DE19726023A1

DE19726023A1 - Verfahren zur qualitativen und quantitativen infrarotspektroskopischen Bestimmung mineralischer Baustoffe

Info

Publication number: DE19726023A1
Application number: DE19726023A
Authority: DE
Inventors: Mario Dipl Chem Muehle; Reiner Prof Dr Rer Nat Salzer; Renate Chem Ing Lunkwitz
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1997-06-19
Publication date: 1998-12-24

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur qualitativen und quan titativen infrarotspektroskopischen Bestimmung mineralischer Baustoffe.

Herkömmliche identifizierende Baustoffanalyseverfahren sind Röntgendiffraktion, Röntgenfluoreszenz, sowie naßchemische Tech niken.

Als nachteilig erweist sich dabei, daß diese Methoden mit einem hohen geräte- und bedienungstechnischen Aufwand und damit nicht unerheblichen Zeit- und Kostenfaktor verbunden sind. Darüber hinaus lassen sich amorphe bis nanokristalline Substanzen durch die Röntgenanalytik nicht erfassen; eine Auswertung von Mehr komponentensystemen wird mit zunehmender Zahl der Spezies unsi cher, für Baustoffe typische Tonminerale sind schwierig zu identifizieren, gestörte Kristalle geben keine eindeutigen Reflexe.

Die IR-Spektroskopie ist hinreichend bekannt und wird in den verschiedensten Bereichen der Technik angewendet. Eine Anwendung der IR-Spektroskopie bei der Bestimmung mineralischer Baustoffe ist bisher nur selten erfolgt, wobei die Auswertung manuell durchgeführt wurde. Derartige Auswertungen sind zeit- und ko stenintensiv.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die IR-Spektrosko pie für die qualitative und quantitative Bestimmung von minera lischen Baustoffen zu automatisieren. Dabei soll eine eindeutige Bestimmung der verschiedenen Spezies historischer sowie ein zusetzender aktueller Baustoffe ermöglicht werden. Von besonde rem Interesse ist die Identifizierung von Tonmineralien, die mit den bisher angewandten Methoden nur schwer möglich war.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens ergeben sich im Zusammenhang mit den Unteransprü chen.

Aus dem zu bestimmenden Baustoff wird zunächst eine repräsenta tive Probe entnommen, die anschließend homogenisiert und davon ein bestimmter Teil vermahlen wird. Auf die Homogenisierung ist besonderes Augenmerk zu legen, da nur ein kleiner Teil der ent nommen Probe mit einem Einbettungskörper zu einem Probenkörper verpreßt wird (Schritt c).

Nun wird das Spektrum des Probenkörpers mittels FTIR-Spektro meter in Transmission aufgenommen und das gewonnene Spektrum in ein Absorbansspektrum umgerechnet.

Anschließend erfolgt die qualitative und quantitative Auswertung des Spektrums. Dabei wird folgendermaßen vorgegangen:

- Analyse der vorhandenen Spezies aus dem Signal-/Rauschverhältnis,
- Peak-Separation und eine Bestimmung der Grundlinie und Aus wahl eines geeigneten Grundlinienverfahrens,
- quantitative Auswertung durch eine Peakaufbereitung ent sprechend der Spektrenqualität und des Mischungscharakters der Spezies.

Schließlich werden die nachgewiesenen Spezies benannt und dessen Anteil an der untersuchten Probe angegeben.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß auf IR-Spektrometer zurückgegriffen werden kann, die zur Stan dardausrüstung analytischer Laboratorien gehören. Das Verfahren als molekülspektroskopische Methode erlaubt die konkrete Be stimmung mineralischer Spezies. Es kann mit geringen Probenmen gen gearbeitet und in kurzer Zeit eine Aussage über die für Baustoffe relevanten Systeme erhalten werden. Dies ist besonders wichtig bei der Sanierung von historischen Bauwerken, über deren Bau- und Zuschlagstoffe wenig Klarheit herrscht, aber auch beim Neubau zur Auswahl der Zuschlag- und Zusatzstoffe.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbei spiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein IR-Spektrum für reines Kaolinit in Transmission und ungeglätteter Form

Fig. 2 eine IR-Spektrum einer synthetischen Kalkmörtelmi schung mit 20% Kaolinitanteil in Transmission und ungeglätteter Form

Fig. 3 ein IR-Spektrum eines historischen Kalkmörtels mit 4% Kaolinitanteil in Transmission und ungeglätteter Form

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung eines Peakerwartungs bereiches.

