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Innovative Methode für die Betondiagnostik

Unter wissenschaftlicher Leitung der TU Graz arbeitet ein österreichisches Konsortium an neuen Untersuchungsmethoden zur schnellen und präzisen Bestandsaufnahme bei Betonbauten.

LumACon Team
Arbeiten institutsübergreifend an der TU Graz an neuen Untersuchungsmethoden für Betonbauten: Bernhard Müller (Institut für Analytische Chemie und Lebensmittelchemie), Martin Dietzel (Leiter des Instituts für Angewandte Geowissenschaften), Florian Mittermayr (Institut für Materialprüfung für Baustofftechnologie), Isabel Galan Garcia und Cyrill Grengg (beide Institut für Angewandte Geowissenschaften), Torsten Mayr (Institut für Analytische Chemie und Lebensmittelchemie). (Abb.: Melbinger – TU Graz)

Bröckelnde Tunnelwände, Risse in Betonfassaden oder poröse Brückenpfeiler: Schäden an Betonbauwerken, hervorgerufen durch diverse Umwelteinflüsse, verursachen laut Statistiken der National Association of Corrosion Engineers (NACE) weltweit jedes Jahr Kosten von mehreren Milliarden Euro. Im Schulterschluss mit der Österreichischen Bautechnik Vereinigung (ÖBV) wollen Forschende der TU Graz zur Lösung dieses globalen und volkswirtschaftlichen Problems beitragen.

Im Projekt LumAConM (High-resolution Luminescent Analyses of Construction Materials) arbeitet das Konsortium an einem neuartigen, einfachen und kostengünstigen Verfahren, das erstmals eine detaillierte Zustandserhebung von Betonbauten vor Ort sowie Labormessungen mit großer Präzision ermöglicht. Das Ziel: Lebensdauer, sowie etwaige Problemstellen, sehr viel schneller und präziser bewerten, als es mit derzeit verfügbaren Analysemethoden möglich ist. Die Forschenden erhoffen sich zusätzlich durch das neue Verfahren außerdem ein besseres Verständnis über den Verlauf wesentlicher Korrosionsprozesse. „Dieses Wissen ermöglicht zielgerichtete und kostengünstige Sanierungen und ist wesentlich für die Entwicklung neuer, nachhaltiger und dauerhafter Materialien“, erklärt Florian Mittermayr, Forscher am Institut für Materialprüfung für Baustofftechnologie der TU Graz.

Sensormaterial ist die Basis

LumAconM Anwendungen
Das Team von der TU Graz arbeitet an weiteren Anwendungsmöglichkeiten der neuen Messmethodik. (Abb.: TU Graz)

Optisch-chemische Sensorik bildet die Grundlage für das neue Verfahren. Diese hochentwickelte, optische Messanalytik wurde bislang vor allem in der Biotechnologie und Medizintechnik eingesetzt. „Wir wollen das Werkzeug nun auch in der Zustandserhebung von Betoninfrastruktur anwenden und damit eine völlig neue Generation von Sensoren für die Baubranche entwickeln“, so Bernhard Müller, Chemiker am Institut für Analytische Chemie und Lebensmittelchemie.

Beispielhaft dafür steht ein an der TU Graz umgesetztes bildgebendes Messsystem zur quantitativen Bestimmung des pH-Wertes in zementbasierenden Materialien – ein Parameter, der meist direkt mit Korrosionsschäden korreliert. Das Messsystem besteht aus einer Kunststofffolie mit einer quellbaren (also wasseraufnehmenden) Polymerschicht, in der ein Indikatorfarbstoff sowie ein Referenzfarbstoff enthalten sind. Die Größe der Sensorfolie kann dabei an die Größe des zu untersuchenden Probekörpers angepasst werden. Die nasse Folie wird auf den Probekörper aufgebracht und die pH-Verteilungsbilder dann mithilfe einer Spezialkamera generiert. Diese Technik kann Unregelmäßigkeiten im pH-Wert in verschiedenen Baustoffen bereits sehr genau erfassen und Korrosionsschäden äußerst detailliert charakterisieren. Im LumAConM-Projekt soll das Messsystem nun bis Ende des Jahres 2022 weiterentwickelt werden und in einer vielseitig einsetzbaren Messtechnologie münden.

Chorid-Konzentration soll auch bestimmt werden können

LumAConM pH Verteilung
Das Bild zeigt anhand eines Querschnitts die pH-Verteilung in einer durch CO2 alterierten Betonprobe zusammen mit dem Mess-Setup. (Abb.: TU Graz)

Zum einen wollen die Forschenden das Messsystem auf weitere Parameter wie zum Beispiel Chlorid erweitern. Das würde erstmals die kombinierte Bestimmung der Chlorid-Konzentration und des pH-Werts direkt vor Ort an Betonbauwerken ermöglichen. Chlorid-Angriffe, verursacht beispielsweise durch Streusalze im Winter, stellen eine erhebliche Korrosionsgefahr für Betonbauwerke dar (insbesondere für Brücken) und zählen zu den weltweit häufigsten Korrosionsursachen.

Zum anderen soll das für die Folien entwickelte Sensormaterial auch auf andere Sensorformate übertragen werden: Bei unebenen Betonoberflächen, für die sich die Folien nicht eignen, möchte das Team aufsprühbare Sensorpartikel einsetzen und die Imaging-Technik dadurch auch für die gängige Praxis des Aufstemmens vor Ort verfügbar machen. Derzeit erfolgt die Zustandserhebung aufwändig mittels Bohrkernentnahme und aufwendiger Chlorid-Bestimmung durch Chlorid-Titration. Außerdem ist die Herstellung miniaturisierter Sonden basierend auf optischen Fasern geplant. Das würde nicht nur Messungen an der Betonoberfläche ermöglichen, sondern mittels Bohrlöchern auch das einfache Erstellen von Tiefenprofilen erlauben. Weitere Informationen finden Sie auf der Website der TU Graz .