscht.
5 die Trennverfahren Trockenschneiden und Spalten keinen Einfluss auf die Dekonzentration des Markers haben.

Ergebnisse :

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Tabelle 6 - 13: Ergebnisse der Proben mit Demonstrator und AG 1.000 ppm

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Tabelle 6 - 14: Ergebnisse der Proben mit Demonstrator Ag 500 und Ag 100 ppm

1 Proben, die mit dem Hydrophobierungsmittel Demonstrator (Hg 200) Ag 1.000 ppm beaufschlagt wurden, weisen im Vergleich zu den Proben mit Ag 500 ppm und Ag 100 ppm eine höhere Konzentration des Silbermarkers auf (Tabellen 6-13 und 6- 14).

2 Des Weiteren ist die Konzentration der Proben mit Ag 500 ppm höher als die Konzentration der Proben mit Ag 100 ppm (Tabelle 6-14).
3 Proben ohne Hydrophobierungsmittel (SIL_209_ bis SIL_214_ mit der Endung B2 – Bohrkern Nummer 2) erreichten in den Messungen Werte größer Eins und weisen damit dennoch eine Konzentration von Silber auf.
4 Oberflächenprofile nassgeschnittener Proben differieren mit einem Mittelwert von 0,18 am stärksten. Daraus kann man ableiten, dass ihre Hydrophobierung am stärksten ausgewaschen wurde (Tabelle 6-10).

5 Oberflächenprofile trockengeschnittener Proben haben mit 0,083 die geringste Abnahme der Konzentration des Silbermarkers. Oberflächenprofile gespaltener Proben differieren zwischen dem ersten und zweiten Oberflächenprofil mit 0,126 ebenfalls stark (Tabellen 6-11 und 6-12).

Elf Proben haben eine positive Differenz zwischen den beiden Oberflächenprofilen. Dies deutet auf eine Auswaschung der Hydrophobierung hin. Sechs Proben haben eine negative Differenz zwischen beiden Oberflächen, das deutet auf einen Konzentrationsanstieg des Silbermarkers hin (Tabellen 6-10 bis 6-12).

Auswertung :

Hydrophobierte Proben der Markerkonzentration Ag 1.000 ppm (Tabelle 6-13) haben eine höhere Silberkonzentration im ersten Oberflächenprofil als Proben der Konzentration Ag 500 ppm und 100 ppm (Tabelle 6-14). Diese Messungen entsprechen den Erwartungen.

Die Bohrkerne SIL_209_ bis SIL_214_ der Endung B2 wurden nicht hydrophobiert. Dennoch ergaben die Messungen eine geringe Konzentration von Silber; die Ursache konnte nicht festgestellt werden.

Verifiziert wurde die Hypothese, dass das Trennverfahren Nassschneiden zur größten Auswaschung der Hydrophobierung führt. Nicht bestätigt wurde die Hypothese, Trockenschneiden und Spalten hätten keinen Einfluss auf die Auswaschung der Hydrophobierung. Ihren Einfluss erkennt man anhand der Vergleichsmessungen und der daraus ersichtlichen Dekonzentration des Silbermarkers (Tabellen 6-10 bis 6-12).

6.2 Referenzproben: Beton- und Mörtelprismen

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Tabelle 6 - 15: Ergebnisse – vor und nach dem Nassschneiden

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Tabelle 6 - 16: Ergebnisse – vor und nach dem Nassschneiden

Erwartung :

Zu Beginn der Messung wurde erwartet, dass

1 die Proben SIL_189.4e und SIL_209 annähernd gleiche Messwerte ergeben, aufgrund gleicher Betonrezeptur und Druckfestigkeitsklasse sowie des gleichen w/z- Wertes.
2 die Konzentrationsunterschiede der Marker in den Messwerten erkennbar sind.
3 das Trennverfahren Nassschneiden die größte Auswaschung bewirkt.

Ergebnisse :

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Tabelle 6 - 17: Vergleich der Proben SIL_189.4e und SIL_209_B3

1 Die Proben SIL_209 und SIL_189.4e weisen unterschiedliche Konzentrationen auf. Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass die Probe SIL_209_B3 mit Demonstrator Ag 1.000 ppm beaufschlagt wurde und SIL_189.4e mit IOTES Ag 1.000 ppm (Tabelle 6-17).
2 Im Vergleich sind die Ergebnisse der ersten Oberflächenmessung nicht aussagekräftig.

Obwohl alle vier Proben mit IOTES unterschiedlicher Markerkonzentration beaufschlagt wurden, sind die gemessenen Konzentrationen im ersten Oberflächenprofil annähernd gleich (Tabellen 6-15 und 6-16). Erst in der zweiten Messung wurden Vergleichswerte gemessen, die mit den erwarteten Konzentrationswerten korrespondieren.

- SIL_189.4b: IOTES Ag 500 ppm
- SIL_189.4c: IOTES Ag 100 ppm
- SIL_189.4d: IOTES
- SIL_189.4e: IOTES Ag 1.000 ppm

3 Aufgrund der negativen Differenz der Silberkonzentrationen zweier Oberflächenprofile konnte kein Auswaschungsverhalten festgestellt werden, somit konnte die These, dass das Nassschneiden die größte Auswaschung bewirkt, nicht bestätigt werden.

[...]


[1] Namensgebung

[2] Chemische Reaktion, bei der fortlaufend Monomere, hier Siliziummoleküle, an ein wachsendes Polymer angebunden werden.

[3] Gas aus angeregten Atomen, Molekülen, Elektronen und Ionen

[4] Entspricht 727 Grad Celsius

[5] Charge-coupled Device (19)

[6] Millijoule

[7] Is ert- el ektronic-Zweiphsen Schrittmonitor 1,8 (ISEL Germany AG)

[8] Sprossen-Gitter

[9] Verwendete Wellenlänge

[10] Spritzbeton SM04P vom Hersteller maxit; Festigkeitsklasse 42,5R

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Titel: Untersuchung des Auswaschungsverhaltens von gemarkerter Hydrophobierung bei Gebäuden mit der Laser-induced Breakdown Spectroscopy