Faseroptische Sensoren zur Überwachung chemischer Korrosionsprozesse in Stahlbetonbauwerken

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Die Erhaltung des vorhandenen Baubestands nimmt in Deutschland eine immer wichtigere Rolle für die Bauwirtschaft und die Volkswirtschaft insgesamt ein. Es werden dringend Methoden benötigt, um die immer weiter ansteigenden Instandhaltungskosten zu verringern. Eine Möglichkeit hierfür stellen automatisierte Systeme für die Bauwerksüberwachung dar, die dabei helfen, den optimalen Zeitpunkt für Restaurationsmaßnahmen zu bestimmen. Das wichtigste moderne Baumaterial ist Beton, dessen grundlegenden Eigenschaften und Herstellung erläutert werden. Beton ist eine sehr komplexe und chemisch aggressive Messumgebung mit einem pH-Wert von ca. 12,6, die hohe Ansprüche an die mechanische und chemische Stabilität der entwickelten Sensoren stellt. Eine häufige Ursache für Bauwerksschäden ist das Zusammenwirken von chemischer Korrosion der Bausubstanz mit Bauwerksmängeln. Bei der Diskussion der wichtigsten chemischen Korrosionsprozesse von Beton wird aufgezeigt, dass zur Überwachung des Gesundheitszustands von Beton es in den meisten Fällen ausreicht, Feuchtigkeit, pH-Wert und Konzentration von Chlorid im Beton zu erfassen. Dabei wird auf die Besonderheiten eingegangen, die beim Messen in Beton auftreten.

Die entwickelten Sensoren setzen sich aus den zwei Modulen faseroptischer Sensorkorpus und sensitives Material zusammen. Die Sensormaterialien wiederum bestehen aus einem sensitiven Farbstoff zur molekularen Detektion der Messgröße und einem Polymer, das als Träger für den Farbstoff dient. Je nach Material ist der Farbstoff entweder als Host/Guest-System im Polymer eingebettet oder über kovalente Bindung an das Polymer angebunden. Im Laufe der Jahre sind vielfältige Erfahrungen mit verschiedenen faseroptischen Sensorkorpora gesammelt worden, die jedoch entweder schlechte optische Eigenschaften aufwiesen, sich nicht reproduzierbar herstellen ließen oder sich als ungeeignet für den Einbau in Beton erwiesen haben. Aufbauend auf den gesammelten Erfahrungen mit den vorhergehenden Sensorkorpora ist es im Rahmen dieser Arbeit gelungen, den faseroptischen Sensorkorpus zum planaren Transmissionssensor weiter zu entwickeln. Dieser äußerst stabile und gleichzeitig sehr simple Aufbau ist für die Massenfertigung geeignet und verspricht eine hohe Langzeitstabilität. Hergestellt wird der Sensor durch Aufkleben einer verspiegelten Glasfaser auf einem keramischen Substrat aus Macor®. Nach dem Aushärten des Klebers wird die Faser mit einer Wafer-Säge durchtrennt und der resultierende Schlitz mit dem Sensormaterial verfüllt. Das keramische Substrat hat sich als notwendig erwiesen, weil es sich zum einen sauber sägen lässt und es zum anderen sehr starr und somit nicht biegbar ist. Bei den zunächst verwendeten Polymersubstraten hat ein Verbiegen des Substrats zu Interferenzerscheinungen geführt, deren Ursache schematisch erläutert wird.

Neben der Entwicklung des planaren Transmissionssensors werden weitere Erkenntnisse über die verwendeten Sensormaterialien zur Messung von Feuchtigkeit und pH-Wert vorgestellt. So wird bestätigt, dass die Wellenlänge der maximalen Absorption des Materials zur Feuchtigkeitsmessung linear abhängig ist von der relativen Luftfeuchtigkeit. Bei dem Material zur Messung des pH-Werts zeigt sich, dass eine genaue Kalibrierung im Farbumschlagsbereich möglich, aber nicht zwingend notwendig ist. Eine einfache Analyse des Absorptionsspektrums des Sensormaterials gibt bereits Aussage darüber, ob der pH-Wert größer ist als 11. Der entwickelte pH-Sensor kann somit ohne Kalibrierung dazu genutzt werden, ein Absinken des pH-Werts im Beton zu detektieren. Für die Bauwerksüberwachung ist diese Information in den meisten Fällen ausreichend. Die Funktionsfähigkeit der Sensoren ist in verschiedenen Laborversuchen bestätigt worden. Erste Ergebnisse von Sensoren, die in einem realen Bauwerk eingesetzt werden, liegen vor.