DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

START Beiträge > Plakate > Bauwesen:

Neue Anwendungsmöglichkeiten der NMR-Aufsatztechnik

B. Wolter, G. Dobmann, N. Surkowa, F. Kohl, A. Marko
Fraunhofer-Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP), Saarbrücken
Kontakt: B. Wolter

Kurzfassung

Der Beitrag soll einen überblick über aktuelle Anwendungen der NMR-Aufsatztechnik (NMR = Nuclear Magnetic Resonance) geben. An einigen Beispielen wird die breite Anwendungsvielfalt dieser Messtechnik dargestellt:

  1. Die Bestimmung des Feuchtegehalts in quellfähigen Werkstoffen (Bentonit).
  2. Die Ermittlung des Diffusionskoeffizienten in Flüssigkeiten und heterogenen Systemen
  3. Die überwachung des Erhärtungsverlaufs in Beton

Keywords
Aufsatztechnik, Betonerhärtung, Diffusion, Feuchte, NMR

1H-NMR in Aufsatztechnik

Messverfahren der 1H-NMR ermöglichen die exakte Bestimmung der Wasserstoffdichte und der Wasserstoffbeweglichkeit. Forschungsergebnisse der letzten Jahre haben das enorme Potenzial dieser Methode für die Charakterisierung poröser Werkstoffe aufgezeigt. Bei der NMR-Aufsatztechnik nutzt man die Streufelder einer offenen Magnetanordnung und einer Flachspule, um ein sensitives Volumen im Außenraum der Messapparatur zu erzeugen (Bild 1). Im Gegensatz zur konventionellen NMR-Messtechnik kann die Apparatur daher einseitig an ein beliebig großes Prüfobjekt herangeführt werden. Das am IZFP entwickelte Prüfsystem "NMR-INSPECT" ist das weltweit erste komplett tragbare Messgerät der NMR-Aufsatztechnik (Bild 2). Ein wichtiges Anwendungsfeld ist die zerstörungsfreie Bestimmung von Tiefenprofilen der Feuchte in Baustoffen (Bild 3). Darüber hinaus eröffnet diese Prüftechnik die Möglichkeit, aus dem breiten Anwendungsspektrum der NMR-Methode eine Vielzahl von weiteren zerstörungsfreien Prüfverfahren zu entwickeln.

Bild 1: Prinzip der NMR-Aufsatztechnik Bild 3: Messen des Feuchteprofils in einem Betonpfeiler

Bild 2: Prüfsystem "NMR-INSPECT"

Feuchtegehalt in quellfähigen Werkstoffen

Situation:
Bentonit ist ein stark quellfähiges tonhaltiges Gestein, das durch die Verwitterung vulkanischer Asche entstanden ist. Erfolgt die Quellung innerhalb eines begrenzten Volumens (z.B. in einer Dichtungsschicht), so wird ein Quelldruck aufgebaut, der ja nach Dichte mehrere bar erreichen kann. Wegen des Quelldrucks dringt kein weiteres Wasser in die Dichtungsschicht vor. Quellfähige Tonmineralien werden daher zum Bau von Wasserbarrieren, Dichtungen (Deponien, Teiche, Kanäle) und Erddämmen eingesetzt. Daneben finden sich Anwendungen in der Pharma-, Lebensmittel-, Papier und Keramik-Industrie, die von der stark adsorbierenden Wirkung dieses Minerals Gebrauch machen. Die Funktion einer mineralischen Dichtungsschicht kann beeinträchtigt werden, wenn sie austrocknet und Schwindrisse entstehen - anderseits aber auch durch das Ausschwemmen bei einem überangebot an Wasser. Somit stellt der Feuchtegehalt eine wichtige Information für die Beurteilung der Dichtungswirkung dar.

Prüflösung:
Die exakte Bestimmung der Feuchte in einem quellfähigen Material erfordert ein Messverfahren, welches unabhängig von der Materialdichte ist, da sich diese mit dem Feuchtegehalt verändert. Im Gegensatz zu den meisten zerstörungsfreien Feuchtemessverfahren ermöglicht die NMR-Aufsatztechnik die exakte Bestimmung des dichteunabhängigen Feuchtegehalts. Das Verfahren misst die Wasserstoffdichte innerhalb eines Prüfvolumens, welche dann direkt in Werte des volumenbezogenen Feuchtegehalts umgerechnet werden kann.

Vorgehensweise:
Ausgehend von hohen Feuchtegehalten wurden Prüfkörper aus Bentonit schrittweise rückgetrocknet. Bei jedem Trocknungsschritt wurde das Tiefenprofil des 1H-NMR-Signals gemessen (Bild 4). Als Referenz wurde die Gewichtsdifferenz nach vollständiger Rücktrocknung bestimmt (Bild 5). Aus den so ermittelten Kalibrierkurven wurden die Messgenauigkeit, die Reproduzierbarkeit und die Nachweisempfindlichkeit des NMR-Messverfahrens ermittelt. Trotz der ausgeprägten Dichteänderung der trocknenden Prüfkörper zeigten die NMR-Messwerte eine lineare Abhängigkeit zum Feuchtegehalt.

