Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP
Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP

Moderne Festkörperanalytik als Entwicklungstool – die Kombination macht den Unterschied

CT-Aufnahmen und Nachweis von Restquarznestern
© Fraunhofer IBP
CT-Aufnahmen von einem Porenbeton (p2, 0,35); rechts: Nachweis von Restquarznestern.

Für die Analyse, wie sich Festkörper – insbesondere Baustoffe – mineralogisch zusammensetzen, hat sich seit Jahrzehnten die Röntgendiffraktometrie (XRD) etabliert. Üblicherweise wird das zu untersuchende Material dafür zerkleinert, gemahlen und als Pulverprobe analysiert. Das Ergebnis: Eine Aussage über die mineralogische Gesamtzusammensetzung der Probe. Doch birgt das Verfahren auch einige Nachteile. Zum einen muss das Material, das untersucht werden soll, zerstört werden. Zum anderen lassen sich lokale Inhomogenitäten auf diese Weise nicht bestimmen.

Projektziele

Ortsaufgelöste, zerstörungsfreie Untersuchung

Am Fraunhofer IBP können die kristallinen Phasen von Bauteilen nun mittels XRD ortsaufgelöst und zerstörungsfrei analysiert werden: Möglich macht es ein spezieller Aufbau, mit dem die Oberfläche von Bauteilen punktfokussiert mit einer Auflösung von 100 Mikrometern (μm) abgerastert werden kann. Dies erlaubt Aussagen zur Phasenzusammensetzung, die sich räumlich zuordnen lassen. Auch kann die Zusammensetzung an Grenzflächen oder Phasenübergängen in Kompositbaustoffen direkt analysiert werden. Durch Abrastern eines Querschnitts des Baustoffs können selbst Veränderungen erkannt werden, die etwa durch Verwitterungsprozesse in der Tiefe entstehen. Die ortsaufgelöste Röntgendiffraktometrie ist jedoch immer auf eine Oberfläche von Bauteilen beschränkt.

Stand des Projektes

Starke Kombination: Röntgendiffraktometrie und Computertomographie

Möchte man einen Einblick in den inneren Aufbau von Proben erhalten, eignet sich die Computertomographie μ-CT. Was Baustoffe angeht, so kann man damit beispielsweise die Porenverteilung sichtbar machen – ebenso wie die Ausrichtung von Fasern oder die lokale Anreicherung bzw. Abreicherung von bestimmten Phasen im Inneren des Baustoffs. Auf diese Weise ist es möglich, Materialeigenschaften wie Schallabsorption oder Wärmeisolation präzise zu beurteilen. In der Abteilung Mineralische Werkstoffe und Baustoffrecycling des Fraunhofer IBP wurden ortsaufgelöste XRD und μ-CT miteinander kombiniert: Baustoffe und Bauteile lassen sich somit noch genauer und präziser untersuchen.

Etwa der Baustoff Porenbeton: Restquarz, der sich beim Autoklavierungsprozess nicht auflöst, beeinflusst die Wärmeleitfähigkeit negativ. Über die μ-CT können nun in einer Porenbetonprobe neben der Porosität auch Bereiche mit unterschiedlicher Dichte identifiziert werden. Mithilfe der ortsaufgelösten XRD können diese Bereiche anschließend mineralogisch analysiert werden, um zu bestimmen, welche kristallinen Phasen (z. B. Quarz) diese Dichteunterschiede verursachen.

SmartLab zur Röntgenanalytik
© Fraunhofer IBP
SmartLab zur Röntgenanalytik: Die Proben werden in den automatischen Probenwechsler gesetzt und röntgenografisch analysiert.