In den Fig. 1 und 2 werden IR-Spektren von Modellsubstanzen gezeigt, die zur Festlegung des Peakerwartungsbereiches gemäß der Fig. 4 dienen. Die Modellsubstanzen liefern also Aussagen darüber, an welchen Stellen auswertbare Peaks einer realen Probe entsprechend der Fig. 3 zu erwarten sind.

Die Herstellung eines Probenkörpers erfolgte folgendermaßen:
Aus einer Mörtelprobe wurden eine Materialmenge von 1 g entnommen und diese in einer Kugelmühle homogenisiert. Von dieser homogenisierten Menge wurden 0,1 g in einer Wolframkarbid-Kugelmühle 15 min lang aufgemahlen. Aus dieser aufgemahlenen Menge wurde mit 400 g Kaliumbromid eine Probentablette hergestellt. Anschließend erfolgte die Aufnahme des FTIR-Spektrums.

Die Spektrenauswertung erfolgte folgendermaßen:

1. Analyse des Signal-Rauschverhältnisses, durch Bestimmung und Quotientenbildung der Standardabweichung der Extinktionswerte im Bereich 3749 bis 3742 cm^-1 und im Bereich 3727 bis 3721 cm^-1.
2. Entsprechend des bestimmten Quotienten wird die Glättungs quantität festgeschrieben und als (eventl. wiederholte) Methode der gleitenden Mittelwertbildung durchgeführt.
3. Anschließend werden die Peakerwartungsbereiche 3698 bis 3691 cm^-1 und 3623 bis 3615 cm^-1 ausgelesen (vgl. Fig. 4). Sofern in diesen Bereichen Peaks auftreten, ist der Nachweis von Kaolinit erfolgt.
4. Nachfolgend wird eine Grundlinienbestimmung durchgeführt, indem eine Tangente (Grundlinie) linear regressiv zwischen den Bereichen 3725 bis 3520 cm^-1 und 3520 bis 3515 cm^-1 angelegt wird.
5. Entsprechend der Spektrenqualität (bestimmt durch das Signal- Rauschverhältnis) und dem Mischungscharakter wird bei der Er mittlung der Kaolinitquantität auf ungeglättete oder geglättete Extinktionswerte zurückgegriffen.
6. Die Ermittlung der quantitativen Werte erfolgt aus der Peak höhe über der Grundlinie.
7. Der Relativwert wird mit dem Intensitätsfaktor (Ermittelt aus Mehrstoff-Modellmischungen der mörtelrelevanten Komponenten zur Kalibration des Systems) multipliziert und kann somit mit den weiterhin bestimmten Komponenten des Mörtels ins Verhältnis gesetzt werden.
8. Anschließend erfolgt die Werteausgabe.

Claims

1. Verfahren zur qualitativen und quantitativen infrarotspek troskopischen Bestimmung mineralischer Baustoffe, bei dem

a) aus dem zu bestimmenden Baustoff eine repräsentative Probe entnommen wird,
b) anschließend die Probe homogenisiert und ein bestimmter Teil vermahlen wird,
c) der vermahlene Teil mit einem für die IR-Spektroskopie geeigneten Einbettungsmittel zu einem Probenkörper verpreßt wird,
d) das Spektrum des Probenkörpers mittels FTIR-Spektrometer in Transmission aufgenommen und in ein Absorbansspektrum umgerechnet wird,
e) und das Spektrum so ausgewertet wird, daß
- - eine Analyse des Signal/Rauschverhältnisses in Erwar tungsbereichen relevanter Peaks erfolgt,
- - eine Peak-Separation durchgeführt wird und eine Be stimmung der Grundlinie und Auswahl des Grundlinien verfahrens erfolgt,
- - und die quantitative Auswertung durch eine Peakauf bereitung entsprechend der Spektrenqualität und des Mischungscharakters der Spezies erfolgt,
d) und schließlich die nachgewiesenen Spezies benannt und dessen Anteil an der untersuchten Probe angegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Einbettungsmittel Kaliumbromid verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe in einer Wolfram-Karbidmühle 14 bis 16 min vermahlen wird, wobei einer Mühle mit einem Fassungsvermögen von 5 ml bis zu 1 g Mahlgut zugegeben wird.