Bild 4: Tiefenprofile des NMR-Signals in einem eingeschalten Bentonit-Prüfkörper, der von der Oberseite aus trocknet . Die abnehmende Breite der Tiefenprofile zeigt deutlich das Schwinden des trocknenden Prüfkörpers.

Bild 5: Das über das Tiefenprofil gemittelte NMR-Signal wurde dem mittels Rücktrocknung bestimmten Feuchtegehalt gegenübergestellt. Obwohl die Dichte des Bentonits stark feuchteabhängig ist, ergibt sich eine ausgezeichnete lineare Korrelation.

Selbstdiffusionskoeffizient von Flüssigkeiten

Situation:
Die Untersuchung der behinderten Flüssigkeitsdiffusion in porösen Werkstoffen liefert wesentliche Erkenntnisse über deren strukturellen Aufbau. Anhand des Selbstdiffusionskoeffizienten einer Porenflüssigkeit kann die innere Durchlässigkeit des Porensystems ermittelt werden, welche wiederum eine wesentliche Rolle für die Funktionseigenschaften von Filtern und Membranen, die Dauerhaftigkeit von Baustoffen oder die hydrogeologischen Eigenschaften des Erdreichs spielt. NMR-Messungen stellen einen methodisch einfachen und gleichzeitig sehr genauen Ansatz zur Messung des Diffusionskoeffizienten dar. Im Gegensatz zu Tracer-Messungen kann auf die aufwendige Herstellung radioaktiv markierter Moleküle verzichtet werden und Strahlenschutzmaßnahmen sind nicht erforderlich. In der wissenschaftlichen Forschung haben sich NMR-Diffusionsmessverfahren etabliert, die auf der Anwendung gepulster Gradientenfelder basieren. Die hierfür verwendeten Apparaturen der konventionellen NMR-Messtechnik können jedoch nur zur Untersuchung von Kleinstproben und nicht für die zerstörungsfreie Messung vor Ort eingesetzt werden.

Prüflösung:
Eine genaue Bestimmung des Diffusionskoeffizienten einer Flüssigkeit ist auch mit der NMR-Aufsatztechnik möglich. Statt zusätzlicher gepulster Gradientenfelder wird hier das statische Gradientenfeld des Aufsatzmagneten verwendet. So kann z.B. die innere Durchlässigkeit von Baustoffen zerstörungsfrei an der Komponente bestimmt werden.

Vorgehensweise:
Um die Leistungsfähigkeit der Methode zu untersuchen, wurde zunächst der Diffusionskoeffizient in einer Reihe von wohldefinierten organischen Flüssigkeiten mit bekannten Diffusionseigenschaften bestimmt (Bild 6). Anschließend wurde das Verfahren an porösen Werkstoffen angewendet (Bild 7).

Bild 6: Mit Hilfe der NMR-Aufsatztechnik wurde der Diffusionskoeffizient in einer Reihe wohldefinierter Testflüssigkeiten bestimmt (bei 25 °C). Die Literaturwerte des Diffusions-koeffizienten wurden exakt und reproduzierbar wiedergegeben.

Bild 7: Diffusionskoeffizient von reinem Wasser, von Wasser in einem Glaskugel-Phantom (Kugel-Duchmesser = 0.1 mm) und von Wasser in Bentonit. Je nach Porengröße des Werkstoffs wird Wasserdiffusion mehr oder weniger stark behindert.

Erhärtung von Beton

Situation:
Für eine gezielte Planung, Steuerung und Kontrolle der betontechnologischen Arbeiten (Vergießen, Verdichten, Ein- und Ausschalen, Freigeben für Belastungen, etc.) ist die aktuelle Kenntnis und gegebenenfalls sogar die Prognose des Erhärtungsfortschritts unerlässlich. Das normierte Verfahren, bei dem die Erhärtungsdruckfestigkeit zerstörend an sogenannten Erhärtungswürfeln getestet wird (DIN 1045), ist für die tägliche Baupraxis wenig geeignet.

Prüflösung:
Messkurven der transversalen 1H-Relaxation (T2-Relaxationskurven) des Betonwassers liefern detaillierte Informationen über die Betonerhärtung (Bild 8). Aus diesen Messkurven kann der Gehalt des noch vorhandenen nicht chemisch gebundenen Wassers (A2) und die spezifische Oberfläche des Beton-Porensystems (1/T22) bestimmt werden. Beide Messgrößen ändern sich dramatisch während der Erhärtung, was eine genaue Bestimmung des Erhärtungsverlaufs ermöglicht (Bild 9). Die Zunahme der Druckfestigkeit während der Erhärtung hat auf mikrostruktureller Ebene ihre Ursache in der Zunahme der spezifischen Oberfläche.

Vorgehensweise:
Momentan wird die Leistungsfähigkeit verschiedener zerstörungsfreier Messverfahren für die Erhärtungsprognose in Beton in einem Ringversuch untersucht. Im Rahmen dieser Versuchsreihen wird auch das NMR-Verfahren validiert.

Bild 8: T2-Relaxationskurven des Wasserstoffs im Betonwasser für verschiedene Erhärtungszeiten.

Bild 9: Gehalt des nicht chemisch gebundenen Wassers (~A2) und spezifische Oberfläche des Beton-Porensystems (~1/T22) als Funktion der Erhärtungszeit.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net